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miércoles, 6 de noviembre de 2019

Controles y Verificaciones eléctricas en Subestaciones (Parte 1ª)





La diversidad de equipos que componen una Subestación Eléctrica se ven expuestos, durante su vida útil, a diferentes fenómenos naturales tales como descargas eléctricas, corrosión ambiental, degradación del aislamiento, y fallos propios en las operaciones del sistema de transmisión que afectan a sus componentes y como consecuencia a la fiabilidad y vida útil de los mismos. El proceso de degradación y envejecimiento del material es acumulativo, y frecuentemente las pérdidas económicas y daños que acarrean por fallos en la instalación son mucho más costosos que su oportuna renovación.

De lo anterior se deriva la importancia de implantar un programa de mantenimiento que garantice la disponibilidad de cada elemento componente de la Subestación y permita obtener una alta confiabilidad y continuidad de la transmisión de energía y consecuentemente del suministro de energía eléctrica a los usuarios.

La legislación sobre instalaciones eléctricas establece que toda instalación de más de 1.000 V debe tener un contrato de mantenimiento que asegure que el suministro se realiza con regularidad y en las necesarias condiciones de seguridad (art. 12 del reglamento español sobre Centrales eléctricas, Subestaciones y Centros de Transformación y art.92 del reglamento de Verificaciones eléctricas).

En el presente documento se exponen diferentes técnicas de diagnosis y pruebas de campo cuyo objetivo es establecer un plan de mantenimiento especializado capaz de proporcionar la trazabilidad del comportamiento de los diferentes elementos de la Instalación y faciliten el análisis y toma de decisiones en lo que respecta a la frecuencia y organización del mantenimiento más conveniente: preventivo, correctivo, predictivo, monitoreo o incluso el posible reemplazo de equipos. Dicha frecuencia se fija en función de criterios de responsabilidad y riesgo, tales como: régimen y trabajos de explotación, características tecnológicas de la instalación, incidencias detectadas y seguridad.

La elaboración del diagnóstico se basa en la comprobación de los resultados obtenidos con los criterios y tolerancias establecidas, tales como: protocolo de recepción, datos facilitados por el fabricante, valores disponibles de pruebas anteriores o de modelos similares, comparación con resultados obtenidos en otras fases y datos referenciados en documentos y procedimientos de mantenimiento, aplicados con el mismo método de medida o complementados por la evolución observada con otras técnicas asociadas.

“Lo que no se mide, no se controla y lo que no se controla no se mejora”

Para su aplicación, algunas de las técnicas de mantenimiento precisan que los equipos de la Subestación se encuentren fuera de servicio, en tanto que otros requieren que el equipo a evaluar se encuentre en servicio, siendo conveniente en estos casos incluir en el diseño del sistema la instalación de adaptadores mecánicos y sensores eléctricos que faciliten la medición.

En los últimos años se ha apreciado un progresivo desarrollo en la incorporación de nuevas técnicas de medida en la monitorización de parámetros de mantenimiento, tales como: intensidad de corte acumulada en interruptores, régimen térmico en transformadores de potencia, etc. Asimismo, merece destacar el avance alcanzado, en la monitorización on-line de las instalaciones mediante sistemas de control digital que incluyen la teletransmisión de señales, alarmas y la medida de magnitudes de funcionamiento del sistema eléctrico de la Subestación.

Sobre estos sistemas de monitorización, se expone en la siguiente URL, como ejemplo, un sistema avanzado sobre vigilancia on-line de Transformadores de Potencia:

1.- Técnicas de control y verificación en el mantenimiento predictivo de Subestaciones

A continuación se exponen las técnicas de verificación eléctrica y controles a realizar en cada elemento de la Subestación Eléctrica, se requieren, para su adecuada ejecución, equipos de medida y análisis de última generación por lo que se precisa que el personal operario esté especializado en su manipulación.

En nuestros comentarios nos vamos a basar en los Sistema Multifunción de Prueba y Diagnóstico de Subestación de la casa Omicron.


Figura 1: Partes componentes del equipo de pruebas CPC 100 de Omicron




Figura 2: Componentes funcionales del CPC 100 (Omicron)


Figura 3: Equipo CPC 100 con módulo de diagnóstico
del estado de aislamiento CP TD1 (Omicron)

2.- Ensayos de campo en Transformadores de Potencia,

Los transformadores de Subestación son los equipos que requieren mayor inversión en su adquisición y puesta en servicio, su importancia en el proceso de transmisión de energía eléctrica es vital, la avería de un transformador de esta naturaleza implica asumir elevados costos, no solo por el reemplazo de la unidad sino también por el lucro cesante ante la imposibilidad de una rápida reparación o reposición para abastecer el suministro eléctrico.

Las pruebas eléctricas de campo que integran el análisis del comportamiento de estos transformadores y de las cuales se pueden llevar una trazabilidad en el tiempo son:

2.1.- Factor de disipación (DF)/ (tang δ) en arrollamientos y bornas (bushing) y capacitancia de arrollamientos. Estas pruebas están descritas en la norma IEEE Std. 62-1995 “Draft Standard Guide for Diagnostic Field Testing of Electric Power Apparatus”
2.2.-  Relación de transformación, polaridad y fase: El estándar ANSI/IEEE C57.12.91 hace una descripción de la prueba y los métodos de evaluación de la misma.
2.3.-  Corriente de excitación
2.4.-  Medición de la impedancia en cortocircuito/reactancia de dispersión. Se rige por ANSI/IEEE Std. 62-1995.
1.5.-  Resistencia de aislamiento: Se mide la resistencia de aislamiento en cada devanado, de
acuerdo al estándar ANSI/IEEE C57.12.91.
2.6.-  Resistencia de devanados: Los valores obtenidos deben compararse con los valores de fábrica corregidos a la misma temperatura. Se rige por ANSI/IEEE Std. 62-1995.
2.7.- Medida de la resistencia de conmutación en reguladores en carga
2.8.-  Descargas parciales
2.9.-  Análisis de respuesta en frecuencia (FRA)

2.1 Factor de disipación (DF)/ (tang δ)

2.1.1.- En arrollamientos de transformadores 

El deterioro del aislamiento, contaminación o daños físicos pueden originar cambios en los valores de la capacidad de los arrollamientos y bornas (bushings) de los transformadores. A su vez, cada aislante tiene un determinado nivel de pérdidas dieléctricas. Un buen aislante implica, generalmente, bajas pérdidas dieléctricas. Por el contrario, un nivel elevado de pérdidas puede ser indicativo de problemas en la estructura del aislamiento.

Estas pérdidas pueden ser debidas a contaminación, suciedad o sustancias químicas. El coeficiente que se considera para estimar estas pérdidas es la tg δ (tangente del ángulo de pérdidas o factor de disipación). Los valores de tang. δ (%) informan del estado del aislamiento, valores elevados de tangente δ implican deterioro del dieléctrico o en proceso degenerativo.


Figura 4: Circuito equivalente del condensador real

Con la medida del factor de potencia o tangente del ángulo de pérdidas en aislantes sólidos y líquidos se puede detectar la presencia de un defecto, aunque existan capas de aislante en buen estado en serie con el defectuoso, permitiendo aislar en la medición el efecto del aislamiento externo.

Interpretación de resultados:
  • Aislamiento correcto: Tang. δ < 0,5 % para Un > 132 kV y < 1 % para Un < 132 kV
  • No existencia de tip-up o tip-down
  • Aplicación de factor de corrección a 20 ºC según temperatura y humedad del equipo.
  • Interpretación de resultados si tang. δ > 0,5 %



Figura 5

Para el caso de los arrollamientos, las mediciones se hacen para tensiones del orden de los 10 kV y, mediante el uso de guardas es posible medir la capacidad y tg δ entre los diferentes arrollamientos y tierra, como se indica en el ejemplo de la Figura 6.


Figura 6: Configuración para la medición de la capacidad y Tg δ

En la actualidad, pueden emplearse sistemas de medición on-line, que monitorean los valores de capacidad y tg δ de los arrollamientos y bushing, con la ventaja adicional, que dichos valores son a la tensión de servicio.

2.1.2.- En Bornas capacitivas:

El costo de las bornas es poco significativo respecto al transformador propiamente dicho. Sin embargo un fallo en una borna puede sacar intempestivamente de servicio al transformador.

Es por ello que deben ser chequeados periódicamente. Para evaluar el estado de las bornas por medio de las mediciones de capacidad y tg δ, se deben considerar las dos capacidades C1 y C2 que presentan.


Figura 7: Tipología clásica de un bushing


Interpretación de resultados en bornas nuevas:

C1 < 0,5 %
C2 < 2 %


Figura 8: Progresión de la Capacidad y Tang δ de un bushing de AT

De acuerdo a IEEE Std. 62-1995, para los bushings las diferencias de los valores de referencia y los medidos no deben ser superiores al 1 %.

2.1.3.- Capacitancia de un transformador

Los valores de capacidad dan información sobre la configuración geométrica del transformador. Comparando valores de  capacitancias se detectan desplazamientos de los devanados después de haberse producido efectos electrodinámicos en las instalaciones, vibraciones importantes o seísmos. La variación de la capacidad de un aislamiento prueba, entre otras,  la existencia de condiciones anormales, como presencia de humedad, secciones de condensador cortocircuitadas o interrumpidas, defectos a tierra del blindaje, deformación de bobinados en transformadores de potencia y deficiencias en condensadores de reparto de tensión.


Figura 9: Medida de las capacidades en un transformador

Metodología del ensayo, aplicable a cualquier aparamenta:
  • Limpieza del aislamiento externo
  • Conexionar correctamente según condicionantes de la medición
  • Medida de todas las capacidades a diferentes tensiones de ensayo (normalmente a 2 y a 10 kV sin sobrepasar la tensión máxima por fase del devanado).  

El equipo empleado para la medida de capacitancia y Tang. δ es el representado en la figura 3 compuesto por la unidad CPC 100 junto con el CP TD1 de Omicron.

2.2.-  Relación de transformación, polaridad y fase

Permite detectar:
  •  Defectos de aislamiento de pequeña magnitud en los bobinados y en el  regulador.
  • Confirma la relación de la placa de características.
  • Detecta cortocircuitos entre espiras en  las bobinas
La relación de transformación generalmente se mide desde el devanado de alta tensión hasta el devanado de baja tensión, con el fin de evitar tensiones peligrosas en las entradas de medición.

Un núcleo magnetizado o la ausencia de una referencia de tierra pueden influir en la medición y producir resultados incorrectos. Por lo tanto es muy importante asegurarse de que el núcleo del transformador está desmagnetizado y de que se han realizado las conexiones a tierra adecuadas en cada devanado,

Cuando el defecto es muy resistivo, por ejemplo, la existencia de carbonilla, no permite detectar el defecto utilizando baja tensión, en tales casos hay que recurrir a un ensayo de 10 kV o bien al ensayo de excitación descrito en 2.3.


Figura 10: Esquema de conexiones para la prueba de relación
de transformación por toma en un TP, Yy0


Figura 11: Esquema de conexiones para la prueba de relación
de transformación por toma en un TP, Yd5


Figura 12: Esquema de conexiones para la prueba de relación de transformación
en cada una de las tomas del regulador en carga

Medida de la relación de transformación a 10 kV:

Metodología del ensayo:
  • Se aplica tensión alterna de 10 kV a cada fase de los devanados primarios de alta tensión y se mide la tensión en el lados secundario
  • La prueba se repite en cada toma del regulador de tensión.

Interpretación de resultados:
  •  La relación entre primario y secundario debe de coincidir con los obtenidos en fábrica.
  • De acuerdo con la normas IEC 60076-1 e IEEE C57.152 los valores medidos no deberán desviarse más de un 0,5 % de la relación nominal.
Tipos de defectos encontrados:
  • Espiras cortocircuitadas
  • Cortocircuito entre bobinas diferentes
  • Anomalías entre contactos del selector o preselector de tomas de regulación.

La polaridad y el ángulo de fase tienen particular importancia cuando el transformador se encuentra conectado en paralelo con otros transformadores. Mediante este ensayo se verifica la desviación angular entre el primario y secundario de cada fase.

Las diferencias con los valores de referencia, pueden ser debidas a desplazamientos geométricos entre arrollamientos, generados por fuertes solicitaciones dinámicas.

Para saber más, ver post: “Ensayo de Transformadores: Medida de la relación de transformación y verificación del símbolo de acoplamiento” en el siguiente link:

2.3.-Medida de la corriente de excitación en transformadores de potencia

La medida de la corriente de excitación a tensión reducida puede utilizarse en campo para localizar ciertos defectos relacionados con el aislamiento de la estructura del núcleo y chapas magnéticas, fallos en el aislamiento entre espiras del devanado y deficiencias en los dispositivos de conmutación del regulador de tensión.


Figura 13

En la prueba de corriente de excitación la inyección de tensión se efectúa por el lado de alta tensión, ya que de esta forma el valor de la corriente requerida es menor. Si la conexión del transformador es en estrella, la conexión deberá efectuarse entre fase y neutro, con el neutro desconectado. En caso de que la conexión sea en triángulo, la prueba se hace entre fase y fase. El terminal que queda libre debe ser conectado a tierra. En el caso de transformadores trifásicos de columnas, los resultados mostrarán dos corrientes iguales y una diferente. Si el lado de baja tensión se encuentra en estrella y posee conexión a tierra esta deberá estar conectada.

Al aplicar tensión a cada uno de los bobinados por separado obtenemos lecturas de intensidad de magnetización y potencia de pérdidas.

La excitación es correcta cuando se obtienen resultados similares en fases extremas (diferencias menores del 6%) y ligeramente superiores a la de la fase central.

Permite detectar los problemas siguientes:
  • Cortocircuito entre espiras
  • Laminado del núcleo magnético en cortocircuito
  • Bridas de apriete del núcleo flojas
  • Cambios en las características del hierro
  • Contactos o conexiones flojas



Continua en: Controles y Verificaciones eléctricas en Subestaciones (Parte 2ª):
https://imseingenieria.blogspot.com/2019/11/controles-y-verificaciones-electricas_7.html
























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