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Consideraciones sobre las limitaciones de los análisis termográficos

jueves, 7 de noviembre de 2019

Controles y Verificaciones eléctricas en Subestaciones (Parte 2ª)




Continuación del post: “Controles y Verificaciones eléctricas en Subestaciones (Parte 1ª)”

2.4.- Medición de la impedancia en cortocircuito/reactancia de dispersión

La impedancia de cortocircuito del transformador depende, entre otros factores, de la distancia entre las espiras de los arrollamientos. Por ello, este parámetro se mide con el fin de detectar posibles movimientos de los arrollamientos generados en el transporte o en solicitaciones severas durante el servicio.

La medida consiste en conectar una fuente de CA a cada fase del devanado de alta tensión Durante la medición de tres fases, las tres fases del lado de baja tensión están en cortocircuito sin conectar el terminal neutro, si lo hay. Para la prueba por fase, el cortocircuito se aplica solo en el devanado correspondiente en el lado de baja tensión.

Se mide la corriente y la tensión que pasa por el devanado de alta tensión en amplitud y fase

Finalmente se calcula la impedancia de cortocircuito teniendo en cuenta los valores nominales específicos del transformador

La norma IEEE P62-1995, “Draft Standard Guide for Diagnostic Field Testing of Electric Power Apparatus”, considera que las diferencias son aceptables si permanecen por debajo del ±3%.

Sin embargo, las desviaciones superiores no confirman automáticamente una deformación del devanado. Para que sea así, debe fallar al menos uno de los resultados de la prueba de reactancia de dispersión por fase.

Cada resultado de fase deberá compararse con el promedio de las tres mediciones de la prueba por fase. En la mayoría de los casos las desviaciones del promedio serán inferiores al 1 % y no deberán ser superiores al 2-3 %. Los resultados de la prueba por fase no se pueden comparar con el valor de la placa de características.

La reactancia de dispersión representa solo la parte reactiva de la impedancia en cortocircuito. Sin embargo, ambos términos se utilizan como sinónimos para referirse al mismo método de prueba.



Figura 14: La reactancia de dispersión representa el flujo de dispersión, que es el flujo no contenido totalmente en el núcleo. El desplazamiento o deformación de los devanados cambiará la reluctancia de la ruta de dispersión y, por tanto, la reactancia.

Para saber más, ver post: “Medida de la tensión de cortocircuito y pérdidas en carga en Transformadores secos” en el siguiente link:

2.5.- Resistencia de aislamiento del equipo eléctrico

Los aislamientos eléctricos de los equipos de AT constituidos por aceite, porcelana, papel, resinas, gas de SF6, etc., son susceptibles de envejecimiento por el paso del tiempo y las condiciones de servicio, dando lugar a una pérdida progresiva de sus características dieléctricas, que requiere el control de su evolución.

2.5.1.- Resistencia de aislamiento de arrollamientos

Este es uno de los ensayos indispensables en las tareas de mantenimiento predictivo, a través del cual se puede verificar el grado de humedad y contaminantes del transformador. También puede dar información importante acerca del estado del aislamiento de los bushing. Para este ensayo se aplica un nivel de tensión contínua a cada arrollamiento con los restantes a tierra.


Figura 15: Esquema de conexiones

En la actualidad existen sistemas de monitoreo que han incorporado una medición on line, que en realidad no es trazable con las mediciones off line, aunque obviamente, no deja de ser importante.

Para saber más, ver artículos: “El aislamiento del equipo eléctrico” en la siguiente dirección:
“Medida de la resistencia de aislamiento del equipo eléctrico”

2.5.2.- Medida de la tensión de resorción del aislamiento papel-aceite

El efecto de polarización de un dieléctrico cuando es sometido a tensión y la medida de la tensión de descarga del aislamiento determina, en función del tiempo previo de carga, la curva del espectro de polarización. Este ensayo se utiliza para conocer el grado de envejecimiento del aislamiento de papel impregnado en aceite, influenciado por el contenido de humedad, la temperatura y por la absorción de productos de descomposición.

2.6.- Medida de resistencia devanados

La resistencia eléctrica del arrollamiento de los devanados de los transformadores se altera por la existencia de cortocircuitos entre espiras, defectos térmicos en su aislamiento por deficiencias en los contactos del regulador en carga del transformador. El control del valor de esta resistencia facilita la toma de decisiones de mantenimiento, especialmente en intervenciones por avería. 


Figura 16: Esquema de conexiones

Los valores de resistencia se miden para cada arrollamiento y para cada posición del conmutador de tomas. Estos valores se comparan con los medidos en fábrica o con los valores adoptados como de referencia. Para efectuar la comparación es necesario referir los valores de resistencias a igual temperatura, para lo cual se emplea la siguiente relación:


Donde:

Rs: Resistencia esperada a la temperatura Ts. [Ω]
Rm: Resistencia medida en campo a la temperatura Tm. [Ω]
Ts: Temperatura de referencia (Ts usual es 75 ºC)
Tm: Temperatura media del transformador obtenida en el momento de la medición

Una vez obtenidos los valores de resistencia referidos a una misma temperatura, es posible estimar la diferencia entre las resistencias de referencia y las medidas en campo como


Donde:

e: Diferencia entre los valores de resistencias de referencia y los obtenidos durante el seguimiento.
Rm: Resistencia medida en campo. [Ω]
Rf: Resistencia de referencia. [Ω]

La ausencia del tipo de anomalías mencionadas más arriba serán confirmadas si las variaciones de resistencias están, según IEEE P62-1995, dentro del ±5%.



Figura 17: Medición de resistencia estática del devanado en un transformador
incluidas todas las posiciones de tomas.

Para saber más, ver post: “Ensayo de Transformadores: Medida de la resistencia de devanados” en el siguiente link:

2.7.- Medida de la resistencia dinámica en reguladores en carga (OLTC)

Una parte importante de los fallos en los transformadores de potencia son causados por el envejecimiento de los contactos del cambiador de tomas en carga (CTC). La inspección del estado de los contactos del selector resulta laboriosa por su ubicación. Actualmente se está aplicando un nuevo método para diagnosticar el estado de los contactos deslizantes  durante el proceso de conmutación evitando el desmontaje para inspección, basado en la obtención del oscilograma correspondiente al cambio de intensidad debido a la influencia del valor de las resistencias que interviene durante la conmutación en cada toma de regulación de tensión (resistencias de conmutación, contacto y del arrollamiento correspondiente).

Al conmutar el cambiador de tomas durante la medición de resistencia del devanado, la corriente CC se reduce temporalmente y se registra y analiza este comportamiento.


Figura 18: Corriente transitoria durante el proceso de conmutación del OLTC derivador resistivo, registrada utilizando la medición de la resistencia dinámica.


Para saber más, ver post: “Cambiadores de tomas bajo carga (OLTC) para Transformadores” en el siguiente link:

2.8.-  Descargas parciales

El envejecimiento de los aislamientos se manifiesta, en ocasiones, por la presencia de descargas de alta frecuencia cuyo trayecto puentea, sólo parcialmente, el aislamiento entre conductores. A ello contribuye de manera importante, además de las sobretensiones, el incremento de temperatura en el equipo. La medida de las descargas parciales, que desde hace tiempo es una parte esencial de los ensayos de calificación eléctricos y por ello se encuentra muy desarrollada a nivel de laboratorio, puede incurrir en errores de medida en su adaptación a campo, sino se eliminan las señales de interferencia. Esta técnica se utiliza en la actualidad principalmente en el mantenimiento de transformadores, cables de potencia y en subestaciones encapsuladas de SF6. Las técnicas existentes pueden clasificarse de acuerdo con las magnitudes a medir y la unidad de captación utilizada, tales como, medida de la intensidad aparente de descarga a tierra en la banda de frecuencia dominante (disponiendo de sensor inductivo para su detección), medida de energía de arco (instalando sensores térmicos en aislamientos de SF6) y detecciones acústicas.

2.8.1.- Métodos de detección

Como descarga parcial se entiende cualquier descarga eléctrica que ocurra dentro de un medio aislante, estando dicha descarga restringida solamente a una porción del dieléctrico bajo prueba. De este modo, la descarga solo produce un deterioro “parcial” de la capacidad aislante del dieléctrico. Los principales objetivos de este ensayo son:
  • Verificar que el aislamiento del transformador sometido a la tensión de ensayo tenga descargas que no superen cierto nivel.
  • Determinar el valor de la tensión a la cual aparecen subiendo (ignición) y desaparecen bajando (extinción).
  • Determinar el nivel de descargas a una tensión fija.
  • El estudio de la degradación del aislamiento a través del progreso de la magnitud de las descargas.

En la actualidad las descargas parciales en transformadores pueden medirse por métodos eléctricos, acústicos o químicos.


Figura 19: Equipo PDL 650 de OMICRON
El modelo tridimensional del transformador revela la ubicación exacta de la DP

En los métodos eléctricos se miden las descargas en cada fase por vez usando el tap del bushing (si lo tuviese) o collares especialmente diseñados para tal fin. Las mediciones en campo, por lo general, tienen menor sensibilidad que las realizadas en fábrica, por ello no son habituales. No obstante con las nuevas técnicas en el procesamiento de señales, el empleo de modernos sensores de campo, y con las precauciones adecuadas, en la actualidad es posible realizar mediciones on line precisas y trazables.

Los métodos acústicos según IEEE C57.127-2007, detectan la actividad de descargas parciales por medio de sensores que se instalan en el tanque del transformador. Estos métodos además de medir la magnitud de las descargas pueden detectar la ubicación física de las fuentes de descargas parciales.

Finalmente, los métodos químicos han sido los tradicionalmente empleados para comprobar indirectamente la existencia de descargas parciales en el aislamiento, utilizando la información entregada por los gases que aparecen en el aceite (ver apartado 1.10.2).

Para saber más, ver post: “Técnicas de medida de las Descargas Parciales (Parte 1ª)” en el siguiente link:
“Técnicas de medida de las Descargas Parciales (y Parte 2ª)”:
“Ensayos de Descargas Parciales (DP’s) en equipos de Alta Tensión”

2.9.-  Análisis de respuesta en frecuencia (FRA)

El análisis de respuesta en frecuencia, FRA (Frecuency Response Analysis), ha sido exhaustivamente estudiado desde hace varias décadas, y en la actualidad ha tomado gran repercusión en el terreno de los transformadores de potencia.

Permite verificar la simetría constructiva del transformador comparando las respuestas en frecuencia de las tres fases (primario y secundario) entre sí, cuando son excitadas con una tensión de amplitud constante y frecuencia variable. En este análisis intervienen las inductancias y las capacidades distribuidas del transformador.


Figura 20: Modelo eléctrico del Transformador

Para las pruebas se aplica una señal de excitación senoidal (U1 ) y con una amplitud de 10 V (aprox.), de frecuencia variable, y se mide la tensión U2.

El rango de frecuencia de ensayo normalmente es de 10 Hz a 1-10 MHz. A partir de ello se puede obtener el gráfico de Bode de la función de transferencia, para cada una de las fases:


Figura 21: Diagramas de Bode para diferentes estados del transformador

Dicha representación por sí sola no brinda información sustancial. La importancia de este ensayo se manifiesta cuando las mediciones se realizan para diferentes estados del transformador, por ej., previo al transporte desde la fábrica hasta el lugar del emplazamiento y una vez instalado en su lugar definitivo.

De esta manera dependiendo del rango de frecuencias a las cuales existen discrepancias entre
De esta manera dependiendo del rango de frecuencias a las cuales existen discrepancias entre las diferentes mediciones, en posible verificar si hubo cambios en las capacidades distribuidas originadas por el movimiento de los devanados, movimientos del núcleo, etc.

En términos generales, cualquier efecto que produzca una alteración en la geometría interna del transformador (transitorios, esfuerzos electrodinámicos, etc.) puede ser evidenciado por la comparación gráfica de las respuestas en frecuencia de los estados anteriores y ulteriores al evento.

Este ensayo permite detectar:
  • Daños experimentados  en  el transformador después de terremotos, estrés mecánico, transporte, vibraciones, rayos u otros factores ambientales.
  • Detección de defectos entre espiras, por pequeños que éstos sean.
  • Fallos en el núcleo
  • Estructuras de sujeción rotas o sueltas
  • Cortocircuitos en devanados

Figura 22: Equipo FRANEO 800 de OMICRON y esquema de conexiones para análisis SFRA


Metodología del ensayo:
  • Se aplica a cada devanado tensión alterna de bajo valor (2Vrms) de frecuencia variable entre 5Hz y 10MHz.
  • El equipo de medida registra el valor de la tensión en la entrada y en la salida, tanto en magnitud como en desfase, para cada frecuencia. Extrae las curvas de ganancia en amplitud (expresada en decibelios) y en grados para el desfase.


Figura 23

Interpretación de resultados:
  • Los resultados dependen de la construcción física del transformador. Cada máquina tiene resultados diferentes a otra, tiene su propia “huella”.
  • Los resultados de una fase respecto a las otras dos deberán ser semejantes si todo es correcto.

Zonas de interés de las gráficas:

Las normas que regulan los ensayos de respuesta en frecuencia son: IEEE C57.149, IEC 60076-18, CIGRE 342_2008. Estas normas determinan los rangos de frecuencias en las que se puede determinar el tipo de falla correspondiente a cada transformador, estas se resumen en la siguiente gráfica:


Figura 24: Regiones de frecuencia según Norma IEEE C57.149

En general, las fallas encontradas en un transformador según la frecuencia aplicada son:

Bajas frecuencias:

• Problemas en el núcleo.
• Devanados abiertos / cortocircuitados.
• Malas conexiones.
• Cambios en la impedancia de cortocircuito.

Frecuencias medias:

• Deformaciones en los devanados.
• Desplazamiento de los devanados.

Altas frecuencias:

• Movimiento de los devanados y conexionado del conmutador.

Para saber más, ver post:Análisis de Respuesta en Frecuencia en Transformadores (FRA)” en el siguiente link:

3.- Ensayos de diagnóstico a través del aceite del transformador

Los aceites aislantes son componentes esenciales de un gran número de equipos eléctricos, en particular para transformadores de potencia y de medida. Los análisis de mantenimiento de aceites se dividen en 3 grupos principales según la información que aportan:

3.1.- Análisis físico-químicos.

Informan principalmente del estado del aceite y de los posibles contaminantes. Estos a su vez comprenden los siguientes ensayos:
  • Tensión de ruptura dieléctrica.
  • Contenido en agua.
  • Tangente del ángulo de pérdidas.
  • Acidez.
  • Etc.

Para más información, Ver post: Aceites minerales para Transformadores (Función y características) (Parte 2ª)

3.2.- Análisis Cromatográfico de gases disueltos en el aceite:

Uno de los métodos de diagnóstico que proporciona una indicación anticipada de anormalidades en su comportamiento funcional y permite determinar las medidas que conviene adoptar antes de que el equipo sufra daños más importantes se basa en el análisis cromatográfico de los gases de descomposición del aceite aislante por calentamiento excesivo de ciertos puntos del transformador o por descargas eléctricas en su interior. Según sea la temperatura del punto caliente la energía de las descargas, las proporciones en que se producen los diferentes gases de descomposición son distintas.

Por efecto de las solicitaciones térmicas o eléctricas, los aceites aislantes dan lugar a los siguientes gases de descomposición: hidrógeno, metano, etano, etileno, acetileno, monóxido y dióxido de carbono, oxígeno y nitrógeno. Determinando el contenido de cada gas, la valoración global de gases y la relación entre las concentraciones de los diferentes gases y su evolución, se puede conocer no solamente la existencia de un defecto, sino también el tipo del mismo y su importancia.

Ver posts: Bases de la Cromatografía en aceites de Transformadores en servicio (Parte 1ª)
Bases de la Cromatografía en aceites de Transformadores en servicio (y Parte 2ª)

3.3.- Análisis de compuestos furánicos:

Más recientemente, al análisis mencionado anteriormente se acompaña con la valoración de la concentración de los derivados del furfuraldehído, con objeto de detectar cadenas de celulosas disueltas en el aceite que son producto de la pérdida del dieléctrico; estas cadenas son llamadas compuestos furánicos.

La medición de estos compuestos en el aceite es utilizada como una herramienta de diagnóstico del estado del papel de los transformadores, además proporciona información suplementaria al análisis de gases disueltos (Cromatografía de Gases).

El método que se emplea para analizar los compuestos Furanicos a través de la cromatografía líquida de alta viscosidad (HPLC) es el ASTM D5837 ó el IEC 61198.

Con este análisis se puede reconocer los siguientes compuestos furánicos: 5-hidroximetil-2-furfural (HMF), Alcohol furfurílico (FOL), 2-furfural (FAL), 2-acetilfurano (AF) y 5-metil-2-furfural (MF).

Ver post: “Correlación entre el grado de envejecimiento de los transformadores con la cantidad de compuestos furánicos” en el siguiente link:
Ver post:”Debate sobre los modelos de evaluación de la degradación del papel en Transformadores de Potencia” en el siguiente link:

3.4.- Grado de Polimerización (GP)

La prueba que determina el Grado de Polimerización es utilizada para conocer la edad del aislamiento del papel de los devanados. Esta prueba proporciona la indicación más confiable de la edad del papel aislante.

Así tenemos que un transformador nuevo tiene un GP de alrededor de 1,000; mientras que un transformador que presenta un GP de 150 a 200 es más susceptible a daños mecánicos durante movimientos físicos y vibraciones que pueden causar roturas en el papel.


Continua en: Controles y Verificaciones eléctricas en Subestaciones (Parte 3ª)
https://imseingenieria.blogspot.com/2019/11/controles-y-verificaciones-electricas_8.html










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