Fallas en Sistemas Electricos

Introducción (II) Motivos para su estudio - Dimensi Dimensionam onamie iento nto de interru interrupto ptores res - Decone Deconecta ctador dores, es, fusibl fusibles es - Ajuste Ajuste de de relés relés de de protec protecció ciónn - equi equipo poss en en gen gener eral al

Porcentaje [% ]

Razón/M /Mo ot ivo

Ejemplo

70 a 80

At mosféricas

7 a 15

M ecánicas

Rayos, tempestades, neblina, hielo, nieve, salinidad, etc. Rot uras de conductores, aisladores, golpes, caídas,

8 a 10

Eléct ricas

2. Fallas en Sistemas Eléctricos de Potencia

Aislantes envejecidos, errores humanos. Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos Dr.-Ing. Rodrigo Palma Behnke Depto. de Ingeniería Eléctrica EL4103, Universidad de Chile / 2012

Introducción (III) Cortocircuitos más frecuentes - Mono Monofá fási sico coss

--> 70 a 80 %

- Bifá Bifási sico coss a tier tierra ra --> 10 % - Trif Trifás ásic icos os

--> 8 a 10 %

Tipos de fallas - Simé Simétr triicas cas

--> trifásicas

- Asimé simétr tric icas as

--> monofásicas y bifásicas

Otras características - Fall Fallas as fuga fugace cess

--> 90 a 95 %

- Elev Elevad adoo cos costo to de

--> compromiso inversión vs. seguridad de servicio

evitarlas


Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos Dr.-Ing. Rodrigo Palma Behnke Depto. de Ingeniería Eléctrica EL4103, Universidad de Chile / 2012

Introducción (IV)

Componentes Simétricas (Fortescue 1918) Transformación lineal que permite expresar un sistema desequilibrado en tres sistemas equilibrados que se superponen

a b c i a + ib + ic

ia ib ic n

Set a-b-c

a i1 b a2 i1 Transformación lineal c ai1

ia ib

i0

ai 2

i0

ia ib ic n

a2 i 2 i0

3i 0 Secuencia cero

ic

i2

Secuencia positiva

ai1

i0 i 0 i 0


Secuencia negativa

ai 2

i1 2

a i1

i2

a2 i 2 Sistemas de Energía y Equipos Eléctricos Dr.-Ing. Rodrigo Palma Behnke Depto. de Ingeniería Eléctrica EL4103, Universidad de Chile / 2012

Introducción (V) factor de giro

i a  1 1 1  i 0  i  = 1 a 2 a  i  b   1  i c  1 a a2  i 2 

a=e

a

2

j120 o

=e

A

=−

1

+

2 j 240o

=−

1 2

j

3 2

− j

1+ a + a

2

=0

3 2

Ejemplo Obtenga las componentes simétricas para las siguientes corrientes no balanceadas: = 0.4512∠96.45º

ia

= 1.6∠25º

i0

ib

= 1.0∠180º

i1 = 0.9435∠ − 0.055º

ic

=

0.9∠132 º

i2

= 0.6024∠22.3157º



Introducción (VI) Transformación inversa

i 0  1 1 1  i a  i  = 1 1 a a2  i  1  3  b  i 2  1 a2 a  i c  A

A

−1

=

1 3

A

*

−1

- sistema levantado de tierra --> secuencia cero no puede existir - expresiones análogas para voltajes

012

V

=A

−1

abc

V

Cálculo de potencia

S (3φ )

abcT

= V

abc*

I

*

(

= AV *

) (A I )

012 T

012 *

012T

= V

T

* 012*

A A I

012T 012*

= 3(V

I

)

*

= 3v0i0 + 3v1i1 + 3v2i2



Mallas de Secuencia (II) 012

AV

=

Z

abc

V

012

AI

1 1 012 Z 1 =  3

012

  Z s + Z n 2  a   Z m + Z n

1

1

a

−1

=

A Z

=

Z

012

I

abc

AI

012

012

Z

Z m

+ Z n

Z s

+ Z n

 1  Z m + Z n 1  Z m

+ Z n

012

1

V 0

abc

A

a

  a  1

2

2

 Z s + 3 Z n + 2 Z m  0 =   0

−1

A Z

012

2

Z 0

Z

=

0

Z s

− Z m

0

= Z 0 I 0

 Zm=0  0  Z s − Z m   0

V 1


= Z 1 I 1

 Z s + 3 Z n  0 =   0

V 2

Z 2

Z 1

= Z 2 I 2

0

Z s 0

  0  Z s   0

- Válido para equipos pasivos.


Mallas de Secuencia (III)

Impedancias de Secuencia: Líneas de Transmisión (+, -) secuencia positiva Por tratarse de un elemento estático, valores y secuencia negativa asociados a secuencias + y - son iguales. Se aplica todo lo visto hasta el momento. Para determinar la impedancia serie de secuencia (0) secuencia cero cero hay que considerar tanto el efecto del retorno por tierra, como también los conductores de guardia de las líneas, en caso ue ello existan, a ue la corriente se reparte entre ambos caminos. Dificultad de modelar la conductividad de la tierra debido a heterogeneidad de la resistividad de la tierra.

!

• Línea de simple circuito sin conductor de guardia • Impedancia mutua de secuencia cero entre dos circuitos sin conductor de guardia • Impedancia equivalente de secuencia cero de un doble circuito • Impedancia equivalente de secuencia cero de dos líneas con tres terminales • Línea de simple circuito con conductor de guardia



Mallas de Secuencia (IV)

Impedancias de Secuencia: Generador Sincrónico Equivalente monofásico del generador sincrónico, necesario para estudios de fallas con mallas de secuencia. X 1

(+) X1=secuencia positiva (Xd“=0.12, 1 ciclo; Xd´=0.2, 3-4 ciclos; Xd=1.1, régimen permanente)

E

X 2

(-) secuencia negativa (X2=0.12) X 0

X 0

(0) secuencia cero sólo si neutro está conectado a tierra (X0=0.05) 2. Fallas en Sistemas Eléctricos de Potencia

3 Z tierra


Secuencia Negativa X2 distinto de X1  campo eléctrico del estator rota en sentido contrario al campo mecánico del rotor. Aplicar tensiones de sec. negativa de pequeña amplitud al estator con la máquina rotando a velocidad nominal en en o o vo y con e cam o cor oc rcu a o. a a. Teóricamente X2=(Xd´´+Xq´´)/2

Secuencia Cero Tiene valor pequeño. Se aplica tensión sinusoidal Va a las tres fases en paralelo, haciendo girar la máquina a velocidad nominal y con el campo cortocircuitado. 2. Fallas en Sistemas Eléctricos de Potencia


Mallas de Secuencia (V) Mallas de Secuencia de un Generador Bajo Carga Situación de generador con neutro a tierra a través de impedancia Zn. V a

I a

Z s

- Voltajes internos trifásicos balanceados con secuencia positiva de fasores 1   E abc E = a   a  a  - Balance de corrientes - Ley de voltajes de Kirchhoff 2

E a

Z n

E c

E b

Z s Z s

b

I c

V b

V c

V a   E a   Z s + Z n      V b  =  E b  −  Z n V c   E c   Z n

Z n Z s

+ Z n

Z n

V a

= E a − Z s I a − Z n I n

V b

= E b − Z s I b − Z n I n

V c

= E c − Z s I c − Z n I n

 i a   i  Z n  b  Z s + Z n   i c  Z n


V

abc

012

AV

=

n

=

=

abc

E

012

AE

a

−Z

c

abc

−Z

I

abc

abc

012

AI


Mallas de Secuencia (VII)

Impedancias de Secuencia: Transformadores (+) secuencia positiva

Depende de tipo de conexión (desfase +)

(-) secuencia negativa

Depende de tipo de conexión (desfase -)

(0) secuencia cero

La representación en secuencia cero depende de: 1. Tipo de núcleo: • acorazado--> permite retorno de sec (0) por núcleo ferromagnético • banco de transformadores 1φ --> permite retorno de sec 0 por núcleo ferromagnético • núcleo --> flujo de secuencia cero retorna por el aire

2. Tipo de conexión: • Estrella, Delta, Puesta a tierra



Secuencia Cero Se cortocircuitan las tres fases del primario, aplicando una tensión sinusoidal Vo entre ellas y el neutro (tierra). Al cortocircuitar y poner a tierra los bornes del secundario, y medir la corriente Io que circula se obtendrá: Zo = Vo/Io. • Y-y con neutro

H

L G

• Y-y sin neutro

H

L G

• Y-d

L

H G

• D-d

Si existe conexión del neu tro a tiera

L

H G



Cortocircuitos (I)

Simplificaciones en el cálculo de C-C •

fems en fase y con mismo valor. La razón es la dificultad de poder determinar fems pre-falla.

•

Se desprecia efecto de:

•Se

•

cargas (corriente de c-c >> corriente de carga)

•

susceptancias de líneas

•

admitancias de magnetización de transformadores

desprecia las impedancias mutuas de sec + y sec - entre circuitos en paralelo

Simplificaciones adecuadas para cálculos manuales de fallas. Estas simplificaciones no son válidas para estudios de fases abiertas  estudios de flujos de potencia 2. Fallas en Sistemas Eléctricos de Potencia


Cortocircuitos (II)

Metodología General Datos de entrada al sistema: - estado de operación estacionario - información para especificar comportamiento transitorio - especificación del tipo y punto de ocurrencia de la falla Transformación a componentes de secuencia: - variables V, I Interconexión de mallas de secuencia en punto de falla: - depende de tipo de falla - impedancia de cortocircuito Cálculo de corrientes y potencias de falla: - resolución de mallas de secuencia interconectadas - cálculo de corrientes en puntos de falla - contribuciones desde otros puntos, - cálculo de variables eléctricas en a, b, c. 2. Fallas en Sistemas Eléctricos de Potencia


Cortocircuitos (III)

Cortocircuito Monofásico a Tierra  v a  0      v b  =   v c   

ia

a

ib

b

+ Z

1

Conexión Serie

- Z

2

Conocimiento de variables

ic

c

i a      0 ib  =   i c  0

Z

n

v0 + v1 + v2

Descripción de tipo de C-C

va  1 1    vb  = 1 a vc  1 a

2

1  v0 

 

a v1   a2  v 2 

v  v v

0

1

i0

 1 1  1  = 3 1 a  1 a

2

2

=

i2

=

0

Interconexión de mallas de secuencia

1

=

i1 = i a

 va    a vb   a  vc  1

2


3

i a  1 1 i  =  a  b  1 ic  1 a

2

1  i 0 

 

a i1   a2  i 2 

i i  i

0

1

 1 1  1 1 a  = 3  1 a

2

2

1  i a 

 

a 2 i b   a  i c 


Cortocircuitos (IV)

Cortocircuito Bifásico a Tierra v a        v b  = 0  v c  0

ia

a

ib

b

+ Z

1

- Z

2


ic

c

i a  0     ib  =   i c   

Z

n

i 0 + i1 + i 2


va  1 1    vb  = 1 a vc  1 a

2

1  v0 

 

a v1   a2  v 2 

v  v v

0

1

v0

 1 1  1  = 3 1 a  1 a

2

2

=

v2

=0


1

=

v1 = v a

 va    a vb   a  vc  1

2


3

i a  1 1 i  =  a  b  1 ic  1 a

2

1  i 0 

 

a i1   a2  i 2 

i i  i

0

1

 1 1  1 1 a  = 3  1 a

2

2

1  i a 

 

a 2 i b   a  i c 


Cortocircuitos (V)

Cortocircuito Bifásico v a        v b  = v c  v c  v b 

ia

a

ib

b

+ Z

1

- Z

2


ic

c

i a  0      ib  = − ic  i c  − ib 

Z

n

i 0 + i1 + i 2


va  1 1    vb  = 1 a vc  1 a

2

1  v0 

 

a v1   a2  v 2 

v  v v

0

1

v2

 1 1  1  = 3 1 a  1 a

2

2

=

 va    a vb   a  vc  1

2


=0

i0 = 0


v1

i a  1 1 i  =  a  b  1 ic  1 a

2

1  i 0 

 

a i1   a2  i 2 

i i  i

0

1

 1 1  1 1 a  = 3  1 a

2

2

1  i a 

 

a 2 i b   a  i c 


Cortocircuitos (VI)

Cortocircuito Trifásico ia

a b c

v a  0      v b  = 0  v c  0

ib

i a      ib  =  i c  

   

+ Z

1

- Z

2


ic

Z

n Descripción de tipo de C-C

va  1 1    vb  = 1 a vc  1 a

2

1  v0 

 

a v1   a2  v 2 

v  v v

0

1

 1 1  1  = 3 1 a  1 a

2

2

v0

=

0

v1

=

0

v2

=

0

 va    a vb   a  vc  1

2



i a  1 1 i  =  a  b  1 ic  1 a

2

1  i 0 

 

a i1   a2  i 2 

i i  i

0

1

 1 1  1 1 a  = 3  1 a

2

2

1  i a 

 

a 2 i b   a  i c 


Cortocircuitos (VII)

Cortocircuito Monofásico a tierra con impedancia Zf v a   Z f i a      v b =     v c   

ia

a

ib

b

Z f

i a      0 ib  =   i c  0

+ Z

1

Z f

Conexión Serie

- Z

2


ic

c

Z f

Z f Z

n

v 0 + v1 + v 2 = Z f ia


va  1 1    vb  = 1 a vc  1 a

2

1  v0 

 

a v1   a2  v 2 

v  v v

0

1

i0

 1 1  1  = 3 1 a  1 a

2

2

=

i2


1

=

i1 = i a

 va    a vb   a  vc  1

2


3

i a  1 1 i  =  a  b  1 ic  1 a

2

1  i 0 

 

a i1   a2  i 2 

i i  i

0

1

 1 1  1 1 a  = 3  1 a

2

2

1  i a 

 

a 2 i b   a  i c 


Cortocircuitos (VIII)

Datos para estudio de cortocircuito En un sistema interconectado, al conectar una nueva carga, se entregan niveles de cortocircuito a través de los valores de C-C trifásico y Monofásico. Falla Trifásica a Tierra E I falla = x1

Falla Monofásica a Tierra 3 E I falla = x1 + x2 + x0

Falla

13.2/110 kV

G 40 MVA 13.2 kV

T A

Línea B


C1 C


Fases Abiertas (I)

Planteamiento General en Mallas de Secuencia Q a

∆v a      ∆v b =    ∆v c  

∆v a

b

∆v b

c

∆v c

   

i a    = ib   i c  

p

   

+q

n

-

n

Conocimiento de variables n

No es válido supuesto de despreciar corrientes de carga frente a corrientes de falla.

Descripción

2

q

p

n

∆va  1 1    ∆vb  = 1 a ∆vc  1 a

p

1  ∆v0 





a ∆v1   a2  ∆v 2 

∆v  ∆v ∆v

0

1

 1 1  1  = 3 1 a  1 a

2

2

 ∆v a    a ∆vb   a  ∆vc  1

2


i a  1 1 i  =  a  b  1 ic  1 a

2

q


1  i 0 

 

a i1   a2  i 2 

i i  i

0

1

 1 1  = 1 1 a  3  1 a

2

2

1  i a 

 

a2 i b   a  i c 


Fases Abiertas (II)

Una Fase Abierta Q a

∆v a        ∆v b = 0     ∆v c  0

∆v a

b

∆v b

c

∆v c

p

i a  0  =  ib    i c   

+q

n

-

n


i 0 + i1 + i 2 Descripción

2

q

p

n

∆va  1 1    ∆vb  = 1 a ∆vc  1 a

Conexión paralelo

p




∆v 0 = ∆v 2 = ∆v1

1  ∆v0 



a ∆v1   a2  ∆v 2 

∆v  ∆v ∆v

0

1

 1 1  1  = 3 1 a  1 a

2

2

 ∆v a    a ∆vb   a  ∆vc  1

2


q

=0

i a  1 1 i  =  a  b  1 ic  1 a

2

1  i 0 

 

a i1   a2  i 2 

i i  i

0

1

 1 1  = 1 1 a  3  1 a

2

2

1  i a 

 

a2 i b   a  i c 


Fases Abiertas (III)

Dos Fases Abiertas Q a

 ∆ v a  0      ∆v b =     ∆v c   

∆v a

b

∆v b

c

∆v c

p

i a      = 0 ib    i c  0

+q

n

-

n


q

∆v a + ∆vb + ∆vc = 0

Descripción

2

q

p

n

∆va  1 1    ∆vb  = 1 a ∆vc  1 a

Conexión Serie

p

i0

1  ∆v0 





a ∆v1   a2  ∆v 2 

∆v  ∆v ∆v

0

1

 1 1  1  = 3 1 a  1 a

2

2


= i 2 = i1

 ∆v a    a ∆vb   a  ∆vc  1

2


i a  1 1 i  =  a  b  1 ic  1 a

2

1  i 0 

 

a i1   a2  i 2 

i i  i

0

1

 1 1  = 1 1 a  3  1 a

2

2

1  i a 

 

a2 i b   a  i c 


R I´ı UC, V. 18, N. 2, A 2011 15 - 26

Análisis de fallas en transformadores de distribución utilizando ensayos no destructivos y pruebas de tensio´ n mecánicas Mar´ıa Gabriela Mago ,a , Luis Vallésa , Jhon Jairo Olaya b , Martha Zequerac ∗

a

Departamento de Potencia y de Materiales y Procesos de Fabricaci´ on, Escuela de El ectrica ´ y Mec´ anica, Facultad de Ingenier´ıa, Universidad de Carabobo. b Escuela de Mec´ anica, Postgrado en Materiales y Procesos, Facultad de Ingenier´ıa, Universidad Nacional de Colombia, Bogot´ a, Colombia. c Departamento de Electr´ onica, Facultad de Ingenier´ıa, Universidad Pontificia Javeriana de Bogot a, ´ Bogot´ a, Colombia.

Resumen.-

Esta investigación plantea realizar pruebas en transformadores de distribución monofásicos de poste bajo condición de falla, efectuando ensayos no destructivos: part´ıculas magnéticas y l´ıquidos penetrantes a la chapa de acero al silicio, as´ı como también, pruebas de tensió n mecánicas al papel aislante, como una continuació n de las investigaciones sobre métodos no convencionales para predecir tiempos de vida u ´ til en transformadores de distribución en Venezuela y Colombia respectivamente, que establezcan en el futuro acciones de mejora en los estándares de calidad. Con la aplicación de estas técnicas, se pretende desarrollar simulaciones para determinar la vida remanente en los transformadores de distribución. El trabajo se apoyó en ensayos experimentales realizados en la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotà. De acuerdo a los resultados obtenidos se recomienda utilizar estas pruebas de tensión mecánica como método predictivo en los sistemas de detecció n y análisis de fallas para estos equipos, ya que el desarrollo de sistemas para mantenimiento preventivo estarán orientados hacia estos métodos no convencionales, de acuerdo a la propuesta de investigación doctoral que se està desarrollando actualmente en el Doctorado en Ingenier`ıa de la Universidad de Carabobo, y cuyos resultados servirán de referencia a estudios posteriores en el área. Palabras clave: transformador monofásico, an a´ lisis de fallas, l´ıquidos penetrantes, part´ıculas magnéticas, tensión mecánica.

Failure analysis of distribution transformers using non-destructive testing and mechanical tension tests Abstract.-

This research focuses on testing single phase distribution transformers under fault condition pole, making nondestructive testing: magnetic particle and liquid penetrant to the silicon steel sheet, as well as, mechanical stress testing the insulating paper as a continuation research on non-conventional methods for the analysis of machines with metal components of the electrical industry. With the application of these techniques is to develop simulations to determine the remaining life of the transformers. The work was supported by experimental trials conducted in Colombia. According to the results of these tests is recommended as a method of mechanical stress predictive detection systems and failure analysis for these teams, as the development of preventive maintenance based on these unconventional methods, will soon a reality. Keywords: single–phase transformer, liquid penetrant, magnetic particles, mechanical stress.

∗

Autor para correspondencia Correo-e: [email protected] (Mar´ıa Gabriela Mago)

Recibido: junio 2011 Aceptado: agosto 2011

Revista Ingenier´ıa UC

M. Mago et al. / Revista Ingenier´ıa UC, Vol. 18, No. 2, Agosto 2011, 15-26

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Tabla 1: Muestras de transformadores utilizados

Marca Magnetr´ on Magnetr´ on Magnetr´ on ABB Siemens Siemens TPL

Nivel de Tensión 7620 / 246 13200 / 240 13200 / 240 7620 / 240 13200 / 240 7620 / 240 13200 / 240

An˜ o de fabricació n 2004 2009 2007 2001 2007 2006 1991

kVA 10 15 10 25 15 10 15

Falla presentada Sobrecarga Humedad Cortocircuito Externo Defecto Operación Sobretensión Defecto Fabricacio´ n Conexión errada en Baja tensión

Fuente: M. Mago (2011).

2.1.1. Especificaciones T´ ecnicas Existen caracter´ısticas nominales indicadas por los fabricantes, que deben corresponder a la carga requerida por la red de distribució n eléctrica, dentro de las cuales es importante considerar lo siguiente:

Nivel básico de aislamiento (BIL) (del valor requerido). Impedancia de cortocircuito del valor nominal: si la misma es demasiado alta, afecta la regulación del sistema; y si es demasiado baja, da lugar a elevadas corrientes de corto circuito. El conmutador de derivaciones debe ser de accionamiento interno. 2.1.2.

Seleccionar materiales que satisfagan las normas y / o valores exigidos para operar a determinados niveles de esfuerzos dieléctricos. Seleccionar láminas, pinturas, refuerzos, aisladores, herrajes, empaques de caucho, etc. que soporten condiciones del medio ambiente u otros esfuerzos internos, originados en el transformador.

2.1.3.

Defectos de Operaci´ on

Los errores humanos que se presentan en la operación de equipos son inevitables, a pesar de la preparación que reciben los operadores del sistema eléctrico. Se recomienda tener en cuenta lo indicado a continuación, a fin de minimizar la ocurrencia de estos efectos:

Defectos de Fabricaci´ on

Aunque hay formas de construcción preestablecidas, las mismas no están exentas de errores que pudieran presentarse, ocasionando fallas en los transformadores de distribución, por lo tanto, se recomienda tener en cuenta lo indicado a continuaci´ on, a fin de evitar estos defectos: No es recomendable trabajar a niveles de inducción demasiados altos, porque dan lugar a la magnetostricción o deformación del núcleo y producen efectos vibratorios en la parte activa. En la fabricación del núcleo se debe evitar la reducción de las distancias internas a niveles cr´ıticos.

Realizar adecuado sistema de selección y montaje utilizando sistemas de movilización y almacenaje apropiados. Evaluar el sistema de protecciones existente, a fin de disminuir la condición de falla que pudiera presentarse motivado a: sobretensiones (directas: por rayos y / o de maniobra), sobrecargas y / o fallas en la red (l´ıneas a tierra, cortocircuitos en la red, desbalances de carga). Implementar rutinas de inspección que eviten el vandalismo hacia los transformadores de distribución.


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3.


EFECTOS QUE OCASIONAN LAS FALLAS EN TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCION

Utilizando las definiciones indicadas en el manual de CORPOELEC (CADAFE) [6], que fueron desarrolladas por el Ing. Raúl Cabrera actual Gerente General de la Empresa Transformadores del Centro (Valencia, Venezuela), de las causas y efectos que originan los diferentes tipos de fallas sobre el transformador y que sirven de referencia al personal que realiza labores de reparación y / o mantenimiento para apoyar los diagnósticos, a continuaci´ on se indican las mismas. 3.1. Sobrecarga Cuando un transformador falla debido a una sobrecarga se presentan los siguientes efectos: En la conexión de baja tensión hay salidas de cobre descoloridas.

El papel aislante de la bobina y salidas es quebradizo. Aceite dieléctrico ennegrecido o quemado con gran formación de lodo. Paredes del tanque descoloridas. Formaleta con gran contenido de lodo.

Figura 3: Apariencia del aceite dieléctrico de este transformador fallado

3.2.

Sobretensiones de origen atmosfèrico

Cuando un transformador falla debido a sobretensiones se pueden observar algunos de los siguientes dan˜ os: Cortocircuito entre las espiras pertenecientes a las dos primeras o dos u´ ltimas capas o más. A veces se observa también, ennegrecimiento de uno de los aisladores de alta tensión. A menudo la bobina descarga la sobretensión sobre el núcleo, o sobre el tanque, pudiendo estar los mismos parcialmente fundidos. Evidencia de descarga entre los devanados de alta tensión y baja tensión.

Figura 2: Transformador fallado por Sobrecarga

En caso de ser por error de conexió n, en las bobinas de baja tensió n se podrá observar una dañ ada y otra en buen estado. En la Figura 2, se muestra un transformador fallado bajo esa condición, y en la Figura 3; la apariencia del aceite dieléctrico.

Figura 4: Transformador fallado por Sobretensió n Atmosférica

En la Figura 4, se muestra imagen de un equipo fallado por esta condició n y en la Figura 5, la apariencia del aceite dieléctrico.



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Figura 7 la apariencia del aceite dieléctrico. 3.4. Conexi´ on errada en baja tensi´ on Las bobinas se presentan con devanados deformados o desplazados el uno con respecto al otro y el transformador puede quedar en buen estado de funcionamiento.


3.5. Defecto de operaci´ on Cuando un transformador falla por defecto de operación se pueden observar los siguientes daños: Rotura del conmutador.

Conexiones erradas en baja tensión. Aceite con buena apariencia. Puede encontrarse bien la parte activa del transformador.

Figura 6: Transformador fallado por Cortocircuito Externo en alta tensión

Figura 8: Transformador fallado por Defecto de Operación


3.3.

Cortocircuito externo

Cuando ocurre un cortocircuito externo se observa que las bobinas presentan algunos devanados deformados o desplazados el uno con respecto al otro. En la Figura 6, se muestra un equipo fallado por cortocircuito externo en alta tensión y en la


En la Figura 8, se muestra un transformador fallado por defecto de operación y en la Figura 9, la apariencia del aceite dieléctrico:



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3.6.

Humedad

3.7.

Cuando un transformador falla por humedad se presentan los siguientes efectos:

Saturaci´ on magn´ etica

Cuando un transformador falla debido saturación magnética se presentan los siguientes efectos: Aceite ennegrecido.

Presencia de agua en el fondo del tanque, en la parte superior de la estructura de soporte apreciables manchas de oxido ´ en algunas piezas metálicas. Puntos de oxidación en las partes que no se encuentran sumergidas en el aceite.

Papel aislante quebradizo. Núcleo quemado. 3.8.

Defecto de fabricaci´ on

Cuando un transformador falla por defectos de fabricación se presentan los siguientes efectos: Cortocircuito en el devanado de alta tensión por efecto en el aislamiento.

Cortocircuito entre capas de la bobina en su parte superior.

Aceite deteriorado o algo turbio, a veces se deteriora sin quemarse. Signos de recalentamiento. Señales de descarga eléctrica. Fusión de conductores.

Figura 10: Transformador fallado por Humedad

Figura 12: Transformador fallado por Defecto de Fabricación

En la Figura 12 se muestra un transformador fallado bajo esta condició n y en la figura 13 la apariencia del aceite dieléctrico. 4. Figura 11: Apariencia del aceite dielé ctrico de este transformador fallado

En la Figura 10 se muestra un transformador fallado bajo esta condición, y en la Figura 11, la apariencia del aceite dieléctrico.

TECNICAS DE DESTRUCTIVOS

ENSAYOS

NO

Los Ensayos No Destructivos (tambié n llamados END, o en ingles NDT nondestructive testing), son un campo de la ingenier´ıa que se desarrolla rápidamente en el sector industrial



Figura 13: Apariencia del aceite dielé ctrico de este transformador fallado

y en recientes investigaciones acadèmicas para el a´ rea de equipos de distribución de energ´ıa eléctrica [7]. Las técnicas como la digitalización de imágenes, la radiograf´ıa por neutrones, el electromagnetismo o la emisión acústica, que eran relativamente desconocidas hasta hace pocos años, se han convertido en herramientas de uso cotidiano en las industrias que desean mantenerse en la vanguardia del mercado ofreciendo calidad en sus productos, por lo tanto, en la presente investigación se utilizan estas novedosas técnicas, ya que las mismas permiten evaluar defectos que presenten los materiales de fabricación verificando ademá s la vida u´ til o remanente comparando los estándares que establece el fabricante. 4.1.

Ensayo por part´ıculas magn´ eticas

Se magnetiza el material en estudio utilizando electrodos o puntas de contacto de tal forma, que las posibles grietas produzcan un escape de flujo magnético; al aplicar part´ıculas con propiedades magnéticas, se produce acumulación en esas zonas, delatando la presencia de defectos. Es ideal que las l´ıneas de flujo magnético crucen perpendicularmente las fisuras en forma perpendicular. En la figura 14, se muestra la imantación por electrodos de la chapa de acero al silicio al momento de aplicar corriente magnetizante. 4.2.

Ensayo por l´ıquidos penetrantes

Otro método para evaluar control de defectos se realiza limpiando la chapa de acero, aplicando l´ıquido penetrante, luego, limpiando de nuevo la superficie, y por u´ ltimo colocando revelador que extrae el l´ıquido de las grietas permitiendo inspeccionar posibles defectos. La efectividad del ensayo se basa en las caracter´ısticas humectantes del l´ıquido penetrante con respecto al material en estudio, es decir, en la capacidad de formar una pel´ıcula continua y de penetrar en pequeñas cavidades. La “mojabilidad” es el ´ındice de la capacidad del l´ıquido para penetrar vasos capilares; el l´ıquido penetra en las grietas por capilaridad, y después es extra´ıdo hacia el revelador también por capilaridad. El fenó meno de capilaridad es gobernado por la Tensi´ on superficial (Tgs): una molécula dentro del liquido se interrelaciona con las que la rodean por las fuerzas gravitacionales, eléctricas y qu´ımicas on (Tlg) y cuando la esto se conoce como Cohesi´ molécula está completamente sumergida presenta sus fuerzas en total equilibrio y se muestra la Adhesi´ on (Tgl) que origina en las superficies planas comportamientos como los indicados en la Ecuación (1). T gs = T lg + T gl cosθ.

Figura 14: Imanación por electrodos de la chapa de acero al momento de aplicar corriente magnetizante

Evaluar los defectos en las chapas de acero al silicio que sean invisibles, continuos y cr´ıticos.

21

(1)

El a´ ngulo pequeño indica que el l´ıquido “moja” el sólido [8], y es lo ideal para un buen comportamiento del penetrante. Se puede establecer en el material a evaluar, que la fuerza hacia arriba está dada por la Ecuación (2) F α = T cos2θπr


(2)


22

y la fuerza hacia abajo está dada por la Ecuación (3) F β = π r ρgh.

(3)

Es decir, que la altura es directamente proporcional a la tensión superficial y al coseno del a´ ngulo de contacto, e inversamente proporcional, a la densidad del l´ıquido y al radio del tubo capilar. Lo anterior es fundamental en el material en estudio, dado que el acero magnético blando (chapa de acero al silicio) de 0,35 mm de espesor, debe ser revisado muy detalladamente, a fin de observar discontinuidades importantes que evidencien deterioro en el mismo y que indiquen fallas en su funcionamiento. 5.

PRUEBAS DE TENSION MECANICA

Figura 15: Determinació n del punto de fluencia por el método del 0.2 %

Las propiedades mecánicas son aquellas que para su determinación y medida requieren de la aplicaci´ on de una fuerza exterior. El papel aislante utilizado en la fabricación de estos equipos, posee caracter´ısticas técnicas bastante especificas, sin embargo, cuando es sometido a un proceso de falla por distintas causas es significativo evaluar el cambio en algunas de sus propiedades entre las cuales se encuentra la “Resistencia a la tensi´ on”, que consiste en una prueba de estiramiento del papel que sirve de muestra, cuya probeta ha sido

preparada previamente según indica el Standard Test Method for Tensile Properties of Paper and Paperboard Using Constant–Rate–of–Elongation Apparatus o método (ASTM D–828) [9], de las propiedades del papel aislante para transformadores, analizando cada uno de los fenómenos que se producen al ir incrementado la fuerza aplicada al cuerpo para alargarlo hasta producir su ruptura, lo cual permite determinar el punto de fluencia por el método del 0,2 % [10]. En la Figura 15, se muestra la curva caracter´ıstica utilizada para este ensayo. 6.

METODOLOGIA

Las probetas de papel aislante utilizadas en la presente investigació n fueron preparadas y marcadas en forma numérica para su identificación utilizando la leyenda indicada a continuación: Muestra Patrón identificada 1–1. Muestra de papel aislante de transformador fallado por humedad identificada 1–2. Muestra de papel aislante de transformador fallado por cortocircuito externo identificada 1–3. Muestra de papel aislante de transformador fallado por cortocircuito externo en alta tensión (AT) identificada 1–4. Muestra de papel aislante de transformador fallado por sobretensión identificada 1–5. Muestra de papel aislante de transformador fallado por defecto de operación identificada 1–6. Muestra de papel aislante de transformador fallado por sobrecarga identificada 1–7. Muestra de papel aislante de transformador de control de casi treinta (30) anos ˜ identificada 1–8. En la Figura 16 se muestra una de las probetas preparadas e imágenes del equipo utilizado al realizar el ensayo de tensión. 7.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL PARA EL ANALISIS DE LA CHAPA DE ACERO AL SILICIO APLICANDO ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

7.1.

Ensayos con l`ıquidos penetrantes

Las muestras de chapas de acero al silicio de equipos fallados fueron preparadas para realizarles ensayos no destructivos, de acuerdo al Standard



23

el l´ıquido de las grietas y permitió inspeccionar posibles defectos. En las Figuras 17 y 18, se muestran imágenes de este procedimiento experimental. 7.2.

Ensayos con part´ıculas magn´ eticas

Luego de llevar a cabo el ensayo aplicando liquidos penetrantes a las chapas de acero al silicio de los equipos fallados, se les realizo otro END utilizando el Standard Guide for Magnetic Particle Examination o método (ASTM E709-01) [12], magnetizando el material utilizando electrodos o puntas de contacto de tal forma que las posibles grietas produzcan un escape de flujo magnético; y al aplicar part´ıculas con propiedades magnéticas, se produce acumulación en esas zonas, delatando la presencia de defectos evaluando discontinuidades superficiales y subsuperficiales en la superficie del material. Los END indicados anteriormente, fueron realizados en el Laboratorio de Ensayos No Destructivos de la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá.

Figura 16: Ensayo de tensión del papel aislante

Figura 17: Chapas de acero de equipos fallados preparadas para realizar END utilizando l´ıquidos penetrantes

8.

´ DE RESULTADOS DISCUSION

8.1.

Pruebas de tensi´ on del papel aislante de los transformadores fallados

En la Tabla 2 se indican cálculos obtenidos de la máxima carga a soportar, al igual que el desplazamiento, esfuerzo y la deformació n, y en la Tabla 3 caracter´ısticas tecnicas ´ que establece el fabricante para este tipo de material. Estos ensayos fueron realizados en el Laboratorio de Deformació n Plástica de la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá. Figura 18: Chapas de acero de equipos fallados luego de aplicar l´ıquido revelador

Test Method for Liquid Penetrant Examination o método (ASTM E165–95) [11], para la aplicación del ensayo utilizando l´ıquidos penetrantes, se limpió la chapa de acero, aplicando l´ıquido penetrante, luego, fue limpiada de nuevo la superficie, y por u´ ltimo se coloco liquido revelador que extrajo

8.2.

Ensayos con l´ıquidos penetrantes a las chapas de acero al silicio

Se realizó el procedimiento establecido para tal fin, no apreciándose en las muestras analizadas ninguna discontinuidad superficial [13]. En la Figura 19 se muestra una chapa de acero al silicio según lo indicado anteriormente.



24

Tabla 2: Caracter´ısticas de las probetas de papel aislante de los transformadores fallados Forma: plana Nonbre Espesor Anchura Longitud calibrada Unidades mm mm mm 1–1 0.1580 18.4000 100.0000 1–2 0.5380 19.7000 100.0000 1–3 0.9500 20.9000 100.0000 1–4 0.5200 18.9000 100.0000 1–5 0.1450 20.8000 50.0000 1–6 0.3630 19.9000 100.0000 1–7 0.5380 14.8000 100.0000 1–8 0.2090 20.5000 100.0000 Nombre Unidades 1–1 1–2 1–3 1–4 1–5 1–6 1–7 1–8

Max. Carga N 227.375 915.469 929.719 667.219 251.219 325.875 563.468 69.8438

Max. Despl. mm 2.19100 3.27000 3.64200 2.10300 1.49900 1.53000 2.32800 4.78650

Max. Esfuerzo KPa 78211.0 86376.4 46825.4 67889.6 83461.1 45111.9 70762.3 16301.5

Max. Deform. % 2.19 3.27 3.64 2.10 2.99 1.53 2.33 4.79

Figura 19: Chapa de acero de equipo fallado no muestra ninguna discontinuidad superficial

o alteraciones en la chapa de acero al silicio que indique deterioro en la calidad del material producto de alguna causa de falla. 8.4.

Ensayos de tensi´ on mec´ anica del papel aislante

Fuente: M. Mago (2011)

Tabla 3: Caracteristicas técnicas del papel aislante

Resistencia a la tracción longitudinal (N / mm2) Resistencia a la tracció n transversal (N / mm2) Alargamiento a la rotura longitudinal ( %) Alargamiento a la rotura transversal ( %) Gramaje (mm)

70–100 50–60 3–5 7–10 0.1–126

Fuente: M. Mago (2011) Figura 20: Resultados obtenidos de los ensayos de tensió nde todas las muestras de papel aislante

8.3.

Ensayos con part´ıculas magneticas a las chapas de acero al silicio

Aplicando el procedimiento establecido para evaluar discontinuidades superficiales y subsuperficiales con part´ıculas magnéticas, no encontrándose en los materiales evaluados ninguna alteraci´ on o cambios en los mismos [13]. Con estos ensayos no se observan cambios

De los resultados obtenidos se observa, que las muestras de papel aislante de los transformadores fallados a causa de sobretensión y humedad, se encuentran dentro de los niveles que indica el fabricante, en cuanto a las caracter´ısticas de la norma que establece entre 3–5 % del porcentaje de deformación, aunque el nivel de carga máximo es alto para el fallado por humedad, no as´ı, para



el fallado por sobretensión. Los transformadores fallados a causa de defecto de operación, sobrecarga, cortocircuito externo en alta tensión e incluso la muestra de papel aislante del transformador de control, no están dentro de los niveles anteriores, pero en algunos casos es muy baja o sobrepasa la relación del nivel de carga má xima. En la Figura 20, se muestra lo indicado. 9.

CONCLUSIONES

Esta investigación contribuye con la aplicación de métodos no convencionales para el diagnòstico de fallas en los transformadores de distribución, abriendo paso a una nueva a´ rea de especialización donde, ingenieros de distintas especialidades, se apoyará n en sus análisis técnicos, a fin de comprender los fenómenos eléctricos, magnéticos y mecánicos que definen el comportamiento de estos equipos, complementado dichos análisis, lo cual permitirá mayor experticia y desarrollo de equipos para mantenimiento preventivo, que disminuyan la probabilidad de ocurrencia de fallas y garanticen mejoras en los sistemas de distribución de energ´ıa eléctrica. A continuación se indican las conclusiones obtenidas en la presente investigación. Los ensayos no destructivos o END practicados a las muestras de equipos fallados, no revelaron en las chapas de acero al silicio que forman el núcleo del transformador monofásico, ninguna discontinuidad superficial y subsuperficial, que indique deterioro en la calidad del material, producto de alguna causa de falla. Se recomienda aplicar a las muestras de equipos fallados microscopia electrónica de barrido y difracción por rayos X, ya que estas t e´ cnicas complementar´ıan los END utilizados en la presente investigación, y se pudieran evaluar otros defectos en estos materiales de fabricación. Las pruebas de tensión mecánicas indican envejecimiento o deterioro del papel aislante del equipo en estudio por tiempo de servicio, lo cual permitir´ıa establecer la vida remanente o util ´ de los transformadores de distribución, es sin duda, una técnica importante en el diagnóstico de fallas de estos equipos, sus resultados contribuyen a la aplicaci´ on de modelos de pronóstico que mejo-

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rar´ıan los programas de mantenimiento preventivo en las empresas del sector eléctrico, disminuyendo la probabilidad de ocurrencia de fallas. Con la aplicación de estas técnicas, se pretende desarrollar simulaciones para determinar la vida remanente en los transformadores de distribución, sin embargo, los avances obtenidos hasta ahora, permiten solamente, realizar comparaciones entre los métodos de calificación utilizados por excelencia, por ejemplo, análisis f´ısico-qu´ımico del aceite dieléctrico de los equipos fallados, versus, estos métodos no convencionales. Pero, el desarrollo de equipos para mantenimiento preventivo basados en estos métodos no convencionales, en poco tiempo será una realidad. AGRADECIMIENTO

A las empresas Transformadores del Centro, y FYR Ingenieros, en Venezuela y Colombia, respectivamente. Al Consejo de Desarrollo Cient´ıfico y Human´ıstico de la Universidad de Carabobo (Venezuela) y a la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá. Referencias [1] Smith, W (1998). “Fundamentos de la Ciencia e Ingenier´ıa de los Materiales”. Editorial McGrawHill. 3ra edición, España. [2] Mago, M., (2011).“Aná lisis de Fallas de Transformadores de Distribució n Utilizando Mé todos No ´ Convencionales”. Tesis de maestr´ıa. Area de Estudios de Postgrado. Facultad de Ingenier´ıa. Universidad de Carabobo. Valencia, Venezuela. [3] Bossi, A. (1998). “Operació n y Mantenimiento de Transformadores de Potencia. Requerimientos de Usuarios y Fabricantes”. Editorial Mc Graw Hill. España. [4] NORMAS PARA TRANSFORMADORES DE DIS´ TRIBUCION. CADAFE. (1979).Caracas. [5] Mota, J ; Contreras, E. (1985). “Problemà tica de los Transformadores Sumergidos en Aceite”. Tesis de grado. Escuela de Ingenier`ıa Elèctrica. Facultad de Ingenier`ıa. Universidad de Carabobo. Valencia, Venezuela. [6] Corrales, Juan. (1954). “Teor´ıa, Cálculo y Construcción de Transformadores”. Editorial Labor. 3era Edición Rev. (Escuela de técnico electricista) Barcelona, España. [7] NORMAS PARA TRANSFORMADORES DE DIS´ CADAFE. (1979).Caracas, Venezuela. TRIBUCION.


Fallas en Sistemas Electricos

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