10/8/2014
IDENTIFICACIÓN DE DAÑOS EN NÚCLEO Y ARROLLAMIENTOS DESDE AFUERA HACIA ADENTRO Detección de averías mecánicas que amenazan la vida útil de su transformador- Análisis de Respuesta de Barrido de de Frecuencia
Seminario en línea Octubre 08, 2004 1
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Presentador
Dr. Diego Robalino, PMP Ingeniero Sénior de Aplicaciones
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IDENTIFICACIÓN DE DAÑOS EN NÚCLEO Y ARROLLAMIENTOS ARROLLAMIE NTOS DESDE DESDE AFUERA AFUERA HACIA HACIA ADENTRO Detección de averías mecánicas que amenazan la vida útil de su transformador- Análisis de Respuesta de Barrido de de Frecuencia
Seminario en línea Octubre 08, 2004 4
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Diagnóstico de Transformadores
Diagnosticar significa obtener información confiable para tomar decisiones correctas Las decisiones deben ser aceptables no solo s olo desde el punto de vista técnico sino también desde el punto de vista financiero.
Análisis del aceite
Resistencia devanados
Fundamentos del SFRA
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Mecánica del Transformador Un transformador esta diseñado para soportar ciertas cargas mecánicas. Los límites de diseño pueden ser excedidos debido a:
• Condiciones de el transporte • Cortocircuitos cerca del trasformador
La resistencia mecánica del transformador se debilita con el paso del tiempo • Disminuye la capacidad de soportar estrés
mecánico. • Incrementa el riesgo de fallas por problemas mecánicos. • Incrementa el riesgo de problemas de aislamiento.
Detectando fallas con SFRA Movimientos del núcleo Puesta a tierra del núcleo Deformaciones en los devanados Desplazamiento de devanados Colapso parcial de devanados Abultamientos en los devanados Ruptura de estructuras de fijación Cortocircuitos entre espiras Etc.
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Deformaciones en devanados por fallas de altas corrientes
Winding Deformation from High-Current Fault Event (Source: 2004 Weidmann Conference.)
SFRA = Huella Digital
r o d a m r o f s n a r T l e d a b u C
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SFRA: Fundamentos del ensayo
Prueba con el transformador fuera de servicio. El transformador se analiza como un circuito RLC. La respuesta del circuito se mide múltiples frecuencias sobre un extenso rango de frecuencias y la respuesta se grafica como una curva de magnitud. Los cambios en el circuito pueden detectarse mediante comparación en el tiempo. Este método es único por su capacidad para detectar diferentes fallas en los devanados o en el núcleo en una sola prueba.
r o d a m r o f s n a r T l e d a b u C
Resultados – Comparar Siempre
Problemas en el transformador pueden detectarse en diferentes rangos de frecuencia. El software de análisis puede detectar desviaciones fácilmente. Bajas frecuencias: • Problemas en el núcleo • Devanados abiertos o en corto circuito Frecuencias medias • Deformaciones en los devanados Altas frecuencias • Movimiento de los devanados y conexionado del conmutador
Taps y conexiones Deformación de devanados Núcleo + devanados
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Rangos de Frecuencias y posibles problemas asociados
El análisis en diferentes bandas de frecuencias indica diferentes tipos de problemas: • 20 Hz-2 kHz: deformación del núcleo, circuitos abiertos, espiras en
cortocircuito, magnetismo residual • 10 kHz - 20 kHz: abultamiento de espiras, impedancia shunt • 20 kHz - 400 kHz: deformaciones entre los devanados principales • 400 kHz - 1MHz: problemas de contacto en la TAP Esto es un criterio general, cada caso tendría características y naturaleza particulares.
Comparación de ensayos Transformador A
Basado en el Diseño
Basado en el tiempo
Transformador A
Transformador B
Basado en el Tipo Constructivo
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Comparaciones
Basadas en Tiempo
(Las pruebas realizan en el mismo transformador en diferentes periodos de tiempo)
Basadas en el Tipo Constructivo transformadores de un diseño similar)
Esta es la prueba mas eficaz Desviaciones entre curvas son fácil de detectar (Las pruebas se realizan en
Se requiere un conocimiento especifico sobre el objeto de prueba y sus posible modificaciones Desviaciones menores no son necesariamente un signo de problemas en la unidad
Basado en Diseño
(Las pruebas se realizan en los terminales de los devanados y boquillas de idéntico diseño)
Se requiere un conocimiento especifico sobre el objeto de prueba y sus posible modificaciones Desviaciones menores no son necesariamente un signo de problemas en la unidad.
Filosofía de las Mediciones SFRA Nuevas mediciones = Medición de Referencia
Entra en Servicio Nuevas Mediciones ≠ Medición de Referencia
Se requiere pruebas adicionales
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Mediciones de Referencia
Cuando el transformador es nuevo. • Se adquiere los datos durante las pruebas de
puesta en marcha de unidades nuevas
Cuando se conoce que el transformador esta en buenas condiciones. • Se adquieren los datos durante una parada
programada (pruebas de rutina donde no se encuentren problemas en la unidad)
Mantenga la información para comparación a futuro. Obtenga su referencia lo antes posible!
Ensayos de SFRA – Cuando?
Pruebas de Fábrica Instalación/puesta en servicio Reubicación Luego de incidentes (cuando se sospecha cambios electromecánicos) • Después del transporte • Cortocircuitos
Eventos catastróficos • Movimientos sísmicos • Huracanes / Tornados
En pruebas por alarmas de la unidad • Vibraciones • DGA • Alta Temperatura
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Documentos de referencia
Normativas • IEEE C57.149-2012 – “Guide for the Application and Interpretation of Frequency Response Analysis for Oil-Immersed Transformers” • IEC60076-18 Ed. 1 – 2012 • Std. DL/T911-2004 • Cigré Technical Brochure No. 342, April 2008
Ensayos de SFRA
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Que es el Análisis de Respuesta en Frecuencia (SFRA)? En General Sistema desconocido – Que está sucediendo adentro?
Entr ada
Salida
Entrada = Señal senoidal de diferentes frecuencias Salida = Señal generada por las características internas
Salida / Entrada = Respuesta! Comparar los cambios de la respuesta en el tiempo para evaluar la condición mecánica
SFRA – De donde proviene la gráfica Específicamente
Se APLICA 10 Volts @ de varias frecuencias al terminal de uno de los devanados Se MIDE el voltaje en el final de otro devanado RESPUESTA @ 1 frecuencia, Relación de (medido V / aplicado V) REPETIR @ 1000s de frecuencias (0.1 Hz hasta 25 MHz), magnitud de 10 V DIBUJAR EN UN GRÁFICO , x=Frecuencia vs. y=Magnitud de respuesta Representar Logarítmicamente, 20 log (medido / aplicado)
Aplicado 10 V
20Hz Response=
) V / V (
e d u t i n g a M
Magnitud de respuesta =
MeasuredV
MeasuredV
Medido V
Medido V Aplicado V
70Hz Response= 100Hz Response= 500Hz Response= 1000Hz Response= 2000Hz Response= 5000Hz Response= 10,000Hz Response=
10V MeasuredV 10V MeasuredV 10V MeasuredV 10V MeasuredV 10V MeasuredV 10V MeasuredV 10V MeasuredV 10V
20 Hz
50,000Hz Response= 100,000Hz Response= 200,000Hz Response= 500,000Hz Response= 800,000Hz Response= 1,000,000Hz Response= 1,500,000Hz Response= 2,000,000Hz Response=
10V MeasuredV 10V MeasuredV 10V MeasuredV 10V MeasuredV 10V MeasuredV 10V MeasuredV 10V MeasuredV 10V
1000 Hz
10,000 Hz
100,000 kHz Frequency (Hz)
1,000,000 Hz
2,000,000 Hz
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SFRA – De donde proviene la gráfica?
Magnitud de Respuesta del Barrido de Frecuencia Modelo eléctrico del transformador = Circuito RLC Impedancia efectiva a cada frecuencia Magnitud = Característica Inductiva
Aplicado 10 V
Medido V
Vaplicado
÷
[dB]
Característica Capacitiva 1,500,000 Hz Response
70 Hz Response 100 Hz Response 500 Hz Response
50,000 Hz Response
20 Hz
1000 Hz
2,000,000 Hz Response 1,000,000 Hz Response 800,000 Hz Response 200,000 Hz Response
100,000 Hz Response
10,000 Hz Response 1000 Hz Response 5000 Hz Response 2000 Hz Response
Medido V Aplicado V
Vmedido
20 Hz Response ) V / V (
e d u t i n g a M
Magnitud de Respuesta =
20log
10,000 Hz
500,000 Hz Response
100,000 kHz Frequency (Hz)
1,000,000 Hz
2,000,000 Hz
Resonancias
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SFRA configuración
Señal aplicada= 10 V
Señal medida = respuesta V
Cables coaxiles (apantallados)
Datos
Tierra
Tierra
Tierra Transformador Devanado
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SFRA: Resúmen de la Teoría
Transformador = Complejo, EXTREMADAMENTE SENSIBLE Circuito RLC • • •
Capacitancias Resistencias Inductancias
Cualquier deformación geométrica, cambios en la red RLC, lo cual provocará cambios en la impedancia/función de transferencia a diferentes frecuencias.
Cambios en la comparación de las curvas da una indicación de los cambios mecánicos dentro del transformador
HUELLA DIGITAL - Cada transformador es único desde el punto de vista mecánico •
Huella digital = barrido conocido de buena condición
Análisis de Respuesta en Frecuencia Pruebas y Diagramas de Conexión
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Cuales son las pruebas típicas? (En la mayoría de los transformadores)
1. 2. 3. 4.
VACIO Admitancia (OC) SHORT Admitancia (SC) CAPACITIVO Interdevanado (CIW) INDUCTIVO Interdevanado (IIW)
Nombre alternativos de otras normas: 1. Terminales a circuito abierto 2. Terminales en cortocircuito 3. Interdevanado (IW) 4. Transferencia Admitancia (TA)
{IEEE} {IEEE} {IEEE} {IEEE}
{Cigre} {Cigre} {Cigre} {Cigre}
Pruebas SFRA recomendadas
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IEEE C57.149-2012 MODOS DE FALLA
Deformación Radial Es una falla radial (hacia adentro) de compresión. El resultado es un pandeo a lo largo del bobinado. La deformación puede ocurrir en dos formas, libre y forzada, y las fuerzas se concentran en los bobinados internos.
Rango de frecuencia
Circuito abierto
Corto circuito
20 Hz - 10 kHz
Generalmente no afectado
Atenuanción ligera
5 kHz - 100 kHz
Cambios mínimos o nuevas resonancias
50 kHz - 1 MHz
Cambios obvios o nuevas resonancias
> 1 MHz
No afectado
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Deformación Axial Rango de frecuencia El arrollamiento se estirará y su radio se reducirá. La respuesta podría mostrar resonancias múltiples cambiantes en una amplia gama de frecuencias.
20 Hz - 10 kHz 5 kHz - 100 kHz 50 kHz - 1 MHz > 1 MHz
Circuito Corto abierto circuito Generalmente Cambio en la no afectado magnitud Cambios obvios o nuevas resonancias Posibles cambios o nuevas resonancias Impredecible
Deformación de abultamiento
Se corresponde con el movimiento de las bobinas debido a elevadas corrientes, golpes durante el transporte o eventos naturales.
Rango de frecuencia
Circuito abierto
Corto circuito
20 Hz - 10 kHz
Generalmente no afectado
Generalmente no afectado
5 kHz - 100 kHz 50 kHz - 1 MHz > 1 MHz
Cambios obvios o nuevas resonancias Posibles cambios a altas frecuencias Posibles cambios
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Defectos en el núcleo Rango de Cambio físico en el frecuencia núcleo del transformador: laminaciones en 20 Hz - 10 kHz cortocircuito o quemadas, tierra desconectada, conexiones de tierras 5 kHz - 100 kHz adicionales y movimientos de 50 kHz - 1 MHz apoyos. > 1 MHz
Circuito abierto
Corto circuito
Cambios en la resonacia primaria. Descartar efectos de magnetización
Generalmente no afectada
Posibles cambios o nuevas resonancias Posibles cambios a altas frecuencias Posibles cambios
Defectos en el núcleo según IEEE...
Cambios significativos en el circuito magnético a la primera resonancia de la prueba de circuito abierto
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Resistencia de Contacto Rango de frecuencia
Circuito abierto
Corto circuito
Los devanados Más de un tipo de fallo es Generalmente afectados una indicación de un mal 20 Hz - 10 kHz no afectado muestran contacto en las desplazamientos. conexiones del devanado, Posibles cambios o nuevas LTC o LTED que pueden 5 kHz - 100 kHz resonancias causar cambios en las Posibles cambios o nuevas frecuencias bajas y altas. 50 kHz - 1 MHz resonancias Posibles cambios o nuevas > 1 MHz resonancias
Cortocircuito entre espiras
Cortocircuitos de baja o alta impedancia entre espiras fácilmente detectables con el ensayo de SFRA. La respuesta de circuito abierto se verá como una prueba de cortocircuito.
Rango de frecuencia
Circuito abierto
20 Hz - 10 kHz
Respuesta similar a una prueba de cortocircuito
Corto circuito Diferencias obvias.
5 kHz - 100 kHz 50 kHz - 1 MHz > 1 MHz
Muestran desviaciones los devanados afectados Posibles cambios o nuevas resonancias Posibles cambios o nuevas resonancias Posibles cambios o nuevas resonancias
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Detección de espiras en cortocircuito (IEEE) Notable disminución de la impedancia a bajas frecuencias en la prueba de circuito abierto
La impedancia disminuye en el devanado de AT en la prueba de cortocircuito (Solo si el corto está en el lado de AT)
Devanados abiertos
Alta impedancia debido a conexiones flojas o carbonizaciones entre bobinas debido a fallas térmicas. Circuitos abiertos mostrarán resultados similares a las características de ruido de base.
Rango de frecuencia 20 Hz - 10 kHz
5 kHz - 100 kHz 50 kHz - 1 MHz > 1 MHz
Circuito abierto
Corto circuito
Cambios en la resonancia primaria. Se descartan efectos de magnetización
Diferencias obvias. Los devanados afectados muestran desplazamientos.
Obvious new resonances. Possible shifting Posibles cambios o nuevas resonancias Posibles cambios o nuevas resonancias
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Devanados flojos Es una expansión axial de las distancias entre discos o espiras causadas por el desprendimiento de alguna estructura de sujeción. Comúnmente causados por el transporte.
Rango de frecuencia 20 Hz - 500 kHz 500 kHz – 2 MHz
1 MHz – 5 MHz
Circuito abierto Generalmente no afectado Algunas diferencias cada vez mas detectables Aumento en las diferencias importantes
Consejos prácticos para los ensayos ANALISIS DE RESPUESTA EN FRECUENCIA
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SFRA Tip #1 Verificación del instrumento en el campo
La verificación del sistema en un rango de frecuencia conocido es recomendada por CIGRE y otras normativas con el fin de verificar el instrumento y cables antes de empezar las pruebas.
Tip# 2 Prueba rápida Menos puntos donde la prueba es mas lenta y donde no se necesitan resolución de alta frecuencia.
Mas puntos donde la resolución en alta frecuencia es importante
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Tip #3 Conexionados
La plantilla de prueba indica todas las conexiones a realizar Applied lead
Measured lead
Plantilla de un transformador trifásico de dos devanados
Tip #4 Conmutador
Que sucede si mi transformador tiene conmutador (sin o bajo carga)? • Las posiciones deben ser registradas en la sección notas. • Se debe asegurar que todas las espiras son ensayadas. – Registrar la huella digital en la posición nominal y en la total (todas
las espiras) del conmutador.
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Tip # 5 Malas conexiones
Las malas conexiones pueden afectar los resultados en altas frecuencias
Conexiones bien ejecutadas
Después de realizar las conexiones apropiadamente
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Tip # 6 Soporte para la interpretación
Aspectos importantes a considerar en el campo
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Resultados – Siempre comparar
Core NOT grounded Core grounded
La reproducibilidad es de suma importancia!
Rendimiento del instrumento
El ruido del instrumento es a menudo, la principal fuente de limitación. El ruido no necesariamente puede provenir de la Subestación.
Pruebe su instrumento realizando barridos con los cables de conexiones flotando (abiertos, es decir los cables NO conectados al transformador
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Nivel de ruido interno – Ruido de fondo
Ruido de fondo Rojo = Otra marca Verde = FRAX 101
Ejemplo de problema con nivel del ruido de fondo
Mediciones H1 – H2 (abierto & cortocircuito) Negro = Otra marca Rojo = FRAX 101
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La apropiada conexion a tierra de los cables garantiza repetibilidad en las mediciones
Práctica recomendada; Usar el camino mas corto posible de conexión de las pantallas de los cables coaxiles, a lo largo del bushing.
Práctica no recomendada
Influencia de la puesta a tierra de las pantallas
C. Homagk et al, ” Circuit design for reproducible on-site measurements of
transfer function on large power transformers using the SFRA method , ISH2007 ”
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FRAX - Cables y conexiones a tierra
Siempre la misma inductancia del mismo lazo de conexión a tierra en bushing determinado
Influencia del núcleo
Tratar de minimizar el efecto, sin embargo algunas diferencias mínimas pueden aparecer y deben ser aceptadas.
Preferiblemente: • Realizar la prueba de SFRA antes del ensayo de
medición de la resistencia de los devanados (o desmagnetizar después de ejecutada dicha prueba).
• Usar siempre el mismo voltage para la prueba de SFRA.
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Realizar el ensayo de resistencia de devanados después del ensayo de SFRA
Después del ensayo de resistencia de devanados
Después de desmagnetizar
Efecto del voltaje de ensayo utilizado
2.8 V
10 V
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Después de ajustar apropiadamente el voltaje de prueba! Curva de referencia a 2.8 V
FRAX, 2.8 V
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Casos de Estudio
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Historia
Caso de Estudio 1
Un transformador de 40 MVA, 115/13.8 kV estrella/estrella instalado en 1991, mostró incrementos en el factor de potencia (FP) del lado de baja tensión; realizado después de detectar pérdidas de aceite.
Programado un mantenimiento un año después, los ensayos nuevamente mostraron incrementos del FP.
Se realizó el ensayo de SFRA como parte de los ensayos de rutina. No había referencias previas.
SFRA - Ensayo de circuito abierto del devanado de BT
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Análisis Se compararon las tres fases para determinar cambios mecánicos dentro del transformador. Las tres fases de baja tensión mostraron asimetrías severas en el rango de 20 kHz- 1 MHz
Se supone posible movimiento de una fase de baja luego del ensayo de SFRA.
Los resultados fueron analizados comparando fases A (X1-X0) y C (X3-X0) ya que la respuesta esperada es simétrica.
SFRA Circuito abierto - devanados de BT (X1 y X3)
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Diferencia de magnitud en dB X1-X3
Análisis Las curvas se compararon en el rango de frecuencias de 30 a 500 kHz que corresponde a la sección del devanado principal. Dos curvas mostraron importantes asimetrías; sospechando movimientos de devanados.
Utilizando la guía de IEEE, “deformación radial ” o “devanados flojos ”, se confirmo el problema en el rango de 50 kHz – 1MHz.
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Deformación Radial Es una falla radial (hacia adentro) de compresión. El resultado es un pandeo a lo largo del bobinado. La deformación puede ocurrir en dos formas, libre y forzada, y las fuerzas se concentran en los bobinados internos.
Rango de frecuencia
Circuito abierto
Corto circuito
20 Hz - 10 kHz
Generalmente no afectado
Atenuanción ligera
5 kHz - 100 kHz
Cambios mínimos o nuevas resonancias
50 kHz - 1 MHz
Cambios obvios o nuevas resonancias
> 1 MHz
No afectado
Salida de servicio
El transformador fue puesto en observación y nuevamente entró en servicio.
El mismo año, unos meses depués el transformador salió fuera de servicio por falla en el sistema.
Luego de encontrarse valores elevados en los ensayos de FP, de decidió no poner en servicio el transformador.
El transformador fue enviado para inspección y reparación.
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Deformación radial
Deformación de devanados
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FRAX-101 – Analizador de Respuesta en Frecuencia
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FRAX Principales Características
El mas amplio rango dinámico en la industria: > 130dB
Cumple y supera las especificaciones de precisión y resolución requeridos por IEEE C57.149 e IEC 60076-18 Gran rango de frecuencia
Tensión de salida regulable para una máxima compatibilidad
Cumple con la mejores practicas de conexionado sugeridas por IEEE y CIGRE
Provee una caja de verificación para constatar el perfecto funcionamiento del equipo (recomendaciones de IEEE y CIGRE)
Comunicación inalámbrica vía Bluetooth
Batería interna, con capacidad de hasta un día de trabajo
Incluye SW con analizador de resultados en base a DLT911
El SW posee un administrador de base de datos para organización, búsqueda y comparación de datos
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