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NUEVAS TECNOLOGÍAS DE EVALUACIÓN DE LACONDICIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA

Dominio de Frecuencia

(FDS)San José de Costa Rica

26 a 30 de Agosto de 2013

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Contenido:

➽ FDS: Base Teórica y Aplicaciones

➽ Humedad en transformadores

➽ FDS: Medición de humedad en transformadores

➽ Procedimiento de medición

➽ Comentarios finales

Pruebas de espect roscopía Dieléct rica

➽ : p cac ones spec a es

2

(IDAX 300 Megger Insulation Diagnostic Analyzer)

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FDS: Base Teóric a y Apli cac iones

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FDS: Fundamentos (I)

➽ ¿Que es la espectroscopía Dieléctrica?

Es el estudio a partir del cual se obtiene la respuesta de los materialescuando se les aplica un campo eléctrico variable en el tiempo.

Información

InformaciónMagnitud

Magnitud

4

En la espectroscopía Dieléctrica se analiza la respuesta de una magnitud

macroscópica a partir de la cual se obtiene información de la estructuramicroscópica de los materiales.

FDS: Frequency Domain Spectroscopy

Microscópica

MicroscópicaMacroscópica

Macroscópica

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Pruebas de Espect roscopía Dieléct rica

FDS: Fundamentos (II)

➽ Ejemplos de Espectroscopía Dieléctrica

Ejemplo 1: Identificar la composición química de una muestra extraída en unsuelo desconocido.

Ejemplo 2: Fragmentación de un rayo luminoso a través de un prismadependiendo de su longitud de onda.

Los datos de espectroscopía se presentan gráficamente en un espectro en

5

función de longitud de onda o frecuencia.

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FDS: Fundamentos (III)

➽ Reseña Histórica

La espectroscopía de la Impedancia opera con valores complejos y suhistoria data desde la introducción del término impedancia en 1880.

En 1941 la espectroscopía de la Impedancia se introdujo en el campo dela Respuesta del Dieléctrico al introducir el gráfico Cole-Cole mostrando ε”

en el eje y (imaginario) vs. c’ en el eje x (o real).

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En 1995 se introduce el PRIMER instrumento para pruebas FDS enlaboratorio/campo.

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FDS: Fundamentos (IX)

Campo

eléctrico

Campo

eléctrico

TemperaturaTemperatura

Constante

dieléctrica

Constante

dieléctrica

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POLARIZACIÓNPOLARIZACIÓN

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FDS: Fundamentos (X)

Ruptura de cadenas

estructurales

➽ Envejecimiento produce cambios en la permitividad

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ENVEJECIMIENTO

Contaminantes polaresHumedad

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FDS: Fundamentos (XI)

➽ ¿Cómo evaluar la polarización de un dieléctrico?

Tensión deTensión de

Respuestadieléctrica en

el dominiodel tiempo

Respuestadieléctrica en

el dominiodel tiempo

Respuestadieléctrica en Respuestadieléctrica en

9

Polarización

de undieléctrico

Polarización

de undieléctrico

(RVM)

(RVM)

el dominio dela frecuencia

el dominio dela frecuencia

CIGRE Working Group, 15.01.09

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FDS: Fundamentos (XII)

a) Resp ues ta dieléct ric a en el do m in io d el tiem po

(Polar isat ion and Depolar isat ion Current , PDC)

1

0

1 Conducción debido a la conductividad del material2 Conducción instantánea debido a la componente capacitiva3 Conducción debido a la polarización material

1 2 3

j(t)

t

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FDS: Fundamentos (XIII)

1 2

➽ ¿Cómo evaluar la polarización de un dieléctrico?b ) Respu esta d ieléctri ca en el do m inio de la f recuen cia

(Frequency Do main Sp ectrosco py, FDS)

1

1

1 Componente capacitiva2 Componente resistiva

En términos de la permitividad compleja:

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FDS: Fundamentos (XIV)

➽ Evaluación de la polarización: Resumen A u n in s ta n te d e t iem p o d e ter m in a d o o c o m o u n a fu n c ió n d e t iem p o

a) Resistencia de aislamiento.

b) Índice de polarización.

A u n a f r ec u e n c ia f ija o c o m o u n a fu n c ió n d e fr e c u en c ia

a Factor de disi ación tan a una frecuencia fi a 50 / 60 Hz .

1 2

b) Factor de disipación (tan en función de frecuencia desde 1 kHz hasta 1mHz)

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FDS: Fundamentos (XIV)

➽ Evaluación de la polarización: Comparación de métodos

FDS PDC RVM

No invasivo Si Si Si

Descarga antes de Prueba No Si Si

Tiempo de Medicion Medio Largo LargoSuce tibilidad a Ruido

1 3

DC Bajo Alto Alto

AC Bajo Medio Alto

Mediciones con Guarda Si Si No

Presicion Alta Alta BajaRepetibilidad Alta Alta Baja

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FDS: Fundamentos (XV)

e

d i s i p a c i ó n

1 4

1 mHz 50 Hz 1kHz

F a c t o r

Frecuencia

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Humedad en t ransform adores

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¿Por qué se mide la humedad?

➽ Un transformador con bajo contenido de humedad es como unapersona saludable

Un transformador se puede poner a carga con tranquilidad minimizando elriesgo de una falla intempestiva y catastrófica.

Una persona puede trabajar esforzándose sin sufrir un ataque cardiaco.

➽ Un transformador húmedo es como una ersona con las arterias

1 6

obstruidas.

El dueño del transformador debe limitar la carga para evitar la generaciónde burbujas (riesgo de explosión).

La humedad en el aislamiento acelera el envejecimiento del mismo.

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Análisis de humedad en el aceite (I)

➽

El aislamiento en transformadores de potencia esta conformado por celulosa (impregnada en aceite) y aceite. Durante una determinadatemperatura de funcionamiento, casi toda la humedad esta en lacelulosa:

25 ton de aceite con contenido de agua de 20 ppm = 0,5 kg

2.5 ton de celulosa con 3% de contenido de agua = 75 kg

1 7

3% de agua en 2.5 ton de celulosa

Humedad

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Análisis de humedad en el aceite (II)➽

El contenido de humedad en el aceite (es casi constante en la celulosa)varia con la temperatura y con la condición de envejecimiento delaceite:

Un aceite envejecido permite mayor solubilidad de mayor cantidad deagua que un aceite nuevo

Una pequeña concentración de humedad dificulta el proceso de muestreo.

Las muestras de aceite tomadas a bajas temperaturas son de bajaprecisión debido a que el agua ha migrado hacia el papel

1 8

Muestra de Aceite tomada a 200C4.0% agua = 6 ppm

1.0 % agua = 3 ppm

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Análisis de humedad en el aceite (III)

➽

La humedad cambia las propiedades dieléctricas de la celulosapapel/prensado

➽ La humedad limita la vida útil del equipo

Aislamiento seco (0.5%) @ 900C = 40 Años

0 = -

1 9

.

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Interpretación del contenido de humedad (Megger)

< 0.5 % Transformador Nuevo

0.5 - 1.5% Aislamiento Seco

1.5 - 2.5% Nivel medio de humedad

2.5 - 4% Aislamiento Húmedo

(% de peso de agua por peso de celulosa)

2 0

> 4% Aislamiento muy húmedo

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Interpretación del contenido de humedad (IEEE)

< 1% Transformador nuevo

< 2% Aislamiento seco

(% de peso de agua por peso de celulosa)

2 1

-

3 - 4.5% Húmedo

> 4.5% Aislamiento excesivamente húmedo

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FDS: Medic ión de hum edad en

transformadores

2 2

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Humedad en transformadores de potencia

➽Métodos tradicionales para su determinación: Pun to d e Rocío (Dew Po in t)

a) En pruebas de certificación antes del llenado de aceite

b) En campo durante el proceso de secado (Dry-out) sin aceite

Muestra de Aceite

a Lue o de un roceso de recirculación

2 3

b) En servicio

Uni dad es de Moni to reo en Línea

Medici ón de Factor de Pot encia (Únic ament e a frecuenc ia de línea)

FDS

IDAX300

FDS

IDAX300

Nueva técnicaNueva técnica

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espectroscopía en el Dominio de la Frecuencia (I)

➽ ObjetivoMedir las pérdidas y la capacitancia del sistema de aislamiento a diferentesfrecuencias (y con baja tensión).

➽ Defectos detectables

Humedad en el sistema de aislamiento.

Contaminación en el sistema de aislamiento.

2 4

Determinar posible envejecimiento.

ENVEJECIMIENTO

Ruptura de cadenas

estructurales

Contaminantes polaresHumedad

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espectroscopía en el Dominio de la Frecuencia (II)

➽ Prestaciones del sistema Medición de Factor de Disipación a múltiples frecuencias y a cualquier

temperatura.

Compara los valores medidos vs. los valores del modelo, con referenciaen una base de datos de materiales.

Se obtienen los resultados en forma de humedad en el aislamiento sólido

2 5

.

Corrección de temperatura precisa.

Habilidad para detectar contaminación

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espectroscopía en el Dominio de la Frecuencia (V)

➽

Factores que influyen en la forma de la curva

2 6

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espectroscopía en el Dominio de la Frecuencia (VI)

2 7

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espectroscopía en el Dominio de la Frecuencia (VII)

2 8

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espectroscopía en el Dominio de la Frecuencia (XI)

3 0

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espectroscopía en el Dominio de la Frecuencia (X)

➽ ResultadosFactores que afectan la respuesta

3 1

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espectroscopía en el Dominio de la Frecuencia (XI)

3 2

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Procedimiento de medic ión

3 3

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espectroscopía en el Dominio de la Frecuencia (I)

➽Metodología de medición ¿P o r q u ém ed ir FDS?

1) FDS usa baja tensión (140 Vrms), lo cual implica:

Mayor seguridad

Menor tamaño del equipo

3 4

Mejor interpretación

Posibilidad de eliminar errores de medición.

3) La interpretación de resultados se basa en un modelo real de diseño de

transformador.

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espectroscopía en el Dominio de la Frecuencia (II)

➽Metodología de medición ¿P o r q u ém ed ir FDS?

4) Las mediciones FDS son reproducibles:

Las mediciones pueden reiniciarse

Mediciones previas en AC no afectan los resultados (pruebas de altatensión en CC pueden disminuir el valor de factor de disipación)

3 5

5) Las mediciones FDS son fáciles de entender y de modelar:

El modelo FDS son cálculos “jω” (Impedancia compleja)

El modelo en dominio de tiempo involucra integración

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espectroscopía en el Dominio de la Frecuencia (III)

➽Aplicación en la fabricación de transformadores• Caracteriza los materiales aislantes

• Se lo utiliza para controlar el contenido de humedad en el proceso demanufactura de Transformadores de Potencia

• Verifica en sitio que el aislamiento se encuentra en buenas condiciones

antes de energizarlo:

3 6

a. Permite mediciones a temperaturas superiores e inferiores a las defabricación

b. Ayuda a entender las posibles causas (inclusive temporales) de altotan delta/factor de potencia, ej. contaminación que eventualmenteserá absorbida por el papel y el prensado.

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Características del sistema (I)

➽ Características del sistema Señal de Prueba: 0 a 200 V (pico-pico) y 0 a 50 mA

Frecuencia: 10 kHz a 0.1 mHz

Rango de medición de la capacitancia: 10 pF a 100 μF

Uno o dos canales de medición independiente

3 7

Posibilidad de aumentar la tensión de salida (Vax 020: 2 kV)

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Características del sistema (II)

➽ Características del software1) Sistema de Control

Controla y opera el equipo IDAX 300

Resultados

2) Organiza los objetos de prueba y las mediciones

3 8

3) MODS

Software para análisis de datos

4) Posibilidad de generar reportes (MS Word)

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Metodología de Medición (I)

1. Se realizan las conexiones.2. Se mide el factor de disipación/factor de potencia desde 1 kHz hasta

1mHz

3. Se envían los resultados de la medición a un analizador: MODS

4. Se ingresa el valor de la temperatura del aislamiento (temperatura del

aceite).

3 9

5. MODS ajusta la curva medida a la curva modelo (automáticamente)variando los parámetros que afectan la forma de la curva para encontrar el mejor match.

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Metodología de Medición (II)

➽Metodología de mediciónPasos de m edición del IDAX :

6. A partir de 5. se obtiene:

• La relación de aislamiento sólido (celulosa) vs. líquido (aceite) entredevanados

• Humedad en el aislamiento sólido

4 0

• Conductividad del aceite

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1) Conexionado

4 1

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1) Conexionado

4 2

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1) Conexionado

➽ Que y cómo medir

4 3

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3) Envío de los resultados al MODS

4 4

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4) Ingreso de la temperatura del aceite

4 5

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5) Ejecución del MODS

4 6

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6) Obtención de resultados

4 7

Resultado

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7) EjemplosFabricante Año Temp.

Medida

Humedad PF del Aceite Potencia

Nominal

Condición

Hyundai 200

8

27 Co 0.6 % 0.013% PF @ 60Hz 105 MVA Nuevo, durante puesta en marcha

Westinghouse 198

7

27 Co 1.1 % 0.019% PF @ 60Hz 80 MVA Usado en subestación

GE 195

0

27 Co 2.1% 0.406% PF @ 60Hz 15 MVA Usado en subestación

Yorkshire 197

7

27 Co 4,5 % 0.467% PF @ 60Hz 10 MVA Usado y reparado

4 8

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7) Ejemplos

4 9

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Fact or de Potencia a baja conductividad de ace ite, 1% humedad, 20 oC – 50oC

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

20C 30C 40C 50C

PF@60Hz

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5 0

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Factor de Potencia a alta conductividad del aceite, 1% humedad, 20oC – 50oC

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

20C 30C 40C 50C

PF@60Hz

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5 1

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DFR Recomendaciones Generales: Rango de Frecuencia

Las mediciones DFR son dependientes de la temperatura y para asegurar un análisis confiable del contenido de humedad en el espécimen deprueba en aislamientos a bajas temperaturas, se recomienda extender elrango de frecuencia.

En la siguiente tabla se muestran los valores mínimos de frecuencia que

se requiere a diferentes temperaturas del aislamiento.

5 2

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DFR Respuestas Atípicas

Altas perdidas que se incrementan con el incremento de frecuencia:

• Resistencia en Serie – malas conexiones/alta resistencia en el laconexión núcleo-tierra

Alta conductividad del aceite en la configuración de prueba, ej. CHL

• Las superficies conductoras generan un puente entre los electrodos –

5 3

po uc n, sen eros car n cos

Pérdidas negativas en mediciones de bujes (tanδ/factor de potencia),usualmente alrededor de 1 - 0.1 Hz

• Corrientes de Fuga Superficiales (externas) o de interfase (internas)

Incremento de Pérdidas entre 50-100Hz hasta ~ 0.1Hz

• Contaminación, mala conexión.

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FDS: Aplicaciones Especiales

5 4

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BUSHINGSDFR Aplicaciones No-tradicionales

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Fallos en bushings

5 6

IEEE Std C37.91-2008IEEE Guide for Protecting Power Transformers

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Construcción de los bushings

Condensador / Grado Capacitivo

• Está diseñado en capas de materialaislante el cual crea capacitores entreel conductor central y tierra.

• Se construyen con un punto de prueba

5 8

Equivalente EléctricoCircuito

para la capacitancia graduada.Normalmente aterrizado en servicio.

• Tap de Prueba (Tap Capacitivo)

• Tap de Potencial

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Pruebas en bushings de Tipo Capacitivo

Condensador / Grado Capacitivo

• La prueba mas importante es lamedición de C1.

• Se mide la calidad del aislamientoprincipal del buje.

• Se aplica una señal sinusoidal en BT al

5 9

con uc or cen ra .

• La medición se realiza con respecto altap de prueba del bushging.

• Modo de Prueba UST, UngroundedSpecimen Test

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Pruebas DFR en C1

1. Se hace un puente entrelos terminales de AT.

2. Se hace un puente entrelos terminales de BT.

3. El tanque del transformador

6 0

debe estar a tierra.

4. La brida del bushing debeestar aterrizada.

5. Se debe quitar la conexióna tierra del tap de prueba

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Caso de Estudio – COTA 350 Prueba C1

35ºC, mc=0.7%

45ºC, mc=0.7%

6 1

23ºC, mc=0.8%

25ºC, mc=0.8%

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Referencias

6 2

ecomen a as

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Referencias

6 3

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Referencias

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