Cur So ManTenimiento Transformadores

UNIVERSIDAD TECNOLOGICANACIONALFACULTAD REGIONAL CONCORDIA

AO 2009ING. ELECTRICA

OPERACIN YMANTENIMIENTO DETRANSFORMADORES

AUTOR: Ing Elec FERNANDO MARULLConcordia 2009Operacin y Mantenimiento de Transformadores

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Ing. Fernando Marull

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INDICE

Cap DESCRIPCIN DEL TEMA TRATADO

Pag.

1.

EL TRANSFORMADOR DE POTENCIA.. 5

2.

CONTROL DE VIDA DE AISLACIONES EN PAPEL Y ACEITE 11

3.

EVALUACIN DE LA DEGRADACIN POR EFECTO TRMICO .. 15

4.

OPERACIN EN SOBRECARGA.. 23

5.

INCIDENCIA DE LAS SOBRETENSIONES EN LA DEGRADACIN DELAISLAMIENTO.. 31

6.

SOLICITACINES DURANTE LOS CORTO CIRCUITOS..... 35

7.

MEDIDA DE LA TANG FACTOR DE POTENCIA.... 43

8.

MEDIDA DE "LA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO..... 49

9.

DESCARGAS PARCIALES.. 53

10.

CONTROL DE LOS ACEITES.. 59

11.

RIGIDEZ DIELECTRICA DEL ACEITE.. 65

12.

RESISTIVIDAD Y FACTOR DE PERDIDA.. 69

13.

GENERACION DE GASES EN TRANSFORMADORES................................... 79

14.

EL CONTENIDO DE AGUA EN EL ACEITE Y LA AISLAMIENTO.. 101

15.

LA ACIDEZ EN EL ACEITE O INDICE DE NEUTRALIZACIN....107

16.

LATENSIN INTERFASIAL DE LOS ACEITES (TIF) .... 111

17.

CRITERIO DE COLOR E INDICE DE CALIDAD (I.D.Q.) SEDIMETOS LODOSY CONTENIDO DE PARTICULAS..113

18.

CONTENIDO DE BIFENILOS POLICLORADOS P.C.B. 117

19.

CONTENIDO DE FURANOS ..... 123

20.

GENERALIDADES DE OTROS ENSAYOS . 125

21.

TRATAMIENTOS DE ACEITE PARA EL MANTENIMIENTO .. 129

22.

MANTENIMIENTO DE TRANFORMADOR Y ACCESORIOS .. 135

23.

TABLAS DE DIAGNSTICO PARA EL ANLISIS DE LAS FALLAS .. ... 141

24.

TRANSFORMADORES DE MEDIDA.... 143

RECONOCIMIENTOSA los amigos enrriquecieron con sus dialogos tcnicos y diversos aportes, laelaboracin del presente manual, todo el personal que colabor con el autor durante 35aos en la Gestin de Operacin Mantenimiento de Transformadores desde AyE DivSanta Fe hasta la Gerencia de Transmisin de C.H. de Salto Grande

Operacin y Mantenimiento de Transformadores

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1 EL TRANSFORMADOR DE POTENCIA1.1. Introduccin

El transformador es el componente imprescindible de los modernos sistemas detransporte de energa elctrica y se presenta de la ms variadas formas y tamaos, todosson importantes para la continuidad del servicio, pero siendo el transformador depotencia por el tamao, inversin y costo de las prdidas que ocaciona la falla demismo, es el que merece la dedicacin superlativa de los especialistas involucrados.Los transformadores usados en alta y muy alta tensin son mquinas cuyo nivel desofistcacin es mximo, en ellos se aplican las tcnicas ms avanzadas del diseoelctrico y mecnico, al efecto que pueda responder xitosamente a todas lassolicitaciones que el servicio le demandar.Esquema elctrico

I1

I2V1

V2

Relacin de corrientes N1 I1 = N2 I2

I1 / I2 = N2 / N1

Relacin de tensiones N1 V2 = N2 V1

V2 / V1 = N2 / N1

Relacin de potencias V1 * I1 = V2 * I2 = S1.2.-El transformador de potencia sumergido en aceite

El aceite es un medio que adems de proveer aislacin a la mquina, le facilita larefigeracin, tanto de los bobinados como del ncleo, adems aporta un medio efectivopara extraer el calor al exterior, circulando tanto de un modo forzado como natural.


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En la figura presentamos el esquema de un transformador en aceite, con la bolsa paraque ste no entre en contacto con el aire y preservarlo de la oxidacin.

Bushing BT

Bushing de AT

Tanque deexpansincon bolsa deselladoatmosfrico

AEROREFR

Cuba

Relacin de pesos varan exponencialmente con la potencia nominalVeamos una relacin decomponenetes en base a un Transformador 100 MVAPeso total ; 1,3 Tons/MVAPeso FeSi; 0.7 Tons/MVACobre

; 0,15 Tons/ MVA

Celulosa ; 0,05 Tons/ MVAAceite

; 0,25 Tons/ MVA

Como vemos slo 0,30 Tons /MVA es celulosa y aceite y son los nicos materialespasibles de envejecimiento por el desgaste del uso a lo largo del tiempo, el resto esHierro y Cobre que son prcticamente exentos de envejecimiento.

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1.3.- Ciclo de vida de los transformadores

REVISION DISEO

FABRICACINENSAYOS

ESPECIFICACIN

RECAMBIO

COMISIONAMIENTO

RECONSTRUCCIN

OPERACIN YMANTENIMIENTO

ANALISISDE FALLADESCARTEFIN DEVIDA UTIL

EXTENSINDE VIDA TIL

DESEMPEO ENOPERACIN

1.4.- Especificaciones tcnicas

Las especificaciones tcnicas del transformador, son de gran importancia para el futurodesempeo de la unidad, en ellas, el operador debe explicitar adems de todas lasexigencias que el sistema elctrico, las condicines ambientales a las que someter a launidad durante la vida de la misma.Bsicamente est compuesta por las propias especificaciones tcnicas generales yparticulares, adems es conveniente el uso de la planilla de datos garantizados dondese explicitarn todas las exigencias tcnicas requeridas por el comprador de la unidad ytambin fugurarn, agellas que sern completadas por el fabricante, el resto de lascaractersticas tcnicas que se estimen sean tiles para las comparacin de las unidadesa adquirir.1.5.- Verificacin del diseo

Est probada la utilidad de realizar una revisin del diseo por un especialistaexperto en proyecto de diseo de transformadores y en ella se verifican todos los datosque se puedan auditar, tanto los ofrecidos como los garantizados en la planilla de oferta,como aquellos que permiten verificar los parmetros ofrecidos.Una limitacin importante es que los fabricantes en algunos casos no dan toda lainformacin que deberan entregar alegando reserva tcnolgica.La verificacin se realiza bsicamente sobre los prametros principales y consiste en lossiguientes pasos:


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Puntos destacados en la revisin del diseoFLUJO Y PRDIDAS EN HIERROVERIFICACION DE PARAMETROS DE DISEO

DENSIDAD DE CORRRIENTE

TEMPERATURA PROMEDIO DE CADA BOBINADODISEO TRMICO

PUNTO CALIENTE HOT SPOT Y TRANS CORTOCIRCUITOTEMPERATURA PROMEDIO DE NUCLEOA FRECUENCIA INDUSTRIAL Um

DISEO ELECTRICO

CON SOLICITACIN SOBRETENSION ATMOSFERICA BILCON SOLICITACIN SOBRETENSION .MANIOBRA SILDE BOBINADOS POR ESFUERZOS DE CORTOCIRCUITO

ELECTROMECANICO

CUBA POR SOBREPRESIN DEBIDO A FALLA INTERNA

1.6.- Inspeccin del proceso de fabricacin

Las instalaciones donde se fabrica la unidad, as como la pericia tcnica de los operariosde la planta para ejecutar la manufactura del transformador, debe ser verificadaapropiadamente con el siguiente esquema.CORTE DE CHAPAPOLUCINAPTITUD DE LAS INSTALACIONESINSPECCIN DE LAFABRICA

PROCESO SECADO

CALIFICACIN DE LA MANO DE OBRALIMPIEZA ORGANIZACIN Y CONTROLTRAZABILIDAD DE MATERIALES USADOS

CONTROL DECALIDAD

ENSAYOS DE RECEPCION DE INSUMOSINSPECCION DE PROCESOS DE FABRICACIN REGISTOSDE TIPO

ENSAYOS

ENSAYOS DE CONTROL DE LA MANUFACTURA

DE RUTINA

1.7.- Ensayos y comisionamiento

Las unidades antes de salir de fbrica deben ser ensayadas convenientemente deacuerdo a la norma IEC60076, especialmente para verificar si el espcimen responde alas caractersticas tcnicas pactadas en la compra, y tambin ser un efectivo control,para cuando se realice el transporte y el montaje en sitio. Es por ello, que el resultado dealgunos ensayos de rutina, permite su uso como referencia para asegurar que el montajeen el emplazamiento fue bien realizado.Los ensayos de comisionamiento, son en general, los que verifican el funcionamientocorrecto y seguro de la mquina, sus accesorios y las protecciones, pero tambinmuchas mediciones servirn como dato de partida para el historial al que el responsable

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de la explotacin debe recurrir para evaluar cualquier cambio de valor que se apreciefuera de lo normal.1.8.- El mantentenimiento, control de la vida til y Riesgo de falla

Como vemos ms adelante, existen una serie de ensayos, que por su caractersticaspueden ser realizados tanto en laboratorio como en campo, y adems, ser repetidos sinmayor costo; estos son importantes, dado que es el nico mtodo que se dispone paraevaluar si el transformador an es confiable, o si se detecta un aumento en el ndice defalla durante el servicio.Curva doble exponencial invertida

Indice de Falla

Zona de ndice inadmisible2 aos

20 a 30 aos

El especialista debe prolongar la vida util del transformador, manteniendo la mquinadentro de los ndices de confiabilidad compatibles con la funcin que presta la mismadentro del sistema de transmisin de energa.Para este estudio debern tenerse en cuenta elementos tales como;Probabilidad de falla (P) y Riesgo de falla (R) cuya formula en se establese en funcinde el numero estadistico de fallas anuales () [n de unidades/ao] valor que losdistintos foros,como CIGRE o IEEE, recomiendan para cada tipo de transformador.

P = 1 R = 1 e t =1.9.-Calculo del el costo de propiedad del transformadorVemos cual son los costos totales de un transformador para el propietario (CPT), quien operael mismo y se beneficia con su explotacin. La exprecin de los costos es :

CPT = DEP + MAN + INS + OPP + DEV + RSKDondeDEP, es la depreciacinde la unidadMAN, costo de mantenimientoINS, costo del seguroOPP, costo de oportunidadOperacin y Mantenimiento de Transformadores

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DEV, devaluacin, factor de inflacinRSK, riesgo especifico de falla

RSK = (CostoUnida dNueva ) x (1 e t ) =El Rdito Econmico Financiero del funcionamiento del transformador (REF)El rdito esperado del funcionamiento de un transformador tambin es algo complejoque describir, consideraremos el tiempo la energa real entregada por el transformadoral usuario final y el precio pag por MWh como en la ecuacin

REF = ( EnergiaDes pach ) x(CostodeEne rgia $ / MWh) =

Este es el beneficio que acta como retorno financiero de la inversin, dado por untransformador bajo ciertas condiciones de operacin.Entonces queda claro: Costo de la Energa no Suministrada o costo dela falla muy importante en caso de Deterioro de imagen empresarial. Sobrecostos de Mantenimiento Costo de renovacin.

Vs Elevacin del costo financiamiento de losseguros por elevacion de las primas. Tiempos de reparacin o de reposicin deunidades simpre prolongados 10 a 15 meses

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2.- CONTROL DE VIDA DE AISLACIONES EN PAPEL Y ACEITEPara evaluar el desarrollo de la vida de las aislaciones combinadas slida y lquida tipopapel-aceite, se debern tener en cuenta un determinado nmero de datos, de "efectos yacciones", entre los cuales a primera vista se pueden plantear los siguientes enfoques:

Vectores de degradacinEvaluacin de la degradacin.Acciones para atenuar el envejecimiento

2.1-Vectores de degradacin

Vale resaltar la importancia de los registros de operacin para la investigacin delcomportamiento del equipo o para el anlisis de las fallas que hubieran ocurrido .Se engloba en estos vectores a los datos histricos de la operacin del equipo :

Datos histricos de las temperaturas de operacin de los equipos .Seguimiento de las temperaturas ambientales mximas de las Subestaciones.Ciclos anuales de cargas mximas.Ciclos de cargas diariasOperacin en vaco.Solicitacin por sobretensiones.Operacin en sobrecarga.Ocurrencia de corto-circuitos cercanos.Transitorios de energizaciones , arranques con gran corriente de InrushCalidad del aceite. Contenido de Agua. Oxgeno, Gases y Contaminantes.

2.2- El mantenimiento y la evaluacin cuantitativa de la degradacin

La medicin de parmetros de naturaleza fsicoqumica, permite obtener un ampliopanorama, tanto de las situaciones de carcter histrico, como de aquellos problemas denaturaleza evolutiva. El men de posibilidades es muy grande y se enumeran aqualgunos de ellos, quedando al buen criterio del especialista la administracin yseleccin de los mismos.Por lo general, si tenemos dos tipos de ensayos, los que se realizan sobre la mquinaque por lo general para ejecutarlos se necesita disponerla fuera de servicio y los que serealizan sobre el aceite, que dado la facilidad de realizar la extraccin con la mquinaen servicio, ofrece un men amplio de posibilidades.De todos modos, las mediciones sobre la aislacion slida son de gran significacion y sedebe elegir muy bien los ms representativos para aprovechar efcientemente la salidade servicio programada de la unidad.


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Ensayos sobre la unidad y la Aislacin slidaAngulo de prdida en aislacin. Tang .Resistencia de aislacin-Ra.Indice de polarizacin.-I.PRelacin de absorcin dielctrica-RADPolarizacin y depolarizacin dielctrica En C:C: - PDC.Linealidad de resistencia de aislacin con la tensin.Indice de tension residual de la polarizabilidad del aislante.Descargas parciales.Medicion de la corriente de magnetizacin en B.T.Respuesta en fercuencia F.R.A..Tang Delta en barrido de frecuencia o Espectrografia Dielectrica.Grado de polimerizacn del papelAnlisis fisicoqumicos en el Aceite

Contenido de humedadAcidez (ndice de neutralizacin)Concentracin de oxgeno en el aceiteContenido de gases combustibles.Tensin interfasial.Colorimetra.y espectrifotometraContenido de inhibidores ( DBPC o BTH).Presencia de barros.Particulas cuantificacin y clasificasin.Estabilidad a la oxidacin.Cromatografa en fase lquida cont de furanos.Cantidad de PCB.Rigidez dielctricaFactor de prdidas Tang .Medicin de resistividad volumtrica.Contenido de contaminantes Azufre Cobre etc.Azufre corrosivo

2.3. Acciones para atenuar la degradacin

Un buen programa de operacin y mantenimiento de un transformador, debercontemplar tambin precauciones durante el servicio de la unidad, tambin en funcinde los anlisis y ensayos que se realizan, se podrn encarar acciones para reducir eldeterioro aumentando su vida til y confiabilidad.El men de opciones es muy amplio y se engloban a todas las acciones que tienden acontrolar la degradacin de los materiales que constituyen la mquina, que de algnmodo evitan que se desarrollen reacciones qumicas, solicitaciones electricas, esfuerzoselectrodinmico y temperaturas elevadas en los componentes internos de la unidad.

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Se estudiarn todas las tcnicas que permiten de algn modo atenuar las degradacin delos aislantes y sus fijaciones para prolongar la vida del transformadorTratamientos de los medios refrigerantes para mantener la calidad del aceite- Aplicacin de aditivos en aceites- Control de las temperaturas.- Control de las sobrecargas.- Mejoras en la refrigeracin- Limitacin de esfuerzos extremos (cortocircuitos y/o arranques)- Aplicacar modificaciones en los sistemas de respiracin- Reacondicionamiento de las aislaciones y del arrollamiento.- Secado reconstruccin de aislaciones en forma total o parcialTratamientos para mantener la calidad de la aislacim- Proceso de limpieza parcial de la aislacin.- Secado de la aislacin bajo vaco o aire seco.- Sistemas de secado en linea- Tratamiento de lavado con aceite caliente Hot Oil Spray.- Tratamientos con Tierra de Fuller.- Reacondicionado de cuas- Reajustado de gatos de sujecin de bobinas.2.4 . Detalles constuctivos de los componentes del transformador

Detalles de las chapas de ferrosilicio de grano orientados de 0,25 o 0,30 mm de espesor parala formacin del paquete del ncleo


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Ncleo con cepo inferior y ataduras, teminado, listo para el calado de la bobina.

Bobina del arrollamiento de alta ternsin lista parel calado en el bobinado de BT.

Arreglo general deltransformador listopara el tratemiento desecado final y suintroduccion en cuba

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3.-EVALUACIN DE LA "DEGRADACIN POR EFECTO TRMICO"3.1 Envejecimiento de los aislantes

La vida de un aislante sometido a una degradacin por efecto de la temperatura y deltiempo viene dado bsicamente por la ley de Arrenius, generalpara todos los materiales.Vida = e [ A + B/T ] donde :A y B- son constantes experimentales para un material dadoT - temperatura absoluta en grados Kelvin.La degradacin de un aislante de celulosa realizado con papel Kraft, se produce porrotura de los polmeros que componen la fibra del material los especialistas hanreconocido internacionalmente los trabajos de Monsinger, y se puede asumirmatemticamente que en un entorno de las temperaturas se puede expresar de modoprctico la expresin de lo que que el consumo de la vida es:Vida = e -p

{{

Donde

p es una constante relatva al material es la temperatura en C

Lo que se ha acordado entre los especialistas, es que la velocidad de consumo de vidade las aislaciones de papel en aceite de los transformadores con temperaturas de trabajoentre 80 y 140 C se duplica para un aumento de aproximadamente 6C. en las partesactivas de la aislacin.Este concepto es importante cuando se quiere definir el fin de la vida util de la unidadpara lo cual se determinarn que propiedades al degradarse hacen.3.2 Regimen de envejecimiento relativo segun normas

3.2.1.- Con Norma IEC.- Utilizando la ecuacin de Montsinger para aislacin de papelcomun, se pueden relacionar las distintas velocidades de consumo de vida para unatemperatura del cobre dada h correlacionndolo con el consumo de vida relativo a unatemperatura de referencia hr . La formula de la Velocidad Relativa del Consumo deVida (V) queda:

V = 2 (h 98 ) / 6 =

3.2.1 [1]

h = Temperatura en el cobrea = Temperatura ambienteo = Temperatura en el aceitehmr=Temperaura del media del bobinado a potencia nominalhr = Temperatura del punto caliente a corriente de regimenes es 98C para untransformador construido con la norma IEC 60076 de 1998 y a de 20 C.Operacin y Mantenimiento de Transformadores

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Estos valores corresponden al funcionamiento con una temperatura ambiental a de 20C y la potencia nominal, del transformador, es decir, se acepta que se los construye conuna elevacin de temperatura sobre el ambiente de h = 78 C para el punto mscaliente, el Hot Spot. se considera en este punto el bobinado hr - hmr 13 Csuperando la temperatura del calentamiento medio del cobre (medido por resistencia),este valor de temperatura segn IEC est definido en 65 C, en estas condiciones deenvejecimiento del aislante y se calcula la vida til del transformadorHoras por diahCcon papel comunHot Spot9824101,516104121106113,541163119,521221,5125,511280,75131,50,503.2.2.- Con Norma ANSI IEEE Cabe destacar que las normas americanas especificanhmr = 55C para las mquinas construidas con papel comn, en la misma normahmr = 65C exije el uso de papel mejorado trmicamente, en las EspecificacionesTcnicas se pueden definir valores diferentes, los valores bajos son los recomendablespara climas tropicales. Los transformadores construidos con norma ANSI se presenta lafrmula para la Velocidad Relativa del Consumo de Vida (V) :

V =e

(

150001500)110 + 273 h + 273

=

3.2.2 [2]

Tabla 3.2 Tasa de envejecimiento relativo por temperatura de Hot SpotEnvejecimiento relativo en Envejec. relativo puntohpunto caliente papel comuncaliente papel upgraded800,1250,036860,250,073920,50,145981,00,2821042,00,5361104,01,01168,01,8312216,03,2912832,05,813464,010,1140128,017,2

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3.3.- Vida del papel bajo distintas condiciones

Para ver la influencia de la calidad del mantenimiento del tranformadorevidanciandopor la buena el aceite y la aislacin seca y limpia veamos la influencia dealgunos factores. Por ello ilustramos el difernte comportamiento frente alenvejecimiento trmico teniendo en cuenta las parametros la humedad y latemperatura. El envejecimiento relativo V=1 corresponde a 98 C para el caso delpapel comn y 110C para el mejorado trmicamente.Vida en AosTipo de Papel

Temperatura C Seco sin aire Hume 2% y aire

Celulosa Comun

Celulosa Mejorada

80

118

5,7

90

38

1,9

98

15

0,8

80

72

76

90

34

27

98

18

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3.4.- Las temperaturas en el interior del transformador

Para el anlisis de la problemtica del comportaminto trmico durante la operacin delos transformadores, es de gran importancia conocer el mismo desde el interior delaunidad, para ello, se recurre al diagrama trmico del mismo.Para la construccin de este diagrama, de gran utlidad para visualizar los valores detempetura que se alcanzan en el transformador, se debe recurrir a varios datos que eldiseador ya ha deteminado, en funcin de las Especificaciones Tcnicas requeridas porel operador de la mquina.En algunos casos el fabricante puede entregarnos estos valores, pero lo ms saludablees realizar conjuntamente con l una revisin de diseo previa a la fabricacin y teneruna estimacin de estos valores para que se puedan verificar en los ensayos.De no contar con esta instancia debe recurrir al Ensayo de Calentamiento de donde seobtendran algunos de los valores como son las temperaturas del aceite A, B, C y Dadems del valor temperatura media del bobinado Q.El valor P temperatura de punto caliente de bobinado y su factor H surge del clculo(revisin de diseo) y es muy importante su determinacin. Vale considerar que en laactualidad se pueden instalar sensores de temperatura con conexin ptica.En algunos casos tambin se puede hacer un Ensayo de Calentamiento Dinamico con eltransformador en operacin y estabilizando los parametros tales como la carga y latamperatura, aunque la temperatura media de bobinado debers salir de un clculo deseparacin de prdidas.El factor de punto caliente (hot spot)El valor de H se encuentra entre 1.1 a 2.1 depandiendo del tamao y de su impedanciade cortocircuito, 1,3 es un buen valor para transformadores medianos, este valor no sale


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en forma directa del ensayo de calentamiento, por lo que es conveniente recalcular conlos datos obtenidos del diseo y el referido ensayo de calentamiento.Diagrama trmico de temperaturas internas del transformador y el arrollamientosegn IEC 60076-7 / 2005H x gr

YA

B

Pgr

C

Q

DEXClavesA: Temperatura Top Oil como promedio de Temp. aceite de salida y pozo determmetro de Cuba.B: Temperatura media del aceite superior de Cuba en bobina superior ( similar a A)C: Temperatura de aceite en el medio de la Cuba.D: Temperatura de aceite inferior en Cuba.E: Piso de Cuba.gr: Gradiente Trmico a corriente nominal entre temperatura media de bobinado ymedia de aceite.H: Factor de Hot Spot. (Punto Caliente)P: Temperatura de Hot Spot.Q: Temeratura media de bobinado medida por resistencia (Ensayo de Calentameinto)X-eje: Temperaturas.Y_eje: Posiciones relativasPunto medidoPunto calculado3.5. Clculo de la prdida de vida en un perodo dado

Nos basamos en un criterio ecualizador para un tiempo t dado las horas operadas auna temperatura, h integrando slo los perodos en que la temperatura del bobinado18



supera los 80C, para el resto del tiempo se estima que la temperatura es losuficientemente baja que permite considerar despreciable el envejecimiento.La prdida de vida (L) para un cierto periodo de tiempo viene dado por:t2

L = Vdt o la integracin discretat1

N

L Vn xt n [3.5]n =1

DondeVn es el envejecimiento relativo durante el intervalo n de acuerdo a eq. 3.2.1y -3.2.2.tn es el enecimo inervalo de tiempon es el numero de cada intervalo de tiempoN es el total de los intervalos de tiempoVida de la AislacinLos especialistas han sugerido distintos criterios para definir la vida de una aislacinpero en general se acepta que una aislacin se encuentra en su etapa final cuando lamisma ha perdido el 50% de resistencia mecanica a la traccin, esto puede apreciarseen la deetalle en el capitulo 6.8 la resistencia menica y el grado de polimerizacindel papel.Lo real es que cuando hay contaminantes como el agua, la temperatura acelera elenvejecimiento del papel, ya que est aceptado por los especialistas y diseadores de launidad, es por ello que se deben tener perfectmente acotados algunos parametros comola humedad en papel, menor al 2% para no tener envejecimientos anormales o burbujas.Funcionamiento a temperatura variablePara el caso de una temperatura variable h = (t) para calcular la prdida de vida(L) enun cierto periodo de tiempo, es conveniente realizar una integracin con los valoresvistos precedentes, durante las horas de servicio, con las vida consumida.Nmero de horas de funcionamiento a la temperatura h para tener el mismoconsumo de vida que en 24 hs. a 98CEn consecuencia, el tiempo diario de uso del transformador a una temperatura superior de98C se reducir, para tener un consumo de vida igual al esperado en el diseo de launidad. Por lo tanto, se reducir el tiempo t en horas. en funcin de la temperatura h,es decir, en la medida de la sobrecarga operada.3.6.- Temperatura ambiente a considerar para una gua de carga y determinacin del

valor de temperatura ambiente a en el aoSi la temperatura ambiente a, vara durante el da en forma cclica y tambin en modoestacional durante el ao, para estimar los tiempos de carga, es necesario utilizar unvalor ponderado de a, pues, como es de esperar, la temperatura ambiente ponderada'a ser superior a la media aritmtica.


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Si consideramos un funcionamiento a carga constante y con una temperatura ambientevariable a(t) funcin de un tiempo t dado, la temperatura ambiente ponderada para este perodo, est expresado por la frmula siguiente para una secuencia detemperaturas a(t) en funcin del tiempo durante el ao de perodo T:t

t

0

0

L = V dt = 2 h / 6 dt =

[ 3.6.1]

Si la aplicamos a un tiempo (t ) en N intervalos iguales, la frmula se transforma enuna sumatoriaN

N

L Vn xt n = 2 h / 6 =n =1

[ 3.6.2]

n =1

Funcin anual de la temperatura del aire a, funcin del tiempo(t), vemos que en estecaso la que suponemos asimilada a una funcin doble sinusoidal como primeraaproximacin.

a (t ) = ya + A sen 2 t + B sen 2 t365x24

[3.6.3]

24

t = tiempo en horas

ya= temperatura media anualA = amplitud promedio anualB = amplitud promedio diaria

Grfico de las temperaturas perodo un ao

Debido a que el envejecimiento se duplica cada 6C y hemos asumidos que lasfunciones son sinusoidales, puede entonces introducir el valor de la Temperaturaanual ponderada llamamos E

E = ya + 0,01x[2( ma max ya ]1,85 =

[ 3.6.4]

ma-max= temperatura media mensual del mes mas clido, (es igual a la suma delpromedio mximos diarios y promedio de mnimas diaria durante ese mes dividido 2).

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Se puede estimar que para un clima templado como el de nuestra zona la media anualponderada es 5C superior a la media anual aritmtica.3.7.- Deterioro de la aislacin segn la temperatura caso carga constante (Reactor)

Una forma conveniente para expresar el deterioro de la aislacin en trminoscuantitativos es relacionarla con un consumo de vida unitario Ln,En nuestro casoaplicaremos un Reactor que usualmente trabaja a carga constantet

t

0

0

L = V dt = 2 h / 6 dt =

D =L/Ln

[ 3.7.1]

Donde:D: Deterioro relativoL :consumo de vida aual calculado en horasLn:consumo de vida anual de diseo en horas cte = 98C

Reactor construido IEC 60076

t =1 aoPara realizar el cuadro propuesto ms adelante, se tom la montona de la temperaturadiaria y anual, con parmetros obtenidos procesando las temperaturas de nuestra zonaen los ltimos 20 aos.:Temp. media anual ya= 21CAmplitud media anual A= 15CAmplitud media diaria B= 6CTemp. mxima anual amax = 42C es la maxima para la zona

hmx117C112 C107C102C97C92C87C80C

D1.710.530.300.170.300.050


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3.8.-Grfico de Vida - TemperaturaVel.rel Cv

100

10

1.0

0.180

90

100

110

130

120

140

150

c

Tenp.Hot Spot

22



4.- "OPERACIN EN SOBRECARGA"4.1-. Sobrecargas mas all de los valores de nominales

Las sobrecargas que tienen lugar durante la operacin, producen acortamiento de lavida til de la mquina por la elevacin de las temperaturas que aceleran suenvejecimiento, en este caso, el consumo de vida puede ser ponderado mediante lafrmula ya vista en 3.6.1., pero es el proposito de la norma IEC 60076/7, con laslimitaciones establecidas, los transformadores pueden se cargados ms alla de losvalores nomimales, con un envejecimiento admisible con el previsto por su diseador.Los riesgos pueden ser reducidos si el operador especifica claramente las condicionesde sobrecargas previstas y stas son tenidas en cuenta en el diseo de la unidad.Las consecuencias de las sobrecargas en general.Los efectos a tener presente en general son los siguientes Las temperaturas en bobinados, puentes, lideres y aislacin ser elevada ypuede llegar a valores inaceptables. La densidad del flujo de dispersin en ncleo aumenta elevando los valores delas corrientes parsitas y calentando partes metlicas. Como la temperatura cambia, el gas y la humedad en el interior de la aislaciny el aceite puede cambiar. Bushings, cambiadores de topes conectores y transformadores de corrientesern expuestos a elevadas solicitaciones fuera de los mrgenes de diseo.Las consecuencias y los riesgos prematuros, asociados se incrementan con el valor delas corrientes de las sobrecargas.Efecto y peligros de cargas de emergencia y corto tiempoCargas elevadas de corto tiempo, pueden segn las condiciones de servicio elevan losriesgos, las duraciones permisibles de estas sobrecargas deben ser menores que laconstante de tiempo del transformador y dependen de la temperatura previa a lasobrecarga, no deben superar la media hora. El mayor riesgo es la falla por reduccin de la rigidez dielctica debido a laposible presencia de burbujas de gas en zonas de elevado campo elctrico, enespecial si se superan los 140C de temperatura y contenidos de humedad delorden 2% o superior. Burbujas de gas se pueden producir en el aceite y en aislacin en superficies departes metlicas calentadas (180C) por flujo de dispersin y que porsupersaturacin del aceite se forman en zonas de bajo campo elctrico y sedesplazan a zonas de mayor campo elctrico. Deterioros temporarios de las propiedades mecnicas a altas temperaturas,reducen la capacidad de soportar cortos circuitos. Fallas en bushings, pueden producirse al superarse los 140C. La expansin del aceite puede provocar sobreflujo en el tanque de expansin. La apertura de elevadas corrientes pueden ser peligrosas para el cambiador detopes.Los parmetros limitantes estan detallados en el punto 4.4 que se ver ms adelante.


23


Efecto de operacin de largo tiempo con cargas de emergencia.Cargas que no son operacin normal pero y su ocurrencia es esperable, pueden ocurrirvarias semanas o meses y llevan a envejecimientos importantes. Deterioro de la propiedades mecnicas de la aislacin del conductor, si no lasllega a destruir, reducir la expectativa de vida de la unidad. Otras parte de la aislacin, en especial, las que soportan los esfuerzos axialesdel block de bobinas, pueden deteriorarse a elevadas temperaturas. Las resistencias de contacto de los cambiadores de topes se deterioran conelevadas corrientes. Las juntas de gomas se cristalizan con elevadas temperaturas.Los clculos regulados de envejecimiento relativos en % de perdida de vida sonbasados en los riesgos que se asumen en tiempos largos.Tamao del transformadorEl tamao del transformador es muy sensible a las sobrecargas y usualmente dependede esta. Cuando el tamao aumenta las tendencias son las siguientes; la densidad de flujo aumenta; los esfuerzos de corto circuito aumentan; la masa de aislacin que esta sugeta a gran campo elctrico crece; el punto-caliente es muy dificil de determinar.Por ello los transformadores grandes son muy vulnerables a las sobrecargas y por ellose dividen en:Transformadores de distribucinTrasformadores medianos .Grandes Transformadores de Transmisin y Elevadores de Generacin (GSU)4.2.-Evolucin de las temperaturas en rgimen transitorio

Para realizar el desarrollo matemtico del consumo de vida por efecto de latemperatura h a lo largo del tiempo V(t,h) que dura una sobrearga, se debecontemplar la temperatura inicial del punto caliente del bobinado hi y seguir suevolucin exponencial luego de un aumento repentino de la carga, el calor generadoes funcin cuadratica de la corriente.Q = . I2La ecuacin siguiente, es la que rige la evolucin de la temperatura en sobrecargatransitoria, la misma sigue una ley exponencial con una constate de tiempo para elbobinado del orden de algunos minutos y otra para el aceite o general deltransformador que ser de varias horas dependiendo del tamao de este.La temperatura del punto caliente es la suma de la temperatura ambiente, mas laelevacin de la temperatura de top oil en la cuba, mas la diferencia entre punto calienteHot Spot y temp.superior de cuba Top oil.La temperatura aumenta al nivel correspondiente al factor de carga K. eq.[4.2.1.]x1 + R * K 2 y h (t ) = a + oi + or * oi * f 1 (t ) + hi + H gr K hi * f 2 (t )1R+

{

}

De igual modo la temperatura decrece, cuando el factor de carga disminuye. eq.[4.2.2.]

24



x1 + R * K 2 h (t ) = a + or * + oi or 1+ R

1 + R * K 2 * 1+ R

x

y * f 3 (t ) + H gr K

Dondea = temperatura ambienteor = temperatura en el aceite a corriente nominaloi = temperatura en el aceite inicial antes de la sobrecargah = temperatura del punto calientehr = temperatura del punto caliente a corriente nominalhi = temperatura del punto caliente inicialR = Relacin de prdidas = prdidas en carga /prdidas en vacoK = I1/ In = factor de cargaf1(t) ;f2(t) y f3(t) son funciones temporales de la constantes de tiempoo = constante de tiempo media del aceite (min)w constante de tiempo media del bobinado (min)k11; k12 y k22 = constante del modelo trmico

(

f1 = 1 e ( t ) /( k11* 0 )

)

(

f 3 = e ( t ) /( k11* 0 )

)

f 2 = k 21 * 1 e ( t ) /( k22*w) (k 21 1) * (1 e( t ) /( 0 / k22 ) )Transformadores dedistribucin

Los valores para las formulas pueden encintrarse en la tabla siguiente [4.2]

ONAN

ONANrestringido(ver nota)

ONAN

ONAFrestringido(ver nota)

ONAF

OFrestringido(ver nota)

OF

OD

Transformadores de mediana y gran potencia

Exponente de aceite x

0.8

0.8

0.8

0.8

0.8

1.0

1.0

1.0

Exponente de bobina y

1.6

1.3

1.3

1.3

1.3

1.3

1.3

2.0

Constante k11

1.0

1.5

0.5

0.5

0.5

1.0

1.0

1.0

Constante k21

1.0

3.0

2.0

3.0

2.0

1.45

1.3

1.0

Constante k22

2.0

2.0

2.0

2.0

2.0

1.0

1.0

1.0

Constante de tiempo 0

180

210

210

150

150

90

90

90

Constante de tiempo

4

10

10

7

7

7

7

7

Nota: Si el devanado de un transformador ON o OF esta refrigerado en zig-zag, el espaciador con unespesor menor a 3 mm podra causar una restriccin a la circulacin del aceite. P ej. valor mximo de lafuncin 2 (t) obtenido con espaciadores 3 mm.


25


El resultado para el caso de una sobrecarga de K2 = 1.4 con carga previa K1 0,8 conuna hora de duracin, graficado top oil y la tempertura de los bobinados H y X sera:K1= Potencia antes de la sobrecarga K2= Potencia durante la sobrecargaPotencia nominalPotencia nominalSOBRECARGA K1= 0,8 ; K2 1,4 - Durac1 hr

160. 00

140. 00

Tmp C Pot %/2

120. 00

100. 00

80. 00

60. 00

40. 00

20. 00

0. 001

3

5

7

9

11 13

15 17

19 21

23 25

27

29

31

33

35

37

39

41

43

45 47

49 51

53 55

57 59

61

63

65

67

69

71 73

75 77

79

Tiem po min

TopOilTempX(2)TempH(2)POT

4.3.-Consumo de vida para operacin en sobrecarga

La forma ms prctica, para la evaluacin de la operacin es utilizando los valores quese han normalizado en tablas y curvas, en las que se vincula la relacin de sobrecargaK2 con el tiempo de aplicacin de la misma, para un valor de desgaste equivalente alprevisto en el diseo de la mquina, pero a 20C para cualquier otra temperatura sedeber utilizar la siguiente tabla para corregir el consumo de vida V.Temp ambienteCorr de Cv

4010

303,2

201

Tabla IEC 60354(antigua) de valores de K2refigeracion ONAN

100,32

00,1

-100,032

para transformadores con

K1=0.25

K1=0.50

K1=0.70

K1=0.80

t=0.5

1.61

1.567

1.51

1.46

1.41

1.00

t=1

1.48

1.44

1.39

1.36

1.31

1.00

t=2

1.33

1.30

1.27

1.25

1.21

1.00

t=4

1.19

1.18

1.16

1.15

1.13

1.00

t=6

1.13

1.12

1.11

1.10

1.09

1.00

t=8

1.10

1.09

1.08

1.08

1.06

1.00

t=12

1.06

1.05

1.05

1.05

1.04

1.00

t=24

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

26

K1=0.90

K1=1.00



Ej. del uso de la tabla :Sea K1 = 0,9; T = 2 hs., de la tabla resulta K2 = 1,21 para 20CLa interpretacin es la siguiente; si el transformador trabaja 22hs.a 0,9 de la corrientenominal In y 2 hs. a 1,21 de In, el consumo de vida ser igual a trabajar durante 24 hs. ala potencia nominal a ambos casos a la temperatura anbiente 20C (IEC 76-2).4.4.-Limitaciones de temperatura y corrientes operadas

La publicacin IEC N60076-7 Guia de Carga para Transformadores sumergidosen Aceite. Presenta los algoritmos para construir las curvas de el punto caliente paralos transformadores construidos de acuerdo a IEC-60076.La norma establece los valores en que se pueden superar los establecidos en la placa,pero con las reservas del caso se puede aplicar estipulado en la siguiente tabla 4.4.Transformador Transformadorees des de medianadistribucinpotencia

TIPOS DE CARGA

Transformadores de granpotencia

Ciclo normal de cargaCorriente (por unidad)

1.5

1.5

1.3

Temperatura del punto caliente del devanado y partesmetlicas en contacto con material de aislacincelulosita (C)

120

120

120

Temperatura de otros puntos calientes metlicos (encontacto con el aceite, papel de aramida, fibra devidrio)( C )

140

140

140

Temperatura mxima del aceite ( C )

105

105

105

Corriente (por unidad)

1.8

1.5

1.3

Temperatura del punto caliente del devanado y partesmetlicas en contacto con material de aislacincelulosita (C)

140

140

140

Temperatura de otros puntos calientes metlicos (encontacto con el aceite, papel de aramida, fibra devidrio)(C )

160

160

160

Temperatura mxima del aceite ( C )

115

115

115

Corriente (por unidad)

2

1.8

1.5

Temperatura del punto caliente del devanado y partesmetlicas en contacto con material de aislacincelulosita

*

160

160

Temperatura de otros puntos calientes metlicos (encontacto con el aceite, papel de aramida, fibra devidrio)( C )

*

180

180

Carga de emergencia de tiempo prolongado

Carga de emergencia corto tiempo

Temperatura mxima del aceite ( C )*115115NOTA: Los lmites de corriente y temperatura no tienen por qu ser validos simultneamente. La corrientepuede estar limitada a un valor menor mostrado a fin de reunir una condicin en la limitacin detemperatura. En cambio, la temperatura puede estar limitada a un valor menor que el mostrado a fin deencontrar una condicin en la limitacin de corriente.* Riesgos a la aislacin por formacin de burbujas si se exceden los 140C


27


Es de hacer notar que la temperatura de punto caliente est referida a las partes metlicasque estn en contacto con la celulosa.Tambin se seala que slo para casos muy extremos se acepta superar los 130C llegando a160 C para los transformadores de gran porte.Importante. El autor del presente documento, recomienda no operar los bobinados atemperturas superiores a 135 C durante las sobrecargas, pues se correriesgo de llegar al lmite establecido para la corrosin por Azufre en los aceites.La liberacin de productos compuestos de Azufre dentro del transformador traeproblemas irreversibles para la vida del mismo.4.5.-Ejemplo de sobrecargas permitida y temperaturas Hot Spot IEC 60076-7Para aplicar la nueva norma en un ejemplo prctico, vemos la tabla de envejecimientosrelativos diarios en dias normales y las temperaturas de hot spot alcanzadasdurante eseciclo de carga de 30 min, con una estabilzacin previa de 140 min. La misma presentalos valores de K1 y K2 en la siguiente tabla 4.5.K1

0.25

0.5

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

0.001

0.004

33

38

45

0.001

0.004

0.02

38

43

51

55

0.9

0.001

0.004

0.03

0.07

43

49

56

61

66

1.0

0.001

0.004

0.03

0.08

0.26

49

55

62

67

72

76

0.001

0.01

0.03

0.08

0.27

1.04

4.48

56

61

68

73

78

84

91

0.002

0.01

0.03

0.09

0.29

1.09

4.66

62

68

75

80

85

91

98

105

0.004

0.01

0.04

0.11

0.33

1.19

4.94

23.6

69

75

82

87

92

98

105

112

120

1.4

0.01

0.02

0.06

0.14

0.40

1.36

5.43

25.2

135.0

77

82

90

94

100

106

112

119

127

136

1.5

0.01

0.03

0.10

0.21

0.55

1.71

6.34

28.0

144.9

868.7

85

90

97

102

107

113

120

127

135

144

153

1.6

0.03

0.06

0.18

0.37

0.87

2.44

8.19

33.3

162.7

938.3

6 297

93

98

105

110

115

121

128

135

143

152

161

1.7

0.07

0.15

0.40

0.76

1.64

4.12

12.3

44.6

198.0

1 067

X

101

107

114

119

124

130

137

144

152

161

X

1.8

0.18

0.37

0.94

1.73

3.55

8.24

22.1

70.5

275.2

X

X

110

115

123

127

133

139

145

153

161

X

X

0.48

0.95

2.39

4.32

8.58

18.9

47

134.7

X

X

X

119

125

132

137

142

148

154

162

X

X

X

1.34

2.61

6.45

11.5

22.5

48.1

X

X

X

X

X

129

134

141

146

151

157

X

X

X

X

X

K20.70.8

1.11.21.3

1.92.0

0.020.070.251.00

22.6128.9827.15 975

Refrigeracin tipo OF,a = 20 CPre carga K1 , carga K2 duracin 30 min., carga K1 duracin 1 410 min.NOTA: Los valores estilo italiano de la Tabla E2 presenta el resultado del clculo, desestimando los lmites de laTabla 4.4

28



Estos datos tambin pueden ser presentados en la figura con los graficos de lassobrecargas donde las lineas de puntos son los descartado por las limitaciones de latabla 4.4

4.6.-Respuestas de las temperaturas internas a un salto de carga

Para explicar la naturaleza bsica del problema, analizamos de que la Constante deTiempo Trmica del cuerpo principal del transformador se encuentra en un valor delorden de 2 a 3 horas, pero a su vez, los bobinados en sus partes activas que son deCobre, responden en aproximadamente 10 minutos.Como es lgico suponer, el papel que se encuentra en contacto con el cobre tendr elmayor gradiente trmico, ya que el lquido refrigerante circula por las capas perifricasde papel, que forma aislante slido, tardar mayor tiempo en comenzar a circular elaceite evacuar al calor.La hiptesis de que el funcionamiento OFAF1, ya que la circulacin forzada del aceitepuede ser tarda, porque ante un salto de carga de 55 a 90 MVA el sistema deautomatismo de arranque que se efectuaba a travs del rel de Imagen Trmicareaccionara con la constante de tiempo trmica de la mquina entre 2,30 hs. a 3 hs.con gradiente inicial de 0,4 C/minuto, pero creciendo en el cobre en el interior delbobinado a razn de 3 C/minuto.T EM PERAT URAS SALT O DE CARGA

18 016 014 012 010 08060402001

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

2

21

10 minT EM P ACEI T E


29

T EM P M AX COBRE


Surge que en la sobrecarga trmica transitoria, cada escaln de carga puede llegar avalores superiores a los especificados por las normas de diseo, todo esto debido alretardo en el cambio de rgimen de refrigeracin.Se puede estimar que las secuelas de estos calentamientos puntuales, pueden darorigen a la ocurrencia de fallas trmicas o a la formacin de productos contaminantespor exceder los valores mximos de temperaturas, especificados para el aceite o elpapel.4.8 "Monitoreo de la temperatura"

El seguimiento de las temperaturas de operacin puede permitir en algunos casosdetectar la ocurrencia de situaciones anormales dentro del transformador.Analizado los registros de las temperaturas internas del transformador o / h y latemperatura ambiente a, se podra determinar si existe una mayor generacin decalor, producto de alguna anormalidad en el sistema de refrigeracin.Si la temperatura excede 5C del valor medido bajo las mismas condiciones de carga,excitacin y temperatura ambiente que en el funcionamiento inicial, es convenienteinvestigar el origen del calentamiento extraordinario, pueden deberse a problemas dediferente naturaleza originados en :Sistema de Refrigeracin.Los Bobinados y las ConexionesEl Circuito Magntico.

30

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONALFACULTAD REGIONAL CONCORDIA


5.- INCIDENCIA DE LAS SOBRETENSIONES" EN LA DEGRADACIN DE LAAISLACINAnalizamos dos tipos bsicos de sobretensiones, segn sea su valor absoluto del picomximo y la duracin de la misma, tal como se presentan en la prctica.5.1.-Sobretensiones de cresta valor. 1,5 a 2,8 pu y corta duracin

Este tipo de sobretensiones, por lo general, son de origen atmosfrico o de maniobra; lasmismas son controladas por los descargadores de sobretensin que se instalan segn elB.I.L. o S.I.L. de la mquina, pero, como su aparicin es estadstica, a veces llegan alinterior del transformador restos de la onda de sobretensin, cuya magnitud es muydifcil evaluar, y an ms dificultoso es cuantificar sus efectos en el acortamiento de lavida til.Se pueden contar los eventos para estudiar su ocurrencia, pero es difcil relacionarloscon los efectos que se puedan detectar con posterioridad, no obstante, podremos detectarpor mtodos indirectos si existieron descargas internas de carcter elctrico, si stasafectaron la aislacin slida, y si permitirn continuar con la mquina enfuncionamiento.Puede ocurrir que la sobretensin transitoria encienda una descarga parcial que luego nose autoextinga a la tensin de servicio, lo cual ser peligroso al cabo de un tiempo.Un mtodo bueno para conocer si existieron descargas internas de tipo transitorio, esmediante anlisis de los gases disueltos en el aceite (GDA), Ej.: los hidrocarburos nosaturados, como el H2C2 formados por descomposicin del aceite con altos niveles deenerga (ver anlisis cromatogrfico).Otro mtodo para detectar existencia de alguna descarga interna en la masa de laaislacin slida sera verificar el aumento del nivel de las Descargas Parciales a latensin de servicio, pero este mtodo est disponible en la actualidad como ensayo decampo en las estaciones, el inconveniente radica en la existencia de interferencias en lasmediciones y realizarlo a tensin de servicio.En definitiva, se puede detectar la ocurrencia de estas descargas internas y la evolucinde las mismas como para vincularlos matemticamente a la ecuacin del consumo devida, pero es indiscutiblemente un vector a historiar e integrar, ponderndo el fenmenoen forma emprica o correlacionndolo con otros sucesos en la vida del transformador.5.2 Sobretensiones bajo valor 1,05 a 1,3 pu de la tensin de servicio

Este tipo de sobretensin, por lo general, afecta solamente a la parte slida de laaislacin que es el papel, produciendo un aumento en las descargas parciales (DP) y suduracin puede ser prolongada segn la situacin operativa de la mquina.La aparicin por perodos prolongados de DP, llevar a una destruccin de carcterelectrotrmico y para evaluar el consumo de vida se puede proceder de manera similar aOperacin y Mantenimiento de Transformadores

31


la que se utiliza para la sobrecarga de corriente, con la ligera diferencia que lageneracin de calor no tiene lugar en el cobre, sino en algunos puntos del aislanteslido, radicando all la dificultad para la medicin del aumento de temperatura .Sobre la base de los trabajos que lleva a cabo el Grupo N 12 de la Cigr, a fin deanalizar la relacin Tensin-Tiempo para el 50% de probabilidad de la iniciacin de lasdescargas parciales, se puede establecer la correlacin con el aumento de la velocidaddel consumo de vida. Cv.De estos trabajos se obtuvo una grfica tensin-tiempo que es una recta de pendiente (gama) en escala doble logartmica, y en su formulacin matemtica resulta:U=

Cvt

5.2.a.

Grfica Tensin-Tiempo para el 50% de probabilidades de aparicin de D.P.

La prctica indica que para distintas probabilidades de aparicin de D.P. surge unaU(t) 60kV40

Unmax30

20

100,1

10

1

100

1000 horas

familia de curvas paralelas.Para determinar el exponente se utiliza la expresin matemtica. =

ln (U1/U2)ln (t2/t1)

V=(

Ut ) 1/ (Unmx )

Unmax = Tensin mxima de Diseo rmsLos distintos investigadores han adoptado para diversos pases coeficientes distintos quevan desde 0,019 hasta 0,059, promediando la mayora alrededor de 0,03 para laprobabilidad del 50% de la aparicin de D.P.32



Si consideramos que la mquina est diseada para funcionar durante toda su vida tilun tiempo relativo (tr) a la Tensin Nominal Mxima U(tr), la que tomamos comotensin relativa; se puede presuponer que habra un consumo de vida mayor al previsto,si se opera un tiempo (t) con tensiones U(t) superiores a la Tensin Relativa U(tr), quees igual a la Tensin Mxima Nominal.De la ecuacin 5.2. aplicando este concepto, vemos:t/tr = (U(t) /U(tr)) - 1/ Donde:U (tr): es la Tensin Mxima Nominal = UnmaxU (t): tensin aplicada durante un tiempo (t)tr: tiempo relativo o vida til de diseo5.3.-La velocidad relativa de consumo de vida

Adoptando el criterio de que el consumo de vida excede los valores proyectados cuandose supera el valor de tensin mxima de servicio, podemos obtener la funcin velocidadde consumo de vida V, queda:

V (U) =

velocidad consumo de vida a U(t)-----------------------------------------5.3.a.velocidad consumo de vida a U nmx

Para integrar el consumo a lo largo de un perodo de tiempo dado t,tCV =

V (Ut) dt

5.3.b.

oPara distintos tiempos y tensiones, podemos integrarA

Cv =

A

V (Ua) . ta =

a=1


a=1

(

1/

Ua )Unmx.

33

5.3.c


5.4.- Cuadro comparativo

Sobre la base de una sobretensin U, aplicado en forma permanente podemos ver elconsumo de vida para cada nivel de sobretensin 1,05 a 1,2 Pu.Se toma el coeficiente el valor de 0,03 que es el promedio de los valores experimentalesencontrados en los estudios de distintos laboratorios.Valor de = 0,03 para sobretensiones/superiores de Un mx = 1,05 Vmpu1,051,061,071,081,091,11,151.2

Cv aos251813.39.775.251.20.275

D11,371,882,563,574,762590

Sobretensin por unidad (pu) = UUn max

D = Deterioro relativo D = CvCvoCv = Consumo de la vida til total o una tensin U dada > UnmaxCvo = vida til o tensin nominal ms Un mx.

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6."SOLICITACINES DURANTE LOS CORTO CIRCUITOS"Este tipo de solicitacin, debe ser enfocado bajo dos aspectos, uno es del punto de vistaelectrotrmico de los conductores, y el otro es del punto de vista de los esfuerzoselectrodinmicos entre los arrollamientos.6.1. Solicitacin trmica

Tambin se pueden investigar las secuelas de estos eventos en las conexiones interioresdel aparato, ya que pueden aparecer problemas, y es conveniente su solucin en formapreventivaEl anlisis desde el punto de vista electrotrmico indica que el acortamiento de la vidade la aislacin puede ser evaluado con las consideraciones vistas en 3.3., peroponderndolo cuantitativamente en funcin de la duracin de la solicitacin, aunque porlo general, si las protecciones actan en forma normal, en tiempo y forma, se puedendespreciar sus efectos, ya que en este caso los calentamientos que se producirn, serninferiores a los que se pueden producir durante las sobrecargas.6.2. Solicitacines mecnicas

Son las provocadas por los esfuerzos electrodinmicos, y sern un tanto mayores cuantoms elevadas sean las corrientes de cortocircuito.El acortamiento de vida til del transformador est vinculado, en este caso, a problemasen el acuamiento de fijacin o a la existencia de deformaciones permanentes de lasespiras estos fnnos no son detectavbles por Anlisis de Gases Disueltos .La deteccin de estos problemas desde el exterior de la mquina, es muy dificultosa, yes an ms difcil evaluar los daos producidos, a fin de determinar el final de la vidatil residual o probabilidad de colapso de la aislacin.La mediciones posteriores, tales como las de, Relacin de Transformacin, Reactanciade Corto Circuito y el moderno mtodo de la Respuesta en Frecuencia (FRA) aparecencomo una posibilidad interesante para detectar si ha habido movimientos relativos entrelas espiras, y entre stas y los dems elementos fijos del interior del transformador.A partir de una variacin de alrededor del 0,5% en la reactancia de corto circuito debellamar la atencin y ser estudiada con detenimiento y 1% en la impedancia del bobinadomedida en BT.En la homologacin de diseo de una mquina, en el caso del ensayo de tipo desoportabilidad al corto circuito, el nivel de aceptacion de esta variacin es del 2% paraconsiderar el ensayo como exitoso, no obstante, luego de este ensayo que es muycostoso (ya que no se hace en sudamrica), debe realizarse una inspeccin al bobinado,para verificar que no ha habido deformaciones permanentes ni roturas.


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Debe tenerse en cuenta tambin que unos de los elementos que son proclives a roturasson los propios bushing, por lo cual es importante que sean verificadosconvenientemente a los esfuerzos electrodinmicosEsta solicitacin debe ser tenida muy en cuenta cuando se trata de mquinas conectadasa sistemas con grandes potencias de corto circuito, vemos que los esfuerzoselectrodinmicos son funcin del cuadrado de la corriente y sta ser considerada en suvalor mximo en el del transitorio.F = K.I2Veamos que los esfuerzos electrodinmicos y su aptitud para soportarlos depende deltipo contructivo de la unidad, veamos como se da esto para el caso de lostransformadores a columnas (Core Type)Esfuerzos Radiales entre bobinados

Esfuerzos Axiales entre bobinados

Esfuerzos en unidad tipo Acorazado

Esfuerzos entre conductores yentre separadores

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Las fuerzas con deformacin radiales debido al campo axial

La fuerza axial debido al campo de flujomagntico radial

Los esfuerzos mecnicos que deben ser controlados en servicio son : Las corrientes de falla incluyendo la impedancia y corrientes del pre-falla El Anclaje de los bobinados Que el bobinado est tenso bien-sujetado o soportado en si mismo La permanencia en las dimensiones las bobinas La fijacin de conexiones internas y accesorios El bobinado y la estructura apoyo, sin deformaciones permanentes


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6.8.- Ensayos para detectar deformaciones en bobinados

El problema que se plantea al operador de un transformador para saber si se hanproducido movimientos de los bobinados luego de un cortocircuito, es qu control omedicin hacer para saber si las deformaciones de las bobinas han sido permanentes,veamos:Medicin de Reactancia de Corto CircuitoEste ensayo usualmente realizado durante la recepcin de la mquina, puede serutilizado para detectar veriaciones en los bobinados; en este caso, se deber comparar lamedicin realizada al inicio del funcionamiento de la mquina, con una similarrealizada en el lugar y en el momento que esta medicin amerite ser ejecutadaComo dato indicativo recordemos que, esta medicin es la que de usa en las pruebas detipo para homologar los diseos en los sistemas de fijacion mecnica de las bobinas antelos esfuerzos electrodinmicos. La norma acepta una variacin del solo 2% entre lasimpedancias de CC, medida antes del ensayo y la que se realiza luego de la prueba decorto circuito a potencia mxima. Pero este ensayo es solo practicable en loslaboratorios especializados y son escasos en el mundo.Medicin de la Funcin de Transferencia en Frecuencias F.R.ALa medicin de la respuesta en frecuencia, como ensayo de campo y de laboratorio, seest enpezando a utilizar con gran desarrollo y evolucin por parte de los especialistas.Es un ensayo que consiste en medir la funcin de transferencia de las distintasimpedancias que presenta el transformador a lo largo de una gama continua defrecuencias, que van desde los 10 Hz a 10 MHz.. Si bien, la medicin es simple, se deberealizar con gran precisin para que los registros tomados sobre una misma mquinapuedan ser comparados a lo largo del tiempo.Es importante poseer los registros realizados sobre la unidad recin instalada, parapoder compararlos con mediciones realizadas luego de una falla externa a la mquina yverificar que no ha habido cambios por momentos de bobinas. Tambin puedendetectarse otro tipo de alteraciones en el sistema de aislacin de las primeras espiras dela mquina.El circuito de medicinLa medicin en su totalidad se hace desde cada uno de los bobinados y el registro puedeobtenerse con o sin el otro bobinado en corto circuito.

I

IR

A

Fuente estabilizada 10 106 HzR :Sistema de registro A Medicion de corriente

Otro modo de obtener el registro es en forma de Funcin Tranferencia, midiendo lacorriente inducida sobre el otro bobinado.38



I

IR

A

medicin anterior a una modificacinSi da igual est todo bien.

El fundamento del mtodoEn las mediciones de este tipo, lo msimportante es realizar un grfico deBode para un espectro contnuo defrecuencias, y de este modo visualizarcuales son los puntos donde sepresentan las resonancias que son nodosde un sistema oscilantemultifreaciencia. Basta recordar que laspartes activas del transformador puedenasimilarse a una destribucin deinductancias en serie, con capacidadesen paralelo a tierra y entre bobinados,cualquier alteracion geomtrica dar porresultado una modificacin en larespuesta que se obtuvo en una.

Red de inductancia y capacidades distribuidas

El registro de la Respuesta en FrecuenciaLa forma ms comn de presentar es en diagrama ortogonal ortogonal donde las ampitudde las impedancias se modula en eje Y, y las fecuencias en el eje X, el caso quepresentamos se trata de una unidad acorazada de 100 MVA 500 kV explorada desde 10Hza 107.Hz.


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Veamos una serie de registros que compara ensayos de transformadores similarespero de distintos fabricantes.

En este otro caso se comparan registros de un mismo fabricante pero de distintas unidades.

40



6.8. La resistencia macnica y el grado de polimerizacin del papel

Como hemos visto en los captulos anteriores, los diseadores de transformadores hantomado para el clculo de la vida til de la mquina, la ponderacin del efecto de lastemperaturas sobre el papel del bobinado.Evidentemente, los elementos de celulosa que fijan las espiras de los arrollamientos sedecomponen con el calor y an ms rpidamente con oxgeno y otros contaminantes queaceleren la ruptura de la molcula de celulosa, cuya frmula es.( C6 H10 O5 )n

fugura con n anillos de como la fugura.

Estimativamente la molcula de celulosa del papel Kaft nuevo, utilizado de lafabricacin, se considera que posee un grado de polimerizacin (GP) nmero deelementos de la cadena cercano a 1200-1400. Siendo hipotticamente ste el valormximo medio estadstico de la cadena de anillos que componen la fibra de celulosa ensu origen.El deterioro se produce inicialmente durante los procesos de fabricacin, secado ydeshidratacin donde las temperaturas son a veces de 100C o ms, y se inicia eldeterioro del papel con reducin del GP a valores cercanos a 900,.luego con el servicioel valor contina descendiendo hasta un punto en que se definir como fin de vida til.Este valor entonces es muy discutido, empero un concepto aceptable define que el50% del valor de salida de fbrica GP 400 sera totalmente aceptable, pero muchosespecialistas usan valores an menores para este concepto de fin de vida til, llegndosea encontrar GP de 300 y 200 en mquinas en operacin.Mecanismos de degradacin de la celulosaVeamos aqui los mecanismos que producen degradacin de la celulosa, que es elprincipal constituyente de los materiales aislantes slidos impregnados en aceiteutilizados en equipos de alta tensin como son los transformadores e reactores.HidrlisisEl agua causa a ruptura de la cadena de monmeros, al afectar el tomo de oxigenoque hace a puente entre los anillos. Son formados dos grupos OH, cada cual anexado aun monmero. Como resultado de esto ocurre a reduccin do grado de polimerizacin eo debilitamiento de la fibra de celulosa. Los especialistas formularon una regla simplepara a degradacin de la celulosa en funcin de cantidad de agua presente. Propusieronque una tasa de envejecimiento trmico de la celulosa es directamente proporcional a lacantidad de agua.As los resultados de los ensayos de envejecimiento trmico indican una tasa dedegradacin con un cierto contenido de agua, un equipamiento en operacin con odoble de agua tendr tasa de degradacin trmica da aislacin igual al doble de la tasamedida en el referido ensayo.


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OxidacinLos tomos de carbono de la molcula de celulosa son atacados por el oxigeno,formando aldedos e cidos.Consecuentemente, la unin entre los anillos quedar reducida, bajando el grado depolimerizacin. Se libera agua, monxido de carbono y dixido de carbono. El agualiberada por este proceso contribuir tambin al proceso de hidrlisis mencionado, apenas lacelulosa es atacada directamente por el oxigeno,Adems tambin o aceite sufre oxidacin, produciendo cidos, esteres y otrassubstancias que van a atacar el propio aceite, generando ms productos de oxidacin.estas substancias atacan tambin a celulosa, degradndola.El efecto del oxigeno la tasa de degradacin de la celulosa fue investigando por variosespecialistas, el procedimiento mas comn es comparando los resultados de tasas deenvejecimiento con probetas de aislacin selladas sin la presencia de oxigeno, con lastasas de probetas expuestas a la atmsfera, como en un transformador sin sistema depreservacin de aceite. Algunos de los investigadores de este fenmeno Fabre e Lampe,que encontraron factores de aceleracin de la degradacin de las probetas expuestas aloxigeno respecto a las selladas de 2,5 e 10 veces respectivamente.Queda claro que la presencia de oxigeno tiene una influencia extremamente negativa enel envejecimiento de la celulosa, que debe ser definitivamente evitada.PirlisisEl calor en extremo lleva a la carbonizacin das fibras de celulosa, y el calor en nivelesmoderados, como normalmente ocurre en transformadores, causa la rotura de losmonmeros individuales la cadena de celulosa, formando un residuo slido e liberandomonxido de carbono, dixido de carbono y agua.Como no poda ser diferente, el grado de polimerizacin se reduce, y por tantodisminuyen caractersticas de resistencia mecnica de la celulosa.Debido a que en un transformador la temperatura no se distribuye en forma uniforme,los efectos del calor, el deterioro de la celulosa generalmente es considerando en elpunto mas caliente (hotest spot), pues es el lugar que ocurrir la mayor degradacin.Se realiz en nuestro Laboratorio la experiencia de la evolucin de una serie demuestras de papel sumergidas en aceite y sometidas a envejecimiento acelerado de 4semanas, 672 horas y realizando luego la medicin del GP y su Resistencia a laTraccin.Las muestras del papel eran dos tipos Kraft Comn y Mejorado Trmicamente.siendo sometidas a 120C con las probetas de los aceites en distinta situacin; una sincontenido de agua ni aire, otra sin agua y la ltima sin aire Los valores promedio quese obtubieron se muesatran en la siguiente tabla 6.8 .ENVEJECIMIENTO ACELERADO DE PAPEL Y RESISTENCIA A LA TRACCIN

Horas de Aplicacin a 120CPolimerizacin(GP) IEC 450Papel Kraft kN/mPapel Mejorado kN/m

011507.7012.65

1685354.338.8

3363712.387.59

5043171.947.15

6723041.836.49

Globalmente se apreci que el GP se reduce inicialmente enforma rpida hasta26%tambin lo hace la resistencia a la traccin del papel Kraft comn hasta el23%,.pero para el caso del Mejorado Termicamente que parte de valores superiores lareduccin solo fue del 56%.

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Ha sido tambin una conclusin interesante dentro de la experiencia realizada, quecomparando las distintas muestras que se prepararon, se pudo apreciar que la presenciade oxigeno en el aceite trajo aparejado al final del ensayo, una reduccin de laResistencia a la Traccin al 30 % aproximadamente tres veces para el caso de papelKraft comn y del 50% a la mitad en el caso de los Mejorados Trmicamente(Thermally Upgraded).G R A D O D E P O LIM E R IZ A C I N ( G P ) v s T IE M P O

Comn s/ O ni HOComn s/ HOComn c/ O y HOUpgrade s/O o HOUpgrade c/ O y HO

14001200100080060040020000

100

200

300

400H o ra s

500

600

700

800

6.9.- Funcines de la Aislacin Slida

La confiabilidad y la operacin segura por largo tiempo de los transformadores, estasegurada por los buenos criterios de diseo y la alta calidad de los materialesempleados.A pesar de esto se puede lograr gran optimizacin, aumentar la rigidez dielctrica,reducir el volumen global o cualquier otro logro adicional sin aumentar el volumen delos transformadores. La reduccin del volumen de la aislacin global requiere la mayorcomprensin de cmo interactan ambas aislaciones, la lquida y la slida.La aislacin lquida debe proveer el mayor esfuezo dielctico llenando e impregnandocompletamente el volumen de la celulosa reforzando su rigidez dielctrica, adems deevacuar el calor generado internamente.La aislacin slida es usada para construir sistemas de barreras subdividendo los canalescon campos elevados en varios espacios angostos gaps. Esta mayor rigidez de campoelctrico en el aceite, puede ser lograda si las barreras de pressboard estan conformeal campo y se arman manteniendo relativa verticalidad a las lneas de fuerza elctrica.El esfuerzo dielctrico de los sistemas aceite / PressboardLa Rigidez Dielctrica del pressboard impregnado en aceite, es aproximadamente tres ocuatro veces la rigidez del aceite. Adems en C.A. la solicitacin del voltage esreducida por la constante dielctrica debido a que es ms elevada que la del aceite.


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Vinculadas en serie elctrica las barreras son comparativamente dbiles respecto alcanal de aceite que finalmente es lo ms debil de la cadena de aislacin.Funcin de las barrerasEl esfuerzo del campo electrico en el pressboard se reduce por el factor de la mitadEb / Eac = ac / b = 0,5Las barreras no llevan gran proporcin de la cada del voltage, pero la mayor parteocurre en los canales de aceite.Los electrodos metlicos desnudos deben ser cubiertos con aislacin slida mejora larigidez dielctrica de grandes distancias, puede ser aumentada dividiendo en menoresdistancias.Cuando los espacios estan subdivididos, se puede esperar que se reduzca la dispersinestadstica de la probabilidad de descarga a la probabilidad de descarga del canal msangosto. Grandes distancias con campos no uniformes, pueden ser divididos enpequeos espacios de diferentes largos, adaptados al campo elctrico localVeamos ejemplos reales, una entrada del lider de lado 500kV de un Reactor y larepresentacin esquemtica del sistema de barreras.

E

E

44



7.-MEDIDA DE LA TANG FACTOR DE POTENCIA

Entre los mtodos disponibles para controlar el estado de la aislacin slida de untransformador, que se han adoptado para el mantenimiento, veremos aquellos en loscuales se emplean tensiones relativamente bajas.El seguimiento de la evolucin de estos valores, a partir el ensayo realizado en la fbricade la mquina o durante el comisionamiento, para luego compararlos con los valoresque se van obteniendo durante los sucesivos mantenimientos, esto permitir realizarjuicios y diagnsticos sobre qu es lo que conviene hacer para prolongar la vida til dela unidad, asegurando su confiabilidad.Veremos los distintos ensayos disponibles con la interpretacin de sus resultados.7.1-Medicin del factor de potencia y tang

Si asimilamos a cada uno de los bobinados del transformador y al ncleo de hierrocomo si fueran electrodos de un condensador hipottico, aparecen las capacidades entrelas distintas partes metlicas, entonces estos electrodos pueden ser objeto de lamedicin, pudiendose aplicar entre el bobinado primario, el secundario, el ncleo y latierra en forma individual o un conjunto cualquiera de 2 o ms elementos contra el resto.Se mede la componente activa de la corriente de estos condensadores, la cual esrepresentativa de los calentamientos que pueden existir en la operacin, debido a que latang es funcin directa de las prdidas volumtricas en la masa de la aislacin; ya seanstas por corrientes de fuga o dielctricas.En algunos casos, las prdidas pueden desarrollar puntos calientes que produzcan fallasde carcter trmico en zonas de baja refrigeracin o de gran concentracin de lneas decampo elctrico.Ic

IT

CxRpTang IRFactor de DisipacinFactor de Potencia

Tang = IR / ICCos = IR / IT

Para realizar la medicin se puede utilizar un aparato de tipo puente de Shering cuyamedicin al ser de "cero", rama central del puente en equilibrio, es de mucha exactitud.La capacidad medida puede tener importancia tanto como para confirmar que lametodologa de la medicin es la adecuada, como para evidenciar alguna alteracinfsico-qumica del medio aislante.


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El inconveniente para ejecutar estamedicin, suelen presentarse problemasde interferencia electromagntica, cuandose realizan mediciones en lugares dondeexisten acoplamientos capactivos estoocurre en las estaciones transformadorasde extra alta tensin, donde aparecenproblemas para estabilizar el equilibriodel puentePueden hacerse mediciones dicionalespara hacer las correcciones necesarias,pero ms simple es utilizar puentes, quetrabajan por comparacin de corriente.fase y mdulo. Los de ltima generacinson electrnicos, utilizando para lamedicin fibras pticas, traen la sealdesde el borne de alta tensin del propioelemento que se est ensayando, ademspueden variar la frecuencia de lamedicin entre 20 y 90 Hz..Esquema elctrico del puente a transformador diferencial de corriente.

Cn220VCx

mAC

RN1

N2

El puente en equilibrio significa que Cx = Cn * N1/ N2Finalmente la

Tang = C R

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La medicin se puede realizar sobre tipo de equipos, incluso aquellos que no se puedendesconectar de la puesta a tierra; los valores de tensin son regulados con eltransformador elevador, pudindose aplicar toda la gama de tensiones, pero en equiposde campo se usan tensiones de 2000 a 20000 Volts.7.2. Esquema de conexiones para los bobinados

Para que las mediciones sean comparables se debern realizar las mismas con igualmodalidad de conexin.

I1

AT/T

V

AT/BT

I

BT/T

En la generalidad de los casos, los arrollamientos que no son objeto de la medida, sedeben conectar a tierra, por lo tanto el men de mediciones se completa de la siguientemanera :AT / MT + B2T + CuMT /AT + BT + CuBT / AT +MT + CuAT + MT + BT / cu

AT + MT / BT + CuAT + BT / MT + CuMT + BT / AT + Cu

En la mayora de los casos la cuba se mantiene conectada a tierra, y a veces esdificultosa su aislacin, pero se puede desconectar para comparar con medicionesanteriores (si estas as se realizaron).7.3. Valores TpicosLa tangente delta (tang. ) se mide en forma rutinaria, por cuanto los valores tpicosdeben ser interpretados en funcin de los tipos de aislacin, a modo de ejemplo entransformadores se puede tomar como referencia el siguiente cuadro para 20-C.

Excelente BuenoUn200 kV0,2%1,5%


47

Regular6%3%

Deteriorado30%10%


7.4. Sensibilidad con la temperatura

Los valores obtenidos para ser interpretados es conveniente que sean comparados a unamisma temperatura de referencia, ej.: 20C, de all es que se utilicen curvas de ajustepara llevar el valor medido a una temperatura cualquiera a la temperatura de referencia.Las curvas de ajuste son distintas si se trata de un transformador que respira en laatmsfera o si es sellado, pero tambin puede variar segn el estado de la aislacin, porlo tanto, lo conveniente es "realizar una curva de ajuste", para cada tipo detransformador.En la figura se ven las distintas curvas que grafican este fenmeno, las mismas sonfunciones que dependen del cuadrado de la temperatura.tang () = +

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7.5. Valores de Tensin a aplicar

La tensin a utilizar en el ensayo debe ser de la mayor posible sin exceder la Tensinmxima nominal del equipo, no obstante, en funcin de los voltajes disponibles en losinstrumentos se pueden tomar los siguientes valores:A T y EAT 132 kV a 500 kV

10 o 20 kV

MT 33 kV 13,2 kV

5 kV 2,5 kV

BT 1kV 0,4 kV

1 kV 0,5 kV

7.6. Sensibilidad de la Tang. a la tensin

En algunos casos la Tang. de una aislacin da un valor mayor del normal, un mtodosencillo que puede dar una clave definitiva es evaluar el comportamiento a la elevacinde la tensin que se aplica.Elevando la tensin en pasos iguales y calculando la tang. para cada voltaje .Si el factor de potencia no vara con la tensin se puede tomar la media aritmtica y esindicativo de que el elevado factor de potencia, probablemente es motivado por loscomponentes polares en el medio aislante.En cambio si el factor de potencia crece con la tensin se puede pensar que existe elevadaionizacin causada por carbonizacin en el aceite y en los bobinados del transformador,lo que no es bueno para la aislacin.7.7. Medicin de la Tangente de los Aisladores (Bushing)

Para controlar el estado del Bushing se debe realizar la medicin de la Tang. de losaisladores, para ello se debera desconectar los cables de la conexin externa (lnea) einterna (Bobinado), pero debido a lo dificultoso y poco recomendable de la operacin yaque para hacer la desconexin interna hay que decubar. Se han desarrollado dosmetodologas para realizar esta medicin:Aislador con divisor de voltajeEn el caso del aislador equipado con un divisor de voltaje se emplea esta derivacin pararealizar la medicin utilizando la conexin de este divisor a masa , ver fig.7.7Aislador sin divisor de voltajeEn este caso el aislador pasante envuelve con una hoja delgada de estao conectndose allado de "potencial" del puente y a su vez manteniendo conectado la barra y la cuba atierra


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Fig 7.7Evaluacin de los resultadosPara evaluar los resultados se puede utilizar el siguiente cuadro para valores corregidosa 20 CTipo condensadorBueno

tipo aceite

0 - 1,5%

Cuidado

1,5- 2,5%

Intil

2,5%o mayor

0 - 3,5%3,5- 5%5% o mayor

7.8. Ensayo de Espectroscopia Dielctrica

En la actualidad se estn utilizando para verificar el estado de las aislaciones, como serpresencia de agua, o contaminantes qie puede ser de gran utilidad. La medicinbsicamente es la Tangente Delta y Capacidad Relativa, dentro de con un rango defracuencia que va desde 0,001Hz a 1000Hz. (tema esta ampliado en 12.4 y 12.5).El ensayo llamado Respuesta Dielctrica a la Frecuencia ( DRF), se raliza con tensinde medicin de 100V, es bajo pero no se pueden aplicar valores ms elevados afrecuencias altas. Veamos los graficos de Capacidad y de Tang.Imp. ()6

Imp. ()10

51

43

0.1

20.01

1

.

00.001

0.01

0.1110Frequency: (Hz)

100

1000

0.0010.001

50

0.01

0.1110Frequency: (Hz)

100

1000



8. - MEDIDA DE "LA RESISTENCIA DE AISLACIN"

La tcnica ms sencilla y ms antigua que se utiliza para el control de una aislacin esaplicando una tensin contnua y medir la relacin tensin versus corriente.V/I = RaEl instrumento comnmente utilizadoes el logmetro, de bobina mvil sinpar antagnico cuyo ngulo dedefleccin es funcin de la relacinentre la resistencia patrn y laresistencia de la aislacin a medir.La escala es de lectura directa envalores de M para valores elevados esde baja precicinEs tambin el mtodo ms rpido yefectivo para evaluar la aptitud de unaaislacin y, para decidir si la mismapuede continuar funcionando o se hallacolapsada.Para interpretar los valores que medimos es inportante recordar lo siguiente, la corrienteque circula por la resistencia de aislacin est compuesta por tres componentes, aunque lamedicin se hace sobre una sola de ellas:a).-Corriente de absorsin capacitivaAl inicio del ensayo aparece un alto valor de corriente (aparentando un bajo valor enM) hasta que la capacidad de la aislacin est cargada, estabilizndose su evolucin alcabo de 1/2 a 1 minuto.b).-Corriente de polarizacin dielctricaEsta componente de la corriente, que es resultado de la absorsin por orientacin de lapolarizacin natural, adems de la traslacin de los elementos polares en el seno delaislante, la misma es causada por varios tipos de polarizaciones, la ms importante es laque tiene lugar en los materiales de la aislacin, y no es contaestada por la circulacin delas corrientes de prdidas, o traslados de corrientes de iones. Se evidenciar en lamedicin con un tiempo mayor, del orden de 10 a 30 min el femmeno de la polarizacindielctrica.c).-Corriente de prdida permanenteEs la componente ms importante cuando se necesita conocer el estado de una aislacin,es la corriente de resistiva que circula a travs del volumen de la aislacin o por las fugassuperficiales.En mquinas pequeas es usual considerar que sta corriente est estabilizada al cabo deun minuto de aplicacin y se la toma como corriente permanente.


51


8.1- Correccin por temperatura

La temperatura del equipo en prueba tiene notable influencia en el valor de la aislacin, porlo tanto, si se desea realizar una comparacin de dos mediciones, stas deben ajustarse a lamisma temperatura, para ello se corrige tomando como base 20C.Frmula de correccin :R2o = K () R (T)T CK ()

50,36

100,50

150,72

201,00

301,98

403,45

507,85

6012,50

Para transformadores no sellados y en atmsferas muy hmedas, debido a que laaislacin es higroscpica, la humedad puede ser causa probable de errores.A los efectos de la consideracin de la "curva de ajuste" por la temperatura, valenconsideraciones similares a la vista en el punto 7.4, es decir, en lo posible ajustar losvalores para cada mquinas; segn el estado de la aislacin8.2.-El valor mnimo de resistencia

A priori se pueden obtener valores que a modo de referencia permiten formar un criteriodel valor obtenido refirindolo a un valor mnimo supuestamente admisible.Estos valores se dan en funcin de los parmetros bsicos de las mquinas, vinculadospor la frmula:R=

C UnSn

Donde:R = aislacin de la resistencia de bobinado a tierra o entre bobinados en M a 20C.C = 0,8 para transformadores sumergidos en aceiteC = 16 para transformadores secosUn = Tensin nominal en VSn = Potencia nominal en kVAValores mnimos de resistencia a 20C para transformadores en aceite de distintastensiones nominales con Megger de 1000 o 2000 volt; en la norma IRAM 2325 existenfamilias de curvas segn las distintas potencias y que pueden ser consultadas antecualquier duda.6,6 a 22 kV22 a 66 kVSuperior a 66 kV

200 M 300 M 500 M

52



8.3.-Indice de polarizacin y de absorsin

Se vi anteriormente que durante la medicin de aislacin las corrientes pueden variardebido a la absorcin dielctrica, stas pueden ser graficadas y presentan un regularincremento a travs del tiempo, siendo un parmetro importante determinar el ndice depolarizacin de la aislacin.Se define como ndice de polarizacin la relacin adimensional de la resistencia a los10 minutos contra el valor de la resistencia a 1 minuto.El ndice de polarizacin es bajo si la aislacin se encuentra en mal estado, un mismomegger puede utilizarse para las tres lecturas, es decir, leyendo al minuto y luegoleyendo a los 10 minutos.La siguiente tabla extrada de la norma IRAM 2325, permite evaluar los resultadossegn se clasifica de la condicion de la aislacinCondicinPeligrosabajaobjetablecorrectobuenoexelente

Indice de polarizacinIP =R10 / R1IP< 11 < IP < 1,5.1,5.< IP< 22 < IP < 33 < IP < 44 < IP

Rel. Absorcin DielectricaRAD= R60 / R30RAD60 kV

>60 kV

60-50 kV

< 50 kV

>60 kV

>60 kV

60-50 kV

< 50 kV

>60 kV

>50 kV

50-40 kV

< 40 kV

Trafo.Med. Un >170 kV

>60 kV

>60 kV

60-50 kV

< 50 kV

Trafo.Med. Un 60 kV

>50 kV

50-40 kV

< 40 kV

Trafo.General MT BT

>55 kV

>40 kV

40-30 kV

< 30 kV

Reservorio de RBC

>55 kV

MquinaTrafo.Pot. Un >400 kVTrafo.Pot.170 < Un < 400 kVTrafo.Pot.72,5 < Un < 170 kV

Veamos las diferentes contribuciones a la polarizacin del lquido aislante.Lquidos no polares

s = n2

Lquidos polares

s - n2 < 0

Lquidos dipolares pueden ser identificados por las Bandas de Absorcin, para ellohay que representar la magnitud de las prdidas en funcin de la frecuencia aplicada enel ensayo. Esto da lugar a muchas investigaciones para conocer la existencia deelementos polares en los aislantes en general.


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12.6 . La medicin en corriente alterna.

En corriente alterna, vemos que existen factores que van a afectar la medicin de lacomponente resistiva, estos son los fenmenos de polarizacin de la materia, lasprdidas por absorcin, por tanto en elevadas frecuencias la medicin tambin estarafectada por la permeabilidad que vara segn la frecuencia, de un valor esttico y aun valor dinmico con frecuencias muy elevadas.Esto es debido al fenmeno de polarizacin molecular, agregado al comportamiento delos productos polares en el seno del lquido, lo cual trae asociado un aumento en lasprdidas de energa por absorcin dielctrica. Este fenmeno se suma a la circulacin depropia corriente conductiva, produciendo mayores prdidas por efecto Joule.De este modo englobamos a todos los fenmenos disipativos existentes en el campoelctrico alterno, las prdidas por polarizacin y conductibilidad, entonces podemosrepresentar el fenmeno con un condensador ideal con dos resistencias de disipacinasociadas una en serie y otra en paralelo.Veamos en capacitor con un material dielctricoICA

A= Aread= Distancia

IR

d

El valor esta definido como

Tang = IR / IC

la tensin es aplicada a ambos elementos y se simplifica y quedaTang = Xc / Rdonde Xc = 1/ C

Xc = d/ ' A

y R=d/A

simplificando quedar Tang = 1 / 'Finalmente resulta entonces;

donde es la resistividad

tomamos la conductibilidad = 1 /

Tang = /'

La conductibilidad y la resistividad en corriente alterna son caractersticas de lacondicin del lquido y de su alteracin durante el servicio, a la presencia decontaminantes, elementos polares, etc.A esta magnitud se la reconoce usualmente como "El factor de disipacin dielctrica"o tang del lquido aislante.12.7. Medicin"El factor de Disipacin dielctrica" o tang.

Es de suma utilidad la medicin de esta magnitud, para evaluar el estado de un aceite,tanto nuevo como en uso, se realiza de acuerdo a la Norma IRAM 2340 IEC 60247con puente para medicin de capacidades.78



El ensayo, se raliza con un puente de Shering cuyo circuito elctrico es presentadodonde el lugar de la capacidad incgnita Cx se aplica una celda de medicin, compuestapor dos electrodos cilnd

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