Operacion y Mantenimiento de Transform Adores

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL CONCORDIA

AO 2009 ING. ELECTRICA

OPERACIN Y MANTENIMIENTO DE TRANSFORMADORES

AUTOR: Ing Elec FERNANDO MARULL Concordia 2009Operacin y Mantenimiento de Transformadores

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Ing. Fernando Marull

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INDICE

Cap DESCRIPCIN DEL TEMA TRATADO1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24.

Pag.

EL TRANSFORMADOR DE POTENCIA.. 5 CONTROL DE VIDA DE AISLACIONES EN PAPEL Y ACEITE 11 EVALUACIN DE LA DEGRADACIN POR EFECTO TRMICO .. 15 OPERACIN EN SOBRECARGA.. 23 INCIDENCIA DE LAS SOBRETENSIONES EN LA DEGRADACIN DEL AISLAMIENTO.. 31 SOLICITACINES DURANTE LOS CORTO CIRCUITOS..... 35 MEDIDA DE LA TANG FACTOR DE POTENCIA.... 43 MEDIDA DE "LA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO..... 49 DESCARGAS PARCIALES.. 53 CONTROL DE LOS ACEITES.. 59 RIGIDEZ DIELECTRICA DEL ACEITE.. 65 RESISTIVIDAD Y FACTOR DE PERDIDA.. 69 GENERACION DE GASES EN TRANSFORMADORES................................... 79 EL CONTENIDO DE AGUA EN EL ACEITE Y LA AISLAMIENTO.. 101 LA ACIDEZ EN EL ACEITE O INDICE DE NEUTRALIZACIN....107 LATENSIN INTERFASIAL DE LOS ACEITES (TIF) .... 111 CRITERIO DE COLOR E INDICE DE CALIDAD (I.D.Q.) SEDIMETOS LODOS Y CONTENIDO DE PARTICULAS..113 CONTENIDO DE BIFENILOS POLICLORADOS P.C.B. 117 CONTENIDO DE FURANOS ..... 123 GENERALIDADES DE OTROS ENSAYOS . 125 TRATAMIENTOS DE ACEITE PARA EL MANTENIMIENTO .. 129 MANTENIMIENTO DE TRANFORMADOR Y ACCESORIOS .. 135 TABLAS DE DIAGNSTICO PARA EL ANLISIS DE LAS FALLAS .. ... 141 TRANSFORMADORES DE MEDIDA.... 143

RECONOCIMIENTOS A los amigos enrriquecieron con sus dialogos tcnicos y diversos aportes, la elaboracin del presente manual, todo el personal que colabor con el autor durante 35 aos en la Gestin de Operacin Mantenimiento de Transformadores desde AyE Div Santa 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 de transporte de energa elctrica y se presenta de la ms variadas formas y tamaos, todos son importantes para la continuidad del servicio, pero siendo el transformador de potencia por el tamao, inversin y costo de las prdidas que ocaciona la falla de mismo, es el que merece la dedicacin superlativa de los especialistas involucrados. Los transformadores usados en alta y muy alta tensin son mquinas cuyo nivel de sofistcacin es mximo, en ellos se aplican las tcnicas ms avanzadas del diseo elctrico y mecnico, al efecto que pueda responder xitosamente a todas las solicitaciones que el servicio le demandar. Esquema elctrico

I1V1 V2

I2

Relacin de corrientes N1 I1 = N2 I2 Relacin de tensiones N1 V2 = N2 V1 Relacin de potencias V1 * I1 = V2 * I2 = S1.2.-El transformador de potencia sumergido en aceite

I1 / I2 = N2 / N1 V2 / V1 = N2 / N1

El aceite es un medio que adems de proveer aislacin a la mquina, le facilita la refigeracin, tanto de los bobinados como del ncleo, adems aporta un medio efectivo para 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 para que ste no entre en contacto con el aire y preservarlo de la oxidacin.

Bushing de AT

Bushing BT

A E R O R E F R

Tanque de expansin con bolsa de sellado atmosfrico

Cuba

Relacin de pesos varan exponencialmente con la potencia nominal Veamos una relacin decomponenetes en base a un Transformador 100 MVA Peso total ; 1,3 Tons/MVA Peso FeSi; 0.7 Tons/MVA Cobre Aceite ; 0,15 Tons/ MVA ; 0,25 Tons/ MVA Celulosa ; 0,05 Tons/ MVA

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

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1.3.- Ciclo de vida de los transformadores

REVISION DISEO ESPECIFICACIN

FABRICACIN ENSAYOS

RECAMBIO

RECONSTRUCCIN

COMISIONAMIENTO

ANALISIS DE FALLA DESCARTE FIN DE VIDA UTIL EXTENSIN DE VIDA TIL

OPERACIN Y MANTENIMIENTO

DESEMPEO EN OPERACIN

1.4.- Especificaciones tcnicas

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

Est probada la utilidad de realizar una revisin del diseo por un especialista experto en proyecto de diseo de transformadores y en ella se verifican todos los datos que 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 la informacin que deberan entregar alegando reserva tcnolgica. La verificacin se realiza bsicamente sobre los prametros principales y consiste en los siguientes pasos:


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Puntos destacados en la revisin del diseoFLUJO Y PRDIDAS EN HIERRO VERIFICACION DE PARAMETROS DE DISEO DENSIDAD DE CORRRIENTE

TEMPERATURA PROMEDIO DE CADA BOBINADO DISEO TRMICO PUNTO CALIENTE HOT SPOT Y TRANS CORTOCIRCUITO TEMPERATURA PROMEDIO DE NUCLEO A FRECUENCIA INDUSTRIAL Um DISEO ELECTRICO CON SOLICITACIN SOBRETENSION ATMOSFERICA BIL CON SOLICITACIN SOBRETENSION .MANIOBRA SIL DE 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 operarios de la planta para ejecutar la manufactura del transformador, debe ser verificada apropiadamente con el siguiente esquema.CORTE DE CHAPA POLUCIN APTITUD DE LAS INSTALACIONES INSPECCIN DE LA FABRICA CALIFICACIN DE LA MANO DE OBRA LIMPIEZA ORGANIZACIN Y CONTROL TRAZABILIDAD DE MATERIALES USADOS CONTROL DE CALIDAD ENSAYOS DE RECEPCION DE INSUMOS INSPECCION DE PROCESOS DE FABRICACIN REGISTOS DE TIPO ENSAYOS ENSAYOS DE CONTROL DE LA MANUFACTURA DE RUTINA PROCESO SECADO

1.7.- Ensayos y comisionamiento

Las unidades antes de salir de fbrica deben ser ensayadas convenientemente de acuerdo a la norma IEC60076, especialmente para verificar si el espcimen responde a las 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 de algunos ensayos de rutina, permite su uso como referencia para asegurar que el montaje en el emplazamiento fue bien realizado. Los ensayos de comisionamiento, son en general, los que verifican el funcionamiento correcto y seguro de la mquina, sus accesorios y las protecciones, pero tambin muchas 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 aprecie fuera 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 caractersticas pueden ser realizados tanto en laboratorio como en campo, y adems, ser repetidos sin mayor costo; estos son importantes, dado que es el nico mtodo que se dispone para evaluar si el transformador an es confiable, o si se detecta un aumento en el ndice de falla durante el servicio.Curva doble exponencial invertida

Indice de Falla

Zona de ndice inadmisible 2 aos 20 a 30 aos

El especialista debe prolongar la vida util del transformador, manteniendo la mquina dentro de los ndices de confiabilidad compatibles con la funcin que presta la misma dentro 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 funcin de el numero estadistico de fallas anuales () [n de unidades/ao] valor que los distintos 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 transformador Vemos cual son los costos totales de un transformador para el propietario (CPT), quien opera el mismo y se beneficia con su explotacin. La exprecin de los costos es :

CPT = DEP + MAN + INS + OPP + DEV + RSKDonde DEP, es la depreciacinde la unidad MAN, costo de mantenimiento INS, costo del seguro OPP, costo de oportunidadOperacin y Mantenimiento de Transformadores

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DEV, devaluacin, factor de inflacin RSK, 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 complejo que describir, consideraremos el tiempo la energa real entregada por el transformador al 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 un transformador bajo ciertas condiciones de operacin. Entonces queda claro: Costo de la Energa no Suministrada o costo de la falla muy importante en caso de Deterioro de imagen empresarial. Sobrecostos de Mantenimiento Costo de renovacin. Vs Elevacin del costo financiamiento de los seguros por elevacion de las primas. Tiempos de reparacin o de reposicin de unidades simpre prolongados 10 a 15 meses

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2.- CONTROL DE VIDA DE AISLACIONES EN PAPEL Y ACEITE Para evaluar el desarrollo de la vida de las aislaciones combinadas slida y lquida tipo papel-aceite, se debern tener en cuenta un determinado nmero de datos, de "efectos y acciones", entre los cuales a primera vista se pueden plantear los siguientes enfoques: Vectores de degradacin Evaluacin de la degradacin. Acciones para atenuar el envejecimiento2.1-Vectores de degradacin

Vale resaltar la importancia de los registros de operacin para la investigacin del comportamiento 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 diarias Operacin en vaco. Solicitacin por sobretensiones. Operacin en sobrecarga. Ocurrencia de corto-circuitos cercanos. Transitorios de energizaciones , arranques con gran corriente de Inrush Calidad 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 amplio panorama, tanto de las situaciones de carcter histrico, como de aquellos problemas de naturaleza evolutiva. El men de posibilidades es muy grande y se enumeran aqu algunos de ellos, quedando al buen criterio del especialista la administracin y seleccin de los mismos. Por lo general, si tenemos dos tipos de ensayos, los que se realizan sobre la mquina que por lo general para ejecutarlos se necesita disponerla fuera de servicio y los que se realizan sobre el aceite, que dado la facilidad de realizar la extraccin con la mquina en servicio, ofrece un men amplio de posibilidades. De todos modos, las mediciones sobre la aislacion slida son de gran significacion y se debe elegir muy bien los ms representativos para aprovechar efcientemente la salida de servicio programada de la unidad.


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Ensayos sobre la unidad y la Aislacin slida Angulo de prdida en aislacin. Tang . Resistencia de aislacin-Ra. Indice de polarizacin.-I.P Relacin de absorcin dielctrica-RAD Polarizacin 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 papel Anlisis fisicoqumicos en el Aceite Contenido de humedad Acidez (ndice de neutralizacin) Concentracin de oxgeno en el aceite Contenido de gases combustibles. Tensin interfasial. Colorimetra.y espectrifotometra Contenido 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 dielctrica Factor 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, deber contemplar tambin precauciones durante el servicio de la unidad, tambin en funcin de los anlisis y ensayos que se realizan, se podrn encarar acciones para reducir el deterioro aumentando su vida til y confiabilidad. El men de opciones es muy amplio y se engloban a todas las acciones que tienden a controlar la degradacin de los materiales que constituyen la mquina, que de algn modo evitan que se desarrollen reacciones qumicas, solicitaciones electricas, esfuerzos electrodinmico 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 de los aislantes y sus fijaciones para prolongar la vida del transformador Tratamientos 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 parcial Tratamientos 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 para la 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 par el calado en el bobinado de BT.

Arreglo general del transformador listo para el tratemiento de secado final y su introduccion 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 del tiempo 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 dado T - temperatura absoluta en grados Kelvin. La degradacin de un aislante de celulosa realizado con papel Kraft, se produce por rotura de los polmeros que componen la fibra del material los especialistas han reconocido internacionalmente los trabajos de Monsinger, y se puede asumir matemticamente que en un entorno de las temperaturas se puede expresar de modo prctico 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 vida de las aislaciones de papel en aceite de los transformadores con temperaturas de trabajo entre 80 y 140 C se duplica para un aumento de aproximadamente 6C. en las partes activas de la aislacin. Este concepto es importante cuando se quiere definir el fin de la vida util de la unidad para 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 papel comun, se pueden relacionar las distintas velocidades de consumo de vida para una temperatura del cobre dada h correlacionndolo con el consumo de vida relativo a una temperatura de referencia hr . La formula de la Velocidad Relativa del Consumo de Vida (V) queda:

V = 2 (h 98 ) / 6 =

3.2.1 [1]

h = Temperatura en el cobre a = Temperatura ambiente o = Temperatura en el aceite hmr=Temperaura del media del bobinado a potencia nominal hr = Temperatura del punto caliente a corriente de regimenes es 98C para un transformador 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 20 C y la potencia nominal, del transformador, es decir, se acepta que se los construye con una elevacin de temperatura sobre el ambiente de h = 78 C para el punto ms caliente, el Hot Spot. se considera en este punto el bobinado hr - hmr 13 C superando la temperatura del calentamiento medio del cobre (medido por resistencia), este valor de temperatura segn IEC est definido en 65 C, en estas condiciones de envejecimiento del aislante y se calcula la vida til del transformador Horas por dia hC con papel comun Hot Spot 98 24 101,5 16 104 12 110 6 113,5 4 116 3 119,5 2 122 1,5 125,5 1 128 0,75 131,5 0,50 3.2.2.- Con Norma ANSI IEEE Cabe destacar que las normas americanas especifican hmr = 55C para las mquinas construidas con papel comn, en la misma norma hmr = 65C exije el uso de papel mejorado trmicamente, en las Especificaciones Tcnicas se pueden definir valores diferentes, los valores bajos son los recomendables para climas tropicales. Los transformadores construidos con norma ANSI se presenta la frmula para la Velocidad Relativa del Consumo de Vida (V) :

V =e

(

15000 1500 ) 110 + 273 h + 273

=

3.2.2 [2]

Tabla 3.2 Tasa de envejecimiento relativo por temperatura de Hot Spot Envejecimiento relativo en Envejec. relativo punto h punto caliente papel comun caliente papel upgraded 80 0,125 0,036 86 0,25 0,073 92 0,5 0,145 98 1,0 0,282 104 2,0 0,536 110 4,0 1,0 116 8,0 1,83 122 16,0 3,29 128 32,0 5,8 134 64,0 10,1 140 128,0 17,2

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3.3.- Vida del papel bajo distintas condiciones

Para ver la influencia de la calidad del mantenimiento del tranformador evidanciandopor la buena el aceite y la aislacin seca y limpia veamos la influencia de algunos factores. Por ello ilustramos el difernte comportamiento frente al envejecimiento trmico teniendo en cuenta las parametros la humedad y la temperatura. El envejecimiento relativo V=1 corresponde a 98 C para el caso del papel comn y 110C para el mejorado trmicamente.Vida en Aos Tipo de Papel Celulosa Comun Temperatura C Seco sin aire Hume 2% y aire 80 90 98 Celulosa Mejorada 80 90 98 118 38 15 72 34 18 5,7 1,9 0,8 76 27 12

3.4.- Las temperaturas en el interior del transformador

Para el anlisis de la problemtica del comportaminto trmico durante la operacin de los transformadores, es de gran importancia conocer el mismo desde el interior de launidad, para ello, se recurre al diagrama trmico del mismo. Para la construccin de este diagrama, de gran utlidad para visualizar los valores de tempetura que se alcanzan en el transformador, se debe recurrir a varios datos que el diseador ya ha deteminado, en funcin de las Especificaciones Tcnicas requeridas por el operador de la mquina. En algunos casos el fabricante puede entregarnos estos valores, pero lo ms saludable es realizar conjuntamente con l una revisin de diseo previa a la fabricacin y tener una 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 se obtendran algunos de los valores como son las temperaturas del aceite A, B, C y D adems 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 la actualidad se pueden instalar sensores de temperatura con conexin ptica. En algunos casos tambin se puede hacer un Ensayo de Calentamiento Dinamico con el transformador en operacin y estabilizando los parametros tales como la carga y la tamperatura, aunque la temperatura media de bobinado debers salir de un clculo de separacin 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 impedancia de 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 con los datos obtenidos del diseo y el referido ensayo de calentamiento. Diagrama trmico de temperaturas internas del transformador y el arrollamiento segn IEC 60076-7 / 2005 Y A H x gr

B gr C

P

Q

D E X Claves A: Temperatura Top Oil como promedio de Temp. aceite de salida y pozo de termmetro 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 y media 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 relativas Punto medido Punto 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 a una temperatura, h integrando slo los perodos en que la temperatura del bobinado 18



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

L = Vdt o la integracin discretat1

t2

L Vn xt n [3.5]n =1

N

Donde Vn es el envejecimiento relativo durante el intervalo n de acuerdo a eq. 3.2.1y -3.2.2. tn es el enecimo inervalo de tiempo n es el numero de cada intervalo de tiempo N es el total de los intervalos de tiempo Vida de la Aislacin Los especialistas han sugerido distintos criterios para definir la vida de una aislacin pero en general se acepta que una aislacin se encuentra en su etapa final cuando la misma ha perdido el 50% de resistencia mecanica a la traccin, esto puede apreciarse en la deetalle en el capitulo 6.8 la resistencia menica y el grado de polimerizacin del papel. Lo real es que cuando hay contaminantes como el agua, la temperatura acelera el envejecimiento del papel, ya que est aceptado por los especialistas y diseadores de la unidad, es por ello que se deben tener perfectmente acotados algunos parametros como la humedad en papel, menor al 2% para no tener envejecimientos anormales o burbujas. Funcionamiento a temperatura variable Para el caso de una temperatura variable h = (t) para calcular la prdida de vida(L) en un cierto periodo de tiempo, es conveniente realizar una integracin con los valores vistos precedentes, durante las horas de servicio, con las vida consumida. Nmero de horas de funcionamiento a la temperatura h para tener el mismo consumo de vida que en 24 hs. a 98C En consecuencia, el tiempo diario de uso del transformador a una temperatura superior de 98C se reducir, para tener un consumo de vida igual al esperado en el diseo de la unidad. 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 ao Si la temperatura ambiente a, vara durante el da en forma cclica y tambin en modo estacional durante el ao, para estimar los tiempos de carga, es necesario utilizar un valor 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 ambiente variable a(t) funcin de un tiempo t dado, la temperatura ambiente ponderada para este perodo, est expresado por la frmula siguiente para una secuencia de temperaturas a(t) en funcin del tiempo durante el ao de perodo T:t t

L = V dt = 2 h / 6 dt =0 0

[ 3.6.1]

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

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

N

N

[ 3.6.2]

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

a (t ) = ya + A sen 2 t + B sen 2 t365x24 t = tiempo en horas 24

[3.6.3]

ya= temperatura media anualA = amplitud promedio anual B = amplitud promedio diaria

Grfico de las temperaturas perodo un ao

Debido a que el envejecimiento se duplica cada 6C y hemos asumidos que las funciones son sinusoidales, puede entonces introducir el valor de la Temperatura anual 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 anual ponderada 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 trminos cuantitativos es relacionarla con un consumo de vida unitario Ln,En nuestro caso aplicaremos un Reactor que usualmente trabaja a carga constante

D =L/Ln Donde:

L = V dt = 2 h / 6 dt =0 0

t

t

[ 3.7.1]

D: Deterioro relativo L :consumo de vida aual calculado en horas Ln:consumo de vida anual de diseo en horasReactor construido IEC 60076

cte = 98C

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

hmx117C 112 C 107C 102C 97C 92C 87C 80C

D1.7 1 0.53 0.30 0.17 0.30 0.05 0


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3.8.-Grfico de Vida - TemperaturaVel.rel Cv

100

10

1.0

0.1 80 90 100 110 120 130 140 150

c

Tenp.Hot Spot

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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 la vida til de la mquina por la elevacin de las temperaturas que aceleran su envejecimiento, en este caso, el consumo de vida puede ser ponderado mediante la frmula ya vista en 3.6.1., pero es el proposito de la norma IEC 60076/7, con las limitaciones establecidas, los transformadores pueden se cargados ms alla de los valores nomimales, con un envejecimiento admisible con el previsto por su diseador. Los riesgos pueden ser reducidos si el operador especifica claramente las condiciones de 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 y puede llegar a valores inaceptables. La densidad del flujo de dispersin en ncleo aumenta elevando los valores de las corrientes parsitas y calentando partes metlicas. Como la temperatura cambia, el gas y la humedad en el interior de la aislacin y el aceite puede cambiar. Bushings, cambiadores de topes conectores y transformadores de corriente sern expuestos a elevadas solicitaciones fuera de los mrgenes de diseo. Las consecuencias y los riesgos prematuros, asociados se incrementan con el valor de las corrientes de las sobrecargas. Efecto y peligros de cargas de emergencia y corto tiempo Cargas elevadas de corto tiempo, pueden segn las condiciones de servicio elevan los riesgos, las duraciones permisibles de estas sobrecargas deben ser menores que la constante de tiempo del transformador y dependen de la temperatura previa a la sobrecarga, no deben superar la media hora. El mayor riesgo es la falla por reduccin de la rigidez dielctica debido a la posible presencia de burbujas de gas en zonas de elevado campo elctrico, en especial si se superan los 140C de temperatura y contenidos de humedad del orden 2% o superior. Burbujas de gas se pueden producir en el aceite y en aislacin en superficies de partes metlicas calentadas (180C) por flujo de dispersin y que por supersaturacin del aceite se forman en zonas de bajo campo elctrico y se desplazan 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 de topes. Los parmetros limitantes estan detallados en el punto 4.4 que se ver ms adelante.


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Efecto de operacin de largo tiempo con cargas de emergencia. Cargas que no son operacin normal pero y su ocurrencia es esperable, pueden ocurrir varias semanas o meses y llevan a envejecimientos importantes. Deterioro de la propiedades mecnicas de la aislacin del conductor, si no las llega a destruir, reducir la expectativa de vida de la unidad. Otras parte de la aislacin, en especial, las que soportan los esfuerzos axiales del block de bobinas, pueden deteriorarse a elevadas temperaturas. Las resistencias de contacto de los cambiadores de topes se deterioran con elevadas corrientes. Las juntas de gomas se cristalizan con elevadas temperaturas. Los clculos regulados de envejecimiento relativos en % de perdida de vida son basados en los riesgos que se asumen en tiempos largos. Tamao del transformador El tamao del transformador es muy sensible a las sobrecargas y usualmente depende de 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 ello se dividen en: Transformadores de distribucin Trasformadores 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 la temperatura h a lo largo del tiempo V(t,h) que dura una sobrearga, se debe contemplar la temperatura inicial del punto caliente del bobinado hi y seguir su evolucin exponencial luego de un aumento repentino de la carga, el calor generado es funcin cuadratica de la corriente. Q = . I2 La ecuacin siguiente, es la que rige la evolucin de la temperatura en sobrecarga transitoria, la misma sigue una ley exponencial con una constate de tiempo para el bobinado del orden de algunos minutos y otra para el aceite o general del transformador que ser de varias horas dependiendo del tamao de este. La temperatura del punto caliente es la suma de la temperatura ambiente, mas la elevacin de la temperatura de top oil en la cuba, mas la diferencia entre punto caliente Hot Spot y temp.superior de cuba Top oil. La temperatura aumenta al nivel correspondiente al factor de carga K. eq.[4.2.1.] x 1 + R * K 2 h (t ) = a + oi + or * oi * f 1 (t ) + hi + H gr K y hi * f 2 (t ) 1+ R

{

}

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

24



x 1 + 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

Donde a = temperatura ambiente or = temperatura en el aceite a corriente nominal oi = temperatura en el aceite inicial antes de la sobrecarga h = temperatura del punto caliente hr = temperatura del punto caliente a corriente nominal hi = temperatura del punto caliente inicial R = Relacin de prdidas = prdidas en carga /prdidas en vaco K = I1/ In = factor de carga f1(t) ;f2(t) y f3(t) son funciones temporales de la constantes de tiempo o = 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 ) )Los valores para las formulas pueden encintrarse en la tabla siguiente [4.2]Transformad ores de distribucin Transformadores de mediana y gran potencia

(

ONAN restringido (ver nota)

ONAF restringido (ver nota)

OF restringido (ver nota)

ONAN

ONAN

ONAF

Exponente de aceite x Exponente de bobina y Constante k11 Constante k21 Constante k22 Constante de tiempo 0 Constante de tiempo

0.8 1.6 1.0 1.0 2.0 180 4

0.8 1.3 1.5 3.0 2.0 210 10

0.8 1.3 0.5 2.0 2.0 210 10

0.8 1.3 0.5 3.0 2.0 150 7

0.8 1.3 0.5 2.0 2.0 150 7

1.0 1.3 1.0 1.45 1.0 90 7

1.0 1.3 1.0 1.3 1.0 90 7

1.0 2.0 1.0 1.0 1.0 90 7

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


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OD

OF

El resultado para el caso de una sobrecarga de K2 = 1.4 con carga previa K1 0,8 con una 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 sobrecarga Potencia nominal Potencia nominalSOBRECARGA K1= 0,8 ; K2 1,4 - Durac1 hr

160. 00

140. 00

120. 00

Tmp C Pot %/2

100. 00

80. 00

60. 00

40. 00

20. 00

0. 00 1 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

Top Oil Temp X(2) Temp H(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 que se han normalizado en tablas y curvas, en las que se vincula la relacin de sobrecarga K2 con el tiempo de aplicacin de la misma, para un valor de desgaste equivalente al previsto en el diseo de la mquina, pero a 20C para cualquier otra temperatura se deber utilizar la siguiente tabla para corregir el consumo de vida V.Temp ambiente Corr de Cv 40 10 30 3,2 20 1 10 0,32 0 0,1 -10 0,032

Tabla IEC 60354(antigua) de valores de K2 refigeracion ONANK1=0.25 K1=0.50 K1=0.70 K1=0.80

para transformadores conK1=0.90 K1=1.00

t=0.5 t=1 t=2 t=4 t=6 t=8 t=12 t=24

1.61 1.48 1.33 1.19 1.13 1.10 1.06 1.00

1.567 1.44 1.30 1.18 1.12 1.09 1.05 1.00

1.51 1.39 1.27 1.16 1.11 1.08 1.05 1.00

1.46 1.36 1.25 1.15 1.10 1.08 1.05 1.00

1.41 1.31 1.21 1.13 1.09 1.06 1.04 1.00

1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00

26



Ej. del uso de la tabla : Sea K1 = 0,9; T = 2 hs., de la tabla resulta K2 = 1,21 para 20C La interpretacin es la siguiente; si el transformador trabaja 22hs.a 0,9 de la corriente nominal In y 2 hs. a 1,21 de In, el consumo de vida ser igual a trabajar durante 24 hs. a la 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 sumergidos en Aceite. Presenta los algoritmos para construir las curvas de el punto caliente para los 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.TIPOS DE CARGA Ciclo normal de carga Corriente (por unidad) Temperatura del punto caliente del devanado y partes metlicas en contacto con material de aislacin celulosita (C) Temperatura de otros puntos calientes metlicos (en contacto con el aceite, papel de aramida, fibra de vidrio)( C ) Temperatura mxima del aceite ( C ) Carga de emergencia de tiempo prolongado Corriente (por unidad) Temperatura del punto caliente del devanado y partes metlicas en contacto con material de aislacin celulosita (C) Temperatura de otros puntos calientes metlicos (en contacto con el aceite, papel de aramida, fibra de vidrio)(C ) Temperatura mxima del aceite ( C ) Carga de emergencia corto tiempo Corriente (por unidad) Temperatura del punto caliente del devanado y partes metlicas en contacto con material de aislacin celulosita Temperatura de otros puntos calientes metlicos (en contacto con el aceite, papel de aramida, fibra de vidrio)( C ) 2 * 1.8 160 1.5 160 1.8 140 1.5 140 1.3 140 1.5 120 1.5 120 1.3 120 Transformador Transformadore es de s de mediana distribucin potencia Transformador es de gran potencia

140 105

140 105

140 105

160 115

160 115

160 115

*

180

180

Temperatura mxima del aceite ( C ) * 115 115 NOTA: Los lmites de corriente y temperatura no tienen por qu ser validos simultneamente. La corriente puede estar limitada a un valor menor mostrado a fin de reunir una condicin en la limitacin de temperatura. En cambio, la temperatura puede estar limitada a un valor menor que el mostrado a fin de encontrar una condicin en la limitacin de corriente. * Riesgos a la aislacin por formacin de burbujas si se exceden los 140C


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Es de hacer notar que la temperatura de punto caliente est referida a las partes metlicas que estn en contacto con la celulosa. Tambin se seala que slo para casos muy extremos se acepta superar los 130C llegando a 160 C para los transformadores de gran porte. Importante. El autor del presente documento, recomienda no operar los bobinados a temperturas superiores a 135 C durante las sobrecargas, pues se corre riesgo de llegar al lmite establecido para la corrosin por Azufre en los aceites. La liberacin de productos compuestos de Azufre dentro del transformador trae problemas irreversibles para la vida del mismo. 4.5.-Ejemplo de sobrecargas permitida y temperaturas Hot Spot IEC 60076-7 Para aplicar la nueva norma en un ejemplo prctico, vemos la tabla de envejecimientos relativos diarios en dias normales y las temperaturas de hot spot alcanzadasdurante ese ciclo de carga de 30 min, con una estabilzacin previa de 140 min. La misma presenta los valores de K1 y K2 en la siguiente tabla 4.5.K1 K2 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 0.001 33 0.001 38 0.001 43 0.001 49 0.001 56 0.002 62 0.004 69 0.01 77 0.01 85 0.03 93 0.07 101 0.18 110 0.48 119 1.34 129 0.004 38 0.004 43 0.004 49 0.004 55 0.01 61 0.01 68 0.01 75 0.02 82 0.03 90 0.06 98 0.15 107 0.37 115 0.95 125 2.61 134 0.02 45 0.02 51 0.03 56 0.03 62 0.03 68 0.03 75 0.04 82 0.06 90 0.10 97 0.18 105 0.40 114 0.94 123 2.39 132 6.45 141 0.07 55 0.07 61 0.08 67 0.08 73 0.09 80 0.11 87 0.14 94 0.21 102 0.37 110 0.76 119 1.73 127 4.32 137 11.5 146 0.25 66 0.26 72 0.27 78 0.29 85 0.33 92 0.40 100 0.55 107 0.87 115 1.64 124 3.55 133 8.58 142 22.5 151 1.00 76 1.04 84 1.09 91 1.19 98 1.36 106 1.71 113 2.44 121 4.12 130 8.24 139 18.9 148 48.1 157 4.48 91 4.66 98 4.94 105 5.43 112 6.34 120 8.19 128 12.3 137 22.1 145 47 154 X X 22.6 105 23.6 112 25.2 119 28.0 127 33.3 135 44.6 144 70.5 153 134.7 162 X X 128.9 120 135.0 127 144.9 135 162.7 143 198.0 152 275.2 161 X X X X 827.1 136 868.7 144 938.3 152 1 067 161 X X X X X X 5 975 153 6 297 161 X X X X X X X X 0.25 0.5 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Refrigeracin tipo OF,a = 20 C Pre 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 la Tabla 4.4

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Estos datos tambin pueden ser presentados en la figura con los graficos de las sobrecargas donde las lineas de puntos son los descartado por las limitaciones de la tabla 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 de Tiempo Trmica del cuerpo principal del transformador se encuentra en un valor del orden de 2 a 3 horas, pero a su vez, los bobinados en sus partes activas que son de Cobre, responden en aproximadamente 10 minutos. Como es lgico suponer, el papel que se encuentra en contacto con el cobre tendr el mayor gradiente trmico, ya que el lquido refrigerante circula por las capas perifricas de papel, que forma aislante slido, tardar mayor tiempo en comenzar a circular el aceite evacuar al calor. La hiptesis de que el funcionamiento OFAF1, ya que la circulacin forzada del aceite puede ser tarda, porque ante un salto de carga de 55 a 90 MVA el sistema de automatismo de arranque que se efectuaba a travs del rel de Imagen Trmica reaccionara 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 del bobinado a razn de 3 C/minuto.T EM PERAT URAS SALT O DE CARGA 18 0 16 0 14 0 12 0 10 0 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 10 mi n T EM P ACEI T E T EM P M AX COBRE 12 13 14 15 16 17 18 19 2 21


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

El seguimiento de las temperaturas de operacin puede permitir en algunos casos detectar la ocurrencia de situaciones anormales dentro del transformador. Analizado los registros de las temperaturas internas del transformador o / h y la temperatura ambiente a, se podra determinar si existe una mayor generacin de calor, 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 conveniente investigar el origen del calentamiento extraordinario, pueden deberse a problemas de diferente naturaleza originados en : Sistema de Refrigeracin. Los Bobinados y las Conexiones El Circuito Magntico.

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5.- INCIDENCIA DE LAS SOBRETENSIONES" EN LA DEGRADACIN DE LA AISLACIN Analizamos dos tipos bsicos de sobretensiones, segn sea su valor absoluto del pico mximo 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; las mismas son controladas por los descargadores de sobretensin que se instalan segn el B.I.L. o S.I.L. de la mquina, pero, como su aparicin es estadstica, a veces llegan al interior del transformador restos de la onda de sobretensin, cuya magnitud es muy difcil evaluar, y an ms dificultoso es cuantificar sus efectos en el acortamiento de la vida til. Se pueden contar los eventos para estudiar su ocurrencia, pero es difcil relacionarlos con los efectos que se puedan detectar con posterioridad, no obstante, podremos detectar por mtodos indirectos si existieron descargas internas de carcter elctrico, si stas afectaron la aislacin slida, y si permitirn continuar con la mquina en funcionamiento. Puede ocurrir que la sobretensin transitoria encienda una descarga parcial que luego no se 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, es mediante anlisis de los gases disueltos en el aceite (GDA), Ej.: los hidrocarburos no saturados, como el H2C2 formados por descomposicin del aceite con altos niveles de energa (ver anlisis cromatogrfico). Otro mtodo para detectar existencia de alguna descarga interna en la masa de la aislacin slida sera verificar el aumento del nivel de las Descargas Parciales a la tensin de servicio, pero este mtodo est disponible en la actualidad como ensayo de campo en las estaciones, el inconveniente radica en la existencia de interferencias en las mediciones y realizarlo a tensin de servicio. En definitiva, se puede detectar la ocurrencia de estas descargas internas y la evolucin de las mismas como para vincularlos matemticamente a la ecuacin del consumo de vida, pero es indiscutiblemente un vector a historiar e integrar, ponderndo el fenmeno en 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 la aislacin que es el papel, produciendo un aumento en las descargas parciales (DP) y su duracin puede ser prolongada segn la situacin operativa de la mquina. La aparicin por perodos prolongados de DP, llevar a una destruccin de carcter electrotrmico y para evaluar el consumo de vida se puede proceder de manera similar aOperacin y Mantenimiento de Transformadores

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la que se utiliza para la sobrecarga de corriente, con la ligera diferencia que la generacin de calor no tiene lugar en el cobre, sino en algunos puntos del aislante slido, 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 de analizar la relacin Tensin-Tiempo para el 50% de probabilidad de la iniciacin de las descargas parciales, se puede establecer la correlacin con el aumento de la velocidad del 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= Cv t5.2.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) 60 kV 40

Unmax 30

20

10 0,1 1

10

100

1000 horas

familia de curvas paralelas. Para determinar el exponente se utiliza la expresin matemtica. = ln (U1/U2) ln (t2/t1) Ut ) 1/ (Unmx )

V=(

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



Si consideramos que la mquina est diseada para funcionar durante toda su vida til un tiempo relativo (tr) a la Tensin Nominal Mxima U(tr), la que tomamos como tensin 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), que es 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 = Unmax U (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 cuando se supera el valor de tensin mxima de servicio, podemos obtener la funcin velocidad de consumo de vida V, queda: velocidad consumo de vida a U(t) -----------------------------------------5.3.a. velocidad consumo de vida a U nmx

V (U) =

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

V (Ut) dto

5.3.b.

Para distintos tiempos y tensiones, podemos integrarA A

Cv =

a=1

V (Ua) . ta =

(

a=1

Ua ) Unmx.

1/

5.3.c


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5.4.- Cuadro comparativo

Sobre la base de una sobretensin U, aplicado en forma permanente podemos ver el consumo 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 experimentales encontrados en los estudios de distintos laboratorios. Valor de = 0,03 para sobretensiones/superiores de Un mx = 1,05 Vm pu 1,05 1,06 1,07 1,08 1,09 1,1 1,15 1.2 Sobretensin por unidad (pu) = UUn max

Cv aos 25 18 13.3 9.7 7 5.25 1.2 0.275

D 1 1,37 1,88 2,56 3,57 4,76 25 90

D = Deterioro relativo D = Cv Cvo Cv = Consumo de la vida til total o una tensin U dada > Unmax Cvo = 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 vista electrotrmico de los conductores, y el otro es del punto de vista de los esfuerzos electrodinmicos entre los arrollamientos.6.1. Solicitacin trmica

Tambin se pueden investigar las secuelas de estos eventos en las conexiones interiores del aparato, ya que pueden aparecer problemas, y es conveniente su solucin en forma preventiva El anlisis desde el punto de vista electrotrmico indica que el acortamiento de la vida de la aislacin puede ser evaluado con las consideraciones vistas en 3.3., pero ponderndolo cuantitativamente en funcin de la duracin de la solicitacin, aunque por lo general, si las protecciones actan en forma normal, en tiempo y forma, se pueden despreciar sus efectos, ya que en este caso los calentamientos que se producirn, sern inferiores 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 cuanto ms elevadas sean las corrientes de cortocircuito. El acortamiento de vida til del transformador est vinculado, en este caso, a problemas en el acuamiento de fijacin o a la existencia de deformaciones permanentes de las espiras estos fnnos no son detectavbles por Anlisis de Gases Disueltos . La deteccin de estos problemas desde el exterior de la mquina, es muy dificultosa, y es an ms difcil evaluar los daos producidos, a fin de determinar el final de la vida til residual o probabilidad de colapso de la aislacin. La mediciones posteriores, tales como las de, Relacin de Transformacin, Reactancia de Corto Circuito y el moderno mtodo de la Respuesta en Frecuencia (FRA) aparecen como una posibilidad interesante para detectar si ha habido movimientos relativos entre las 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 debe llamar la atencin y ser estudiada con detenimiento y 1% en la impedancia del bobinado medida en BT. En la homologacin de diseo de una mquina, en el caso del ensayo de tipo de soportabilidad al corto circuito, el nivel de aceptacion de esta variacin es del 2% para considerar el ensayo como exitoso, no obstante, luego de este ensayo que es muy costoso (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 roturas son los propios bushing, por lo cual es importante que sean verificados convenientemente a los esfuerzos electrodinmicos Esta solicitacin debe ser tenida muy en cuenta cuando se trata de mquinas conectadas a sistemas con grandes potencias de corto circuito, vemos que los esfuerzos electrodinmicos son funcin del cuadrado de la corriente y sta ser considerada en su valor mximo en el del transitorio. F = K.I2 Veamos que los esfuerzos electrodinmicos y su aptitud para soportarlos depende del tipo contructivo de la unidad, veamos como se da esto para el caso de los transformadores a columnas (Core Type) Esfuerzos Radiales entre bobinados Esfuerzos Axiales entre bobinados

Esfuerzos en unidad tipo Acorazado

Esfuerzos entre conductores y entre 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 han producido movimientos de los bobinados luego de un cortocircuito, es qu control o medicin hacer para saber si las deformaciones de las bobinas han sido permanentes, veamos: Medicin de Reactancia de Corto Circuito Este ensayo usualmente realizado durante la recepcin de la mquina, puede ser utilizado para detectar veriaciones en los bobinados; en este caso, se deber comparar la medicin realizada al inicio del funcionamiento de la mquina, con una similar realizada en el lugar y en el momento que esta medicin amerite ser ejecutada Como dato indicativo recordemos que, esta medicin es la que de usa en las pruebas de tipo para homologar los diseos en los sistemas de fijacion mecnica de las bobinas ante los esfuerzos electrodinmicos. La norma acepta una variacin del solo 2% entre las impedancias de CC, medida antes del ensayo y la que se realiza luego de la prueba de corto circuito a potencia mxima. Pero este ensayo es solo practicable en los laboratorios especializados y son escasos en el mundo. Medicin de la Funcin de Transferencia en Frecuencias F.R.A La medicin de la respuesta en frecuencia, como ensayo de campo y de laboratorio, se est 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 distintas impedancias que presenta el transformador a lo largo de una gama continua de frecuencias, que van desde los 10 Hz a 10 MHz.. Si bien, la medicin es simple, se debe realizar con gran precisin para que los registros tomados sobre una misma mquina puedan ser comparados a lo largo del tiempo. Es importante poseer los registros realizados sobre la unidad recin instalada, para poder compararlos con mediciones realizadas luego de una falla externa a la mquina y verificar que no ha habido cambios por momentos de bobinas. Tambin pueden detectarse otro tipo de alteraciones en el sistema de aislacin de las primeras espiras de la mquina. El circuito de medicin La medicin en su totalidad se hace desde cada uno de los bobinados y el registro puede obtenerse con o sin el otro bobinado en corto circuito.

I R A

I

Fuente estabilizada 10 106 Hz R :Sistema de registro A Medicion de corriente

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



I R

I

A

El fundamento del mtodo En las mediciones de este tipo, lo ms importante es realizar un grfico de Bode para un espectro contnuo de frecuencias, y de este modo visualizar cuales son los puntos donde se presentan las resonancias que son nodos de un sistema oscilante multifreaciencia. Basta recordar que las partes activas del transformador pueden asimilarse a una destribucin de inductancias en serie, con capacidades en paralelo a tierra y entre bobinados, cualquier alteracion geomtrica dar por resultado una modificacin en la respuesta que se obtuvo en una.

medicin anterior a una modificacin Si da igual est todo bien.

Red de inductancia y capacidades distribuidas

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


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

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

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

Como hemos visto en los captulos anteriores, los diseadores de transformadores han tomado para el clculo de la vida til de la mquina, la ponderacin del efecto de las temperaturas sobre el papel del bobinado. Evidentemente, los elementos de celulosa que fijan las espiras de los arrollamientos se decomponen con el calor y an ms rpidamente con oxgeno y otros contaminantes que aceleren la ruptura de la molcula de celulosa, cuya frmula es. ( C6 H10 O5 )nfugura con n anillos de como la fugura.

Estimativamente la molcula de celulosa del papel Kaft nuevo, utilizado de la fabricacin, se considera que posee un grado de polimerizacin (GP) nmero de elementos de la cadena cercano a 1200-1400. Siendo hipotticamente ste el valor mximo medio estadstico de la cadena de anillos que componen la fibra de celulosa en su origen. El deterioro se produce inicialmente durante los procesos de fabricacin, secado y deshidratacin donde las temperaturas son a veces de 100C o ms, y se inicia el deterioro del papel con reducin del GP a valores cercanos a 900,.luego con el servicio el 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 el 50% del valor de salida de fbrica GP 400 sera totalmente aceptable, pero muchos especialistas usan valores an menores para este concepto de fin de vida til, llegndose a encontrar GP de 300 y 200 en mquinas en operacin. Mecanismos de degradacin de la celulosa Veamos aqui los mecanismos que producen degradacin de la celulosa, que es el principal constituyente de los materiales aislantes slidos impregnados en aceite utilizados en equipos de alta tensin como son los transformadores e reactores. Hidrlisis El agua causa a ruptura de la cadena de monmeros, al afectar el tomo de oxigeno que hace a puente entre los anillos. Son formados dos grupos OH, cada cual anexado a un monmero. Como resultado de esto ocurre a reduccin do grado de polimerizacin e o debilitamiento de la fibra de celulosa. Los especialistas formularon una regla simple para a degradacin de la celulosa en funcin de cantidad de agua presente. Propusieron que una tasa de envejecimiento trmico de la celulosa es directamente proporcional a la cantidad de agua. As los resultados de los ensayos de envejecimiento trmico indican una tasa de degradacin con un cierto contenido de agua, un equipamiento en operacin con o doble de agua tendr tasa de degradacin trmica da aislacin igual al doble de la tasa medida en el referido ensayo.


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Oxidacin Los 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 de polimerizacin. Se libera agua, monxido de carbono y dixido de carbono. El agua liberada por este proceso contribuir tambin al proceso de hidrlisis mencionado, apenas la celulosa es atacada directamente por el oxigeno, Adems tambin o aceite sufre oxidacin, produciendo cidos, esteres y otras substancias 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 varios especialistas, el procedimiento mas comn es comparando los resultados de tasas de envejecimiento con probetas de aislacin selladas sin la presencia de oxigeno, con las tasas de probetas expuestas a la atmsfera, como en un transformador sin sistema de preservacin de aceite. Algunos de los investigadores de este fenmeno Fabre e Lampe, que encontraron factores de aceleracin de la degradacin de las probetas expuestas al oxigeno respecto a las selladas de 2,5 e 10 veces respectivamente. Queda claro que la presencia de oxigeno tiene una influencia extremamente negativa en el envejecimiento de la celulosa, que debe ser definitivamente evitada. Pirlisis El calor en extremo lleva a la carbonizacin das fibras de celulosa, y el calor en niveles moderados, como normalmente ocurre en transformadores, causa la rotura de los monmeros individuales la cadena de celulosa, formando un residuo slido e liberando monxido de carbono, dixido de carbono y agua. Como no poda ser diferente, el grado de polimerizacin se reduce, y por tanto disminuyen 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 el punto 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 de muestras de papel sumergidas en aceite y sometidas a envejecimiento acelerado de 4 semanas, 672 horas y realizando luego la medicin del GP y su Resistencia a la Traccin. 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 sin contenido de agua ni aire, otra sin agua y la ltima sin aire Los valores promedio que se obtubieron se muesatran en la siguiente tabla 6.8 .ENVEJECIMIENTO ACELERADO DE PAPEL Y RESISTENCIA A LA TRACCIN

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

0 1150 7.70 12.65

168 535 4.33 8.8

336 371 2.38 7.59

504 317 1.94 7.15

672 304 1.83 6.49

Globalmente se apreci que el GP se reduce inicialmente enforma rpida hasta 26%tambin lo hace la resistencia a la traccin del papel Kraft comn hasta el 23%,.pero para el caso del Mejorado Termicamente que parte de valores superiores la reduccin solo fue del 56%.

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Ha sido tambin una conclusin interesante dentro de la experiencia realizada, que comparando las distintas muestras que se prepararon, se pudo apreciar que la presencia de oxigeno en el aceite trajo aparejado al final del ensayo, una reduccin de la Resistencia a la Traccin al 30 % aproximadamente tres veces para el caso de papel Kraft 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

1 400 1 200 1 000 800 600 400 200 0 0 1 00 200 300 400 H o ra s 500

Comn s/ O ni HO Comn s/ HO Comn c/ O y HO Upgrade s/O o HO Upgrade c/ O y HO

600

700

800

6.9.- Funcines de la Aislacin Slida

La confiabilidad y la operacin segura por largo tiempo de los transformadores, est asegurada por los buenos criterios de diseo y la alta calidad de los materiales empleados. 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 de los transformadores. La reduccin del volumen de la aislacin global requiere la mayor comprensin de cmo interactan ambas aislaciones, la lquida y la slida. La aislacin lquida debe proveer el mayor esfuezo dielctico llenando e impregnando completamente el volumen de la celulosa reforzando su rigidez dielctrica, adems de evacuar el calor generado internamente. La aislacin slida es usada para construir sistemas de barreras subdividendo los canales con campos elevados en varios espacios angostos gaps. Esta mayor rigidez de campo elctrico en el aceite, puede ser lograda si las barreras de pressboard estan conforme al campo y se arman manteniendo relativa verticalidad a las lneas de fuerza elctrica. El esfuerzo dielctrico de los sistemas aceite / Pressboard La Rigidez Dielctrica del pressboard impregnado en aceite, es aproximadamente tres o cuatro veces la rigidez del aceite. Adems en C.A. la solicitacin del voltage es reducida 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 al canal de aceite que finalmente es lo ms debil de la cadena de aislacin. Funcin de las barreras El esfuerzo del campo electrico en el pressboard se reduce por el factor de la mitad Eb / Eac = ac / b = 0,5 Las barreras no llevan gran proporcin de la cada del voltage, pero la mayor parte ocurre en los canales de aceite. Los electrodos metlicos desnudos deben ser cubiertos con aislacin slida mejora la rigidez dielctrica de grandes distancias, puede ser aumentada dividiendo en menores distancias. Cuando los espacios estan subdivididos, se puede esperar que se reduzca la dispersin estadstica de la probabilidad de descarga a la probabilidad de descarga del canal ms angosto. Grandes distancias con campos no uniformes, pueden ser divididos en pequeos espacios de diferentes largos, adaptados al campo elctrico local Veamos ejemplos reales, una entrada del lider de lado 500kV de un Reactor y la representacin esquemtica del sistema de barreras.

E

E

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7.-MEDIDA DE LA TANG FACTOR DE POTENCIA

Entre los mtodos disponibles para controlar el estado de la aislacin slida de un transformador, que se han adoptado para el mantenimiento, veremos aquellos en los cuales se emplean tensiones relativamente bajas. El seguimiento de la evolucin de estos valores, a partir el ensayo realizado en la fbrica de la mquina o durante el comisionamiento, para luego compararlos con los valores que se van obteniendo durante los sucesivos mantenimientos, esto permitir realizar juicios y diagnsticos sobre qu es lo que conviene hacer para prolongar la vida til de la 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 hierro como si fueran electrodos de un condensador hipottico, aparecen las capacidades entre las distintas partes metlicas, entonces estos electrodos pueden ser objeto de la medicin, pudiendose aplicar entre el bobinado primario, el secundario, el ncleo y la tierra 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 es representativa de los calentamientos que pueden existir en la operacin, debido a que la tang es funcin directa de las prdidas volumtricas en la masa de la aislacin; ya sean stas por corrientes de fuga o dielctricas. En algunos casos, las prdidas pueden desarrollar puntos calientes que produzcan fallas de carcter trmico en zonas de baja refrigeracin o de gran concentracin de lneas de campo elctrico. Ic Cx Rp Tang IR Factor de Disipacin Factor de Potencia Tang = IR / IC Cos = IR / IT IT

Para realizar la medicin se puede utilizar un aparato de tipo puente de Shering cuya medicin 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 la metodologa de la medicin es la adecuada, como para evidenciar alguna alteracin fsico-qumica del medio aislante.


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El inconveniente para ejecutar esta medicin, suelen presentarse problemas de interferencia electromagntica, cuando se realizan mediciones en lugares donde existen acoplamientos capactivos esto ocurre en las estaciones transformadoras de extra alta tensin, donde aparecen problemas para estabilizar el equilibrio del puente Pueden hacerse mediciones dicionales para hacer las correcciones necesarias, pero ms simple es utilizar puentes, que trabajan por comparacin de corriente. fase y mdulo. Los de ltima generacin son electrnicos, utilizando para la medicin fibras pticas, traen la seal desde el borne de alta tensin del propio elemento que se est ensayando, adems pueden variar la frecuencia de la medicin entre 20 y 90 Hz.. Esquema elctrico del puente a transformador diferencial de corriente.

Cn 220V Cx

mA C N1 R N2

El puente en equilibrio significa que Cx = Cn * N1/ N2 Finalmente la Tang = C R

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La medicin se puede realizar sobre tipo de equipos, incluso aquellos que no se pueden desconectar de la puesta a tierra; los valores de tensin son regulados con el transformador elevador, pudindose aplicar toda la gama de tensiones, pero en equipos de 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 igual modalidad de conexin.

I1

V

I

AT/T

AT/BT

BT/T

En la generalidad de los casos, los arrollamientos que no son objeto de la medida, se deben conectar a tierra, por lo tanto el men de mediciones se completa de la siguiente manera : AT / MT + B2T + Cu MT /AT + BT + Cu BT / AT +MT + Cu AT + MT + BT / cu AT + MT / BT + Cu AT + BT / MT + Cu MT + BT / AT + Cu

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

Excelente Bueno Un200 kV 0,2% 1,5%

Regular 6% 3%

Deteriorado 30% 10%


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7.4. Sensibilidad con la temperatura

Los valores obtenidos para ser interpretados es conveniente que sean comparados a una misma temperatura de referencia, ej.: 20C, de all es que se utilicen curvas de ajuste para 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 la atmsfera o si es sellado, pero tambin puede variar segn el estado de la aislacin, por lo tanto, lo conveniente es "realizar una curva de ajuste", para cada tipo de transformador. En la figura se ven las distintas curvas que grafican este fenmeno, las mismas son funciones que dependen del cuadrado de la temperatura. tang () = + 2

De todas maneras, lo importante es la comparacin con los datos anteriores o de origen, y seguir su variacin en el tiempo o frente a los trabajos efectuados en el transformador. Esta medicin es una herramienta importante tambin para evaluar la eficiencia de un proceso de secado, realizndose la misma antes y despus de un tratamiento directo o indirecto sobre la aislacin. El grfico presenta una serie de valores que permite formar criterio a partir de cuando se deben tomar precauciones en la vida de la aislacin de la unidad, lo ideal es lo ms bajo posible.

APTITUD DE TANG DELTA DE AISLACIN20

18

16

CUIDADO DEFECTUOS O

TANG DELTA %

14

12

10

8

6

4

2

0 0 10 20 30 40 50 60

TEMP.C

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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 Tensin mxima nominal del equipo, no obstante, en funcin de los voltajes disponibles en los instrumentos se pueden tomar los siguientes valores: A T y EAT 132 kV a 500 kV MT 33 kV 13,2 kV BT 1kV 0,4 kV7.6. Sensibilidad de la Tang. a la tensin

10 o 20 kV 5 kV 2,5 kV 1 kV 0,5 kV

En algunos casos la Tang. de una aislacin da un valor mayor del normal, un mtodo sencillo que puede dar una clave definitiva es evaluar el comportamiento a la elevacin de 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 es indicativo de que el elevado factor de potencia, probablemente es motivado por los componentes polares en el medio aislante. En cambio si el factor de potencia crece con la tensin se puede pensar que existe elevada ionizacin 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 los aisladores, para ello se debera desconectar los cables de la conexin externa (lnea) e interna (Bobinado), pero debido a lo dificultoso y poco recomendable de la operacin ya que para hacer la desconexin interna hay que decubar. Se han desarrollado dos metodologas para realizar esta medicin: Aislador con divisor de voltaje En el caso del aislador equipado con un divisor de voltaje se emplea esta derivacin para realizar la medicin utilizando la conexin de este divisor a masa , ver fig.7.7 Aislador sin divisor de voltaje En este caso el aislador pasante envuelve con una hoja delgada de estao conectndose al lado de "potencial" del puente y a su vez manteniendo conectado la barra y la cuba a tierra


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Fig 7.7 Evaluacin de los resultados Para evaluar los resultados se puede utilizar el siguiente cuadro para valores corregidos a 20 C Tipo condensador Bueno Cuidado Intil 0 - 1,5% 1,5- 2,5% 2,5%o mayor tipo aceite 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 ser presencia de agua, o contaminantes qie puede ser de gran utilidad. La medicin bsicamente es la Tangente Delta y Capacidad Relativa, dentro de con un rango de fracuencia 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 tensin de medicin de 100V, es bajo pero no se pueden aplicar valores ms elevados a frecuencias altas. Veamos los graficos de Capacidad y de Tang.Imp. () 6 5 4 3 20.01 1 0.1 Imp. () 10

1 0 0.001 0.01 0.1 1 10 Frequency: (Hz) 100 10000.001 0.001 0.01 0.1 1 10 Frequency: (Hz) 100 1000

.

50



8. - MEDIDA DE "LA RESISTENCIA DE AISLACIN"

La tcnica ms sencilla y ms antigua que se utiliza para el control de una aislacin es aplicando una tensin contnua y medir la relacin tensin versus corriente. V/I = Ra El instrumento comnmente utilizado es el logmetro, de bobina mvil sin par antagnico cuyo ngulo de defleccin es funcin de la relacin entre la resistencia patrn y la resistencia de la aislacin a medir. La escala es de lectura directa en valores de M para valores elevados es de baja precicin Es tambin el mtodo ms rpido y efectivo para evaluar la aptitud de una aislacin y, para decidir si la misma puede continuar funcionando o se halla colapsada. Para interpretar los valores que medimos es inportante recordar lo siguiente, la corriente que circula por la resistencia de aislacin est compuesta por tres componentes, aunque la medicin se hace sobre una sola de ellas: a).-Corriente de absorsin capacitiva Al inicio del ensayo aparece un alto valor de corriente (aparentando un bajo valor en M) hasta que la capacidad de la aislacin est cargada, estabilizndose su evolucin al cabo de 1/2 a 1 minuto. b).-Corriente de polarizacin dielctrica Esta componente de la corriente, que es resultado de la absorsin por orientacin de la polarizacin natural, adems de la traslacin de los elementos polares en el seno del aislante, la misma es causada por varios tipos de polarizaciones, la ms importante es la que tiene lugar en los materiales de la aislacin, y no es contaestada por la circulacin de las corrientes de prdidas, o traslados de corrientes de iones. Se evidenciar en la medicin con un tiempo mayor, del orden de 10 a 30 min el femmeno de la polarizacin dielctrica. c).-Corriente de prdida permanente Es 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 fugas superficiales. En mquinas pequeas es usual considerar que sta corriente est estabilizada al cabo de un minuto de aplicacin y se la toma como corriente permanente.


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8.1- Correccin por temperatura

La temperatura del equipo en prueba tiene notable influencia en el valor de la aislacin, por lo tanto, si se desea realizar una comparacin de dos mediciones, stas deben ajustarse a la misma temperatura, para ello se corrige tomando como base 20C. Frmula de correccin : R2o = K () R (T) T C K () 5 0,36 10 0,50 15 0,72 20 1,00 30 1,98 40 3,45 50 7,85 60 12,50

Para transformadores no sellados y en atmsferas muy hmedas, debido a que la aislacin es higroscpica, la humedad puede ser causa probable de errores. A los efectos de la consideracin de la "curva de ajuste" por la temperatura, valen consideraciones similares a la vista en el punto 7.4, es decir, en lo posible ajustar los valores 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 criterio del valor obtenido refirindolo a un valor mnimo supuestamente admisible. Estos valores se dan en funcin de los parmetros bsicos de las mquinas, vinculados por la frmula: R= Donde: R = aislacin de la resistencia de bobinado a tierra o entre bobinados en M a 20C. C = 0,8 para transformadores sumergidos en aceite C = 16 para transformadores secos Un = Tensin nominal en V Sn = Potencia nominal en kVA Valores mnimos de resistencia a 20C para transformadores en aceite de distintas tensiones nominales con Megger de 1000 o 2000 volt; en la norma IRAM 2325 existen familias de curvas segn las distintas potencias y que pueden ser consultadas ante cualquier duda. 6,6 a 22 kV 22 a 66 kV Superior a 66 kV 200 M 300 M 500 M C Un Sn

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8.3.-Indice de polarizacin y de absorsin

Se vi anteriormente que durante la medicin de aislacin las corrientes pueden variar debido a la absorcin dielctrica, stas pueden ser graficadas y presentan un regular incremento a travs del tiempo, siendo un parmetro importante determinar el ndice de polarizacin de la aislacin. Se define como ndice de polarizacin la relacin adimensional de la resistencia a los 10 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 mismo megger puede utilizarse para las tres lecturas, es decir, leyendo al minuto y luego leyendo a los 10 minutos. La siguiente tabla extrada de la norma IRAM 2325, permite evaluar los resultados segn se clasifica de la condicion de la aislacin Condicin Peligrosa baja objetable correcto bueno exelente Indice de polarizacin IP =R10 / R1 IP< 1 1 < IP < 1,5. 1,5.< IP< 2 2 < IP < 3 3 < IP < 4 4 < IP Rel. Absorcin Dielectrica RAD= R60 / R30 RAD60 kV >60 kV >60 kV >60 kV >60 kV >55 kV >55 kV

MquinaTrafo.Pot. Un >400 kV Trafo.Pot. 170 < Un < 400 kV Trafo.Pot. 72,5 < Un < 170 kV Trafo.Med. Un >170 kV Trafo.Med. Un 60 kV >60 kV >50 kV >60 kV >50 kV >40 kV

Rgular60-50 kV 60-50 kV 50-40 kV 60-50 kV 50-40 kV 40-30 kV

Pobre lmite en servicio< 50 kV < 50 kV < 40 kV < 50 kV < 40 kV < 30 kV s = n2 s - n2 < 0

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

Lquidos dipolares pueden ser identificados por las Bandas de Absorcin, para ello hay que representar la magnitud de las prdidas en funcin de la frecuencia aplicada en el ensayo. Esto da lugar a muchas investigaciones para conocer la existencia de elementos 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 la componente resistiva, estos son los fenmenos de polarizacin de la materia, las prdidas por absorcin, por tanto en elevadas frecuencias la medicin tambin estar afectada por la permeabilidad que vara segn la frecuencia, de un valor esttico y a un valor dinmico con frecuencias muy elevadas. Esto es debido al fenmeno de polarizacin molecular, agregado al comportamiento de los productos polares en el seno del lquido, lo cual trae asociado un aumento en las prdidas de energa por absorcin dielctrica. Este fenmeno se suma a la circulacin de propia corriente conductiva, produciendo mayores prdidas por efecto Joule. De este modo englobamos a todos los fenmenos disipativos existentes en el campo elctrico alterno, las prdidas por polarizacin y conductibilidad, entonces podemos representar el fenmeno con un condensador ideal con dos resistencias de disipacin asociadas una en serie y otra en paralelo. Veamos en capacitor con un material dielctrico IC A A= Area d= Distancia

IR El valor esta definido como

d Tang = IR / IC Tang = Xc / R

la tensin es aplicada a ambos elementos y se simplifica y queda donde Xc = 1/ C Xc = d/ ' A y R=d/A donde es la resistividad

simplificando quedar Tang = 1 / ' Finalmente resulta entonces;

tomamos la conductibilidad = 1 /

Tang = /'

La conductibilidad y la resistividad en corriente alterna son caractersticas de la condicin del lquido y de su alteracin durante el servicio, a la presencia de contaminantes, 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 60247 con puente para medicin de capacidades. 78



El ensayo, se raliza con un puente de Shering cuyo circuito elctrico es presentado donde el lugar de la capacidad incgnita Cx se aplica una celda de medicin, compuesta por dos electrodos cilndricos normalizados y termoestatizado a la temperatura de medicion de 20 y 90C.El campo electrico no debe superar los 1000 kV/mm y la medicin debe durar el menor tiempo posible. Esquema elctrico del Puente de Shering

Cn ATDet

Cx

C1Gen

R1

R2

Debido a su rapidez, sencillez y limpieza, permite ser programado convenientemente, siendo util como medicin de laboratorio y enventualmente de campo. Para aceites nuevos se lo especifica tambin, como ensayo de rutina para el control de la calidad de la provisin.

Celda de termoestatizado

Puente para medicin tang.


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Celda de medicin para Tang. y Resistividad ( IEC 60247)

Valores mximos de tensin a aplicar sern los que crresponde a los 2mm de distancia entre electrodos por lo tanto son:

Tipo de Corriente Tensin kV Campo kV/mm Continua 500 250 Alterna r.m.s. 2000 100012.8. Criterio General de evaluacin de resultados

El anlisis de la tendencia de su evolucin a travez del tiempo, permite formar criterio del estado del aceite, tambin la medida de la tang. es en un valor de suma importancia para la determinacin de la metodologa a emplear para mejorar la calidad de un aceite. Los valores admisibles como lmites son, segn la vieja recomendacin IEC 422 son 0,2 a 2. n los casos comunes, si se superan los valores que el fabricante especifica, se recomienda recuperar o descartar el aceite. Queda claro que son muy diversos los valores lmites y los procesos recomendados para el restablecimiento de las buenas condiciones para el aceite. Algunos autores determinan que los altos valores de tg. son predominantemente debidos a humedad e impurezas, y en menor medida a la existencia de agua en disolucin, es de all que a partir

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