INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. M.C. Rodrigo Ocón V. 6 JUNIO 2007 INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. RESUMEN Recientemente, las técnicas de análisis en frecuencia se han aplicado con buenos resultados dentro del diagnóstico de transformadores de potencia. En primer lugar se mencionan los aspectos generales del Análisis de Respuesta en Frecuencia (FRA) para la detección de deformaciones mecánicas en devanados de transformadores. Posteriormente, se presenta un resumen de la historia de esta técnica de diagnóstico, equipos y conexiones del transformador durante las pruebas y algunos ejemplos de diagnóstico con FRA son incluidos con el fin de mostrar la aplicación del método. En la parte final se hace mención del estado del arte actual en México y el mundo INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. Resumen de Técnicas de Diagnóstico más populares Prueba Detecta Técnicas con transformador energizado Análisis de gases disueltos (DGA). Arqueo interno, mal contacto eléctrico, puntos calientes, descargas parciales y sobrecalentamiento de conductores, aceite y aislamientos. Pruebas físicas y químicas del aceite. Humedad, acidez, tensión superficial, furanos, rigidez dieléctrica y factor de potencia. Inspección externa física. Fugas de aceite, partes rotas, pintura dañada, defectos en las estructuras de soporte, operación ruidosa, conexiones flojas, problemas con los ventiladores y bombas de enfriamiento. Temperaturas externas del tanque principal y cambiador de derivaciones. Cambios de temperaturas debidos a cambios en la carga y temperatura ambiente. Termovisión. Puntos calientes, corrientes circulantes, bloqueos del enfriamiento, problemas con el cambiador de derivaciones, conexiones flojas. Análisis acústico (ultrasónico) Descargas parciales internas, arqueo, blindajes no aterrizados, malas conexiones en boquillas, falla en contactos del cambiador, problemas de puesta a tierra del núcleo, aislamiento débil que produce efecto corona. Detección sónica de fallas Fugas de nitrógeno, fugas de vacío, vibración excesiva de núcleo bobinas, efecto corona en las boquillas, problemas mecánicos en rodamientos de motores y bombas. Análisis de vibraciones Problemas internos de núcleo, bobinas, blindajes, partes flojas y rodamientos defectuosos. INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. Técnicas con el transformador desenergizado Pruebas de DOBLE (capacitancia de las boquillas, factor de potencia del aislamiento, corriente de excitación). Pérdida de la integridad dieléctrica del aislamiento, pérdida la integridad dieléctrica de las boquillas, humedad en los devanados. Relación de transformación Devanados en corto circuito, corto circuito entre vueltas. Medición de impedancia de corto circuito (reactancia de dispersión). Deformación mayor en los devanados. Medición de resistencia de núcleo a tierra. Mala conexión de tierras intencionales del núcleo ó existencia de conexiones a tierra no intencionales. Medición de resistencias de los devanados con corriente directa. Falsos contactos, cintas rotas, conexiones flojas, falso contacto en cambiadores de derivaciones. Análisis de respuesta en frecuencia (FRA) Movimientos y deformaciones locales en los devanados. Inspección visual interna. Lodos en el aceite, desplazamiento de devanados y cuñas, falta de apriete en devanados, malas conexiones, calentamientos excesivos, objetos extraños en el equipo. Grado de polimerización. Condición y tiempo de vida estimada del aislamiento INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. TÉCNICAS DE DETECCIÓN DE DEFORMACIONES EN DEVANADOS • Medición de Capacitancia de los devanados. • Medición de Corrientes de Magnetización (Corrientes de excitación). • Medición de Impedancia de Corto-circuito (Reactancia de dispersión). • Aplicación de Impulsos de bajo Voltaje. • Análisis de Respuesta en Frecuencia (FRA). INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. DEFORMACIONES MECÁNICAS EN DEVANADOS (TRANSFORMADORES TIPO COLUMNA) Corto Circuito INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. a) Desplazamiento entre vueltas por fuerza axial b) Deformación de bloques espaciadores por efecto de fuerzas de compresión en devanados tipo acorazado. c) Pandeo en conductores por efecto de fuerzas axiales. d) Torcimiento de conductores superiores. INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. e) Falla por pandeo radial f) Deformación radial en discos g) fenómeno de inclinación en conductores por exceso de fuerza axial. h) Pandeo entre espaciadores radiales por efecto de fuerzas axiales INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. DEFORMACIONES MECÁNICAS EN DEVANADOS TRANSPORTE Y PUESTA EN SERVICIO INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. ANÁLISIS DE RESPUESTA EN FRECUENCIA (FRA) z , y , etc. Descripción en Frecuencia del Equipo Frecuencia •Propiedades de Materiales (ε, µ, etc.) ML •Geometría Interna. ML ML ML ML Modelo matematico ML INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. z , y , etc. z , y , etc. Frecuencia Huella Digital Frecuencia Después de Falla Diagnostico del Equipo antes de ponerlo en operación INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. 1931, Peters and Rylander. Westinghouse Electric, Frequency testing Apparatus” . Patente 1 792 320 “ High 1966, Lech y Tyminski en Polonia, son los primeros en proponer el método de impulso de bajo voltaje (por sus siglas en inglés LVI) para la detección de deformaciones en devanados de transformadores durante las pruebas de corto circuito 1972, Rogers, Humbard y Gilies Describen la instrumentación y técnicas de medición recomendadas para la aplicación de la técnica de impulso de bajo voltaje para la detección de deformaciones y fallas en transformadores incrementando la repetibilidad durante las pruebas. 1978, Dick y Erven de Ontario Hydro, proponen el método de respuesta en frecuencia como una técnica de diagnóstico para transformadores INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. 1988, Malewski y Poulin utilizan la función de transferencia para la detección de fallas durante pruebas de impulso en Transformadores 1992, Vaessen y Hanique presentan lo que ellos denominan una técnica nueva para análisis de respuesta en frecuencia (FRA) en transformadores 1995, Lapworth y Noonan en [10] presentan una descripción muy detallada de FRA utilizando el barrido en frecuencia (en inglés sweep frequency) desde 5 Hz hasta 10 MHz. 1998-1999, Vandermaar, Wang y otros presentan una serie de artículos [11,12,13] donde se demuestra la efectividad del método de impulso de bajo voltaje para detectar deformaciones en devanados. INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. 1999, Leibfried y Feser [14] presentan un trabajo de monitoreo en línea de transformadores utilizando la función de transferencia en donde los transitorios originados por la propia operación del sistemas son utilizados como fuentes de excitación para el calculo de la función de transferencia en línea 2000, Zhijian, Jingtao y Zihu en [15] utilizan una red neuronal tipo BP (en inglés back propagation) para la identificación automática de deformaciones en la función de transferencia. 2000, DOBLE Engineering Company lanza al mercado un equipo especializado para el análisis de respuesta en frecuencia en transformadores 2000 B&C Company [17] compañía Húngara desarrolla el equipo “Traftek” para diagnóstico en frecuencia de transformadores INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. 2000, Bolduc, Picher y otros [18] proponen una metodología nueva la cual es similar a la medición tradicional de impedancias de dispersión para detectar deformaciones en devanados durante las pruebas de corto circuito. Esta se denomina respuesta en frecuencia de las pérdidas parásitas (por sus siglas en inglés FRSL) 2002, El Grupo de Trabajo 12.19 de CIGRE en [19] presenta el estado del arte hasta el 2002 relacionado con el comportamiento en corto circuito de transformadores de potencia. 2002, Coffeen y Hildreth en [20] desarrollan una nueva técnica denominada “asimetría del devanado objetiva” (por sus siglas en inglés OWA), la cual es una extensión del método de impulso de bajo voltaje, utilizando bloques de estimaciones de densidad espectral para formular la función de transferencia. 2003, Ryder en [21] propone una metodología para llevar a cabo el diagnóstico en base a un código de falla. Este código se basa en cuatro factores: a) Cálculo del coeficiente de correlación, b) cambios relativos en la primera resonancia, c) cambios en el valor mínimo de la respuesta a baja frecuencia y d) cambio relativo del número de resonancias a altas frecuencias. INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. 2003, Ryder en [21] propone una metodología para llevar a cabo el diagnóstico en base a un código de falla. Este código se basa en cuatro factores: a) Cálculo del coeficiente de correlación, b) cambios relativos en la primera resonancia, c) cambios en el valor mínimo de la respuesta a baja frecuencia y d) cambio relativo del número de resonancias a altas frecuencias. 2004 Kim, Park Jeong y otros [22] Proponen una metodología para evaluación de la función de transferencia por medio de un análisis espectral, en la cual se incrementan las componentes de baja y media frecuencia y se ecualizan con las demás componentes, utilizando algoritmos de interpolación 2005 Satish y Sahoo [23] Realizan un modelo matemático de un transformador de dos devanados, y por medio de simulaciones intentan determinar la influencia de las respuestas individuales de los devanados en la función de transferencia del transformador. 2006 Pitcher, Lapworth, Noonan, CIGRE WGA2.26 publican en la revista ELECTRA 228 , Octubre 2006, un reporte con los avances del grupo de trabajo incluyendo los resultados de las pruebas con 10 diferentes equipos en un transformador en Alemania. INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. MEDICIÓN USANDO BARRIDO EN FRECUENCIA INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. MEDICIONES TÍPICAS (RECOMENDADAS POR DOBLE) Ejemplo: Transformador Delta-Estrella 1. Mediciones en circuito abierto en cada devanado. 2. Medición en AT con corto circuito en BT. 3. “ Medición inter-devanados (no muy usada)” Importante Tomar nota de la posición del Cambiador de derivaciones INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. Equipo M5100 Marca Doble , FRA Barrido Hasta 10 MHz INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. Posición del Cambiador de derivaciones INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. Posibles formas de medir la respuesta en frecuencia en un transformador con 2 devanados. (a) Medición con el secundario en vacío, (b) medición con el secundario en corto circuito, (c) medición con el secundario en corto circuito y aterrizado INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. Comparación de respuestas en frecuencia para dos diferentes casos de deformación en el devanado. INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. Comparación entre respuestas en frecuencia de un devanado experimental antes (Normal) y después de provocar un corto circuito entre las secciones 14 y 16 (SC 14-16). El devanado es de un transformador tipo columna de 20 MVA., 115 kV INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. Comparación de funciones de transferencia con y sin aceite en un Transformador de Potencia de 500 MVA, 525kV INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. Medición de respuesta en frecuencia en un transformador en 3 diferentes posiciones del cambiador de derivaciones (máxima, nominal y mínima) INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. Caso detección de Ruptura de soportes INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. Comparación entre las fases de un transformador trifásico de 28 MVA, mostrando el efecto de una deformación en una de las fases (hoop buckling). El efecto de la deformación (mostrado en la fotografía) se manifiesta como un desplazamiento de la frecuencia de resonancia hacia la izquierda. Este caso fue tomado de la referencia [25]. INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. Comparación de las respuestas en frecuencia entre las tres fases de un mismo transformador trifásico de potencia. INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. ESTADO DEL ARTE DEL ANÁLISIS DE RESPUESTA EN FRECUENCIA Actualmente el método de análisis de respuesta en frecuencia está siendo estudiado por los comités internacionales de CIGRE (Consejo Internacional de Grandes Redes Eléctricas) e IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos Electrónicos) por medio de sus grupos de trabajo y los objetivos perseguidos se encaminan principalmente a generar una guía de diagnóstico y la caracterización de los equipos requeridos para la prueba. INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. Los puntos principales que se pretende incluyan estas guías en general son: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Historia del método y lista de referencias. Objetivos de la técnica Equipos recomendados para la realización de la prueba Criterios y ejemplos de diagnósticos Descripción del uso de circuitos equivalentes como herramienta para el diagnóstico Influencia de parámetros externos en los resultados de la mediciones. Cantidad y tipo de mediciones requeridas dependiendo las características del transformador Frecuencia recomendada de realización de la prueba. Una sección con casos típicos de diagnóstico. INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. Grupo de Trabajo IEEE. Ultima reunión , Marzo 2007, Dallas, EUA (Performance Characteristics Subcommittee) PC57.149 – Guide for the Application and Interpretation of Frequency Response Analysis for Oil Immersed Transformers 35 personas, 17 miembros y 18 invitados Chairman; Charles Sweetser (Doble) Section 1: Scope and Application. Definición de Términología en FRA Section 2 . Recommended FRA measurement test parameters. Recomendaciones generales de realización de la prueba INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. Section 3: Making a FRA Measurement. Comentarios en aspectos particulares de la prueba como: Posición del cambiador bajo carga (LTC) y sin carga durante la prueba 4 Tipos de Mediciones son recomendados Open Circuit Self-Admittance, Short Circuit Self-Admittance, Inter-Winding Transfer Voltage Cuidado con las polaridades del transformador al realizar las pruebas Secction 4 . Test records. Definición de requerimientos y formato de los datos medidos (equipo usado en la prueba, formato de datos, etc) INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. Section 5: Analysis and Interpretation La parte más compleja del método. Actualmente se están evaluando algunos criterios de diagnóstico, modos de falla y se plantea la necesidad de realizar modelos en computadora para simular las respuestas en frecuencia. Esta sección incluirá una serie de casos ejemplo de diagnóstico Appendix 1: FRA Theory . Teoría general del análisis de respuesta en frecuencia INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. Grupo de Trabajo CIGRE . FRA Working Group A2.26 Valoración mecánica de devanados de transformadores por análisis de respuesta en frecuencia (FRA). Representantes de 18 países Ultima reunión , Abril, 2007 Madrid, España P. Picher (Canada) – Convenor El objetivo principal es generar una guía de valoración de la condición mecánica de devanados usando análisis de respuesta en frecuencia El grupo se encuentra dividido en tres grupos de trabajo: 1- Introduction to FRA 2-Techniques 3-Interpretation. INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. El grupo inicio en Enero del 2004 y deberá entregar un reporte final en Diciembre del 2007. TF1 – Introduction to FRA . Introducción general al análisis en frecuencia TF2 – FRA techniques Objetivo. Definir los lineamientos óptimos para la prueba Un programa de pruebas fue realizado en la fábrica de Siemens en Nuremberg, Alemania, para comparar las diversas técnicas de medición utilizadas en varios países Las pruebas se realizaron en transformador 266 MVA monófasico. El objetivo es conocer y comparar la eficiencia de los diferentes métodos y equipos utilizados para FRA ( 9 métodos fueron comparados) INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. Mediciones en un mismo transformador con 7 diferentes equipos durante la reunión del Grupo de trabajo A2.26 de CIGRE. INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. TF3 – Interpretation Diferentes casos de aplicación exitosa de FRA se han reunido y una parte del grupo de Trabajo se encuentra modelando el transformador probado en Nuremberg para generar Una herramienta de diagnóstico INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. Simulación por Computadora de un desplazamiento Axial en las bobinas INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V. En México CFE (Comisión Federal de Electricidad) ya incluye en la Norma CFE K0000-13 “Transformadores de Potencia para Subestaciones de Distribución” (revisión de enero del 2004) la prueba de respuesta en frecuencia como una prueba de aceptación para iniciar un historial del comportamiento operativo del transformador a lo largo de su vida útil. K0000-06. Transformadores de Potencia de 10 MVA y mayores Rev. de mayo del 2004. Prueba de Rutina: Medición de impedancia respecto a la frecuencia