Diagnóstico de condición de equipos de subestaciones eléctricas de alta tensión MsC Ing Javier Acevedo Consultor para Latinoamerica Doble Engineering Company [email protected]

FENÓMENOS DE DEGRADACIÓN Y DETERIORO EN TRANSFORMADORES Presentado por MsC Ing Javier Acevedo Consultor Doble para Latinoamerica [email protected]

PRINCIPALES COMPONENTES DEL TRANSFORMADOR

TRANSFORMADOR TIPO CORE Sistema de fijación del núcleo Sistema de fijación de devanados Estructura de soporte de terminales Terminales de salida Barrera aislante

TRANSFORMADORES TIPO SHELL

CAMBIADORES DE TOMAS BAJO CARGA (OLTC´s) •Ruptor (Diverter Switch) •Selector de posiciones (Switch selector) •Mando motor (Motor drive unit) •Árbol Árbol o eje mecánico •Acoples y transmisión de movimiento. •Relés de presión súbita o diafragma de ruptura. •Contactos

TIPOS DE OLTC´s

BUSHINGS (diagrama descriptivo) Conductor Central Ventana Inspección de Nivel de Líquido Líquido o Compuesto Aislante Porcelana Aislante Exterior

Núcleo Aislante Principal Aislamiento del Tap Electrodo del Tap Base o Brida Manga de Tierra Capa de Capacitor Gradiente para C1 Aislamiento Parte Inferior

BUSHINGS (OIP vs RIP))

FUNCIONES Y NIVELES DE CONDICIÓN DE UN TRANSFORMADOR

FUNCIONES BÁSICAS DEL TRANSFORMADOR Capacidad electromagnética e integridad bajo sobrecarga y sobreexcitación sin sobrecalentamiento

Integridad del circuito de corriente

PROPIEDADES CLAVES QUE DETERMINAN LA FUNCIONALIDAD DE UN TRANSFORMADOR

Soportabilidad de esfuerzos operativos considerando nivel de deterioro

Soportabilidad de esfuerzos mecánicos bajo condiciones de falla

NIVELES DE CONDICIÓN DE UN TRANSFORMADOR NORMAL (como nuevo y envejecido por servicio)

Defectuoso (existencia de procesos de deterioro reversibles) ESTADOS POSIBLES DE UN TRANSFORMADOR

Hacia falla (existencia de procesos de deterioro irreversibles)

Fallado (incapacidad total de operar)

DIFERENCIAS ENTRE NIVELES DE CONDICIÓN (ejemplo). CONDICIÓN DEFECTUOSA Posible reducción crítica del margen de seguridad inicial bajo impacto de contaminación.

CONDICIÓN DE FALLA O HACIA FALLA Aparición de descarga parcial destructiva, evolución de descarga superficial y ocurrencia de descarga por contorneo.

DESCRIPCIÓN DE CONDICIÓN DEFECTUOSA (ejemplo) PRECAUCION •Reducción del margen dieléctrico en 10% o mas. •Incremento de saturación relativa de humedad en aceite mayor al 20% por presencia de partículas (fibras). • Alto contenido de humedad en aislamiento principal que genera % saturación en aceite mayor al 40% a temperatura mínima de operación •Contaminación por partículas.

PRINCIPALES MODOS DE FALLA Y PROCESOS DE DETERIORO EN COMPONENTES

MODELO DE DETERIORO DEL AISLAMIENTO LÍQUIDO AGUA

PARTICULAS

LIBRE

VAPOR

AISLAMIENTO PRINCIPAL

BURBUJEO DEBIDO A: •SOBRESATURACIÓN •CAVITACIÓN •SOBRECALENTA MIENTO

SUBPRODUCTOS ENVEJECIMIENTO ACEITE

FIBRAS

ESPIRASBOBINAS

METALES

BURBUJEO

SE INCREMENTA PORCENTAJE DE SATURACIÓN

DECREMENTA LA CAPACIDAD DE SOPORTE DIELÉCTRICO

ACELERACION DEL ENVEJECIMIENTO

MODELO DE DEGRADACIÓN CELULOSA CO2

CO

Oxidación Celulosa

H2O ACIDOS

H2O

Oxidación aceite

TEMPERATURA

HIDROLISIS

O2

PIROLISIS

Ruptura de moléculas libera levoglucosa

Depolimerización

Oxígeno residual y externo

Deshidratación Fragmentación de levoglucosa

COMPUESTOS FURANICOS

ACIDOS

CO2

CO

H2O

O2

MODOS DE DETERIORO DE LA CELULOSA. DEGRADACIÓN TÉRMICA CALOR

Glucosa + Agua + CO + CO2 + Ácidos Orgánicos

Celulosa

DEGRADACIÓN HIDROLÍTICA AGUA / ACIDOS

Glucosa libre

Celulosa

DEGRADACIÓN OXIDATIVA OXÍGENO

Celulosa

Radicales libres + Glucosa + Agua

COMPUESTOS FURÁNICOS

Moléculas de glucosa de cadena abierta generan compuestos furánicos por reacciones de deshidratación.

DISPOSICIÓN DE AISLAMIENTOS

MODELO DE GENERACIÓN DE COMPUESTOS FURÁNICOS.

log 2 FAL(mg / Kgpapel) = −( A × DP ) + B 2FAL: Concentración de 2 furfural (ppm) DP: Grado de polimerización del papel A y B: Coeficientes que dependen del modelo a usar

DESAFÍOS EN LA ESTIMACIÓN DE VIDA REMANENTE POR FURANOS. •Los compuestos furánicos son solo provienen de la degradación de la celulosa, sino también de aceites reutilizados, proveniente de secados excesivos o nuevos de acuerdo al proceso de refinación (usando solventes). •Son removidos total o parcialmente durante procesos de regeneramiento con arcillas activas o elementos catalizadores y también por procesos de desgasificación (75% a 80% de remoción). •Su generación y reducción dependen del tipo de sistema de respiración del transformador, del tipo de papel aislantes (Kraft común, Nomex o TU) e inclusión de barnices y componentes epóxicos. •El tipo de papel aislante TU también es un factor a considerar (cianoetilación vs aplicación dicynamida, melamina, poliacrilamida). •Errores de aplicación de la ecuación de Chendong al no considerar sistemas de respiración, tipo de papel, etc.

MODELO DE DEGRADACIÓN BUSHINGS (cuerpo condensador) TOTALES •Aceite térmicamente inestable •Aceite saturado con gas • Sobresaturación

LOCALIZADOS ENVEJECIMIENTO NUCLEO PRIMARIO

•Ingreso de humedad

•Humedad Residual

•Ingreso de aire

•Deficiente impregnación

•Migración de tinta

•Arrugas en papel

•Sobrecalentamiento

•Deslaminación papel

dieléctrico •Cera X

Ionización Gaseo Fatiga térmica

Perforación Explosión

MODELO DE PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE UN BUJE •Zc : Impedancia del núcleo de papelaceite •Z´c: Impedancia entre la capa conectada al tap y la última capa aterrizada. •Zpl: Impedancia entre la última capa del cuerpo de papel y el aceite. •Zo: Impedancia del aceite •Rs: Resistencia superficial del cuerpo del núcleo. •Rp: Resistencia de la superficie interna de la porcelana. •Ccs: Acoplamiento capacitivo entre las capas internas del núcleo y su superficie. •Csp: Acoplamiento capacitivo entre la superficie del núcelo y la superficie interna de porcelana •Rtp: Resistencia del aislador del tap.

TÉCNICAS DE EVALUACIÓN DE CONDICIÓN DE BUSHINGS •Medición de factor de potencia y capacitancia (C1, C2, Tip-up C1, tendencia en el tiempo). •FDS (espectroscopia dieléctrica). •Termografia. •Medición Descargas parciales. •Inspección visual. •Monitoreo en línea.

Medición aislamiento C1 en bushings. •Contaminación

Cable de Alto Voltaje

en

aislamiento de papel. •Presencia

de

caminos

“semiconductores”

Prueba Aislamiento C1 Método Estándar

al

interior del aislamiento. •Residuos

conductivos

Test Mode: UST Gua rd

LVL

formados por presencia de descarga parcial.

Cable de Tierra del Instrumento Tierra del Bushing & Aparato Prueba Incluye •Aislamiento Principal Núcleo C1

Medición aislamiento C2 LVL

•Identificación de inicio de proceso de contaminación en

capas

externas

de

aislamiento.

Prueba Incluye •Aislamiento del Tap •Aislamiento entre el núcleo y manga de tierra del bushing •Parte del Liquido o Compuesto •Parte de la porcelana cercana a la base

•Receptáculo del tap con material de altas pérdidas.

HVL

•Contaminación de canal

Prueba Aislamiento C2 Método Estándar

de aceite entre cuerpo capacitivo y porcelana.

C2 Gua rd Test Mode: GST-Guard

BUSHINGS (monitoreo en línea)

Bushings en servicio Sistema Experto

Determina cambios en pf% y capacitancia de cualquiera de los bushings a través de sumatoria fasorial de corrientes y trasmite señales de alerta con nivel de criticidad asociado.

Condición anómala de bushings detectada por pruebas eléctricas

CH y CHL Aceptables CL ≈ 2% Los resultados de las mediciones de pf% y aislamientos del transformador no mostraban nada critico (2% de pf% en algunos aislamientos de baja puede no ser un valor crítico)……

Condición anómala de bushings detectada por pruebas eléctricas

C1 ≈ 43%

Pero….los resultados de medición de pf% y capacitancia de bushings mostraron la gravedad del problema…….DESCONEXIÓN INMEDIATA¡¡¡¡¡¡¡

Condición anómala de bushings detectada por pruebas eléctricas Marca:XXX Tipo: yyy 25 - 500 KV 3/88 - 10/93 Camino semiconductor formado por reacción química entre empaquetaduras del bushing con componentes del aceite.

Test KV

mA

Watts

% PF

10

1.313

-0.007

-0.053

Sin embargo a veces los equipos fallan ….y las pruebas están OK.

Bushing, 69kV, 400/1200 A, RIP, 1990, 13 años en servicio, falla descubierta después de inspección interna de transformador fallado. Resultados de pruebas: OK.

La inspección visual es muy importante…...

Algunos de los puntos mas críticos para acceso de la humedad al interior de los bushings.

La inspección termográfica también es muy útil…..si se hace bien.

La inspección termográfica ayuda a detectar bushings con bajo nivel de aceite.

MODOS DE FALLA EN COMPONENTES DIELÉCTRICOS

•Excesiva humedad, • Contaminación aceite, •Aislamiento principal • Aislamiento menor •Aislamiento terminales; •Pantallas electrostáticas

•Contaminación superficial de barreras. •Envejecimiento anormal de aceite y celulosa, • Descarga parcial de baja energía,

•DP destructiva, •Arco localizado, •Descarga por contorneo, •Excesivo envejecimiento de celulosa, • Sobrecalentamiento

•Conexiones flojas

Sistemas o

Defecto

Falla

Componentes

(Reversible)

(No reversible)

TÉCNICAS DE EVALUACIÓN DE CONDICIÓN DE AISLAMIENTOS •Medición de factor de potencia y capacitancia. •FDS (espectroscopia dieléctrica). •RVM (Medición de Voltaje de Recuperación). •PDC (Polarization and Depolarization Current) •Medición Descargas parciales. •Resistencia de Aislamiento.

Medición de pf% y capacitancia de aislamientos del transformador.

Variables que influyen en la evaluación de resultados.

•Tiempo de servicio •Sistema de Respiración •Potencia •Tensión Nominal • Fluido aislante •Diseño y Construcción

Medición de resistencia de aislamiento en transformadores.

Gráficos tomados del documento “Meger-A stitch in Time”

RVM ,PDC y FDS

Medición de descargas parciales en transformadores. Pulso DP UHF registrado con una DP de magnitud máxima 70 pC

amplitude (mV)

4 2 0 -2 -4 -1000

0

1000

2000

3000

time (ns) 2.5

Vista superior de un transformador trifásico 400kV con sensor UHF en la válvula inferior.

amplitude (Vs)

2.0

Espectro UHF que corresponde a la DP (frecuencia hasta 1 GHz)

1.5 1.0 0.5 0.0 0.00

0.25

0.50

frequency (GHz)

0.75

1.00

Combinación de medición DP por método eléctrico y acústico.

El problema de la humedad en los aislamientos. 100°C

20°C

90°C

80°C

T aceite (°C)

15°C

∆ T (°C)

70°C

30°C 0°C

PF% Y CALOR DISIPADO

Contenido de Humedad en papel (%)

Temperatura

Tomados de Transformerboard I, H.P.Moser

La solubilidad de humedad en aceite depende de la temperatura.

Lo importante no son los ppm de humedad sino la RS%..

Medición de humedad en aislamiento sólido (uso de curvas de equilibrio) Usarlas sin evaluaciones previas puede conducir a errores de interpretación Parte Superior Devanado

T Aceite Superior

H g

Punto mas caliente Aceite medio

A B

Parte Inferior Devanado

Devanado superior

g

Aceite Inferior

Temperatura

27°C Asumiendo 50°C, y 27 ppm, se tiene un contenido de humedad en papel de 2.3% (A) pero si la temperatura del punto mas caliente es 70°C, el contenido de humedad sería del 1.3% (B)

La distribución de temperaturas en los devanados presenta gradientes axiales y radiales.

Ciclo de temperatura y RS% en un aislamiento húmedo. 90 %RS

80

Temp.

70 60

Temperatura °C

Saturación Relativa medida %

100

50 40 30 20 10 0 0

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360

Tiempo transcurrido (horas)

Ciclo de temperatura y RS% en un aislamiento seco. 90

80

%RS

Temp.

70

70

60

60

50

50

40

40

30

30

20

20

10

10

0

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360

Tiempo trascurrido (horas)

Temperatura °C

Saturación relativa medida %

80

90

CIRCUITO ELECTROMAGNÉTICO •Núcleo •Devanados •Estructura de aislamiento •Sistema de fijación de bobinas •Apantallamiento magnético •Circuito de aterrizamiento

•Aflojamiento del sistema de fijación del núcleo. •Sobrecalentamiento por flujo de dispersión •Corrientes circulantes anormales •Potenciales flotantes •Envejecimiento de la laminación

•Excesiva vibración •Sobrecalentamiento general •Puntos calientes localizados •Descargas, arco •Cortocircuito entre espiras

Sistemas o

Defecto

Falla y Modo de falla

Componentes

(Reversible)

(No reversible)

MECANISMOS DE FALLAS TIPICAS EN CIRCUITO ELECTROMAGNÉTICO Estados Anormales Sobrecalentamiento General, Elevación temperatura aceite

Sobrecalentamiento local del núcleo por flujo principal

CIRCUITO ELECTROMAGNÉTICO •Deficiencias del sistema de enfriamiento •Deficiente distribución interna de aceite •Sobrecalentamiento del núcleo •Cortocircuito entre espiras o entre capas contiguas de una misma bobina •Lazos cerrados en núcleo por pérdida de aislamiento entre elementos tensores, pernos de sujeción, anillos de compresión •Se genera gran cantidad de gas •Excesivas pérdidas por corrientes de Eddy

Sobrecalentamiento local del núcleo por flujo de dispersión

•Miembros adyacentes enlazados por flujo de dispersión •Voltajes no referenciadas por apantallamientos magnéticos no aterrizados

MECANISMOS DE FALLA MECÁNICA EN DEVANADOS. CAPACIDAD MECÁNICA Aflojamiento estructura de fijación de devanados

Deformación Geométrica de Devanados + Sobretensión Impulso

Distorsión geométrica del devanado

Aparición de PD

Descarga entre bobinas (algunas veces con recuperación de capacidad dieléctrica

Progreso de descarga por contorneo Generación de Gases Ruptura Dieléctrica

CIRCUITO DE CONDUCCIÓN DE CORRIENTE

•Puntos calientes •Terminales

•Contacto deficiente

localizados

•Conductores del

•Uniones deficientes

•Cortocircuito

devanado

•Deterioro del contacto

•Circuito Abierto

Sistemas o Componentes

Defecto (Reversible)

Falla y Modo de falla (No reversible)

MECANISMOS DE FALLAS TIPICOS EN CONEXIONES INTERNAS CIRCUITO DE CONDUCCIÓN DE CORRIENTE Unión Deficiente Calentamiento Local Incremento Resistencia de Contacto

Formación Capa Superficial Incremento Resistencia Contacto Sobrecalentamiento

Sobrecalentamiento Aceite Formación Carbón Pirolítico Generación de gas

Generación de gas Degradación irreversible del contacto

Carbonización

Carbonización

Reducción Enfriamiento

Circuito Abierto

Fundición de Cobre

Conexión Fija

Conexión Móvil

EL PROBLEMA DE LAS DEFORMACIONES MECÁNICAS.

Gráficos tomados del libro “Short -Circuit Duty of Power Transformers” de G.Bertagnolli, The ABB Approach

EL PROBLEMA DE LAS DEFORMACIONES MECÁNICAS.

EVALUACIÓN DE CONDICIÓN DE CIRCUITO ELECTROMAGNÉTICO. •Medición de corriente de excitación. •Medición de relación de transformación. •Medición de resistencia óhmica de devanados. •Medición de impedancia de cortocircuito (Zcoci%.) •SFRA (Análisis de respuesta al barrido de frecuencia). •Medición de pf% y capacitancia de aislamientos.

MEDICIÓN DE CORRIENTE DE EXCITACIÓN. CONEXIONES PARA PRUEBA CABLE ALTA

CABLE BAJA

H3

H1

H2

“A”

H1

H2

H3

“B”

DISEÑO GENÉRICO

ATERRIZAR BOBINA BUJE MEDIDA

AT I1

I2

H2

H3

H1

“C”

M4100

UST-RB UST-R UST-B mA

GUARD

BT

En la configuración delta se debe aterrizar un buje sin conexión.

MEDICIÓN DE CORRIENTE DE EXCITACIÓN. Identificando cortocircuitos entre espiras

Identificando fallas a tierra en devanados.

MEDICIÓN DE IMPEDANCIA DE CORTOCIRCUITO EN CAMPO.

MEDICIÓN DE IMPEDANCIA DE CORTOCIRCUITO EN CAMPO.

Medida de resistencia cc

Medida de Reactancia de Corto

de devanado primario

I

y pérdidas, Z

de devanado secundario

I

1 R

V

Medida de resistencia cc

DC-1

R

L-1

L

1

I L

1 Corriente de Excitación y pérdidas, Z

M

L m

I

C

I

R

C R UST m

L

2

R

L-2

R

2

DC2 V 2

MEDICIÓN DE RESPUESTA AL BARRIDO DE FRECUENCIA (SFRA).

El bushing X2 del lado de baja tensión falló…pero no el devanado. Efecto del cobre derretido sobre X2

Un cortocircuito no visto por técnicas de prueba clásicas…. Un cortocircuito se ve desde todos los devanados

Si no hay una buena puesta a tierra….las trazas cambian En fábrica con conexión de puesta a tierra segura

En la plataforma de tren sin aterrizaje permanente

GRACIAS POR SU ATENCIÓN.