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Introducción
Dentro de las actividades del mantenimiento periódico preventivo o predictivo basado en la condición de los transformadores de potencia, se realizan determinadas pruebas de diagnóstico, con el objetivo de supervisar su funcionamiento o estado técnico. Los costos de la actividad de supervisión del funcionamiento de un transformador a través del diagnóstico resultan económicos en comparación con los costos que ocasiona una avería o la interrupción del suministro eléctrico. El proceso de diagnóstico y mantenimiento comienza a partir de mediciones que pueden llevarse a cabo en el lugar del proceso o fuera de él, con el equipo desenergizado o con energía de forma general. Los transformadores de potencia se diseñan para resistir tensiones normales de operación, las sobretensiones a las que pueden estar expuestos, los esfuerzos térmicos a que estarán sometidos según sus características de carga y los esfuerzos electrodinámicos debidos a los cortocircuitos externos.
En su interior pueden generarse desplazamientos o daños durante el transporte de las máquinas si la estructura mecánica de los devanados y núcleo no están sujetos suficientemente. Cuando un transformador ha sufrido alguna situación anómala, es necesario verificar su estado para estar conscientes de su capacidad residual para resistir los esfuerzos y contingencias a que podrá verse sometido nuevamente. Estas situaciones anómalas, tienden a generar distintas condiciones de estrés en la unidad que, si bien no causan una falla inmediata, van actuando y deteriorando progresivamente su integridad hasta producir daños irreparables. También es importante que estos daños sean detectados a tiempo para planificar mantenimientos correctivos [1]. Una de las pruebas de diagnóstico para detectar estos defectos, es el análisis de respuesta al barrido frecuencia SFRA, (Sweep Frecuency Response Analysis), la cual evalúa las deformaciones o desplazamiento en las bobinas o núcleo que se lleguen a presentar en el transformador; dicha prueba se realiza con el transformador fuera de servicio, lo que implica que no se realice con frecuencia y solo se haga en los mantenimientos o cuando se tenga cierta sospecha de un posible fallo en el equipo [2].
Materiales y métodos
El método SFRA en transformadores se realiza inyectando por un terminal una señal de frecuencia variable o con un ancho de banda amplio obteniendo la respuesta a esta excitación en un terminal distinto, por lo cual se considera al transformador como un modelo de parámetros distribuidos, resistivos (R), inductivos (L) y capacitivos (C). Se obtiene la función de transferencia de esta red RLC mediante la relación de las señales de excitación y de respuesta. Cualquier cambio en el interior del transformador cambiará la red RLC que lo representa [3]. La señal de excitación es una onda sinusoidal de baja amplitud (generalmente de amplitud de 1 a 20V), que se aplica a un terminal del transformador con un barrido de frecuencia (con un rango de Hertz a Mega Hertz), la función de transferencia se obtiene de la relación salida / entrada, para varias frecuencias [3].
La respuesta gráfica obtenida en el dominio de la frecuencia, es comparada con otra respuesta obtenida en condiciones similares, para detectar alguna diferencia que evidencie alteración en la red RLC. Para la comparación gráfica, se hace necesario disponer de las medidas de referencia de fábrica del equipo, o del propio equipo con evidencias de que está en buen estado, o equipos similares. Sin embargo, también es posible detectar una falla comparando entre sí las curvas obtenidas de las tres fases de un transformador trifásico, sin necesidad de disponer de curvas de referencia [4, 5, 6 ].
En este artículo se presentan los resultados de los ensayos a dos transformadores de subestaciones de subtransmisión de 110 kV, comparando entre sí las curvas obtenidas de las tres fases de cada máquina.
Los transformadores en cuestión, fueron:
Transformador 1, cuyos datos nominales son: 25/25/8 MVA; 110/34,5/6,6 kV. Y/Y/Δ. Devanado terciario accesible.
Transformador 2, cuyos datos nominales son: 25/25/6 MVA; 110/34,5/6,0 kV. Y/Y/Δ. Devanado terciario no accesible.
El ensayo se realizó con un equipo analizador de barrido de frecuencia y se empleó el procedimiento que se establece en [7]. Las mediciones se realizaron a través de los dos terminales de cada devanado para obtener la respuesta de frecuencia de extremo a extremo en forma de magnitud en dB vs. frecuencia, de acuerdo a la ecuación (1).
(1)
Donde:
Vreferencia |
tensión de la fuente, inyectada a uno de los terminales del devanado. |
Vmedida |
tensión medida en el otro extremo del devanado. |
En teoría, la tensión Vmedida es una réplica de la respuesta de corriente en el extremo del devanado, a la tensión inyectada en el otro extremo del devanado. Por lo tanto, la respuesta de extremo a extremo del devanado se puede considerar como la admitancia "virtual" del devanado [7].
Una de las limitantes de la técnica de respuesta en frecuencia en los transformadores es que su interpretación para la obtención de un diagnóstico confiable, necesita de investigaciones más avanzadas dado que todavía no se toman decisiones a partir de sus mediciones, es decir que el ensayo de SFRA es una técnica complementaria [8].
Los problemas pueden ser presumidos a partir de la existencia de los siguientes criterios [7, 9, 10]:
Variación en toda la forma de la respuesta de frecuencia.
Variación en el número de resonancias (picos máximos) o anti - resonancias (picos mínimos).
Cambios en la posición de las frecuencias de resonancias.
A baja frecuencia (por debajo de 2 kHz), está presente el efecto del núcleo. La respuesta comienza con una magnitud decreciente de -20dB/década. Esto se debe a la inductancia magnetizante del núcleo. Esto es seguido por un mínimo que ocurre debido a la resonancia en serie entre la inductancia magnetizante del núcleo y la capacitancia total del transformador. La fase B tendrá una respuesta claramente diferente de las otras dos debido a la diferencia en trayectoria de la reluctancia magnética de la rama central de un núcleo de tres ramas. Entre 2 kHz y 20 kHz, está presente la interacción entre los devanados. La respuesta se ve influida por cómo se conectan y terminan los devanados (estrella o delta abierta o cerrada) y los neutros (flotando o a tierra).
Desde 20 kHz hasta 1 MHz, la estructura del devanado influirá en gran medida en la respuesta. En este rango de frecuencia hay menos resonancias y anti - resonancias y una tendencia de aumento principalmente capacitiva, debido a la alta capacitancia en serie del devanado de AT. Más allá de la frecuencia de 1 MHz, la tendencia de la respuesta de frecuencia es irregular y compleja, influenciada por los cables de derivación y los cables de conexión a tierra [7, 9, 10].
Para la identificación de los posibles defectos se utilizaron los criterios de modo de fallas planteados en las publicaciones [7, 9, 10]. Ejemplo de los cuales se muestran a continuación:
-
Las fallas por defectos en el núcleo provocan cambios en el circuito magnético. Los defectos del núcleo pueden incluir laminaciones del núcleo quemadas, laminaciones del núcleo en cortocircuito, puesta a tierra del núcleo múltiple/involuntaria, puesta a tierra del núcleo perdida y dislocaciones de juntas.
En el rango 20 Hz - 10 kHz; las respuestas de las pruebas de circuito abierto se ven afectadas en las regiones por debajo de 10 kHz. Se debe dar menos peso al cambio, porque la identificación de defectos en el núcleo a veces puede quedar enmascarada por los efectos de la magnetización residual. Si la respuesta a circuito abierto, tiene la forma de una respuesta de cortocircuito, esto podría indicar un defecto en el núcleo. En las respuestas a las pruebas de cortocircuito, todas las fases deben ser similares.
En el rango de 5 kHz - 100 kHz; las respuestas de las pruebas de circuito abierto y cortocircuito, pueden cambiar o producir nuevos picos y valles de resonancia.
En el rango de 50 kHz - 1 MHz; las respuestas de las pruebas de circuito abierto y cortocircuito en este rango no se ven afectadas. Sin embargo, si la falla se debe a un problema de conexión a tierra del núcleo, pueden aparecer cambios de resonancia en la parte superior de este rango.
En el rango mayor a 1 MHz; Si la falla se debe a un problema de conexión a tierra del núcleo, pueden aparecer cambios de resonancia en este rango.
-
En el rango de 20 Hz - 10 kHz; las respuestas de las pruebas de circuito abierto no se ven afectadas. Las respuestas a las pruebas de cortocircuito resultan en un aumento de la impedancia. El trazo de FRA para la fase afectada generalmente exhibe una ligera atenuación dentro de la región de caída inductiva.
En el rango de 5 kHz - 100 kHz; las respuestas a las pruebas de circuito abierto y cortocircuito pueden cambiar o producir nuevos picos y valles de resonancia dependiendo de la severidad de la deformación. Sin embargo, este cambio es mínimo y difícil de identificar. Los cambios serán mayores para el devanado afectado, pero aún es posible que los efectos se transfieran a los otros devanados.
En el rango de 50 kHz - 1 MHz la deformación radial es más obvia. Las respuestas de las pruebas de circuito abierto y cortocircuito pueden cambiar o producir nuevos picos y valles de resonancia dependiendo de la severidad de la deformación. Los cambios serán mayores para el devanado afectado, pero aún es posible que los efectos se transfieran a los otros devanados.
Rango mayor a 1 MHz; Este rango generalmente no se ve afectado. Sin embargo, la deformación severa puede extenderse dentro de este rango.
-
En el rango de 20 Hz - 10 kHz las respuestas de las pruebas de circuito abierto, generalmente no se ven afectadas. Las respuestas de las pruebas de cortocircuito, resultan en un cambio en la impedancia. La traza FRA para el devanado afectado provoca una diferencia entre fases o resultados anteriores en la región de caída inductiva.
En el rango de 5 kHz - 100 kHz la deformación axial es más obvia. Las respuestas de las pruebas de circuito abierto y cortocircuito pueden cambiar o producir nuevos picos y valles de resonancia dependiendo de la severidad de la deformación Los cambios serán mayores para el devanado afectado, pero aún es posible que los efectos se transfieran a los otros devanados.
En el rango de 50 kHz - 1 MH las respuestas de las pruebas de circuito abierto y cortocircuito pueden cambiar o producir nuevos picos y valles de resonancia según la gravedad de la deformación. Los cambios serán mayores para el devanado afectado, pero aún es posible que los efectos se transfieran a los otros devanados.
En el rango mayor a 1 MHz, la respuesta a la deformación del devanado axial es impredecible tanto en pruebas de circuito abierto como en cortocircuito
-
En el rango de 20 Hz - 10 kHz. Esta región generalmente no se ve afectada durante el movimiento de devanados.
En el rango 5 kHz - 100 kHz; las respuestas pueden cambiar o producir nuevos picos y valles de resonancia dependiendo de la magnitud del movimiento. Los cambios serán mayores para la fase afectada.
En el rango de 50 kHz - 1 MHz Esta región generalmente no se ve afectada durante el movimiento de devanados, sin embargo, los cambios en la capacitancia longitudinal pueden causar cambios de resonancia en la parte superior de este rango.
Rango mayor a 1 MHz; los cambios en la capacitancia longitudinal pueden causar cambios de resonancia
Discusión de los resultados
Resultados del SFRA del transformador 1 (devanado terciario accesible)
En la figura 1, se muestran las respuestas obtenidas del transformador 1 cuando se alimentaron secuencialmente las fases U (trazo verde), V (trazo azul) y W (trazo rojo) del devanado primario y se midió por el neutro con los devanados secundario y terciarios, abiertos y el cambiador de derivaciones en el máximo. La temperatura de los devanados era 50,0°C.
Fig. 1 Alimentación por el primario, medición en el neutro, secundario y terciarios abiertos y cambiador de derivaciones en el máximo
De acuerdo a [7], las respuestas de la figura, pudieran ser indicios de problemas de conexión a tierra del núcleo o en los conductores de las derivaciones del “cambia taps”, teniendo en cuenta que aparecen alteraciones en el rango mayor a 1 MHz. También existe la probabilidad de deformación radial de la fase “W”, ya que este modo de falla es más obvio en el rango de 50 kHz - 1 MHz, y en caso de deformación severa, puede extenderse a más de 1 MHz. En la figura 2, se muestran las respuestas obtenidas del transformador 1 cuando se alimentaron secuencialmente las fases U (trazo verde), V (trazo azul) y W (trazo rojo) del devanado primario y se midió por el neutro con los devanados secundario y terciarios, abiertos y el cambiador de derivaciones en el mínimo (no interviene en la medición). La temperatura de los devanados era 50,0°C.
Fig. 2 Alimentación por el primario, medición en el neutro, secundario y terciario abiertos y cambiador de derivaciones en el mínimo
Ahora, al eliminarse el “cambia taps”, varió la respuesta, fundamentalmente en el rango mayor a 1 MHz. Esto indica que tal vez el problema está relacionado con las derivaciones y no con la conexión a tierra del núcleo. También sigue presente la probabilidad de deformación radial de la fase “W”. En la figura 3, se muestran los resultados de las respuestas del transformador 1 cuando se alimentaron secuencialmente las fases u (trazo verde), v (trazo azul) y w (trazo rojo) del devanado secundario y se midió por el neutro con el devanado primario y terciario, abiertos.
En esta figura tampoco se descarta la probabilidad de la deformación radial ya que el rango de más de 50 kHz tiene suficientes alteraciones que la justifican. En la figura 4, se muestran las respuestas obtenidas del transformador 1 cuando se alimentan secuencialmente las fases u (trazo verde), v (trazo azul) y w (trazo rojo) del devanado terciario, se mide por v, w y u respectivamente, con los devanados primario y secundario abiertos.
Se observan cambios en las resonancias a partir de 10 kHz, acentuados después de 100 kHz, con énfasis en la fase “W”, lo cual es consistente que el análisis de las anteriores respuestas de SFRA. En la figura 5, se muestran las respuestas obtenidas del transformador 1 cuando se alimentan secuencialmente las fases U (trazo verde), V (trazo azul) y W (trazo rojo) del devanado primario y se mide por el neutro con el devanado secundario en cortocircuito y el cambiador de derivaciones en el máximo.
Fig. 5 Alimentación por el primario, medición en el neutro, secundario en cortocircuito y cambiador de derivaciones en el máximo
El trazo de FRA para la fase “W” exhibe una ligera atenuación dentro de la región de caída inductiva.
La probabilidad de deformación radial sigue siendo alta en la fase “W”, reflejándose en las demás fases también. En la figura 6, se muestran las respuestas obtenidas del transformador 1 cuando se alimentan secuencialmente las fases U (trazo verde), V (trazo azul) y W (trazo rojo) del devanado primario y se mide por el neutro con el devanado terciario en cortocircuito y el cambiador de derivaciones en el máximo.
Fig. 6 Alimentación por el primario, medición en el neutro, terciario en cortocircuito y cambiador de derivaciones en el máximo
El trazo de FRA para la fase “W” presenta una atenuación notable dentro de la región de caída inductiva.
La probabilidad de deformación radial sigue siendo alta en esta fase, reflejándose en las demás también.
Además, en el rango de 5 - 100 kHz, las alteraciones son mayores para el devanado afectado y sus efectos se transfieran a los otros devanados
Resultados del SFRA del transformador 2 (devanado terciario no accesible)
En la figura 7, se muestran las respuestas obtenidas del transformador 2 cuando se alimentaron secuencialmente las fases U (trazo verde), V (trazo azul) y W (trazo rojo) del devanado primario y se midió por el neutro con el devanado secundario abierto y el cambiador de derivaciones en el máximo. La temperatura de los devanados era 44,0°C.
Fig. 7 Alimentación por el primario, medición en el neutro, secundario abierto y cambiador de derivaciones en el máximo
Las respuestas de la figura, pudieran ser indicios de problemas de conexión a tierra del núcleo o en los conductores de las derivaciones del “cambia taps”, teniendo en cuenta que aparecen alteraciones en el rango mayor a 1 MHz.
También existe la probabilidad de deformación radial en alguna fase”, ya que en el rango de 50 kHz - 1 MHz hay cambios notables y casi a 1 MHz se produce una nueva resonancia de la fase “W”. No se descarta la deformación axial ni el movimiento del devanado porque entre 5 y 100 kHz la deformación axial es más obvia, cambiando las repuestas y produciendo nuevos picos y valles de resonancia, como se aprecia en la fase “U”.
En la figura 8, se muestran las respuestas obtenidas del transformador 2 cuando se alimentan secuencialmente las fases U (trazo verde), V (trazo azul) y W (trazo rojo) del devanado primario y se mide por el neutro con el devanado secundario abierto y el cambiador de derivaciones en el mínimo.
Fig. 8 Alimentación por el primario, medición en el neutro, secundario abierto y cambiador de derivaciones en el mínimo
Ahora, al eliminarse el “cambia taps”, varió la respuesta, fundamentalmente en el rango mayor a 1 MHz. Esto indica que tal vez el problema está relacionado con las derivaciones y no con la conexión a tierra del núcleo. También sigue presente la probabilidad de deformación radial o axial. En la figura 9, se muestran las respuestas obtenidas del transformador 2 cuando se alimentan secuencialmente las fases u (trazo verde), v (trazo azul) y w (trazo rojo) del devanado secundario y se mide por el neutro con el devanado primario abierto.
Aquí se hace evidente que, de 10 kHz a 1 MHz y más, hay diferencias notables entre las respuestas, por lo que la sospecha de deformación radial o axial sigue presente.
En la figura 10, se muestran las respuestas obtenidas del transformador 2 cuando se alimentan secuencialmente las fases U (trazo verde), V (trazo azul) y W (trazo rojo) del devanado primario y se mide por el neutro con el devanado secundario en cortocircuito y el cambiador de derivaciones en el máximo.
Fig. 10 Alimentación por el primario, medición en el neutro, secundario en cortocircuito y cambiador de derivaciones en el máximo
Ahora, sin la influencia del núcleo magnético, sigue tomando fuerza el criterio de que pudiera haber deformación radial o axial de alguna fase, ya que en el rango de 10 kHz en adelante hay cambios notables, extendiéndose a más allá de 1 MHz.
Conclusiones
En el transformador 1 es posible que existan problemas en los conductores del cambiador de derivaciones, así como deformación radial en la fase “W” del devanado.
En el transformador 2 las alteraciones en las regiones de 5 a 100 kHz y de 50 kHz a 1 MHz, permiten presumir que pudiera haber deformación radial o axial de alguna fase. También puede ser que tenga problemas en los conductores del cambiador de derivaciones.
En las descripciones de los patrones de respuestas de SFRA que hacen las normas, para los modos de falla, se aprecia ambigüedad y muchas veces se hace difícil discriminar entre un modo de falla, otro o percibir si hay más de uno presente.
No es segura la sentencia de si algún cambio en la comparación de respuestas entre fases o transformadores similares, corresponde con un defecto o es un cambio lógico y aceptable para dos especímenes distintos.
