APLICACION EN
TRANSFORMADORES
DE POTENCIA
ESPECTROSCOPIA EN EL DOMINIO DE LA FRECUENCIA JULIO, 2010
Agenda
Base Teórica y Aplicaciones
Análisis de Humedad en Aislamiento Solido
Utilización de Equipo de medicion y su SW de
control
Reporte de mediciones FDS usando
Preguntas Frecuentes
Pruebas de Campo
Instrumento de Medición
Características del instrumento para diagnostico de
sistemas de aislamiento
± Señal de Prueba: 0 ± 200 Vp 0 ± 50 mA ± Frecuencia: 10 000 Hz ± 0.0001 Hz ± Rango de Muestreo: 10 pF ± 100 µF
± Uno o dos canales de medición independiente ± Nuevo sistema de tres hilos
Espectroscopia en el Dominio de Frecuencia
Mediciones de perdidas y capacitancia en el sistema de
aislamiento en función de la frecuencia.
C j I U Z 1 and PF , tan , C Z V A Hi Lo Ground CHL CL CH
Beneficios de las mediciones FDS
Medición de Factor de Potencia/Factor de
Disipación a múltiples frecuencias y a cualquier
temperatura
Compare los valores medidos vs. los valores del
modelo, con referencia en una base de datos de
materiales
Se obtienen los resultados en forma de humedad
en el aislamiento solido de papel como porcentaje
del peso total del papel
Corrección de Temperatura precisa
Que es la Espectroscopia?
Método para aislar/identificar la estructura constructiva de un material compuesto
Ejemplo 1: Identificar la composición química de una muestra extraída en la Luna u otro planeta del sistema solar.
Ejemplo 2: Fragmentación de un rayo luminoso a través de un prisma
Espectroscopia en el Dominio de Frecuencia
±
Variación de la Capacitancia con la Frecuencia
Eje de Frecuencia
Eje de Capacitancia
32 nF a 0.02 Hz
Espectroscopia en el Dominio de Frecuencia
±
Variación del Factor de Potencia con la
Frecuencia
Eje de Frecuencia
Eje del Factor de Potencia32% a 0.02 Hz
(0.32)
0.31% a 60
Hz
(0.0031)
Pérdidas en el Aislamiento
Pérdidas de
Polarización
Pérdidas
Conductivas
Pérdidas
Totales
Conducción y Polarización
Conducción (cargas libres)
Polarización (cargas dipolares)
-q +q +q +q -q -q
_
+
Polarización
Polarización
Electrónica
Molecular
Orientación de dipolos (líquidos, polímeros)
Interfacial (en los bordes externos o internos)
La polarización se ve afectada por el
envejecimiento
Introduce agua y otras moléculas polares
Ruptura de cadenas estructurales
Polarización
±
Incremento de Carga
U= 0 + _ U + + + + U= 0 + _ U + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ U d A U C Q 0 0 APolarización
±
Incremento de Corriente
U= 0 + _ U + + + + U= 0 + _ U + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _El factor mediante el cual el valor de corriente se incrementa se conoce como permitividad relativa r
Propiedades de Materiales Dieléctricos
Material Permitividad Relativa,
r a 50/60 Hz Conductividad, [S/m] XLPE 2.3 <10-16 Papel Kraft 3.2 ± 3.8 10-15 ± 10-12 Aceite Mineral 2.1 ± 2.3 10-13 ± 10-10 Carton Prensado 4.1 ± 4.5 10-16 ± 10-12 Teflon 2.1 10-18 Agua 80
Permitividad Relativa y Conductividad de algunos
materiales Dieléctricos
Polarización
+
±
+
±
+
±
+
±
+
±
+
±
+
±
+
±
+
±
+
±
+
±
+
±
+
±
+
±
+
_
U
±
+
+
±
+
±
+
±
+
±
+
±
+
±
Métodos de Medición de la Polarización
A una frecuencia fija o como una función de frecuencia
Factor de disipación (tan
a una frecuencia fija,
usualmente a
50/60 Hz o 0.1 Hz
Facto de disipación (tan
como una función de
frecuencia
Desde 0.001 Hz hasta 1000 Hz
A un instante de tiempo determinado o como una función
de tiempo
resistencia de aislamiento, índice de polarización
tiempo de hasta
10 min
Corrientes de polarización y despolarización desde
unos pocos ms hasta algunos miles de segundo.
magnitud del voltaje de retorno, espectro de
Áreas de Aplicación
Diagnostico de Transformadores
± Aislamiento de Transformadores de Potencia ± Bujes
± Transformadores de Instrumentos
Diagnostico de Cables
± Cables con aislamiento de Papel (PILC)
Otros sistemas de Aislamiento
Humedad en Transformadores de
Potencia
Métodos Tradicionales
Punto de Rocío (De Point)± En pruebas de certificación antes del llenado de aceite
± EN campo durante el proceso de secado (Dry-out) sin aceite Muestra de Aceite
± Luego de un proceso de recirculación ± En Servicio
Unidades de Monitoreo en Línea
± Debe ser independiente para cada transformador a monitorearse
Medición de Factor de Potencia
Prueba Tradicional de Factor de
Potencia
Factor de Potencia Frecuencia 60 Hz 1 mHz 1kHzRespuesta de Frecuencia del Dieléctrico
Factor de Potencia
Respuesta de Frecuencia del Dieléctrico
- Variación del Factor de Potencia con la Frecuencia
Frecuencia Factor de
Potencia
0.32 a 0.02 Hz
Respuesta del
Aceite Mineral
Respuesta del Aceite
Mineral
1000Hz-1mHz
1.00E-12
1.00E-13
1.00E-11
Respuesta de
Papel Solido
1000Hz-1mHz
3%
2%
1%
0.5%
Respuesta de
Papel Solido
1000Hz-1mHz
Aislamiento
del
Transformador
1000Hz-1mHz
Aceite
Aislamiento
del
Transformador
Factores que Afectan la Respuesta
- Conductividad del Aceite +
-H umedad+ + -H umedad + - Temperatura +
Respuesta de Frecuencia del Dieléctrico
-
Un solo valor de FP no es suficiente para tomar una decisión
- La Respuesta de Frecuencia del Dieléctrico es mas explicita
Transformador húmedo con buen aceite
Transformador seco con aceite viejo (alta conductividad)
Valor idéntico de FP a 60Hz
Por que se mide la humedad?
Un transformador con bajo contenido de
humedad es como una persona en buenas
condiciones
Un transformador se puede poner a carga con tranquilidad sin el riesgo de una falla catastrófica.
Una persona puede trabajar en esfuerzo sin sufrir un ataque cardiaco
Un transformador húmedo es como una
persona con las arterias obstruidas.
El dueño del transformador debe limitar la carga para evitar la generación de burbujas (riesgo de explosión) La humedad en el aislamiento acelera el envejecimiento
Análisis de Agua en Aceite
El aislamiento en transformadores de potencia consiste de celulosa impregnada en aceite y aceite. Casi toda la humedad esta en la celulosa:
25 ton de aceite con contenido de agua de 20 ppm = 0,5 kg
2.5 ton de celulosa con 3% de contenido de agua = 75 kg
20ppm (partes por millón) en 25 ton de aceite
Humedad en Transformadores de Potencia
El aislamiento en transformadores de potencia consiste de celulosa impregnada en aceite y aceite. Casi toda la humedad esta en la celulosa:
25 tons de aceite con contenido de agua de 20 ppm = 0,5 kg 2.5 tons de celulosa con 3% de contenido de agua = 75 kg
El contenido de humedad en el aceite (es casi constante en la celulosa) varia con la temperatura y la condición de envejecimiento del aceite:
Un aceite envejecido permite mayor solubilidad de mayor cantidad de agua que un aceite nuevo
Una pequeña concentración de humedad dificulta el proceso de muestreo.
Análisis de Contenido de Agua en Aceite
Las muestras de aceite tomadas a bajas temperaturas son de
baja precisión debido a que el agua ha migrado hacia el papel
Muestra de Aceite tomada a 200C
4.0% agua = 6 ppm 1.0 % agua = 3 ppm
Humedad en Transformadores de Potencia
El aislamiento en transformadores de potencia consiste de celulosa impregnada en aceite y aceite. Casi toda la humedad esta en la celulosa:
25 tons de aceite con contenido de agua de 20 ppm = 0,5 kg 2.5 tons de celulosa con 3% de contenido de agua = 75 kg
El contenido de humedad en el aceite (es casi constante en la celulosa) varia con la temperatura y la condición de envejecimiento del aceite:
Un aceite envejecido permite mayor solubilidad de mayor cantidad de agua que un aceite nuevo
Una pequeña concentración de humedad dificulta el proceso de muestreo.
La humedad cambia las propiedades dieléctricas de la
celulosa papel/prensado
Humedad en Transformadores de Potencia
El aislamiento en transformadores de potencia consiste de celulosa impregnada en aceite y aceite. Casi toda la humedad esta en la celulosa:
25 tons de aceite con contenido de agua de 20 ppm = 0,5 kg 2.5 tons de celulosa con 3% de contenido de agua = 75 kg
El contenido de humedad en el aceite (es casi constante en la celulosa) varia con la temperatura y la condición de envejecimiento del aceite:
Un aceite envejecido permite mayor solubilidad de mayor cantidad de agua que un aceite nuevo
Una pequeña concentración de humedad dificulta el proceso de muestreo.
La humedad cambia las propiedades dieléctricas de la celulosa papel/prensado
40
Humedad en Transformadores de Potencia
Prueba de aceptación del Transformador
Fuente: Cigre Brochure 349 Sobre la migración de humedad
El agua se absorbe en el papel a una rata de 15kg
en 16h si se lo deja expuesto en un medio de
Humedad en Transformadores de Potencia
La humedad limita la vida útil del equipo
Aislamiento seco (0.5%) @ 900C = 40 Años
Cuándo debe usar la medición FDS?
Cuando sabe que el transformador va a trabajar con sobrecalentamiento
Cuándo debe usar la medición FDS?
Antes y después del proceso de secado
Averigüe que tan exitoso ha sido el procesoHumedad en Transformadores de Potencia
El aislamiento en transformadores de potencia consiste de celulosa impregnada en aceite y aceite. Casi toda la humedad esta en la celulosa:
25 tons de aceite con contenido de agua de 20 ppm = 0,5 kg
2.5 tons de celulosa con 3% de contenido de agua = 75 kg
El contenido de humedad en el aceite (es casi constante en la celulosa) varia con la temperatura y la condición de envejecimiento del aceite:
Un aceite envejecido permite mayor solubilidad de mayor cantidad de agua que un aceite nuevo
Una pequeña concentración de humedad dificulta el proceso de muestreo.
La humedad cambia las propiedades dieléctricas de la celulosa papel/prensado
La humedad limita la vida útil del equipo
100 150 200 250 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 H o tt es t S pot T e m p e rat u re ( O C) Moisture in Insulation (% wt)
Short Time Emergency Limit
Normal Life Expectancy Limit
Planned Loading Beyond Nameplate Limit Long-Time Emergency Limit
Humedad en Transformadores de Potencia
La humedad determina el máximo de carga/punto mas caliente para generación de burbujas (ver IEEE Std
C57.91-1995)
Conociendo el contenido de humedad se puede tomar la decisión correcta Dejarlo tal-cual Secado Remplazo Cambio de aislamiento o reubicación?
La Humedad acelera el Proceso de
Envejecimiento
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 80 90 100 110 120 130 140Winding Hot Spot °C
A gi ng F ac to r f o r K raf t P aper (I
EEE) IEEEKraft
0.5% Water 1% 2% 3% 4% 5% ®
Punto mas caliente para papel Kraft
Interpretación del Contenido de Humedad
< 0.5 %
Transformador Nuevo
0.5 - 1.5%
Aislamiento Seco
1.5 - 2.5%
Nivel medio de humedad
2.5 - 4%
Aislamiento Húmedo
> 4%
Aislamiento muy húmedo
La interpretación del contenido de humedad en el
aislamiento solido dado en % de peso de agua por peso
de celulosa
Interpretación del Contenido de Humedad (IEEE 62)
< 1%
Transformador Nuevo
< 2%
Aislamiento Seco
2 - 3%
Moderadamente Húmedo
3
±
4.5%
Húmedo
> 4.5%
Aislamiento excesivamente Húmedo
La interpretación del contenido de humedad en el
aislamiento solido dado en % de peso de agua por peso
de celulosa
Proceso de Evaluación de la Humedad
Se mide el factor de disipación/factor de potencia desde
1 kHz hasta 2 mHz
Se envía los resultados de la medición a un analizador
Ingrese el valor de la temperatura del aislamiento
(temperatura del aceite en la cumbre de la unidad)
El SW analizador ajusta la curva medida a la curva
modelo (automáticamente) variando los parámetros que
afectan la forma de la curva para encontrar el mejor
ajuste
La relación de aislamiento solido (celulosa) vs. liquido (aceite) entre devanados
Humedad en el aislamiento solido Conductividad del Aceite
Corrección Precisa de Temperatura
La corrección individual de temperatura para
transformadores es mas compleja comparada con
FRPSRQHQWHVGH³XQ
-solo-
PDWHULDO´HMEXMHV\FDEOHVFRQ
aislamiento de papel
La energía de activación
W
aen la ecuación de Arrhenius,
ț ț
0·exp(-
W
a/k
T
)
³8QDPHGLFLyQD+]\ºC corresponde a una medición a
PD\RUHVYDORUHVGHIUHFXHQFLD\WHPSHUDWXUD´
El papel impregnado de aceite típicamente es 0.9-1 eV
Aceite mineral de transformador típicamente entre 0.4-0.5 eV
Ambos materiales deben ser considerados
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
Factor de Potencia a baja conductividad de
aceite, 1% humedad, 20
oC
±
50
oC
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
Factor de Potencia a alta conductividad del
aceite, 1% humedad, 20
oC
±
50
oC
Fabricante Año Temp. Medida
Humedad Conductividad Aceite Potencia Nominal
Condición
Hyundai 2008 27 Co 0.6 % 0.013% PF @ 60Hz 105 MVA Nuevo, durante puesta en
marcha
Westinghouse 1987 27 Co 1.1 % 0.019% PF @ 60Hz 80 MVA Usado en subestación
GE 1950 27 Co 2.1% 0.406% PF @ 60Hz 15 MVA Usado en subestación
0.797 corrección
Contaminación
Contaminación ± Respuesta atípica
FDS Respuestas Inusuales
Altas perdidas que incrementan con el incremento de frecuencia
±Resistencia en serie ± mala conexión / alta resistencia en el aterrizaje del núcleo
Alta conductividad inesperada del aceite para una configuración, ej. CHL
±Las superficies de conducción están puenteando los electrones - polución, sendas de carbón
Perdidas negativas en mediciones de bujes (tan /factor de potencia), usualmente alrededor de 1-0.1 Hz
±Circulación de corrientes parasitas por la superficie (externa) o interfases (interno)
Incremento de perdidas entre 50-100Hz hacia ~ 0.1Hz ±Contaminación, mala conexión del apantallamiento.
FDS para Fabricantes de Transformadores
Caracteriza los materiales aislantes
Control de procesos (ej. Secado de humedad)
±Se lo utiliza para controlar el contenido de humedad en el proceso de manufactura de Transformadores de Potencia, Instrumentación, cables de AT y también para monitorear el proceso de curado epóxico en la fabricación de generadores Verifica en sitio que el aislamiento se encuentra en buenas
condiciones antes de energizarlo
±Permite mediciones a temperaturas superiores e inferiores a las de fabricación
±Ayuda a entender las posibles causas (inclusive temporales) de alto tan /factor de potencia, ej. Contaminación que
Ventajas de FDS vs Mediciones
Convencionales de Capacitancia y tan
FDS usa un bajo voltaje (140 Vrms)
±seguridad±Tamaño del equipo
FDS mide capacitancia y tan en un rango de frecuencia
que permite:
±Mejor interpretación
±Posibilidad de eliminar errores de medición.
La interpretación de resultados se basa en un modelo
real de diseño de transformador
FDS otras Ventajas
Las mediciones FDS son reproducibles
±
Las mediciones pueden reiniciarse
±
Mediciones previas en AC no afectan los
resultados (pruebas de alto voltaje en DC bajan
el valor de factor de disipación en todas las
pruebas AC)
Las mediciones FDS son mas fáciles de
entender y modelar
±
El modelo FDS son cálculos
j
±
El modelo en dominio de tiempo involucra
integración
Verificación de la medición
FDS
ABB tiene mas de 10 sistemas, ellos lo usan para determinar el contenido de humedad y como herramienta de
identificación de fallas. La aplicación FDS es fundamental en su negocio.
La UE-financio el proyecto REDIATOOL y los resultados se publicaron en CIGRE 2006 (documento D1-207).
Ejemplos de otros entes independientes de verificación
IREQ (Canadá) SINTEF (Noruega)