Operacion y Mantenimiento de Transform Adores

OPERACIÓN Y

MANTENIMIENTO DE

TRANSFORMADORES

AUTOR: Ing Elec FERNANDO MARULL

INDICE

Cap DESCRIPCIÓN DEL TEMA TRATADO Pag.

1. EL TRANSFORMADOR DE POTENCIA……….. 5

2. CONTROL DE VIDA DE AISLACIONES EN PAPEL Y ACEITE……… 11

3. EVALUACIÓN DE LA DEGRADACIÓN POR EFECTO TÉRMICO……… ….. 15

4. OPERACIÓN EN SOBRECARGA……….. 23

5. INCIDENCIA DE LAS SOBRETENSIONES EN LA DEGRADACIÓN DEL AISLAMIENTO……….. 31

6. SOLICITACIÓNES DURANTE LOS CORTO CIRCUITOS……..…….……….. 35

7. MEDIDA DE LA TANG δ − FACTOR DE POTENCIA…………..……….. 43

8. MEDIDA DE "LA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO..……..………. 49

9. DESCARGAS PARCIALES………..……… 53

10. CONTROL DE LOS ACEITES………..……… 59

11. RIGIDEZ DIELECTRICA DEL ACEITE………..……… 65

12. RESISTIVIDAD Y FACTOR DE PERDIDA……..……… 69

13. GENERACION DE GASES EN TRANSFORMADORES...…. 79

14. EL CONTENIDO DE AGUA EN EL ACEITE Y LA AISLAMIENTO……..…… 101

15. LA ACIDEZ EN EL ACEITE O INDICE DE NEUTRALIZACIÓN……..………..107

16. LATENSIÓN INTERFASIAL DE LOS ACEITES (TIF) ……..……….. 111

17. CRITERIO DE COLOR E INDICE DE CALIDAD (I.D.Q.) SEDIMETOS LODOS Y CONTENIDO DE PARTICULAS……..………113

18. CONTENIDO DE BIFENILOS POLICLORADOS P.C.B………. 117

19. CONTENIDO DE FURANOS ………..………..…. 123

20. GENERALIDADES DE OTROS ENSAYOS ……….………… 125

21. TRATAMIENTOS DE ACEITE PARA EL MANTENIMIENTO ……….. 129

22. MANTENIMIENTO DE TRANFORMADOR Y ACCESORIOS ……….…. 135

23. TABLAS DE DIAGNÓSTICO PARA EL ANÁLISIS DE LAS FALLAS ….…. ... 141

24. TRANSFORMADORES DE MEDIDA………..…….…. 143

RECONOCIMIENTOS

A los amigos enrriquecieron con sus dialogos técnicos y diversos aportes, la

elaboración del presente manual, todo el personal que colaboró con el autor durante 35 años en la Gestión de Operación Mantenimiento de Transformadores desde AyE Div Santa Fe hasta la Gerencia de Transmisión de C.H. de Salto Grande

1 EL TRANSFORMADOR DE POTENCIA

1.1. Introducción

El transformador es el componente imprescindible de los modernos sistemas de transporte de energía eléctrica y se presenta de la más variadas formas y tamaños, todos son importantes para la continuidad del servicio, pero siendo el transformador de potencia por el tamaño, inversión y costo de las pérdidas que ocaciona la falla de mismo, es el que merece la dedicación superlativa de los especialistas involucrados. Los transformadores usados en alta y muy alta tensión son máquinas cuyo nivel de sofistcación es máximo, en ellos se aplican las técnicas más avanzadas del diseño eléctrico y mecánico, al efecto que pueda responder éxitosamente a todas las solicitaciones que el servicio le demandará.

Esquema eléctrico

Relación de corrientes N1 I1 = N2 I2 I1 / I2 = N2 / N1 Relación de tensiones N1 V2 = N2 V1 V2 / V1 = N2 / N1

Relación de potencias V1 * I1 = V2 * I2 = S

1.2.-El transformador de potencia sumergido en aceite

El aceite es un medio que además de proveer aislación a la máquina, le facilita la refigeración, tanto de los bobinados como del núcleo, además aporta un medio efectivo para extraer el calor al exterior, circulando tanto de un modo forzado como natural.

V 1

I

En la figura presentamos el esquema de un transformador en aceite, con la bolsa para que éste no entre en contacto con el aire y preservarlo de la oxidación.

Relación de pesos varían exponencialmente con la potencia nominal

Veamos una relación decomponenetes en base a un Transformador 100 MVA Peso total ; 1,3 Tons/MVA

Peso FeSi; 0.7 Tons/MVA Cobre ; 0,15 Tons/ MVA Celulosa ; 0,05 Tons/ MVA Aceite ; 0,25 Tons/ MVA

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

Bushing de AT Bushing BT Cuba Tanque de expansión con bolsa de sellado atmosférico A E R O R E F R

1.3.- Ciclo de vida de los transformadores

1.4.- Especificaciones técnicas

Las especificaciones técnicas del transformador, son de gran importancia para el futuro desempeño de la unidad, en ellas, el operador debe explicitar además de todas las exigencias que el sistema eléctrico, las condicines ambientales a las que someterá a la unidad durante la vida de la misma.

Básicamente está compuesta por las propias especificaciones técnicas generales y

particulares, además es conveniente el uso de la planilla de datos garantizados donde

se explicitarán todas las exigencias técnicas requeridas por el comprador de la unidad y también fugurarán, agellas que serán completadas por el fabricante, el resto de las características técnicas que se estimen sean útiles para las comparación de las unidades a adquirir.

1.5.- Verificación del diseño

Está probada la utilidad de realizar una “revisión del diseño” por un especialista experto en proyecto de diseño 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 parámetros ofrecidos.

Una limitación importante es que los fabricantes en algunos casos no dan toda la información que deberían entregar alegando reserva técnológica.

La verificación se realiza básicamente sobre los párametros principales y consiste en los siguientes pasos:

ESPECIFICACIÒN

REVISION DISEÑO FABRICACIÓN

ENSAYOS COMISIONAMIENTO OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DESEMPEÑO EN OPERACIÓN FIN DE

VIDAUTIL EXTENSIÒN DE VIDA ÚTIL ANALISIS

DE FALLA

RECAMBIO RECONSTRUCCIÒN

Puntos destacados en la revisión del diseño

1.6.- Inspección del proceso de fabricación

Las instalaciones donde se fabrica la unidad, así como la pericia técnica de los operarios de la planta para ejecutar la manufactura del transformador, debe ser verificada apropiadamente con el siguiente esquema.

1.7.- Ensayos y comisionamiento

Las unidades antes de salir de fábrica deben ser ensayadas convenientemente de acuerdo a la norma IEC60076, especialmente para verificar si el espécimen responde a las características técnicas pactadas en la compra, y también será 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 máquina, sus accesorios y las protecciones, pero también muchas mediciones servirán como dato de partida para el historial al que el responsable VERIFICACION DE PARAMETROS DE DISEÑO

FLUJO Y PÉRDIDAS EN HIERRO DENSIDAD DE CORRRIENTE

DISEÑO ELECTRICO

A FRECUENCIA INDUSTRIAL Um

CON SOLICITACIÒN SOBRETENSION ATMOSFERICA BIL CON SOLICITACIÒN SOBRETENSION .MANIOBRA SIL DISEÑO TÉRMICO

TEMPERATURA PROMEDIO DE CADA BOBINADO PUNTO CALIENTE HOT SPOT Y TRANS CORTOCIRCUITO TEMPERATURA PROMEDIO DE NUCLEO

DE BOBINADOS POR ESFUERZOS DE CORTOCIRCUITO CUBA POR SOBREPRESIÒN DEBIDO A FALLA INTERNA ELECTROMECANICO

CONTROL DE CALIDAD

TRAZABILIDAD DE MATERIALES USADOS ENSAYOS DE RECEPCION DE INSUMOS

INSPECCION DE PROCESOS DE FABRICACIÒN REGISTOS INSPECCIÓN DE LA

FABRICA

APTITUD DE LAS INSTALACIONES CALIFICACIÓN DE LA MANO DE OBRA LIMPIEZA ORGANIZACIÓN Y CONTROL

ENSAYOS DE CONTROL DE LA MANUFACTURA ENSAYOS CORTE DE CHAPA POLUCIÓN PROCESO SECADO DE TIPO DE RUTINA

de la explotación debe recurrir para evaluar cualquier cambio de valor que se aprecie fuera de lo normal.

1.8.- El mantentenimiento, control de la vida útil y Riesgo de falla

Como vemos más adelante, existen una serie de ensayos, que por su características pueden ser realizados tanto en laboratorio como en campo, y además, ser repetidos sin mayor costo; estos son importantes, dado que es el único método que se dispone para evaluar si el transformador aún es confiable, o si se detecta un aumento en el índice de falla durante el servicio.

Curva doble exponencial invertida

2 años 20 a 30 años

El especialista debe prolongar la vida util del transformador, manteniendo la máquina dentro de los índices de confiabilidad compatibles con la función que presta la misma dentro del sistema de transmisión de energía.

Para este estudio deberán tenerse en cuenta elementos tales como;

Probabilidad de falla (P) y Riesgo de falla (R) cuya formula en se establese en función de el numero estadistico de fallas anuales (λ) [nº de unidades/año] valor que los distintos foros,como CIGRE o IEEE, recomiendan para cada tipo de transformador.

=

−

=

−

=

_R

_e

P

1

1

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 explotación. La expreción de los costos es :

RSK

DEV

OPP

INS

MAN

DEP

CPT

=

+

+

+

+

+

DEP, es la depreciaciónde la unidad MAN, costo de mantenimiento INS, costo del seguro

OPP, costo de oportunidad

Zona de índice inadmisible Indice de Falla

DEV, devaluación, factor de inflación RSK, riesgo especifico de falla

=

−

=

(

_CostoUnida

_dNueva

)

_x

(

1

_e

)

RSK

El Rédito Económico Financiero del funcionamiento del transformador (REF) El rédito esperado del funcionamiento de un transformador también es algo complejo que describir, consideraremos el tiempo la energía real entregada por el transformador al usuario final y el precio pagó por MWh como en la ecuación

=

=

(

EnergiaDes

pach

)

x

(

CostodeEne

rgia

$

/

MWh

)

REF

Este es el beneficio que actúa como retorno financiero de la inversión, dado por un transformador bajo ciertas condiciones de operación.

Entonces queda claro:

• Costo de la Energía no Suministrada o costo de la falla muy importante en caso de

• Deterioro de imagen empresarial. • Sobrecostos de Mantenimiento • Costo de renovación. Vs

• Elevación del costo financiamiento de los seguros por elevacion de las primas.

• Tiempos de reparación o de reposición de unidades simpre prolongados 10 a 15 meses

2.- CONTROL DE VIDA DE AISLACIONES EN PAPEL Y ACEITE

Para evaluar el desarrollo de la vida de las aislaciones combinadas sólida y líquida tipo papel-aceite, se deberán tener en cuenta un determinado número de datos, de "efectos y acciones", entre los cuales a primera vista se pueden plantear los siguientes enfoques: ƒ Vectores de degradación

ƒ Evaluación de la degradación.

ƒ Acciones para atenuar el envejecimiento

2.1-Vectores de degradación

Vale resaltar la importancia de los registros de operación para la investigación del comportamiento del equipo o para el análisis de las fallas que hubieran ocurrido .

Se engloba en estos vectores a los datos históricos de la operación del equipo :

− Datos históricos de las temperaturas de operación de los equipos .

− Seguimiento de las temperaturas ambientales máximas de las Subestaciones. − Ciclos anuales de cargas máximas.

− Ciclos de cargas diarias − Operación en vacío.

− Solicitación por sobretensiones. − Operación en sobrecarga.

− Ocurrencia de corto-circuitos cercanos.

− Transitorios de energizaciones , arranques con gran corriente de Inrush − Calidad del aceite. Contenido de Agua. Oxígeno, Gases y Contaminantes.

2.2- El mantenimiento y la evaluación cuantitativa de la degradación

La medición de parámetros de naturaleza fsicoquímica, permite obtener un amplio panorama, tanto de las situaciones de carácter histórico, como de aquellos problemas de naturaleza evolutiva. El menú de posibilidades es muy grande y se enumeran aquí algunos de ellos, quedando al buen criterio del especialista la administración y

selección de los mismos.

Por lo general, si tenemos dos tipos de ensayos, los que se realizan sobre la máquina 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 extracción con la máquina en servicio, ofrece un menú amplio de posibilidades.

De todos modos, las mediciones sobre la aislacion sólida son de gran significacion y se debe elegir muy bien los más representativos para aprovechar efícientemente la salida de servicio programada de la unidad.

Ensayos sobre la unidad y la Aislación sólida

- Angulo de pérdida en aislación. Tang δ. - Resistencia de aislación-Ra.

- Indice de polarización.-I.P

- Relación de absorción dieléctrica-RAD

- Polarización y depolarización dieléctrica En C:C: - PDC. - Linealidad de resistencia de aislación con la tensión. - Indice de tension residual de la polarizabilidad del aislante. - Descargas parciales.

- Medicion de la corriente de magnetizaciòn en B.T. - Respuesta en fercuencia F.R.A..

- Tang Delta en barrido de frecuencia o Espectrografia Dielectrica. - Grado de polimerizacón del papel

Análisis fisicoquímicos en el Aceite

− Contenido de humedad

− Acidez (índice de neutralización) − Concentración de oxígeno en el aceite − Contenido de gases combustibles. − Tensión interfasial.

− Colorimetría.y espectrifotometría

− Contenido de inhibidores ( DBPC o BTH). − Presencia de barros.

− Particulas cuantificación y clasificasión. − Estabilidad a la oxidación.

− Cromatografía en fase líquida cont de furanos. − Cantidad de PCB.

− Rigidez dieléctrica

− Factor de pérdidas Tang δ.

− Medición de resistividad volumétrica.

− Contenido de contaminantes Azufre Cobre etc. − Azufre corrosivo

2.3. Acciones para atenuar la degradación

Un buen programa de operación y mantenimiento de un transformador, deberá contemplar también precauciones durante el servicio de la unidad, también en función de los análisis y ensayos que se realizan, se podrán encarar acciones para reducir el deterioro aumentando su vida útil y confiabilidad.

El menú de opciones es muy amplio y se engloban a todas las acciones que tienden a controlar la degradación de los materiales que constituyen la máquina, que de algún modo evitan que se desarrollen reacciones químicas, solicitaciones electricas, esfuerzos electrodinámico y temperaturas elevadas en los componentes internos de la unidad.

Se estudiarán todas las técnicas que permiten de algún modo atenuar las degradación de los aislantes y sus fijaciones para prolongar la vida del transformador

Tratamientos de los medios refrigerantes para mantener la calidad del aceite

- Aplicación de aditivos en aceites - Control de las temperaturas. - Control de las sobrecargas. - Mejoras en la refrigeración

- Limitación de esfuerzos extremos (cortocircuitos y/o arranques) - Aplicacar modificaciones en los sistemas de respiración

- Reacondicionamiento de las aislaciones y del arrollamiento. - Secado reconstrucción de aislaciones en forma total o parcial

Tratamientos para mantener la calidad de la aislacióm

- Proceso de limpieza parcial de la aislación. - Secado de la aislación bajo vacío o aire seco. - Sistemas de secado en linea

- Tratamiento de lavado con aceite caliente Hot Oil Spray. - Tratamientos con Tierra de Fuller.

- Reacondicionado de cuñas

- Reajustado de gatos de sujeción 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 formación del paquete del núcleo

Núcleo con cepo inferior y ataduras, teminado, listo para el calado de la bobina.

Bobina del arrollamiento de alta ternsión 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

3.-EVALUACIÓN DE LA "DEGRADACIÓN POR EFECTO TÉRMICO"

3.1 Envejecimiento de los aislantes

La vida de un aislante sometido a una degradación por efecto de la temperatura y del tiempo viene dado básicamente 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 degradación de un aislante de celulosa realizado con papel Kraft, se produce por rotura de los polímeros que componen la fibra del material los especialistas han reconocido internacionalmente los trabajos de Monsinger, y se puede asumir matemáticamente que en un entorno de las temperaturas se puede expresar de modo práctico la expresión de lo que que el consumo de la vida es:

Vida = e -pθ Donde

{

{

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 140º C se duplica para un aumento de aproximadamente 6ºC. en las partes activas de la aislación.

Este concepto es importante cuando se quiere definir el fin de la vida util de la unidad para lo cual se determinarán que propiedades al degradarse hacen.

3.2 Regimen de envejecimiento relativo segun normas

3.2.1.- Con Norma IEC.- Utilizando la ecuación de Montsinger para aislación de papel

comun, se pueden relacionar las distintas velocidades de consumo de vida para una temperatura del cobre dada _{θh correlacionándolo con el consumo de vida relativo a una} temperatura de referencia θ_hr . La formula de la Velocidad Relativa del Consumo de

Vida (V) queda:

=

=

₂

V

θa = Temperatura ambiente θo = Temperatura en el aceite

θhmr=Temperaura del media del bobinado a potencia nominal

θhr = Temperatura del punto caliente a corriente de regimenes es 98ºC para un transformador construido con la norma IEC 60076 de 1998 y θa de 20º C.

Estos valores corresponden al funcionamiento con una temperatura ambiental θa de 20º C y la potencia nominal, del transformador, es decir, se acepta que se los construye con una elevación de temperatura sobre el ambiente de Δ θh = 78º C para el punto más caliente, el Hot Spot. se considera en este punto el bobinado θhr - θhmr 13º C superando la temperatura del calentamiento medio del cobre (medido por resistencia), este valor de temperatura según IEC está definido en 65 °C, en estas condiciones de envejecimiento del aislante y se calcula la vida útil del transformador

θhºC Hot Spot

Horas por dia

con papel comun

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

θhmr = 55°C para las máquinas construidas con papel común, en la misma norma θhmr = 65°C exije el uso de papel mejorado térmicamente, en las Especificaciones Técnicas se pueden definir valores diferentes, los valores bajos son los recomendables para climas tropicales. Los transformadores construidos con norma ANSI se presenta la fórmula para la Velocidad Relativa del Consumo de Vida (V) :

=

=

e

V

Tabla 3.2 Tasa de envejecimiento relativo por temperatura de Hot Spot

θh Envejecimiento relativo en

punto caliente papel comun

Envejec. relativo punto 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

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 aislación seca y limpia veamos la influencia de algunos factores. Por ello ilustramos el difernte comportamiento frente al envejecimiento térmico teniendo en cuenta las parametros la humedad y la temperatura. El envejecimiento relativo V=1 corresponde a 98º C para el caso del papel común y 110ºC para el mejorado térmicamente.

Vida en Años Tipo de Papel Temperatura ºC Seco sin aire Hume 2% y aire

80 118 5,7 90 38 1,9 Celulosa Comun 98 15 0,8 80 72 76 90 34 27 Celulosa Mejorada 98 18 12

3.4.- Las temperaturas en el interior del transformador

Para el análisis de la problemática del comportaminto térmico durante la operación de los transformadores, es de gran importancia conocer el mismo desde el interior de launidad, para ello, se recurre al diagrama térmico del mismo.

Para la construcción 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 diseñador ya ha deteminado, en función de las Especificaciones Técnicas requeridas por el operador de la máquina.

En algunos casos el fabricante puede entregarnos estos valores, pero lo más saludable es realizar conjuntamente con él una revisión de diseño previa a la fabricación y tener una estimación 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 además del valor temperatura media del bobinado Q.

El valor P temperatura de punto caliente de bobinado y su factor H surge del cálculo (revisión de diseño) y es muy importante su determinación. Vale considerar que en la actualidad se pueden instalar sensores de temperatura con conexión óptica.

En algunos casos también se puede hacer un Ensayo de Calentamiento Dinamico con el transformador en operación y estabilizando los parametros tales como la carga y la tamperatura, aunque la temperatura media de bobinado deberás salir de un cálculo de separación de pérdidas.

El factor de punto caliente (hot spot)

El valor de H se encuentra entre 1.1 a 2.1 depandiendo del tamaño y de su impedancia de cortocircuito, 1,3 es un buen valor para transformadores medianos, este valor no sale

en forma directa del ensayo de calentamiento, por lo que es conveniente recalcular con los datos obtenidos del diseño y el referido ensayo de calentamiento.

Diagrama térmico de temperaturas internas del transformador y el arrollamiento según IEC 60076-7 / 2005

Claves

A: Temperatura Top Oil como promedio de Temp. aceite de salida y pozo de termómetro 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 Térmico 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 calculado

3.5. Cálculo de la pérdida de vida en un período dado

Nos basamos en un criterio ecualizador para un tiempo “t” dado las horas operadas a una temperatura, θh integrando sólo los períodos en que la temperatura del bobinado

H x gr gr P Q A B C D E X Y

supera los 80°C, para el resto del tiempo se estima que la temperatura es lo suficientemente baja que permite considerar despreciable el envejecimiento.

La pérdida de vida (L) para un cierto periodo de tiempo viene dado por:

∫

∑

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 Aislación

Los especialistas han sugerido distintos criterios para definir la vida de una aislación pero en general se acepta que una aislación se encuentra en su etapa final cuando la misma ha perdido el 50% de resistencia mecanica a la tracción, esto puede apreciarse en la deetalle en el capitulo 6.8 “la resistencia meánica y el grado de polimerización del papel”.

Lo real es que cuando hay contaminantes como el agua, la temperatura acelera el envejecimiento del papel, ya que está aceptado por los especialistas y diseñadores 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 θh = ƒ (t) para calcular la pérdida de vida(L) en un cierto periodo de tiempo, es conveniente realizar una integración con los valores vistos precedentes, durante las horas de servicio, con las vida consumida.

Número de horas de funcionamiento a la temperatura θh para tener el mismo

consumo de vida que en 24 º hs. a 98ºC

En consecuencia, el tiempo diario de uso del transformador a una temperatura superior de 98ºC se reducirá, para tener un consumo de vida igual al esperado en el diseño de la unidad. Por lo tanto, se reducirá el tiempo “

t

3.6.- Temperatura ambiente a considerar para una guía de carga y determinación del valor de temperatura ambiente θa en el año

Si la temperatura ambiente θa, varía durante el día en forma cíclica y también en modo estacional durante el año, para estimar los tiempos de carga, es necesario utilizar un valor ponderado de θa, pues, como es de esperar, la temperatura ambiente ponderada θ'a será superior a la media aritmética.

Si consideramos un funcionamiento a carga constante y con una temperatura ambiente variable θa(t) función de un tiempo “t“ dado, la temperatura ambiente ponderada θΕ para este período, está expresado por la fórmula siguiente para una secuencia de temperaturas θa(t) en función del tiempo durante el año de período T:

=

=

=

∫

V

dt

∫

dt

L

2

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

=

=

≈

∑

∑

xt

V

L

2

Función anual de la temperatura del aire θa, función del tiempo(t), vemos que en este caso la que suponemos asimilada a una función doble sinusoidal como primera aproximación.

θ_{a (t ) =} θ_{ya + A sen 2 Л t + B sen 2 Л t [3.6.3]}

365x24 24

t = tiempo en horas

θ_{ya= temperatura media anual}

A = amplitud promedio anual B = amplitud promedio diaria

Gráfico de las temperaturas período un año

Debido a que el envejecimiento se duplica cada 6ºC y hemos asumidos que las funciones son sinusoidales, puede entonces introducir el valor de la “Temperatura

anual ponderada” llamamos θE

[

−

]

=

+

=

(

2

01

,

0

θ

x

θ

θ

θ

θ_{ma-max= temperatura media mensual del mes mas cálido, (es igual a la suma del}

Se puede estimar que para un clima templado como el de nuestra zona la media anual ponderada es 5ºC superior a la media anual aritmética.

3.7.- Deterioro de la aislación según la temperatura caso carga constante (Reactor)

Una forma conveniente para expresar el deterioro de la aislación en términos 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

L

=

∫

V

dt

=

∫

dt

=

2

L :consumo de vida aual calculado en horas Ln:consumo de vida anual de diseño en horas

θ cte = 98ºC Reactor construido IEC 60076

t =1 año

Para realizar el cuadro propuesto más adelante, se tomó la monótona de la temperatura diaria y anual, con parámetros obtenidos procesando las temperaturas de nuestra zona en los últimos 20 años.:

Temp. media anual θya = 21ºC Amplitud media anual A = 15ºC Amplitud media diaria B = 6ºC

Temp. máxima anual θ _amax = 42ºC es la maxima para la zona

θ

_D

3.8.-Gráfico de Vida - Temperatura Vel.rel Cv Tenp.Hot Spot 0.1 80 90 100 110 120 130 140 150 ºc 1.0 10 100

4.- "OPERACIÓN EN SOBRECARGA"

4.1-. Sobrecargas mas allá de los valores de nominales

Las sobrecargas que tienen lugar durante la operación, producen acortamiento de la vida útil de la máquina por la elevación de las temperaturas que aceleran su envejecimiento, en este caso, el consumo de vida puede ser ponderado mediante la fórmula 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 más alla de los valores nomimales, con un envejecimiento admisible con el previsto por su diseñador. Los riesgos pueden ser reducidos si el operador especifica claramente las condiciones de sobrecargas previstas y éstas son tenidas en cuenta en el diseño 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 aislación será elevada y puede llegar a valores inaceptables.

• La densidad del flujo de dispersión en núcleo aumenta elevando los valores de las corrientes parásitas y calentando partes metálicas.

• Como la temperatura cambia, el gas y la humedad en el interior de la aislación y el aceite puede cambiar.

• Bushings, cambiadores de topes conectores y transformadores de corriente serán expuestos a elevadas solicitaciones fuera de los márgenes de diseño. 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 según 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 reducción de la rigidez dieléctica debido a la posible presencia de burbujas de gas en zonas de elevado campo eléctrico, en especial si se superan los 140ºC de temperatura y contenidos de humedad del orden 2% o superior.

• Burbujas de gas se pueden producir en el aceite y en aislación en superficies de partes metálicas calentadas (180ºC) por flujo de dispersión y que por supersaturación del aceite se forman en zonas de bajo campo eléctrico y se desplazan a zonas de mayor campo eléctrico.

• Deterioros temporarios de las propiedades mecánicas a altas temperaturas, reducen la capacidad de soportar cortos circuitos.

• Fallas en bushings, pueden producirse al superarse los 140ºC.

• La expansión del aceite puede provocar sobreflujo en el tanque de expansión. • La apertura de elevadas corrientes pueden ser peligrosas para el cambiador de

topes.

Efecto de operación de largo tiempo con cargas de emergencia.

Cargas que no son operación normal pero y su ocurrencia es esperable, pueden ocurrir varias semanas o meses y llevan a envejecimientos importantes.

• Deterioro de la propiedades mecánicas de la aislación del conductor, si no las llega a destruir, reducirá la expectativa de vida de la unidad.

• Otras parte de la aislación, 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 cálculos regulados de envejecimiento relativos en % de perdida de vida son basados en los riesgos que se asumen en tiempos largos.

Tamaño del transformador

El tamaño del transformador es muy sensible a las sobrecargas y usualmente depende de esta. Cuando el tamaño aumenta las tendencias son las siguientes;

• la densidad de flujo aumenta;

• los esfuerzos de corto circuito aumentan;

• la masa de aislación que esta sugeta a gran campo eléctrico 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 distribución Trasformadores medianos .

Grandes Transformadores de Transmisión y Elevadores de Generación (GSU)

4.2.-Evolución de las temperaturas en régimen transitorio

Para realizar el desarrollo matemático del consumo de vida por efecto de la temperatura θh a lo largo del tiempo V(t,θh) que dura una sobrearga, se debe contemplar la temperatura inicial del punto caliente del bobinado θhi y seguir su evolución exponencial luego de un aumento repentino de la carga, el calor generado es función cuadratica de la corriente.

Q = Ώ. I2

La ecuación siguiente, es la que rige la evolución 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 será de varias horas dependiendo del tamaño de este.

La temperatura del punto caliente es la suma de la temperatura ambiente, mas la elevación 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.]

{

}

y gr x or oi x or a h _R f t H K K R R K R t + ⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + + Δ − Δ + ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + + Δ + = * ( ) 1 * 1 * 1 * 1 * ) ( θ θ 2 θ θ 2 ₃ θ Donde θa = temperatura ambiente

θor = temperatura en el aceite a corriente nominal

θoi = temperatura en el aceite inicial antes de la sobrecarga

θh = temperatura del punto caliente

θhr = temperatura del punto caliente a corriente nominal

θhi = temperatura del punto caliente inicial

R = Relación de pérdidas = pérdidas en carga /pérdidas en vacío K = I1/ In = factor de carga

f1(t) ;f2(t) y f3(t) son funciones temporales de la constantes de tiempo τo = constante de tiempo media del aceite (min)

τw constante de tiempo media del bobinado (min)

k11; k12 y k22 = constante del modelo térmico

(

)

1

e

f

=

−

f

=

e

(

1

)

(

1

)

*

(

1

)

*

_k

_e

e

k

f

=

−

−

−

−

Los valores para las formulas pueden encintrarse en la tabla siguiente [4.2]

Tran sfo rmad ore s de dis tribuc ió n

Transformadores de mediana y gran potencia

ONAN ONAN

restringi

do

(ver nota) ONAN ONAF _restringi

do

(ver nota) ONAF

OF restringi do (ver nota) OF OD Exponente de aceite x 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 1.0 1.0 1.0 Exponente de bobina y 1.6 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3 2.0 Constante k11 1.0 1.5 0.5 0.5 0.5 1.0 1.0 1.0 Constante k21 1.0 3.0 2.0 3.0 2.0 1.45 1.3 1.0 Constante k22 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 1.0 1.0 1.0 Constante de tiempo τ0 180 210 210 150 150 90 90 90 Constante de tiempo τω 4 10 10 7 7 7 7 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 podría causar una restricción a la circulación del aceite. P ej. valor máximo de la función ƒ2 (t) obtenido con espaciadores ≥ 3 mm.

El resultado para el caso de una sobrecarga de K2 = 1.4 con carga previa K1 0,8 con

una hora de duración, 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 nominal

SOBRECARGA K1= 0,8 ; K2 1,4 - Durac1 hr 0. 00 20. 00 40. 00 60. 00 80. 00 100. 00 120. 00 140. 00 160. 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 Tmp º C P o t %/ 2 Top Oil Temp X(2) Temp H(2) POT

4.3.-Consumo de vida para operación en sobrecarga

La forma más práctica, para la evaluación de la operación es utilizando los valores que se han normalizado en tablas y curvas, en las que se vincula la relación de sobrecarga K2 con el tiempo de aplicación de la misma, para un valor de desgaste equivalente al previsto en el diseño de la máquina, pero a 20ºC para cualquier otra temperatura se

deberá utilizar la siguiente tabla para corregir el consumo de vida V.

Temp ambiente 40 30 20 10 0 -10

Corr de Cv 10 3,2 1 0,32 0,1 0,032

Tabla IEC 60354(antigua) de valores de K2 para transformadores con refigeracion ONAN K1=0.25 K1=0.50 K1=0.70 K1=0.80 K1=0.90 K1=1.00 t=0.5 1.61 1.567 1.51 1.46 1.41 1.00 t=1 1.48 1.44 1.39 1.36 1.31 1.00 t=2 1.33 1.30 1.27 1.25 1.21 1.00 t=4 1.19 1.18 1.16 1.15 1.13 1.00 t=6 1.13 1.12 1.11 1.10 1.09 1.00 t=8 1.10 1.09 1.08 1.08 1.06 1.00 t=12 1.06 1.05 1.05 1.05 1.04 1.00 t=24 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00

Ej. del uso de la tabla :

Sea K1 = 0,9; T = 2 hs., de la tabla resulta K2 = 1,21 para 20°C

La interpretación 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 será igual a trabajar durante 24 hs. a la potencia nominal a ambos casos a la temperatura anbiente 20ºC (IEC 76-2).

4.4.-Limitaciones de temperatura y corrientes operadas

La publicación IEC N°60076-7 “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 Transformadores de distribución Transformadore s de mediana potencia Transformador es de gran potencia

Ciclo normal de carga

Corriente (por unidad) 1.5 1.5 1.3

Temperatura del punto caliente del devanado y partes metálicas en contacto con material de aislación

celulosita (ºC) 120 120 120

Temperatura de otros puntos calientes metálicos (en contacto con el aceite, papel de aramida, fibra de

vidrio)( ºC ) 140 140 140

Temperatura máxima del aceite ( ºC ) 105 105 105

Carga de emergencia de tiempo prolongado

Corriente (por unidad) 1.8 1.5 1.3

Temperatura del punto caliente del devanado y partes metálicas en contacto con material de aislación

celulosita (ºC) 140 140 140

Temperatura de otros puntos calientes metálicos (en contacto con el aceite, papel de aramida, fibra de vidrio)(ºC )

160 160 160

Temperatura máxima del aceite ( ºC ) 115 115 115

Carga de emergencia corto tiempo

Corriente (por unidad) 2 1.8 1.5

Temperatura del punto caliente del devanado y partes metálicas en contacto con material de aislación

celulosita * 160 160

Temperatura de otros puntos calientes metálicos (en contacto con el aceite, papel de aramida, fibra de

vidrio)( ºC ) * 180 180

Temperatura máxima del aceite ( ºC ) * 115 115

NOTA: Los límites de corriente y temperatura no tienen por qué ser validos simultáneamente. La corriente puede estar limitada a un valor menor mostrado a fin de reunir una condición en la limitación de

temperatura. En cambio, la temperatura puede estar limitada a un valor menor que el mostrado a fin de encontrar una condición en la limitación de corriente.

Es de hacer notar que la temperatura de punto caliente está referida a las partes metálicas que están en contacto con la celulosa.

También se señala que sólo para casos muy extremos se acepta superar los 130°C 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 límite establecido para la corrosión por Azufre en los aceites. La liberación 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 práctico, 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 estabilzación previa de 140 min. La misma presenta los valores de K1 y K2 en la siguiente tabla 4.5.

K1 0.25 0.5 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 K2 0.7 0.001 0.004 0.02 33 38 45 0.8 0.001 0.004 0.02 0.07 38 43 51 55 0.9 0.001 0.004 0.03 0.07 0.25 43 49 56 61 66 1.0 0.001 0.004 0.03 0.08 0.26 1.00 49 55 62 67 72 76 1.1 0.001 0.01 0.03 0.08 0.27 1.04 4.48 56 61 68 73 78 84 91 1.2 0.002 0.01 0.03 0.09 0.29 1.09 4.66 22.6 62 68 75 80 85 91 98 105 1.3 0.004 0.01 0.04 0.11 0.33 1.19 4.94 23.6 128.9 69 75 82 87 92 98 105 112 120 1.4 0.01 0.02 0.06 0.14 0.40 1.36 5.43 25.2 135.0 827.1 77 82 90 94 100 106 112 119 127 136 1.5 0.01 0.03 0.10 0.21 0.55 1.71 6.34 28.0 144.9 868.7 5 975 85 90 97 102 107 113 120 127 135 144 153 1.6 0.03 0.06 0.18 0.37 0.87 2.44 8.19 33.3 162.7 938.3 6 297 93 98 105 110 115 121 128 135 143 152 161 1.7 0.07 0.15 0.40 0.76 1.64 4.12 12.3 44.6 198.0 1 067 X 101 107 114 119 124 130 137 144 152 161 X 1.8 0.18 0.37 0.94 1.73 3.55 8.24 22.1 70.5 275.2 X X 110 115 123 127 133 139 145 153 161 X X 1.9 0.48 0.95 2.39 4.32 8.58 18.9 47 134.7 X X X 119 125 132 137 142 148 154 162 X X X 2.0 1.34 2.61 6.45 11.5 22.5 48.1 X X X X X 129 134 141 146 151 157 X X X X X

Refrigeración tipo OF,θa = 20 ºC

Pre carga K1 , carga K2 duración 30 min., carga K1 duración 1 410 min.

NOTA: Los valores estilo italiano de la Tabla E2 presenta el resultado del cálculo, desestimando los límites de la Tabla 4.4

Estos datos también 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 básica del problema, analizamos de que la Constante de Tiempo Térmica 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 lógico suponer, el papel que se encuentra en contacto con el cobre tendrá el mayor gradiente térmico, ya que el líquido refrigerante circula por las capas periféricas de papel, que forma aislante sólido, tardará mayor tiempo en comenzar a circular el aceite evacuar al calor.

La hipótesis de que el funcionamiento OFAF1, ya que la circulación forzada del aceite puede ser tardía, porque ante un salto de carga de 55 a 90 MVA el sistema de automatismo de arranque que se efectuaba a través del relé de Imagen Térmica reaccionaría con la constante de tiempo térmica de la máquina entre 2,30 hs. a 3 hs. con gradiente inicial de 0,4º C/minuto, pero creciendo en el cobre en el interior del bobinado a razón de 3º C/minuto.

T EM PERAT URAS SALT O DE CARGA

0 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0 12 0 14 0 16 0 18 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 2 1 10 min T EM P ACEI T E T EM P M AX COBRE

Surge que en la sobrecarga térmica transitoria, cada escalón de carga puede llegar a valores superiores a los especificados por las normas de diseño, todo esto debido al retardo en el cambio de régimen de refrigeración.

Se puede estimar que las secuelas de estos calentamientos puntuales, pueden dar origen a la ocurrencia de fallas térmicas o a la formación de productos contaminantes por exceder los valores máximos de temperaturas, especificados para el aceite o el papel.

4.8 "Monitoreo de la temperatura"

El seguimiento de las temperaturas de operación puede permitir en algunos casos detectar la ocurrencia de situaciones anormales dentro del transformador.

Analizado los registros de las temperaturas internas del transformador θo / θh y la temperatura ambiente θa, se podría determinar si existe una mayor generación de calor, producto de alguna anormalidad en el sistema de refrigeración.

Si la temperatura excede 5ºC del valor medido bajo las mismas condiciones de carga, excitación 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 Refrigeración.

Los Bobinados y las Conexiones El Circuito Magnético.

5.- INCIDENCIA DE LAS “SOBRETENSIONES" EN LA DEGRADACIÓN DE LA AISLACIÓN

Analizamos dos tipos básicos de sobretensiones, según sea su valor absoluto del pico máximo y la duración de la misma, tal como se presentan en la práctica.

5.1.-Sobretensiones de cresta valor. 1,5 a 2,8 pu y corta duración

Este tipo de sobretensiones, por lo general, son de origen atmosférico o de maniobra; las mismas son controladas por los descargadores de sobretensión que se instalan según el B.I.L. o S.I.L. de la máquina, pero, como su aparición es estadística, a veces llegan al interior del transformador restos de la onda de sobretensión, cuya magnitud es muy difícil evaluar, y aún más dificultoso es cuantificar sus efectos en el acortamiento de la vida útil.

Se pueden contar los eventos para estudiar su ocurrencia, pero es difícil relacionarlos con los efectos que se puedan detectar con posterioridad, no obstante, podremos detectar por métodos indirectos si existieron descargas internas de carácter eléctrico, si éstas afectaron la aislación sólida, y si permitirán continuar con la máquina en funcionamiento.

Puede ocurrir que la sobretensión transitoria encienda una descarga parcial que luego no se autoextinga a la tensión de servicio, lo cual será peligroso al cabo de un tiempo. Un método bueno para conocer si existieron descargas internas de tipo transitorio, es mediante análisis de los gases disueltos en el aceite (GDA), Ej.: los hidrocarburos no saturados, como el H2C2 formados por descomposición del aceite con altos niveles de energía (ver análisis cromatográfico).

Otro método para detectar existencia de alguna descarga interna en la masa de la aislación sólida sería verificar el aumento del nivel de las Descargas Parciales a la tensión de servicio, pero este método está 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 tensión de servicio.

En definitiva, se puede detectar la ocurrencia de estas descargas internas y la evolución de las mismas como para vincularlos matemáticamente a la ecuación del consumo de vida, pero es indiscutiblemente un vector a historiar e integrar, ponderándo el fenómeno en forma empírica o correlacionándolo con otros sucesos en la vida del transformador.

5.2 Sobretensiones bajo valor 1,05 a 1,3 pu de la tensión de servicio

Este tipo de sobretensión, por lo general, afecta solamente a la parte sólida de la aislación que es el papel, produciendo un aumento en las descargas parciales (DP) y su duración puede ser prolongada según la situación operativa de la máquina.

La aparición por períodos prolongados de DP, llevará a una destrucción de carácter electrotérmico y para evaluar el consumo de vida se puede proceder de manera similar a

la que se utiliza para la sobrecarga de corriente, con la ligera diferencia que la generación de calor no tiene lugar en el cobre, sino en algunos puntos del aislante sólido, radicando allí la dificultad para la medición del aumento de temperatura .

Sobre la base de los trabajos que lleva a cabo el Grupo Nº 12 de la Cigré, a fin de analizar la relación Tensión-Tiempo para el 50% de probabilidad de la iniciación de las descargas parciales, se puede establecer la correlación con el aumento de la velocidad del consumo de vida. Cv.

De estos trabajos se obtuvo una gráfica tensión-tiempo que es una recta de pendiente γ (gama) en escala doble logarítmica, y en su formulación matemática resulta:

U = Cv 5.2.a.

t γ

Gráfica Tensión-Tiempo para el 50% de probabilidades de aparición de D.P.

La práctica indica que para distintas probabilidades de aparición de D.P. surge una

familia de curvas paralelas.

Para determinar el exponente se utiliza la expresión matemática. γ = ln (U₁/U₂)

ln (t₂/t₁)

V = ( Ut ) 1/ γ

(Unmáx )

Unmax = Tensión máxima de Diseño rms

Los distintos investigadores han adoptado para diversos países coeficientes distintos que van desde 0,019 hasta 0,059, promediando la mayoría alrededor de 0,03 para la probabilidad del 50% de la aparición de D.P.

kV 60 40 30 20 10 0,1 1 10 100 1000 horas Unmax U(t)

Si consideramos que la máquina está diseñada para funcionar durante toda su vida útil un tiempo relativo (tr) a la Tensión Nominal Máxima U(tr), la que tomamos como tensión relativa; se puede presuponer que habría un consumo de vida mayor al previsto, si se opera un tiempo (t) con tensiones U(t) superiores a la Tensión Relativa U(tr), que es igual a la Tensión Máxima Nominal.

De la ecuación 5.2. aplicando este concepto, vemos: t/tr _{= (U(t) /U(tr)}) - 1/ γ

Donde:

U (tr): es la Tensión Máxima Nominal = Unmax U (t): tensión aplicada durante un tiempo (t) tr: tiempo relativo o vida útil de diseño 5.3.-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 tensión máxima de servicio, podemos obtener la función velocidad de consumo de vida V, queda:

velocidad consumo de vida a U(t)

V (U) = --- 5.3.a.

velocidad consumo de vida a U _nmáx Para integrar el consumo a lo largo de un período de tiempo dado t,

t

C_V =

∫

Para distintos tiempos y tensiones, podemos integrar

A A

Cv =

∫

∫

5.4.- Cuadro comparativo

Sobre la base de una sobretensión U, aplicado en forma permanente podemos ver el consumo de vida para cada nivel de sobretensión 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 δ = 0,03 para sobretensiones/superiores de Un máx = 1,05 Vm

pu Cv años D 1,05 25 1 1,06 18 1,37 1,07 13.3 1,88 1,08 9.7 2,56 1,09 7 3,57 1,1 5.25 4,76 1,15 1.2 25 1.2 0.275 90

Sobretensión por unidad (pu) = U

Un max

D = Deterioro relativo D = Cv Cvo

Cv = Consumo de la vida útil total o una tensión U dada > Unmax Cvo = vida útil o tensión nominal más Un máx.

6."SOLICITACIÓNES DURANTE LOS CORTO CIRCUITOS"

Este tipo de solicitación, debe ser enfocado bajo dos aspectos, uno es del punto de vista electrotérmico de los conductores, y el otro es del punto de vista de los esfuerzos electrodinámicos entre los arrollamientos.

6.1. Solicitación térmica

También se pueden investigar las secuelas de estos eventos en las conexiones interiores del aparato, ya que pueden aparecer problemas, y es conveniente su solución en forma preventiva

El análisis desde el punto de vista electrotérmico indica que el acortamiento de la vida de la aislación puede ser evaluado con las consideraciones vistas en 3.3., pero ponderándolo cuantitativamente en función de la duración de la solicitación, aunque por lo general, si las protecciones actúan en forma normal, en tiempo y forma, se pueden despreciar sus efectos, ya que en este caso los calentamientos que se producirán, serán inferiores a los que se pueden producir durante las sobrecargas.

6.2. Solicitaciónes mecánicas

Son las provocadas por los esfuerzos electrodinámicos, y serán un tanto mayores cuanto más elevadas sean las corrientes de cortocircuito.

El acortamiento de vida útil del transformador está vinculado, en este caso, a problemas en el acuñamiento de fijación o a la existencia de deformaciones permanentes de las espiras estos fnónos no son detectavbles por Análisis de Gases Disueltos .

La detección de estos problemas desde el exterior de la máquina, es muy dificultosa, y es aún más difícil evaluar los daños producidos, a fin de determinar el final de la vida útil residual o probabilidad de colapso de la aislación.

La mediciones posteriores, tales como las de, Relación de Transformación, Reactancia de Corto Circuito y el moderno método de la Respuesta en Frecuencia (FRA) aparecen como una posibilidad interesante para detectar si ha habido movimientos relativos entre las espiras, y entre éstas y los demás elementos fijos del interior del transformador. A partir de una variación de alrededor del 0,5% en la reactancia de corto circuito debe llamar la atención y ser estudiada con detenimiento y 1% en la impedancia del bobinado medida en BT.

En la homologación de diseño de una máquina, en el caso del ensayo de tipo de soportabilidad al corto circuito, el nivel de aceptacion de esta variación 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 sudamérica), debe realizarse una inspección al bobinado, para verificar que no ha habido deformaciones permanentes ni roturas.

Debe tenerse en cuenta también 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 electrodinámicos

Esta solicitación debe ser tenida muy en cuenta cuando se trata de máquinas conectadas a sistemas con grandes potencias de corto circuito, vemos que los esfuerzos electrodinámicos son función del cuadrado de la corriente y ésta será considerada en su valor máximo en el del transitorio.

F = K.I2

Veamos que los esfuerzos electrodinámicos 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

Las fuerzas con deformación radiales debido al campo axial

La fuerza axial debido al campo de flujomagnético radial

Los esfuerzos mecánicos 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 esté tenso bien-sujetado o soportado en si mismo • La permanencia en las dimensiones las bobinas

• La fijación de conexiones internas y accesorios

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 qué control o medición hacer para saber si las deformaciones de las bobinas han sido permanentes, veamos:

Medición de Reactancia de Corto Circuito

Este ensayo usualmente realizado durante la recepción de la máquina, puede ser utilizado para detectar veriaciones en los bobinados; en este caso, se deberá comparar la medición realizada al inicio del funcionamiento de la máquina, con una similar realizada en el lugar y en el momento que esta medición amerite ser ejecutada

Como dato indicativo recordemos que, esta medición es la que de usa en las pruebas de tipo para homologar los diseños en los sistemas de fijacion mecànica de las bobinas ante los esfuerzos electrodinámicos. La norma acepta una variaciòn 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 máxima. Pero este ensayo es solo practicable en los laboratorios especializados y son escasos en el mundo.

Mediciòn de la Funciòn de Transferencia en Frecuencias F.R.A

La mediciòn de la respuesta en frecuencia, como ensayo de campo y de laboratorio, se está enpezando a utilizar con gran desarrollo y evolución por parte de los especialistas. Es un ensayo que consiste en medir la función de transferencia de las distintas impedancias que presenta el transformador a lo largo de una gama contiínua de frecuencias, que van desde los 10 Hz a 10 MHz.. Si bien, la medición es simple, se debe realizar con gran precisión para que los registros tomados sobre una misma máquina puedan ser comparados a lo largo del tiempo.

Es importante poseer los registros realizados sobre la unidad recién instalada, para poder compararlos con mediciones realizadas luego de una falla externa a la máquina y verificar que no ha habido cambios por momentos de bobinas. También pueden detectarse otro tipo de alteraciones en el sistema de aislación de las primeras espiras de la máquina.

El circuito de medición

La mediciòn 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.

≈

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

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

I

A R

≈

R A

El fundamento del método

En las mediciones de este tipo, lo más importante es realizar un gráfico de Bode para un espectro contínuo 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 destribución de

inductancias en serie, con capacidades en paralelo a tierra y entre bobinados, cualquier alteracion geométrica dará por resultado una modificación en la

respuesta que se obtuvo en una.

medición anterior a una modificación Si da igual está todo bien.

Red de inductancia y capacidades distribuidas

El registro de la Respuesta en Frecuencia

La forma màs común 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.

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

6.8. La resistencia macánica y el grado de polimerización del papel

Como hemos visto en los capítulos anteriores, los diseñadores de transformadores han tomado para el cálculo de la vida útil de la máquina, la ponderación 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 aún más rápidamente con oxígeno y otros contaminantes que aceleren la ruptura de la molécula de celulosa, cuya fórmula es.

( C6 H10 O5 )n fugura con “n” anillos de como la fugura.

Estimativamente la molécula de celulosa del papel Kaft nuevo, utilizado de la fabricación, se considera que posee un grado de polimerización (GP) número de elementos de la cadena cercano a 1200-1400. Siendo hipotéticamente éste el valor máximo medio estadístico de la cadena de anillos que componen la fibra de celulosa en su origen.

El deterioro se produce inicialmente durante los procesos de fabricación, secado y deshidratación donde las temperaturas son a veces de 100ºC o más, y se inicia el deterioro del papel con redución del GP a valores cercanos a 900,.luego con el servicio el valor continúa descendiendo hasta un punto en que se definirá como fin de vida útil. Este valor entonces es muy discutido, empero un concepto aceptable define que el

50% del valor de salida de fábrica GP 400 sería totalmente aceptable, pero muchos

especialistas usan valores aún menores para este concepto de fin de vida útil, llegándose a encontrar GP de 300 y 200 en máquinas en operación.

Mecanismos de degradación de la celulosa

Veamos aqui los mecanismos que producen degradación de la celulosa, que es el principal constituyente de los materiales aislantes sólidos impregnados en aceite utilizados en equipos de alta tensión como son los transformadores e reactores.

Hidrólisis

El agua causa a ruptura de la cadena de monómeros, al afectar el átomo de oxigeno que hace a puente entre los anillos. Son formados dos grupos OH, cada cual anexado a un monómero. Como resultado de esto ocurre a reducción do grado de polimerización e o debilitamiento de la fibra de celulosa. Los especialistas formularon una regla simple para a degradación de la celulosa en función de cantidad de agua presente. Propusieron que una tasa de envejecimiento térmico de la celulosa es directamente proporcional a la cantidad de agua.

Así los resultados de los ensayos de envejecimiento térmico indican una tasa de degradación con un cierto contenido de agua, un equipamiento en operación con o doble de agua tendrá tasa de degradación térmica da aislación igual al doble de la tasa medida en el referido ensayo.

Oxidación

Los átomos de carbono de la molécula de celulosa son atacados por el oxigeno, formando aldeídos e ácidos.

Consecuentemente, la unión entre los anillos quedará reducida, bajando el grado de polimerización. Se libera agua, monóxido de carbono y dióxido de carbono. El agua liberada por este proceso contribuirá también al proceso de hidrólisis mencionado, apenas la

celulosa es atacada directamente por el oxigeno,

Además también o aceite sufre oxidación, produciendo ácidos, esteres y otras substancias que van a atacar el propio aceite, generando más productos de oxidación. estas substancias atacan también a celulosa, degradándola.

El efecto del oxigeno la tasa de degradación de la celulosa fue investigando por varios especialistas, el procedimiento mas común es comparando los resultados de tasas de envejecimiento con probetas de aislación selladas sin la presencia de oxigeno, con las tasas de probetas expuestas a la atmósfera, como en un transformador sin sistema de preservación de aceite. Algunos de los investigadores de este fenómeno Fabre e Lampe, que encontraron factores de aceleración de la degradación 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.

Pirólisis

El calor en extremo lleva a la carbonización das fibras de celulosa, y el calor en niveles moderados, como normalmente ocurre en transformadores, causa la rotura de los monómeros individuales la cadena de celulosa, formando un residuo sólido e liberando monóxido de carbono, dióxido de carbono y agua.

Como no podía ser diferente, el grado de polimerización se reduce, y por tanto disminuyen características de resistencia mecánica 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 ocurrirá la mayor degradación. Se realizó en nuestro Laboratorio la experiencia de la evolución de una serie de muestras de papel sumergidas en aceite y sometidas a envejecimiento acelerado de 4 semanas, 672 horas y realizando luego la medición del GP y su Resistencia a la

Tracción.

Las muestras del papel eran dos tipos Kraft Común y Mejorado Térmicamente. siendo sometidas a 120°C con las probetas de los aceites en distinta situación; una sin contenido de agua ni aire, otra sin agua y la última sin aire Los valores promedio que se obtubieron se muesatran en la siguiente tabla 6.8 .

ENVEJECIMIENTO ACELERADO DE PAPEL Y RESISTENCIA A LA TRACCIÓN

Horas de Aplicación a 120°C 0 168 336 504 672

Polimerización(GP) IEC 450 1150 535 371 317 304

Papel Kraft kN/m 7.70 4.33 2.38 1.94 1.83

Papel Mejorado kN/m 12.65 8.8 7.59 7.15 6.49

Globalmente se apreció que el GP se reduce inicialmente enforma rápida hasta

26%también lo hace la resistencia a la tracción del papel Kraft común hasta el

23%,.pero para el caso del Mejorado Termicamente que parte de valores superiores la