Proyecto Final. Modelado de la Respuesta en Frecuencia de Transformadores de Potencia Tipo Seco Para Diagnóstico de Fallas

(1)

Presentación Transformadores de Excitación Positiva de la Itaipu Análisis de Respuesta en Frecuencia (FRA) Modelado de Transformadores Orientado a FRA El Método de Pleite Modelado de los Transformadores de la Itaipu Criterios de Interpretación Aplicación Informática Conslusiones y Sugerencias

Ingenier´ıa Electromecánica con Orientación Electrónica

Proyecto Final

Modelado de la Respuesta en Frecuencia de

Transformadores de Potencia Tipo Seco Para

Diagn´

ostico de Fallas

Autores:

Pablo Antu˜

na

Osmar Qui˜

nonez

Asesor:

Ing. Armando Ortiz, M.Sc.

Hernandarias - Paraguay Marzo de 2014

(2)

Presentaci´

on

El objetivo del mantenimiento preventivo de los

transformadores de potencia es aumentar la confiabilidad

(reliability) del sistema al cual pertenecen y alargar la vida

´

util de los equipos.

Ensayos convencionales

realizados en la Itaipu

Binacional:

I

Resistencia de

aislaci´

on

I

Resistencia ´

ohmica

I

Relaci´

on de

transformaci´

on

(3)

Presentaci´

on

Hoy se sabe que estas pruebas pueden no ser suficientes para

detectar fallas. Evidencia de esto es la falla del

transformador TEP 18A - fase C, en el a˜

no 2012, en donde

un cortocircuito en el devanado del secundario ocasion´

o la

salida de operaci´

on del transformador.

El

ensayo

FRA

(Frequency

Res-ponse

Analysis)

surge como una

alternativa

para

conseguir

un

diagn´

ostico

m´

as

confiable.

(4)

Presentaci´

on

Ventajas:

I

Sensibilidad

I

Repetibilidad

Desventajas:

I

Falta de normativas

I

Interpretaci´

on

(5)

Presentaci´

on

Ventajas:

I

Sensibilidad

I

Repetibilidad

Desventajas:

I

Falta de normativas

I

Interpretaci´

on

La dificultad de la interpretaci´

on proviene del hecho que el

diagn´

ostico se realiza comparando dos curvas.

(6)

Presentaci´

on

Ventajas:

I

Sensibilidad

I

Repetibilidad

Desventajas:

I

Falta de normativas

I

Interpretaci´

on

La dificultad de la interpretaci´

on proviene del hecho que el

diagn´

ostico se realiza comparando dos curvas.

La opini´

on del

res-ponsable de

inter-pretar

los

ensa-yos puede

carecer

de objetividad y

transparencia.

(7)

Presentaci´

on

La comunidad cient´ıfica ha planteado varias posibles

soluciones a esta desventaja del ensayo FRA.

En el presente proyecto se implementa una de las

alternativas:

El modelado de la respuesta en frecuencia del transformador

bajo estudio.

Ensayo FRA en Estado de Referencia Ensayo FRA en Estado de Evaluación Obtención del Modelo en Estado de Referencia Obtención del Modelo en Estado de Evaluación Comparación de Par´ ame-tros de los Modelos Diagnóstico

(8)

Contenido

Transformadores de Excitaci´

on Positiva de la Itaipu

An´

alisis de Respuesta en Frecuencia (FRA)

Modelado de Transformadores Orientado a FRA

El M´

etodo de Pleite

Modelado de los Transformadores de la Itaipu

Criterios de Interpretaci´

on

Aplicaci´

on Inform´

atica

Conslusiones y Sugerencias

(9)

Transformadores de Excitaci´

on Positiva de la

Itaipu

Los Transformadores de Excitaci´

on Positiva (TEPs) de la

Itaipu Binacional son transformadores tipo seco que

alimentan al sistema de excitaci´

on de las unidades

generadoras.

Este tipo de transformadores normalmente requiere poco

manteniemiento, pero debido a su avanzada edad se ha

comenzado a prestar una mayor atenci´

on al estado de ´

estos.

(10)

An´

alisis de Respuesta en Frecuencia (FRA)

El An´

alisis de Respuesta en Frecuencia (FRA) es una t´

ecnica

usada para diagnosticar el estado de transformadores. Es

capaz de detectar:

I

Movimientos de los devanados.

I

Deslizamiento de las bobinas.

I

Envejecimiento de la aislaci´

on.

I

Cortocircuito entre espiras.

(11)

An´

alisis de Respuesta en Frecuencia (FRA)

El An´

alisis de Respuesta en Frecuencia (FRA) es una t´

ecnica

usada para diagnosticar el estado de transformadores. Es

capaz de detectar:

I

Movimientos de los devanados.

I

Deslizamiento de las bobinas.

I

Envejecimiento de la aislaci´

on.

I

Cortocircuito entre espiras.

⇒

Falla m´

as com´

un en

los TEPs.

(12)

An´

alisis de Respuesta en Frecuencia (FRA)

Consiste b´

asicamete en la inyecci´

on de un voltaje sinusoidal

a diferentes frecuencias en las terminales de un devanado del

transformador. Se mide la amplitud y fase en otras

terminales, y se grafican los resultados en funci´

on de la

frecuencia.

Es decir, se obtiene la funci´

on de transferencia (FT) del

equipo en el dominio de la frecuencia.

(13)

(14)

An´

alisis de Respuesta en Frecuencia (FRA)

Pruebas Comparativas

El ensayo FRA es un ensayo de tipo comparativo, la prueba

realizada debe compararse con un ensayo realizado

anteriormente. Desviaciones en la curva indican posibles

fallas.

I

Bajas Frecuencias (f

<

5 kHz)

: deformaci´

on del

n´

ucleo, circuitos

abiertos, espiras en corto

y magnetismo o

corrientes residuales.

I

Medias Frecuencias 10

kHz

<

f

<

600 kHz

:

movimientos del

devanado, cortocircuito

entre espiras.

I

Altas Frecuencias f

>

750 kHz

: conexiones

internas del cables o el

aterramiento.

(15)

An´

alisis de Respuesta en Frecuencia (FRA)

Configuraciones

(16)

An´

alisis de Respuesta en Frecuencia (FRA)

Configuraciones

(17)

An´

alisis de Respuesta en Frecuencia (FRA)

Configuraciones

3. Inductancia entre Devanados

:

no se utiliz´

o.

(18)

(19)

Modelado de Transformadores Orientado a FRA

Las estrategias de modelado orientadas al FRA deben

cumplir con los siguientes requisitos:

I

Ajuste de la respuesta en frecuencia medida.

(20)

El M´

etodo de Pleite

El m´

etodo de Pleite constituye un ejemplo de modelo

param´

etrico, y consiste de un circuito el´

ectrico compuesto de

elementos resistivos, inductivos y capacitivos.

La utilizaci´

on de esta topolog´ıa de circuito el´

ectrico se basa

en la observaci´

on de que la respuesta en frecuencia de un

transformador es similar a la de un circuito de este tipo.

(21)

El M´

etodo de Pleite

(a)

Circuito de dos celdas

(b)

Respuesta del circuito

(a)

Transformador

(22)

El M´

etodo de Pleite

Los par´

ametros del modelo son los valores de

R,

L

y

C

de

cada celda.

I

R: disipaci´

on de energ´ıa

I

L: efectos en el campo magn´

etico

(23)

El M´

etodo de Pleite

En cada frecuencia solo una de las celdas es la predominante

en la respuesta en frecuencia:

(24)

El M´

etodo de Pleite

C´

alculo de los Par´

ametros

El objetivo es obtener par´

ametros

R,

L

y

C

para cada celda

de manera que la respuesta del circuito sea lo m´

as cercana

posible a la respuesta del transformador.

El procedimiento de c´

alculo consiste en la minimizaci´

on de

una funci´

on error.

Los valores de los par´

ametros

R,

L

y

C

que minimizan la

funci´

on error pueden ser encontrados derivando la funci´

on

error respecto a cada una de las variables e igualando las

derivadas a cero.

(25)

El M´

etodo de Pleite

Procedimiento Pr´

actico de C´

alculo

1. Conversi´

on a Impedancia.

2. Selecci´

on de Anchos de Banda.

3. Procedimiento Iterativo.

(26)

El M´

etodo de Pleite

El M´

etodo de C´

alculo Directo

El m´

etodo original de Pleite present´

o problemas en ciertos

casos:

1. Convergencia:

2. Soluciones sin significado f´ısico:

valores de

R

,

L

o

C

negativos.

(27)

El M´

etodo de Pleite

El M´

etodo de C´

alculo Directo

Para solucionar estos problemas, se desarroll´

o en el presente

proyecto un m´

etodo alternativo de c´

alculo de par´

ametros.

El m´

etodo se basa en fijar de antemano la frecuencia de

resonancia y el valor de la resistencia

R, a partir de las

mediciones.

(28)

El M´

etodo de Pleite

El M´

etodo de C´

alculo Directo

Fijando estos datos, se modifica la funci´

on error

E

.

L

=

1 ω

2 r

C

(1)

E

se convierte en una funci´

on de solo una variable,

C

.

Aplicando los m´

etodos conocidos del c´

alculo diferencial, se

encuentra que el m´ınimo de la funci´

on

E

corresponde a un

valor de

C

dado por:

C

=

m

P

i

=1

B

R

(

ω

i

)

ω

i

−

ω

r

2 m

P

i

=1

B

R

(

ω

i

)

ω

i

m

P

i

=1

ω

_i

2 +

ω

4 r

m

P

i

=1

1 ω

2 _i

−

2 ω

2 r

m

(2)

(29)

Modelado de los Transformadores de la Itaipu

Se presentan los datos del Transformador de Excitaci´

on

Positiva (TEP) bajo estudio.

Marca: TRASFOR Potencia: 3570 kVA

Impedancia de corto: 6.86 % Tensi´on nominal: 10329 (±2×2.5 %)V/1850V Frecuencia: 60 Hz Conexi´on: Y-∆

Standard: IEC 76/726 Clase de aislaci´on: F Fabricaci´on: 2003

Descripci´on: monof´asico, seco encapsulado en vac´ıo

A continuaci´

on se muestran los resultados del modelado de

la respuesta en frecuencia del transformador en distintas

configuraciones.

(30)

Modelado de los Transformadores de la Itaipu

(31)

Modelado de los Transformadores de la Itaipu

(32)

Modelado de los Transformadores de la Itaipu

Bobina de Baja Tensi´

on, Configuraci´

on Abierto

Celda 1

Celda 2

Rango:

9700-97000 Hz

Rango:

140000-204000 Hz

R

1 :

708.606 Ω

R

2 :

481.747 Ω

L

1 :

0.682 mH

L

2 :

36.881 µ

H

C

1 :

32.443 nF

C

2 :

17.170 nF

ERP:

17.92 %

(33)

Modelado de los Transformadores de la Itaipu

(34)

Modelado de los Transformadores de la Itaipu

(35)

Modelado de los Transformadores de la Itaipu

Bobina de Baja Tensi´

on, Configuraci´

on Cortocircuito

Celda 1

Celda 2

Rango:

15000-220000 Hz

Rango:

250000-1068000 Hz

R

1 :

1769.077 Ω

R

2 : 327.517 Ω

L

1 : 35.168

µ

H

L

2 : 43.684

µ

H

C

1 : 16.328 nF

C

2 : 0.532 nF

ERP:

29.6 %

M´

etodo de C´

alculo:

Directo

El error obtenido en esta configuraci´

on es mucho

mayor.

De ahora en adelante mostraremos exclusivamente

los resultados en la configuraci´

on abierto.

(36)

Modelado de los Transformadores de la Itaipu

(37)

Modelado de los Transformadores de la Itaipu

(38)

Modelado de los Transformadores de la Itaipu

Bobina de Alta Tensi´

on, Configuraci´

on Abierto

Celda 1

Celda 2

Rango:

37000-84000 Hz

Rango:

97000-114000 Hz

R

1 : 127.411 kΩ

R

2 : 178.153 kΩ

L

1 : 81.898 mH

L

2 : 24.340 mH

C

1 : 74.411 pF

C

2 : 84.837 pF

ERP:

15.03 %

(39)

Modelado de los Transformadores de la Itaipu

Conclusiones del Modelado

I

El modelo es v´

alido hasta una frecuencia de alrededor

de 220 kHz.

I

La respuesta en frecuencia de este transformador es

caracterizada por dos picos de resonancia.

I

Los mejores resultados de modelado se dan en la

configuraci´

on abierto.

I

El m´

etodo de c´

alculo de par´

ametros que result´

o en la

obtenci´

on de modelos m´

as precisos fue el directo.

I

Las resistencias e inductancias son mayores en la bobina

(40)

Criterios de Interpretaci´

on

Simulaci´

on de Cortocircuitos Entre Espiras

A fin de realizar una comparaci´

on de modelos en estado de

referencia y en estado de evaluaci´

on, se simularon

cortocircuitos entre espiras.

Las fallas son simuladas cortocircuitando diferentes TAP’s

del devanado de alta tensi´

on.

(41)

Criterios de Interpretaci´

on

Simulaci´

on de Cortocircuitos Entre Espiras

A continuaci´

on se muestran los resultados de las mediciones

(42)

Criterios de Interpretaci´

on

Simulaci´

on de Cortocircuitos Entre Espiras

Resultado de las mediciones, devanado de alta tensi´

on,

configuraci´

on abierto:

(43)

Criterios de Interpretaci´

on

Simulaci´

on de Cortocircuitos Entre Espiras

Modelado en estado de referencia, devanado de alta tensi´

on,

(44)

Criterios de Interpretaci´

on

Simulaci´

on de Cortocircuitos Entre Espiras

Modelado con la primera falla, devanado de alta tensi´

on,

configuraci´

on abierto.

(45)

Criterios de Interpretaci´

on

Simulaci´

on de Cortocircuitos Entre Espiras

Modelado con la segunda falla, devanado de alta tensi´

on,

(46)

Criterios de Interpretaci´

on

Simulaci´

on de Cortocircuitos Entre Espiras

Resumen de los resultados del modelado del devanado de

alta tensi´

on.

Referencia

Primera falla

Variaci´

on

Segunda falla

Variaci´

on

R

1

126.384 kΩ

37.654 kΩ

-70.21 %

60.092 kΩ

-52.45 %

L

1

98.967 mH

20.445 mH

-79.34 %

13.610 mH

-86.25 %

C

1

61.107 pF

100.230 pF

64.02 %

129.140 pF

111.33 %

R

2

174.550 kΩ

-

184.109 kΩ

5.48 %

L

2

9.269 mH

-

3.561 mH

-61.58 %

C

2

222.760 pF

-

313.800 pF

40.87 %

(47)

Criterios de Interpretaci´

on

Patrones de Variaci´

on

I

Disminuci´

on de L.

I

Aumento de C.

(48)

Criterios de Interpretaci´

on

Patrones de Variaci´

on

Debido a que es en el devanado de alta tensi´

on donde se

producen los cortocircuitos simulados, es natural que

disminuya la inductancia, ya que la corriente circula por una

cantidad menor de espiras.

Ya fue observado en la literatura que la disminuci´

on de

inductancias en el devanado de un transformador

(49)

Criterios de Interpretaci´

on

Conclusiones del Modelado

I

Un cortocircuito entre espiras genera un patr´

on de

variaci´

on en los par´

ametros del devanado en donde se

produce el cortocircuito. El patr´

on de variaci´

on consiste

en una disminuci´

on de las inductancias y un aumento

de las capacitancias.

I

La presencia o no de este patr´

on se puede utilizar como

criterio de interpretaci´

on de ensayos FRA.

Espec´ıficamente, este criterio ayudar´ıa a detectar

(54)

Criterios de Interpretaci´

on

Correlaci´

on Entre Severidad de Fallas y Variaci´

on de Par´

ametros

Estado

Cortocircuito

∆

L

1

∆

C

1

Referencia

0 %

Primera Falla

2.09 %

-79.34 %

64.02 %

Segunda Falla

4.59 %

-86.25 %

111.33 %

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 0 20 40 60 80 100 120

V a riaci´ on del P a r´ametro C1 ( %)

(55)

Criterios de Interpretaci´

on

Correlaci´

on Entre Severidad de Fallas y Variaci´

on de Par´

ametros

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 −100 −50 0 50 100 150

V a riaci´ on de P a r´ametros ( %)

Devanado de Alta Tensi´on

L1 C1 L2 C2

(56)

Aplicaci´

on Inform´

atica

El objetivo buscado con la aplicaci´

on es facilitar la utilizaci´

on

del modelado de la respuesta en frecuencia.

I

Importaci´

on de datos de ensayos.

I

Graficado de hasta dos respuestas en frecuencia.

I

S´ıntesis autom´

atica del modelo.

I

Comparaci´

on de la respuesta medida y la respuesta del

modelo.

I

Simulaci´

on de cortocircuitos entre espiras de distintas

severidades.

I

Exportaci´

on de todas las curvas, tanto medidas como

de modelos, a un formato est´

andar utilizado por los

softwares proveidos por fabricantes de instrumentos.

(57)

Aplicaci´

on Inform´

atica

Herramientas Utilizadas

La aplicaci´

on fue desarrolla completamente en el lenguaje

Java.

Adem´

as de la Java Class Library, la cual contiene las clases

est´

andar de Java, fueron utilizadas otras librer´ıas para la

implementaci´

on de ciertas funciones.

I

JFreeChart:

elaboraci´

on de gr´

aficos.

I

OpenCsv:

importaci´

on y exportaci´

on de archivos de

texto.

(58)

Aplicaci´

on Inform´

atica

(59)

Conclusiones

I

Modelado de la respuesta en frecuencia de

transformadores de potencia del tipo seco.

Son

escasos los trabajos que se enfoquen en este tipo de

transformadores. Los resultados del modelado obtenidos

en este proyecto pueden servir de referencia para

trabajos futuros.

I

Deducci´

on de criterios de interpretaci´

on para el

ensayo FRA.

Se llega a una correlaci´

on cuantitativa

entre la gravedad de un cortocircuito entre espiras y la

variaci´

on de ciertos par´

ametros del modelo. El patr´

on de

variaci´

on de par´

ametros obtenidos podr´

a ser utilizado

como criterio de interpretaci´

on de ensayos futuros.

(60)

Conclusiones

I

Desarrollo e implementaci´

on de un nuevo m´

etodo

de c´

alculo de par´

ametros del modelo de Pleite.

El

m´

etodo iterativo para el c´

alculo de par´

ametros en

ciertos casos no ofrece resultados satisfactorios. Para

resolver esta situaci´

on, en el presente trabajo se

desarroll´

o un m´

etodo alternativo de c´

alculo de

par´

ametros.

I

Desarrollo de una aplicaci´

on inform´

atica para el

modelado de la respuesta en frecuencia de

transformadores.

La aplicaci´

on es compatible con los

formatos utilizados por los fabricantes de instrumentos,

lo cual facilita y acelera la tarea de modelado de la

respuesta. Adem´

as, la aplicaci´

on tiene la capacidad de

simular cortocircuitos entre espiras.

(61)

Conclusiones

Sugerencias Para Trabajos Futuros

Existen muchos desarrollos que enriquecer´ıan enormemente

las ventajas de la metodolog´ıa desarrollada en el presente

proyecto.

I

Desarrollo de un m´

etodo iterativo que utilice el m´

etodo

directo presentado en este proyecto.

I

Constataci´

on experimental de las curvas que relacionan

el porcentaje de espiras cortocircuitadas y la variaci´

on

de los par´

ametros.

I

Utilizaci´

on de m´

as que dos celdas para el modelado de

la respuesta en frecuencia.

(62)

Conclusiones

Sugerencias Para Trabajos Futuros

I

Aplicaci´

on de la metodolog´ıa de modelado presentada

para el diagn´

ostico de transformadores en aceite, tanto

transformadores de potencia como transformadores de

distribuci´

on.

(63)

Gracias por la atenci´

on!