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NUEVAS TECNOLOGÍAS DE EVALUACIÓN DE LA CONDICIÓN DE TRANSFORMADORES DE
POTENCIA
Buenos Aires
Argentina
3 de Octubre - 2012
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Mañana� Conceptos básicos de los Transformadores
� Pruebas Eléctricas Regulares
� Pruebas Eléctricas Especiales I: Pruebas de Factor d e Potencia / Disipación
� Pruebas Eléctricas Especiales II: FDS - Espectroscopia en elDominio de Frecuencia
ESTRUCTURA DEL SEMINARIO
Dominio de Frecuencia
� Pruebas Eléctricas Especiales III: SFRA - Análisis de la Respuesta de Barrido de Frecuencia
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Seminario Buenos Aires - Octubre 2012
Tarde
� Ensayo de Factor de Potencia / Disipación
� Ensayo de Análisis de Respuesta en Frecuencia
Conceptos Básicos de los
NUEVAS TECNOLOGÍAS DE EVALUACIÓN DE LA CONDICIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
Conceptos Básicos de los Transformadores
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Contenido:
➽ Seguridad
➽ Aplicación
➽ Características básicas
➽ Teoría elemental
➽ Características de diseño
➽ Consideraciones finales
Conceptos Básicos de los Transformadores
➽ Consideraciones finales
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(Source: Waukesha)
Seguridad (I)
Conceptos Básicos de los Transformadores
¡¡ Seguridad Ante Todo !!
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Seguridad (II)
Conceptos Básicos de los Transformadores
¡¡ Seguridad Ante Todo !!Emplear SIEMPRE los elementos de protección adecuados
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Seguridad (III)
Conceptos Básicos de los Transformadores
1) Inspección Visual
• Cables sin aislamiento• Verificar si existen deformaciones en el tanque• Verificar el estado de los instrumentos de medición/protección• Verificar los conexionados a tierra
2) Asegurarse de conocer los elementos que están energizados
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2) Asegurarse de conocer los elementos que están energizados
3) Verificar la proximidad hacia líneas energizadas
• Pueden inducir energía en equipos fuera de servicio4) Verificar y delimitar el área de pruebas
5) ¡NUNCA DEJE DE ESTAR ATENTO!
Seguridad (IV)
Conceptos Básicos de los Transformadores
National Fire Protection Association - 70E: Electrical Safe Work Practices
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Aplicación (I)
Conceptos Básicos de los Transformadores
� Los generadores producen cantidades variables de energía.Normalmente las estaciones de generación se encuentran a grandesdistancias de los centros de carga final.
� Los transformadores intervienen de una manera efectiva en eltransporte de energía en largas distancias con mínimas pérdidas:
• Elevación de las tensiones de generación
• Líneas de Transmisión de AT transportando energía a grandes
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• Líneas de Transmisión de AT transportando energía a grandes distancias
• Alta Tensión � Baja Corriente = “pérdidas bajas” (i2·r)
� Los transformadores también se emplean en los sistemas dedistribución, reduciendo la tensión a niveles adecuados para las cargas.
Los Transformadores son elementos clave en la estructura de los SisPot.
Aplicación (II)
Conceptos Básicos de los Transformadores
Líneas de Transmisión
AT
AT a MT Transformador
BT y AT TransformadorGeneración Eléctrica
Cargas de Potencia Eléctrica
MT a BT + Líneas de
DistribuciónLíneas de
Distribución MT
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Transformadores
Aplicación (III)
Conceptos Básicos de los Transformadores
El transformador es el equipo mas importante en la EstaciónTransformadora. Los equipos restantes son para Control; Medicióny Protección
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Características Básicas (I)
Conceptos Básicos de los Transformadores
Tipos de Transformadores
� Transformadores de Plantas Generadoras
� Transformadores de Sistemas de Transmisión
� Transformadores Auxiliares
� Transformadores de Arranque
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� Transformadores de Arranque
� Transformadores de Sistemas de Distribución
� Transformadores especiales: Hornos a arco, rectificadores, etc.
Características Básicas (II)
Conceptos Básicos de los Transformadores
Tipos constructivos:
� Dos devanados
� Tres Devanados
� Autotransformador
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• Con terciario inmerso (no accesible)• Con terciario disponible: Servicios Auxiliares. Distribución
Características Básicas (III)
Conceptos Básicos de los Transformadores
Parámetros a especificar (a):
� Potencia MVA: para cada devanado y cada etapa deenfriamiento.
� Sistema de Enfriamiento: ONAN/ONAF, etc.
� Temperatura de Incremento: 65ºC., 55ºC.
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� Número de Fases (monofásico o trifásico).
� Frecuencia del Sistema: 50 o 60 Hz.
� Tensiones nominales de todos los devanados (fase – fase) yrangos de tensiones de operación.
Características Básicas (IV)
Conceptos Básicos de los Transformadores
Parámetros a especificar (b):
� Configuración de Devanados: ∆, Υ, zig-zag
� BIL: Basic Impulse Level
� Tomas:
• DETC ± 2 @ 2.5%
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• DETC ± 2 @ 2.5%• LTC ±10% en 16 etapas cada una de 5/8 %
� Impedancia de CC
Características Básicas (V)
Conceptos Básicos de los Transformadores
Niveles de tensión:
� Generación
• 10 a 34.5kV
� Transmisión
• 1000 kV, 765kV, 500kV, 345kV, 230kV, 138kV, 124kV, 69kV
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• 1000 kV, 765kV, 500kV, 345kV, 230kV, 138kV, 124kV, 69kV
� Distribución / Industrial
• 69kV, 34.5kV, 28kV, 24kV, 13.2kV, 11kV, 7.6kV, 4.16kV, 0.480 kV
� Residencial
• 0.240 kV, 0.120 kV
Características Básicas (VI)
Conceptos Básicos de los Transformadores
Tipos de devanados:
� Transformador de dos devanados
• Normalmente empleado en subestaciones de Distribución.
• Puede utilizar LTC para
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• Puede utilizar LTC para regulación de la tensión.
• Generalmente ∆-Υ en unidades reductoras.
• Para el caso de unidades elevadoras usualmente es Υ-∆.
Características Básicas (VII)
Conceptos Básicos de los Transformadores
Tipos de devanados:
� Transformador de tres devanados
• Normalmente empleado en subestaciones de Distribución
• Puede utilizar LTC para regulación
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• Puede utilizar LTC para regulación de tensión
• Generalmente en unidades de distribución Υ - Υ - ∆
• En plantas de generación el grupo es por lo general ∆ - Υ - Υ .
Características Básicas (VIII)
Conceptos Básicos de los Transformadores
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Teoría Elemental (I)
Conceptos Básicos de los Transformadores
� Objetivo:
• Transferir energía desde la fuente hacia la carga.� Construcción:
• Dos conductores (primario y secundario) bobinados sobre un mismonúcleo, por ende aislados eléctricamente uno del otro.
1. Ley de Faraday: Una fuente deenergía aplica una corriente AC quepasa por el devanado primario,
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pasa por el devanado primario,produce una densidad de flujomagnético que varía en el tiemposobre el núcleo.
2. Este flujo también pasa a través delsecundario induciendo una tensión enel secundario.
3. Cuando la carga esta conectada alsecundario, la corriente fluye según laimpedancia de la carga.
B α I
Teoría Elemental (II)
Conceptos Básicos de los Transformadores
� Ecuación universal del transformador:
U = Tensión
f = Frecuencia
U = 4,44 x f x A x N x B
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A = sección área del núcleo
N = # de espiras
B = Densidad de Flujo magnético
I = Corriente de Excitación
La tensión inducida es función de frecuencia, geometría y corriente
Teoría Elemental (III)
Conceptos Básicos de los Transformadores
� Flujo de Saturación
• Es el nivel máximo de flujo magnético que un material puedemanejar sin importar el valor de corriente aplicada
• Depende únicamente de las propiedades del material del núcleoy su diseño: Permeabilidad Magnética y Temperatura.
� Corriente de Excitación
• La corriente que fluye a lo largo del conductor bobinado estando
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• La corriente que fluye a lo largo del conductor bobinado estandoel otro en vacío (circuito abierto), cuando se aplica una tensión altransformador.
• Genera corrientes parásitas en el núcleo (Eddy) y pérdidas porhistéresis.
• Depende principalmente de la tensión aplicada.� Corriente de Saturación
• Es el nivel de corriente en el cual la saturación del flujo se inicia.
Teoría Elemental (IV)
Conceptos Básicos de los Transformadores
� Pérdidas por Histéresis = Memoria Magnética (historia)
• No toda la energía necesaria para magnetizar un material serecupera cuando éste es desmagnetizado.
• Mientras mas ancho y alto el lazo de histéresis, mayores laspérdidas por histéresis que tiene un material.
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Teoría Elemental (V)
Conceptos Básicos de los Transformadores
� Pérdidas Totales
a) Resistencia de los Devanados
• Debido a la resistencia de losconductores
b) Reactancia de Fuga
• Debido a la fuga de flujo
c) Resistencia del Núcleo
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c) Resistencia del Núcleo
• Pérdidas por histéresisy corrientes parásitas
Calor (Calentamiento)
Teoría Elemental (VI)
Conceptos Básicos de los Transformadores
� Modelo eléctrico de una unidad monofásica
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R1 , R2 - Resistencia de los devanados 1 y 2 respectivamente
XL1 , XL2 - Reactancia de dispersión en devanados 1 y 2 respectivamente
I0 - Corriente total sin carga
Im - Componente de magnetización
Ic - Componente de pérdidas en el núcleo
Im >> Ic - usualmente
E1 , E2 - Tensiones inducidas en los devanados 1 y 2 respectivamente
Características de diseño (I)
Conceptos Básicos de los Transformadores
Principales componentes
➽ Conductores Eléctricos / Devanados
➽ Núcleo Magnético
➽ Aislamiento
� Primario
� Secundario
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� Secundario
➽ Conmutador / Regulador
➽ Bushings o pasamuros
➽ Sistema de enfriamiento
➽ Sistema de protección Fuente: Siemens
Características de diseño (II)
Conceptos Básicos de los Transformadores
Conductores Eléctricos / Devanados
➽ Función: conducir la corriente
➽ Material: cobre o aluminio
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(Source: Alconex) (Source: Waukesha Transformer)
Características de diseño (III)
Conceptos Básicos de los Transformadores
El Núcleo Magnético
➽ Objetivo: establecer el canal del Flujo Magnético
➽ Material: Acero eléctrico M3, M4
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(Source: Waukesha Transformer)
Características de diseño (IV)
Conceptos Básicos de los Transformadores
El Núcleo Magnético
➽ Una serie de láminas delgadas planas, aisladas una con respecto a la otra
➽ Reduce las pérdidas corrientes (Eddy)
Malo
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Bueno
Características de diseño (V)
Conceptos Básicos de los Transformadores
Material Aislante (Primario)
➽ Objetivo: Aislar los potenciales y proveer soporte mecánico
➽ Material: Celulosa; papel Kraft, papel crepe, madera eléctrica, etc..
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Insulating Structure Inside Power Transformer(Source: 2005 Weidmann Conf.)
Características de diseño (VI)
Conceptos Básicos de los Transformadores
Material Aislante (Secundario)
➽ Objetivo: Aislar potenciales, reducir calentamiento, mantiene alejada lahumedad.
➽ Material: Aceite Mineral, Natural, Silicona, Air, Nitrógeno, SF6.
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Características de diseño (VII)
Conceptos Básicos de los Transformadores
Conmutador
➽ Objetivo: permitir la regulación de la tensión en ciertos valores
• Cambiador de Tap bajo Carga (CTBC)
• Cambiador de Tap Des-energizado (CTDE)
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Características de diseño (VIII)
Conceptos Básicos de los Transformadores
Bushings o pasamuros
➽ Objetivo: Interconectar los barras (ET) con los devanados deltransformador.
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Fuente: Hubbell Power Systems
Características de diseño (IX)
Conceptos Básicos de los Transformadores
Sistema de enfriamiento
Tipo Medio de Enfriamiento Mecanismo Empleado
ONAN (OA) Aceite Natural Enfriamiento Propio
ONAF (FA) Aceite Natural - Aire Forzado Ventiladores
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ONAF (FA) Aceite Natural - Aire Forzado Ventiladores
OFAF (FOA) Aceite Forzado - Aire Forzado Bombas y Ventiladores
ODAF (FOA) Aceite Dirigido - Aire Forzado Bombas y Ventiladores
Características de diseño (X)
Conceptos Básicos de los Transformadores
Sistema de enfriamiento: Radiadores, Ventiladores, Flujo, etc..
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Mantenimiento de Transformadores (I)
Conceptos Básicos de los Transformadores
En un mundo perfecto e ideal…..
Los componentes del transformadortendrían CERO pérdidas y NUNCAfallan!
• Conductores ideales
• Permeabilidad del núcleo infinita: el 100% del flujo se comparte entre
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• Permeabilidad del núcleo infinita: el 100% del flujo se comparte entre las bobinas acopladas.
• El flujo magnético se concentra sólo en el núcleo del transformador.
• Los aislantes son perfectos, las pérdidas nulas.
• No existen solicitaciones externas
Mantenimiento de Transformadores (II)
Conceptos Básicos de los Transformadores
Pero en la vida real…
• No existen conductores perfectos:Los devanados tienen resistencia óhmica.
• No existe permeabilidad del núcleo infinita:No es posible que el 100% del flujo que se comparta sólo entre los
Los componentes del transformadortienen pérdidas y además FALLAN!
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No es posible que el 100% del flujo que se comparta sólo entre losdevanado acoplados.
• No todo el flujo magnético se concentra en el núcleo deltransformador (fuga de flujo).
• No existe resistencia de aislamiento infinita y/o el factor de potenciadel aislamiento no es CERO (“la corriente de fuga” no es nula).
• Los transformadores están sometidos a diversas solicitaciones:carga, térmicas, sobretensiones, etc.
Mantenimiento de Transformadores (III)
Conceptos Básicos de los Transformadores
DeterioroDeterioro
EnvejecimientoEnvejecimientoDegradación
del AislamientoA
gent
es
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SolicitacionesSolicitaciones
Aislamiento
Mantenimiento:
Pruebas y Ensayos
Age
ntes
Mantenimiento de Transformadores (IV)
Conceptos Básicos de los Transformadores
¿Cuales son los principales agentes de degradación?
➽Estrés dieléctrico: generado entre las capas aislantes de conductoresa diferentes potenciales eléctricos.
➽Estrés térmico: generado fundamentalmente por las pérdidas(¿cuáles?) en cada uno de los materiales que conforman la estructuradel transformador.
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➽Estrés mecánico: generado en aislantes y conductores comoconsecuencia de fuertes impactos durante el transporte y montaje y poresfuerzos electrodinámicos debidos a eventos transitorios.
➽Estrés químico: ciertos subproductos de la degradación del aceite,degradan los aislantes del transformador.
➽Estrés ambiental: generado por agentes medioambientales (sal ysubstancias corrosivas) que degradan la cuba, bushings, juntas, etc.
Mantenimiento de Transformadores (V)
Conceptos Básicos de los Transformadores
¿Qué es el mantenimiento?
➽Es el conjunto de las actuaciones técnicas y administrativasque aseguran la optimización de la efectividad de losequipos y productos industriales.
¿Cuáles son las filosofías?
➽Mantenimiento “ 0” : Se reempleza cuando se avería
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➽Mantenimiento “ 0” : Se reempleza cuando se avería
➽Mantenimiento basado en el tiempo: realizado a períodos de tiempodeterminados.
➽Mantenimiento basado en la condición: realizado en períodos detiempo flexibles, basado en diferentes parámetros, por ejemploantigüedad, relevancia del transfromador, etc.
Mantenimiento de Transformadores (VI)
Conceptos Básicos de los Transformadores
¿Cuáles debieran ser los objetivos del mantenimiento?
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Conceptos Básicos de los Transformadores
Mantenimiento de Transformadores (VII)Final de la Vida Útil del Transformador� La vida útil del transformador esta definida por su sistema de
aislamiento dieléctrico donde el estrés, la contaminación, loscortocircuitos, los movimientos mecánicos, que podrían suceder en elservicio normal, ocasionan un fallo eléctrico en el transformador.
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Conceptos Básicos de los Transformadores
Mantenimiento de Transformadores (VII)“Curva de la bañera” o “Perfil de probabilidades de fallo”
Tasa
de
fallo
s
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Tasa
de
fallo
s
Período de mortalidad
infantil
Tiempo
Período de vida útil Período de envejecimiento
Conceptos Básicos de los Transformadores
Mantenimiento de Transformadores (VII)Modelo básico de falla
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Fuente: CIGRE A2.18 20 January 2003
Conceptos Básicos de los Transformadores
Mantenimiento de Transformadores (VIII)Maximizar la vida útil del transfromador
Mantenimiento/reparación:• Regeneración de aceite• Secado• Cambio o reacondicionamiento de boquillas• Cambio o reacondicionamiento de Cambiadores de Tomas• Etc...
Años
% C
apac
idad Enemigos =
Esfuerzos &
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Años adicionales de servicio!
Pruebas de Diagnóstico
Tiempo
% C
apac
idad
Esfuerzos & Tiempo
Conceptos Básicos de los Transformadores
Mantenimiento de Transformadores (IX)Estrategias de Acción
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Fuente: CIGRE A2.18 20 January 2003
Fallas del aislamiento
13%
Diseño / Materiales
3%
Contaminación del aceite
6%
Sobrecarga3%
Desconocidos/ Restantes
24%
HSB
Fallas del aislamiento
26%
Fuego / Explosión
3%
Descargas en líneas
4%
Inundaciones2%
Humedad1% Desconocidos/
Restantes16%
IMIA
Conceptos Básicos de los Transformadores
Mantenimiento de Transformadores (X)Indices de falla
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Mantenimiento / Operación inadecuados
11%
Conexiones flojas6%
Descargas atmosféricas
12%
Sobretensiones22%
Diseño / Materiales
24%
Contaminación del aceite
4%Sobrecarga5%
Mantenimiento / Operación
inadecuados5%
Conexiones flojas7%
Descargas atmosféricas
3%
3%
HSB: Harford Steam Boiler Insurance Company IMIA Working Group: “Analysis of Transformer Failures” -International Association of Engineering Insurers 36th Annual Conference – Stockholm, 2003
Conceptos Básicos de los Transformadores
Mantenimiento de Transformadores (XI)Tipos de controles
➽ Inspección Visual
➽Pruebas en Línea
➽Pruebas con Equipo Fuera de Servicio
➽ Inspección Interna
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Pruebas con Equipo Fuera de Servicio
PRUEBAS ELÉCTRICAS
Mantenimiento de Transformadores (XII)
Conceptos Básicos de los Transformadores
� Dependiendo del nivel de importancia del equipo (tra nsformador)
• Potencia - <2500 kVA, >50 MVA, etc.
• Importancia de la carga – generación
� No-Planificada
• Luego de una falla
Programación de pruebas:
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• Luego de una falla
• Luego alarmas
� Frecuencia
• 6 meses
• 12 meses
• 36 meses, etc.
Mantenimiento de Transformadores (XIII)
Conceptos Básicos de los Transformadores
1 - Tiempos de intervención
• Los transformadores de potencia se ensayan por primera vez en lafábrica; luego en la puesta en servicio, durante elmantenimiento, después de un fallo en el sistema o ante lacorazonada del equipo de mantenimiento.
10 Recomendaciones básicas:
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Mantenimiento de Transformadores (XIV)
Conceptos Básicos de los Transformadores
2 - Normas:
• Cada ensayo puede requerir de una diferente estrategia omentalidad, lo cual puede implicar considerar diferentes normas ocriterios, buscando confirmar o desestimar determinadosdiagnósticos.
10 Recomendaciones básicas:
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Seminario Buenos Aires - Octubre 2012
• Ensayos en Fábrica:
� C57. 12.00 - “Standard for Standard General Requirements for Liquid-Immersed Distribution, Power, and Regulating Transformers”
� C57.12.90 - “Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution, Powerand Regulating Transformers”
� IEC 60076-1, “Power transformers” - Part 1, 2, 3, 4 ,56, 7, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 18, 21.
Mantenimiento de Transformadores (XV)
Conceptos Básicos de los Transformadores
• Ensayos en Campo:
� IEEE 62-1995 (R2005): “IEEE Guide for Diagnostic Field Testing ofElectric Power Apparatus - Part 1: Oil-Filled”
� IEEE C57.93-2007: “Guide for Installation and Maintenance of Liquid-Immersed Power Transformers”
10 Recomendaciones básicas:
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Seminario Buenos Aires - Octubre 2012
� IEEE PC57.152 D5.1: “Draft Guide for Diagnostic Field Testing of FluidFilled Transformers, Regulators and Reactors”
� CIGRE Broshure 227 “Life Management Techniques for PowerTransformer”.
� CIGRE Broshure 445 “Guide for Transformer Maintenance”
Mantenimiento de Transformadores (XVI)
Conceptos Básicos de los Transformadores
3 - Trabajar cómodo y disponer de los manuales de los in strumentos
• Es fundamental sentirse relajado, cómodo, seguro y consciente delos ensayos que se realizarán sobre el transformador.
• “Ante cualquier duda, consulte al manual del instrumento”
4 - Identificar los riesgos
10 Recomendaciones básicas:
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Seminario Buenos Aires - Octubre 2012
4 - Identificar los riesgos5 - Usar instrumentos calibrados y certificados6 - Utilizar los elementos de protección personal7 - Asegurar la puesta a tierra de todas las conexiones para tal fin8 - Inspeccionar visualmente el área de ensayo9 - Estar familiarizado con el ensayo10 - Descargar y desmagnetizar al cabo de los ensayos
Consideraciones Finales (I)
Conceptos Básicos de los Transformadores
Pruebas recomendadas por IEEE (P 62) (1/2)Component Test Megger products
Windings
Resistance MTO
Ratio/polarity TTR
Excitation current Delta/TTR
Short-circuit impedance MLR/FRAX
Frequency response analysis FRAX
Insulation resistance S1
Capacitance Delta/IDAX
Power factor/tan delta Delta/IDAX
Dielectric frequency response IDAX
Induced voltage/partial discharge
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Seminario Buenos Aires - Octubre 2012
Induced voltage/partial discharge
Bushings
Capacitance Delta/IDAX
Power factor/tan delta Delta/IDAX
Dielectric frequency response IDAX
Partial discharge
Temperature (Infrared)
Insulating oil
Water content KF
Dissolved gas
Dielectric strength OTS
Particle count
Power factor/tan delta IDAX/Delta
Interfacial tension
Acidity
Visual
Color
Oxidation stability
Consideraciones Finales (II)
Conceptos Básicos de los Transformadores
Pruebas recomendadas por IEEE (P 62) (2/2)
Component Test Megger products
Cellulose insulation Moisture content IDAX-MODS
Tap changers
Load
Contact/winding resistance MTO
Temperature (Infrared)
Ratio TTR
Timing (make before break) MTO
Motor current
Limit switch
Contact pressure (resistance test) MTO
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De-energized
Contact pressure (resistance test) MTO
Centering
Ratio TTR
Visual inspection
Core
Insulation resistance MIT/S1
Frequency response analysis FRAX
Ground test MoM/DLRM
Consideraciones Finales (III)
Conceptos Básicos de los Transformadores
� Las pruebas eléctricas deben permitir el diagnóstico que permitatomar las decisiones correctas con el fin de evitar los fallos y ladegradación no controlada.
� La adopción de las decisiones correctas evita las pérdidas de dinero.� En cualquier caso las pruebas eléctricas deben estar integradas.
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Seminario Buenos Aires - Octubre 2012
Resistencia de
Arrollamientos
Aislamiento
Tan delta
FRA
Conceptos Básicos de los Transformadores
MEGGEREQUIPOS DE PRUEBA
DIAGNÓSTICO Y PRUEBAS DE TRANSFORMADORES
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Seminario Buenos Aires - Octubre 2012