costa rica 2013 - dfr
TRANSCRIPT
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
1/65
NUEVAS TECNOLOGÍAS DE EVALUACIÓN DE LACONDICIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
Dominio de Frecuencia
(FDS)San José de Costa Rica
26 a 30 de Agosto de 2013
1V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
2/65
Contenido:
➽ FDS: Base Teórica y Aplicaciones
➽ Humedad en transformadores
➽ FDS: Medición de humedad en transformadores
➽ Procedimiento de medición
➽ Comentarios finales
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
➽ : p cac ones spec a es
2
(IDAX 300 Megger Insulation Diagnostic Analyzer)
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
3/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
FDS: Base Teóric a y Apli cac iones
3V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
4/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
FDS: Fundamentos (I)
➽ ¿Que es la espectroscopía Dieléctrica?
Es el estudio a partir del cual se obtiene la respuesta de los materialescuando se les aplica un campo eléctrico variable en el tiempo.
Información
InformaciónMagnitud
Magnitud
4
En la espectroscopía Dieléctrica se analiza la respuesta de una magnitud
macroscópica a partir de la cual se obtiene información de la estructuramicroscópica de los materiales.
FDS: Frequency Domain Spectroscopy
Microscópica
MicroscópicaMacroscópica
Macroscópica
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
5/65
Pruebas de Espect roscopía Dieléct rica
FDS: Fundamentos (II)
➽ Ejemplos de Espectroscopía Dieléctrica
Ejemplo 1: Identificar la composición química de una muestra extraída en unsuelo desconocido.
Ejemplo 2: Fragmentación de un rayo luminoso a través de un prismadependiendo de su longitud de onda.
Los datos de espectroscopía se presentan gráficamente en un espectro en
5
función de longitud de onda o frecuencia.
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
6/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
FDS: Fundamentos (III)
➽ Reseña Histórica
La espectroscopía de la Impedancia opera con valores complejos y suhistoria data desde la introducción del término impedancia en 1880.
En 1941 la espectroscopía de la Impedancia se introdujo en el campo dela Respuesta del Dieléctrico al introducir el gráfico Cole-Cole mostrando ε”
en el eje y (imaginario) vs. c’ en el eje x (o real).
6
En 1995 se introduce el PRIMER instrumento para pruebas FDS enlaboratorio/campo.
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
7/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
FDS: Fundamentos (IX)
Campo
eléctrico
Campo
eléctrico
TemperaturaTemperatura
Constante
dieléctrica
Constante
dieléctrica
7
POLARIZACIÓNPOLARIZACIÓN
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
8/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
FDS: Fundamentos (X)
Ruptura de cadenas
estructurales
➽ Envejecimiento produce cambios en la permitividad
8
ENVEJECIMIENTO
Contaminantes polaresHumedad
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
9/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
FDS: Fundamentos (XI)
➽ ¿Cómo evaluar la polarización de un dieléctrico?
Tensión deTensión de
Respuestadieléctrica en
el dominiodel tiempo
Respuestadieléctrica en
el dominiodel tiempo
Respuestadieléctrica en Respuestadieléctrica en
9
Polarización
de undieléctrico
Polarización
de undieléctrico
(RVM)
(RVM)
el dominio dela frecuencia
el dominio dela frecuencia
CIGRE Working Group, 15.01.09
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
10/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
FDS: Fundamentos (XII)
a) Resp ues ta dieléct ric a en el do m in io d el tiem po
(Polar isat ion and Depolar isat ion Current , PDC)
1
0
1 Conducción debido a la conductividad del material2 Conducción instantánea debido a la componente capacitiva3 Conducción debido a la polarización material
1 2 3
j(t)
t
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
11/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
FDS: Fundamentos (XIII)
1 2
➽ ¿Cómo evaluar la polarización de un dieléctrico?b ) Respu esta d ieléctri ca en el do m inio de la f recuen cia
(Frequency Do main Sp ectrosco py, FDS)
1
1
1 Componente capacitiva2 Componente resistiva
En términos de la permitividad compleja:
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
12/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
FDS: Fundamentos (XIV)
➽ Evaluación de la polarización: Resumen A u n in s ta n te d e t iem p o d e ter m in a d o o c o m o u n a fu n c ió n d e t iem p o
a) Resistencia de aislamiento.
b) Índice de polarización.
A u n a f r ec u e n c ia f ija o c o m o u n a fu n c ió n d e fr e c u en c ia
a Factor de disi ación tan a una frecuencia fi a 50 / 60 Hz .
1 2
b) Factor de disipación (tan en función de frecuencia desde 1 kHz hasta 1mHz)
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
13/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
FDS: Fundamentos (XIV)
➽ Evaluación de la polarización: Comparación de métodos
FDS PDC RVM
No invasivo Si Si Si
Descarga antes de Prueba No Si Si
Tiempo de Medicion Medio Largo LargoSuce tibilidad a Ruido
1 3
DC Bajo Alto Alto
AC Bajo Medio Alto
Mediciones con Guarda Si Si No
Presicion Alta Alta BajaRepetibilidad Alta Alta Baja
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
14/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
FDS: Fundamentos (XV)
e
d i s i p a c i ó n
1 4
1 mHz 50 Hz 1kHz
F a c t o r
Frecuencia
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
15/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
Humedad en t ransform adores
1 5
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
16/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
¿Por qué se mide la humedad?
➽ Un transformador con bajo contenido de humedad es como unapersona saludable
Un transformador se puede poner a carga con tranquilidad minimizando elriesgo de una falla intempestiva y catastrófica.
Una persona puede trabajar esforzándose sin sufrir un ataque cardiaco.
➽ Un transformador húmedo es como una ersona con las arterias
1 6
obstruidas.
El dueño del transformador debe limitar la carga para evitar la generaciónde burbujas (riesgo de explosión).
La humedad en el aislamiento acelera el envejecimiento del mismo.
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
17/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
Análisis de humedad en el aceite (I)
➽
El aislamiento en transformadores de potencia esta conformado por celulosa (impregnada en aceite) y aceite. Durante una determinadatemperatura de funcionamiento, casi toda la humedad esta en lacelulosa:
25 ton de aceite con contenido de agua de 20 ppm = 0,5 kg
2.5 ton de celulosa con 3% de contenido de agua = 75 kg
1 7
3% de agua en 2.5 ton de celulosa
Humedad
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
18/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
Análisis de humedad en el aceite (II)➽
El contenido de humedad en el aceite (es casi constante en la celulosa)varia con la temperatura y con la condición de envejecimiento delaceite:
Un aceite envejecido permite mayor solubilidad de mayor cantidad deagua que un aceite nuevo
Una pequeña concentración de humedad dificulta el proceso de muestreo.
Las muestras de aceite tomadas a bajas temperaturas son de bajaprecisión debido a que el agua ha migrado hacia el papel
1 8
Muestra de Aceite tomada a 200C4.0% agua = 6 ppm
1.0 % agua = 3 ppm
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
19/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
Análisis de humedad en el aceite (III)
➽
La humedad cambia las propiedades dieléctricas de la celulosapapel/prensado
➽ La humedad limita la vida útil del equipo
Aislamiento seco (0.5%) @ 900C = 40 Años
0 = -
1 9
.
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
20/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
Interpretación del contenido de humedad (Megger)
< 0.5 % Transformador Nuevo
0.5 - 1.5% Aislamiento Seco
1.5 - 2.5% Nivel medio de humedad
2.5 - 4% Aislamiento Húmedo
(% de peso de agua por peso de celulosa)
2 0
> 4% Aislamiento muy húmedo
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
21/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
Interpretación del contenido de humedad (IEEE)
< 1% Transformador nuevo
< 2% Aislamiento seco
(% de peso de agua por peso de celulosa)
2 1
-
3 - 4.5% Húmedo
> 4.5% Aislamiento excesivamente húmedo
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
22/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
FDS: Medic ión de hum edad en
transformadores
2 2
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
23/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
Humedad en transformadores de potencia
➽Métodos tradicionales para su determinación: Pun to d e Rocío (Dew Po in t)
a) En pruebas de certificación antes del llenado de aceite
b) En campo durante el proceso de secado (Dry-out) sin aceite
Muestra de Aceite
a Lue o de un roceso de recirculación
2 3
b) En servicio
Uni dad es de Moni to reo en Línea
Medici ón de Factor de Pot encia (Únic ament e a frecuenc ia de línea)
FDS
IDAX300
FDS
IDAX300
Nueva técnicaNueva técnica
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
24/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
espectroscopía en el Dominio de la Frecuencia (I)
➽ ObjetivoMedir las pérdidas y la capacitancia del sistema de aislamiento a diferentesfrecuencias (y con baja tensión).
➽ Defectos detectables
Humedad en el sistema de aislamiento.
Contaminación en el sistema de aislamiento.
2 4
Determinar posible envejecimiento.
ENVEJECIMIENTO
Ruptura de cadenas
estructurales
Contaminantes polaresHumedad
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
25/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
espectroscopía en el Dominio de la Frecuencia (II)
➽ Prestaciones del sistema Medición de Factor de Disipación a múltiples frecuencias y a cualquier
temperatura.
Compara los valores medidos vs. los valores del modelo, con referenciaen una base de datos de materiales.
Se obtienen los resultados en forma de humedad en el aislamiento sólido
2 5
.
Corrección de temperatura precisa.
Habilidad para detectar contaminación
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
26/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
espectroscopía en el Dominio de la Frecuencia (V)
➽
Factores que influyen en la forma de la curva
2 6
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
27/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
espectroscopía en el Dominio de la Frecuencia (VI)
2 7
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
28/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
espectroscopía en el Dominio de la Frecuencia (VII)
2 8
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
29/65
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
30/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
espectroscopía en el Dominio de la Frecuencia (XI)
3 0
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
31/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
espectroscopía en el Dominio de la Frecuencia (X)
➽ ResultadosFactores que afectan la respuesta
3 1
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
32/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
espectroscopía en el Dominio de la Frecuencia (XI)
3 2
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
33/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
Procedimiento de medic ión
3 3
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
34/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
espectroscopía en el Dominio de la Frecuencia (I)
➽Metodología de medición ¿P o r q u ém ed ir FDS?
1) FDS usa baja tensión (140 Vrms), lo cual implica:
Mayor seguridad
Menor tamaño del equipo
3 4
Mejor interpretación
Posibilidad de eliminar errores de medición.
3) La interpretación de resultados se basa en un modelo real de diseño de
transformador.
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
35/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
espectroscopía en el Dominio de la Frecuencia (II)
➽Metodología de medición ¿P o r q u ém ed ir FDS?
4) Las mediciones FDS son reproducibles:
Las mediciones pueden reiniciarse
Mediciones previas en AC no afectan los resultados (pruebas de altatensión en CC pueden disminuir el valor de factor de disipación)
3 5
5) Las mediciones FDS son fáciles de entender y de modelar:
El modelo FDS son cálculos “jω” (Impedancia compleja)
El modelo en dominio de tiempo involucra integración
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
36/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
espectroscopía en el Dominio de la Frecuencia (III)
➽Aplicación en la fabricación de transformadores• Caracteriza los materiales aislantes
• Se lo utiliza para controlar el contenido de humedad en el proceso demanufactura de Transformadores de Potencia
• Verifica en sitio que el aislamiento se encuentra en buenas condiciones
antes de energizarlo:
3 6
a. Permite mediciones a temperaturas superiores e inferiores a las defabricación
b. Ayuda a entender las posibles causas (inclusive temporales) de altotan delta/factor de potencia, ej. contaminación que eventualmenteserá absorbida por el papel y el prensado.
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
37/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
Características del sistema (I)
➽ Características del sistema Señal de Prueba: 0 a 200 V (pico-pico) y 0 a 50 mA
Frecuencia: 10 kHz a 0.1 mHz
Rango de medición de la capacitancia: 10 pF a 100 μF
Uno o dos canales de medición independiente
3 7
Posibilidad de aumentar la tensión de salida (Vax 020: 2 kV)
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
38/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
Características del sistema (II)
➽ Características del software1) Sistema de Control
Controla y opera el equipo IDAX 300
Resultados
2) Organiza los objetos de prueba y las mediciones
3 8
3) MODS
Software para análisis de datos
4) Posibilidad de generar reportes (MS Word)
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
39/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
Metodología de Medición (I)
1. Se realizan las conexiones.2. Se mide el factor de disipación/factor de potencia desde 1 kHz hasta
1mHz
3. Se envían los resultados de la medición a un analizador: MODS
4. Se ingresa el valor de la temperatura del aislamiento (temperatura del
aceite).
3 9
5. MODS ajusta la curva medida a la curva modelo (automáticamente)variando los parámetros que afectan la forma de la curva para encontrar el mejor match.
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
40/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
Metodología de Medición (II)
➽Metodología de mediciónPasos de m edición del IDAX :
6. A partir de 5. se obtiene:
• La relación de aislamiento sólido (celulosa) vs. líquido (aceite) entredevanados
• Humedad en el aislamiento sólido
4 0
• Conductividad del aceite
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
41/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
1) Conexionado
4 1
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
42/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
1) Conexionado
4 2
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
43/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
1) Conexionado
➽ Que y cómo medir
4 3
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
44/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
3) Envío de los resultados al MODS
4 4
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
45/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
4) Ingreso de la temperatura del aceite
4 5
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
46/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
5) Ejecución del MODS
4 6
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
47/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
6) Obtención de resultados
4 7
Resultado
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
48/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
7) EjemplosFabricante Año Temp.
Medida
Humedad PF del Aceite Potencia
Nominal
Condición
Hyundai 200
8
27 Co 0.6 % 0.013% PF @ 60Hz 105 MVA Nuevo, durante puesta en marcha
Westinghouse 198
7
27 Co 1.1 % 0.019% PF @ 60Hz 80 MVA Usado en subestación
GE 195
0
27 Co 2.1% 0.406% PF @ 60Hz 15 MVA Usado en subestación
Yorkshire 197
7
27 Co 4,5 % 0.467% PF @ 60Hz 10 MVA Usado y reparado
4 8
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
49/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
7) Ejemplos
4 9
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
50/65
Fact or de Potencia a baja conductividad de ace ite, 1% humedad, 20 oC – 50oC
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
20C 30C 40C 50C
PF@60Hz
V-2013-2
5 0
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
51/65
Factor de Potencia a alta conductividad del aceite, 1% humedad, 20oC – 50oC
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
20C 30C 40C 50C
PF@60Hz
V-2013-2
5 1
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
52/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
DFR Recomendaciones Generales: Rango de Frecuencia
Las mediciones DFR son dependientes de la temperatura y para asegurar un análisis confiable del contenido de humedad en el espécimen deprueba en aislamientos a bajas temperaturas, se recomienda extender elrango de frecuencia.
En la siguiente tabla se muestran los valores mínimos de frecuencia que
se requiere a diferentes temperaturas del aislamiento.
5 2
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
53/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
DFR Respuestas Atípicas
Altas perdidas que se incrementan con el incremento de frecuencia:
• Resistencia en Serie – malas conexiones/alta resistencia en el laconexión núcleo-tierra
Alta conductividad del aceite en la configuración de prueba, ej. CHL
• Las superficies conductoras generan un puente entre los electrodos –
5 3
po uc n, sen eros car n cos
Pérdidas negativas en mediciones de bujes (tanδ/factor de potencia),usualmente alrededor de 1 - 0.1 Hz
• Corrientes de Fuga Superficiales (externas) o de interfase (internas)
Incremento de Pérdidas entre 50-100Hz hasta ~ 0.1Hz
• Contaminación, mala conexión.
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
54/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
FDS: Aplicaciones Especiales
5 4
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
55/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
5 5
BUSHINGSDFR Aplicaciones No-tradicionales
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
56/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
Fallos en bushings
5 6
IEEE Std C37.91-2008IEEE Guide for Protecting Power Transformers
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
57/65
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
58/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
Construcción de los bushings
Condensador / Grado Capacitivo
• Está diseñado en capas de materialaislante el cual crea capacitores entreel conductor central y tierra.
• Se construyen con un punto de prueba
5 8
Equivalente EléctricoCircuito
para la capacitancia graduada.Normalmente aterrizado en servicio.
• Tap de Prueba (Tap Capacitivo)
• Tap de Potencial
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
59/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
Pruebas en bushings de Tipo Capacitivo
Condensador / Grado Capacitivo
• La prueba mas importante es lamedición de C1.
• Se mide la calidad del aislamientoprincipal del buje.
• Se aplica una señal sinusoidal en BT al
5 9
con uc or cen ra .
• La medición se realiza con respecto altap de prueba del bushging.
• Modo de Prueba UST, UngroundedSpecimen Test
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
60/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
Pruebas DFR en C1
1. Se hace un puente entrelos terminales de AT.
2. Se hace un puente entrelos terminales de BT.
3. El tanque del transformador
6 0
debe estar a tierra.
4. La brida del bushing debeestar aterrizada.
5. Se debe quitar la conexióna tierra del tap de prueba
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
61/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
Caso de Estudio – COTA 350 Prueba C1
35ºC, mc=0.7%
45ºC, mc=0.7%
6 1
23ºC, mc=0.8%
25ºC, mc=0.8%
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
62/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
Referencias
6 2
ecomen a as
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
63/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
Referencias
6 3
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
64/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
Referencias
6 4
V-2013-2
-
8/19/2019 Costa Rica 2013 - DFR
65/65
Pruebas de espect roscopía Dieléct rica
6 5