A2-81 EXPERIENCIAS EN DIAGNÓSTICO DE AISLAMIENTO ACEITE-PAPEL CON ESPECTROSCOPIA DIELÉCTRICA EN EL DOMINIO DE LA FRECUENCIA

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1 III CONGRESO VENEZOLANO DE REDES Y ENERGÍA ELÉCTRICA Comité Nacional Venezolano Marzo 202 A2-8 EXPERIENCIAS EN DIAGNÓSTICO DE AISLAMIENTO ACEITE-PAPEL CON ESPECTROSCOPIA DIELÉCTRICA EN EL DOMINIO DE LA FRECUENCIA J. Varela J. Rojas Centro de Investigaciones Aplicadas de CORPOELEC RESUMEN Se presentan experiencias en diagnóstico de aislamiento aceite-papel en transformadores y reactores con la técnica de espectroscopia dieléctrica en el dominio de la frecuencia (FDS del Inglés Frequency Domain Spectroscopy ). Los resultados indican que la técnica FDS da información adicional para el diagnóstico de aislamientos compuestos, que no podría ser obtenida con otras técnicas, contribuyendo a la toma de decisiones operativas sobre los equipos del sistema de potencia. PALABRAS CLAVE Aislamiento aceite-papel, FDS, transformador, reactor. Central Hidroeléctrica Antonio José de Sucre. Centro de Investigaciones Aplicadas (CIAP). Casa de Máquinas I. Macagua. (0286) , jvarela@corpoelec.gob.ve

2 . INTRODUCCIÓN Cualquier sistema de potencia por pequeño que sea tiene instalado una gran cantidad equipos con aislamiento compuesto por aceite- papel. Sobre todo en sistemas de vieja data, existen muchos de estos equipos con una gran cantidad de años en servicio. Debido a su alto costo, especialmente los transformadores y reactores de potencia, es necesario evaluar la condición del aislamiento, ya que una salida indeseable podría causar graves pérdidas: económicas, materiales y hasta humanas en caso de fallas. En lugar de la medida tradicional de factor de disipación (DDF por sus siglas en inglés) a frecuencia industrial ( tan ), recientemente se han enfocado esfuerzos en métodos capaces de medir varios parámetros de la respuesta dieléctrica que caracteriza los fenómenos de polarización conocidos. Estos métodos no-invasivos son de gran interés para evaluar el estado del aislamiento de un transformador. Particularmente existen tres métodos conocidos como espectroscopia dieléctrica, estos son [], [2], [3]: Medición de la tensión de recuperación (RVM por sus siglas en inglés) Medición de corriente de polarización y despolarización (PDC por sus siglas en inglés) Espectroscopia dieléctrica en el dominio de la frecuencia (FDS por sus siglas en inglés) o respuesta dieléctrica en el dominio de la frecuencia. Estos métodos permiten describir la condición promedio del aislamiento compuesto (espacio de aceite y papel o pressboard), el cual es influenciado por diferentes parámetros como: la condición del aceite, la condición de la celulosa, por la presencia de productos derivados del proceso de envejecimiento y contaminación, entre otros [3]. Aunque estos métodos fueron desarrollados hace algunas décadas, es en los últimos años donde han retomado un auge importante debido a los avances de los sistemas digitales de adquisición de datos y velocidad de procesamiento. Los desarrollos actuales en estas técnicas han estado relacionados con la construcción de equipos comerciales portátiles para realización de pruebas en campo en conjunto con herramientas de análisis de resultados, sin embargo, hay todavía una necesidad de mejorar la interpretación de los resultados de todas estas técnicas y por consiguiente son esenciales investigaciones extensas [2]. Los dos primeros métodos (RVM y PDC) analizan la respuesta dieléctrica en el dominio del tiempo y el tercero (FDS) en el dominio de la frecuencia. El método FDS fue escogido para el desarrollo de este estudio por tener algunas ventajas frente a los métodos en el dominio del tiempo [4]. La técnica de respuesta dieléctrica en el dominio de la frecuencia estudia los procesos lentos de polarización mediante la medición de corriente debido a la aplicación de una excitación sinusoidal. Dentro de los procesos de polarización se encuentra la polarización interfacial, la cual es un fenómeno lento en comparación con otros tipos de polarización y que se puede observar a bajas frecuencias []. Las variables usualmente calculadas en ingeniería eléctrica para caracterizar un material aislante son: la capacitancia ( C ) y factor de disipación ( tan ). En el estudio de aislamientos compuestos papel-aceite no suele usarse la permitividad compleja para caracterizar el comportamiento del aislamiento, generalmente se usa la capacitancia compleja de dicho aislamiento en sus partes real e imaginaria o el módulo de la capacitancia y el factor de disipación, debido a que estas variables son las cantidades medidas directamente por los 2

3 instrumentos y son magnitudes más familiares para los ingenieros []. Se puede representar la medición de corriente (I) que circula por un aislamiento como el producto de una capacitancia compleja y la tensión aplicada (U) a la frecuencia determinada (ω): I( ) i C( ) U ( ) I( ) i C '( ) ic"( ) U( ) I i C i U cd. ( ) 0 '( ) "( ) ( ) 0 () Donde C( ) es la capacitancia compleja relacionada a la permitividad dieléctrica (ε), conductividad (ζ) y a la susceptibilidad (χ), C 0 representa la capacitancia geométrica del objeto de prueba. El factor de disipación puede ser rescrito usando la capacitancia compleja. C"( ) tan ( ) (2) C '( ) En este trabajo se presentan casos prácticos de aplicación de la técnica FDS en transformadores y reactores, donde no se logró realizar un diagnóstico concluyente usando los métodos convencionales: factor de pérdidas y pruebas químicas al aceite. 2. EXPERIENCIAS EN DIAGNÓSTICO DE AISLAMIENTO ACEITE-PAPEL CON FDS A continuación se citan dos casos de diagnóstico de aislamiento en dos equipos inmersos en aceite dieléctrico. 2.. Reactor en derivación de 00 MVAR, 765/ 3 kv El reactor en derivación de 00 MVAR, 765/ 3 kv de la subestación (SE) San Gerónimo B 765 kv fue sometido a proceso de secado del sistema aislante y a tratamiento del aceite en septiembre de Este equipó presentó una característica FDS con altas pérdidas (ver Fig. ) y factor de pérdidas del aceite dieléctrico a 60 Hz medidos a 25 C y 90 C superiores a valores aceptables, mientras que la prueba de factor de pérdidas de aislamiento del devanado a 60 Hz dio resultados satisfactorios. Al comparar la característica FDS del aceite de este equipo (curva R_OIL en la Fig. 2) con la de un transformador envejecido y contaminado (curva TX- ENVJ+CON_OIL en la Fig. 2), y teniendo en cuenta que las pruebas físico-químico-eléctricas del aceite indicaron que no había envejecimiento del mismo, se concluyó que el aceite estaba contaminado. 3

4 Tan Delta (pu) Tan Delta (pu) 0 Tan Tanδ δ (CH-BBC_487) (R) Tan δ (CH-T-MAC) Tan δ (CH-T-CAR) 0, 0,0 Fig.. 0,00 0,00 0,0 0, FDS Reactor R SE San Gerónimo B (98), T Planta Macagua (986) y T Planta Caruachi (2000) 00 0 Tan Tanδ δ (BBC-487_OIL) (R_OIL) Tan δ (T-MAC_OIL) Tan δ (T-CAR_OIL) Tan δ (TX-ENV+CONT_OIL) 0, 0,0 0,00 0,000 0,0000 0,00 0,0 0, Fig. 2. FDS aceite Reactor SE San Gerónimo B (98), T Planta Macagua (986), T Planta Caruachi (2000) y TX-ENV+CONT_OIL) En inspección interna efectuada después de las pruebas de septiembre de 2009 se encontraron residuos de la empacadura de la tapa en el fondo de la cuba y tornillos de sujeción del núcleo desajustados (ver Fig. 3). En esta inspección se efectuó el reemplazo de su aceite dieléctrico, limpieza interna, sustitución de empacadura del tanque de un material que no reacciona con el aceite y ajuste de tornillos del núcleo. Después, se repitieron pruebas de FDS y de factor de pérdidas de aislamiento del devanado en diciembre de También se determinó la característica FDS del aceite. Estas pruebas fueron realizadas por personal del Departamento de 4

5 Tan Delta (pu) Ingeniería de Mantenimiento de Transmisión y del Centro de Investigaciones Aplicadas de CORPOELEC, con apoyo del Departamento de Mantenimiento de Transmisión Centro. Fig. 3. Empacadura de la tapa del tanque (izquierda) y residuos de empacadura dentro del tanque del reactor En la Fig. 4 se muestra la respuesta en frecuencia del factor de disipación (tanδ(hz)) del reactor antes y después de las medidas correctivas: o tanδ(hz) de reactor en derivación de Subestación San Gerónimo B 765 kv, medida en septiembre 2009, fabricado en 98 (curva Tanδ Sep 2009). o tanδ(hz) de reactor en derivación de SE San Gerónimo B 765 kv, posterior a las acciones correctivas, (curva Tanδ Dic 2009). 0 Tanδ Sep 2009 Tanδ Dic 2009 FP 60 HZ 28 Dic Fig. 4. tanδ(hz) de Reactor SE San Gerónimo B 765 kv antes de medidas correctivas (curva Tanδ Sep 2009) y después (curva Tanδ Dic 2009) Se observa que la respuesta en frecuencia de tanδ de diciembre 2009 presenta valores inferiores que en septiembre de Por tanto, se concluye que la FDS del reactor mejoró después del reemplazo del aceite aislante por otro nuevo y de la sustitución de la empacadura con un material 5

6 Tan Delta (pu) inerte respecto al aceite usado. Teniendo en cuenta que tanδ es directamente proporcional a la conductividad del aceite, la reducción de las pérdidas puede atribuirse a que la conductividad del aceite disminuyó. Adicionalmente, se realizó una prueba de respuesta dieléctrica al aceite del reactor en derivación en enero de 200 y se comparó con el resultado obtenido en agosto de En la Fig. 5 se aprecia que la característica tanδ(hz) del aceite nuevo (curva Tand 22 Ene 200) presenta pérdidas mucho menores que la característica del aceite contaminado (curva Tand 6 ago 2009) Tand 22 Ene 200 Tand 6 Ago Fig. 5. FDS tanδ(hz) de aceite contaminado y nuevo del Reactor de SE San Gerónimo B 765 kv 2.2. Transformador de puesta a tierra de SE Jose 400 kv El transformador de puesta a tierra (TPAT), de 500 kva, 34,5/0,24 kv y fabricado en el año 2006, de la SE Jose 400 kv, presentó un factor de disipación de devanados, aceite dieléctrico y contenido de Hidrógeno altos durante las pruebas de aceptación en sitio. En vista de los resultados obtenidos en las pruebas de aceptación se decidió realizar pruebas de FDS y comparar con transformadores de potencia nuevos. De la comparación de tanδ(hz) entre el TPAT y un transformador de potencia de Planta Caruachi (año 200), mostrada en la Fig. 6, se observa que la tanδ(hz) del TPAT es muy superior que la tanδ(hz) de T3. En las Fig. 7 y Fig. 8 se muestran los resultados FDS de aceite del TPAT y de un aceite nuevo. La tanδ(hz) de aceite del TPAT supera ampliamente los valores del aceite nuevo. La capacitancia del aceite nuevo se mantiene constante para todo el barrido de frecuencia, mientras que en el aceite del equipo en estudio la capacitancia aumenta considerablemente para frecuencias inferiores a 0, Hz. El análisis de FDS indica que el aceite dieléctrico presenta una conductividad muy alta, mayor que el valor obtenido según la experiencia de EDELCA (2 ps/m) y una característica tanδ(hz) 6

7 Capacitancia (F) Tan Delta (pu) elevada. Se concluyó que el factor de disipación del aceite estaba muy alto probablemente debido a una conductividad muy alta del aceite dieléctrico. Se recomendó reemplazar este aceite por otro que posea una conductividad no mayor de 2 ps/m. 0 TANδCH TPAT SE JOSE 0. TANδCHL TPAT SE JOSE TANδCH T3 CARUACHI TANDCHX T3 CARUACHI Fig. 6. FDS Tanδ(Hz) de TPAT SE Jose (2006) y transformador T3 de Planta Caruachi (200) E-08 E-09 C aceite TPAT SE JOSE C aceite nuevo E-0 0,000 0,00 0,0 0, 0 00 Fig. 7. Comparación de FDS-Capacitancia de aceite TPAT SE Jose y aceite nuevo 7

8 Tan Delta (pu) TANδ aceite TPAT SE JOSE TANδ aceite nuevo Fig Comparación de FDS-tanδ aceite de TPAT SE Jose y aceite nuevo 3. CONCLUSIÓN La técnica FDS da información adicional para el diagnóstico de aislamientos compuestos, que no podría ser obtenida con otras técnicas, contribuyendo a la toma de decisiones operativas sobre los equipos del sistema de potencia. BIBLIOGRAFÍA [] W. Zaengl. Dielectric Spectroscopy in Time and Frequency Domain for HV Power Equipment, Part I: Theoretical Considerations. (IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol. 9, No. 5, September/October 2003, pp 5-9). [2] S. M. Gubanski, P. Boss, G. Csepes, V. D. Houhanessian, J. Filippini, P. Guuinic, U. Gafvert, V. Karius, J. Lapworth, G. Urbani, P. Werelius, W. Zaengl. Dielectric response methods for diagnostics of power transformers. (IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol. 9, No. 3, May/June 2003). [3] M. Koch, S. Tenbohlen, M. Kruger, A. Kraetge. A Comparative Test and Consequent Improvements on Dielectric Response Methods. (XVth International Symposium on High Voltage Engineering, Slovenia, August 2007). [4] Programma Electric AB. (2002). User s Manual for Insulation Diagnostic System IDA