Modelos para el monitoreo de transformadores de potencia en la red eléctrica inteligente: humedad y temperatura de generación de burbujas

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1 Divulgación Modelos para el monitoreo de transformadores de potencia en la red eléctrica inteligente: humedad y temperatura de generación de burbujas Abstract Roberto Liñán García 1, David Ponce Noyola 1, Arali Guzmán López 1, Enrique Betancourt Ramírez 2 y Gerardo Támez Torres 2 This paper presents the development of two experimental models in order to ensure reliable operation of power transformers under emergency overload conditions. The first model estimates the moisture distribution in the transformer windings, while the second model estimates the safe operating temperature and time before steam bubbles generation presents. Additionally, an electronic device was designed and built, using the models developed, in order to monitor in real time both parameters. This device allows a more reliable operation of the transmission network, considering the transformers condition. Introducción Uno de los parámetros más importantes que impactan en la confiabilidad de los transformadores de potencia es la presencia de humedad en el aislamiento sólido (papel y cartón prensado). Ésta proviene de sellos y empaques defectuosos, así como durante operaciones de puesta en servicio y mantenimiento. Además, un porcentaje importante de humedad proviene del envejecimiento normal del sistema aislante papel-aceite (EPRI, 1999, a y b). Cuando la humedad se encuentra en el transformador busca el equilibrio térmico, migrando entre los componentes principales del sistema aislante, la celulosa y el aceite. La migración de humedad depende de la temperatura y la presión a la que el transformador se vea sometido. Se ha comprobado que a temperaturas altas, la humedad tiende a migrar hacia el aceite y a bajas temperaturas la humedad se aloja en el papel (CIGRE, 2008). Como resultado de la presencia de humedad y elevadas temperaturas en los equipos, se produce el fenómeno de gene- La presencia de humedad y elevadas temperaturas en los transformadores de potencia produce el fenómeno de la generación de burbujas (vapor de agua y liberación de gases) en el papel aislante, lo cual provoca la reducción de la rigidez dieléctrica del aislamiento que puede llevar a la ocurrencia de fallas en los equipos. 1 Instituto de Investigaciones Eléctricas 2 PROLEC GE 3

2 Boletín IIE enero-marzo-2013 Divulgación ración de burbujas, el cual provoca reducción de la rigidez dieléctrica del sistema aislante y en consecuencia, incrementa considerablemente la probabilidad de fallas. Adicionalmente, la humedad acelera el proceso de envejecimiento de la celulosa y desde el punto de vista mecánico provoca sobreesfuerzos que expanden los aislamientos. Estimar y consecuentemente reducir el contenido de humedad en el aislamiento es, por tanto, un factor fundamental para garantizar la confiabilidad y longevidad del transformador. El Instituto de Investigaciones Eléctricas y PROLEC GE desarrollaron dos modelos encaminados a la determinación de la distribución axial de humedad en los devanados y la temperatura de generación de burbujas en transformadores de potencia. Ambos modelos fueron desarrollados, tomando en cuenta condiciones como contenido de humedad, presión hidrostática, gases disueltos, tipo de sistema de conservación, envejecimiento del papel, además de los datos de diseño de diversos transformadores marca PROLEC GE. Lo anterior con la finalidad de definir el nivel de sobrecarga segura y su tiempo de aplicación, en función de las características específicas de los equipos. Factores geométricos. Se mantuvieron relaciones y configuraciones de cobre/papel, aceite/papel, papel/cartón, papel/madera, barreras, separadores y ductos del transformador de potencia de 75 MVA. Factores termohidráulicos. Se representó la similitud de los factores termohidráulicos existentes en el transformador de potencia de 75 MVA. El arreglo de bobinas fue colocado en un tanque diseñado y construido para albergar el conjunto, que incluye los equipos de medición y de control requeridos por el experimento, tal y como se presenta en la figura 1. El diseño del arreglo experimental permite que cada disco sea calentado de manera independiente, con el objeto de lograr un perfil térmico Desarrollo del modelo de migración de humedad Para el modelo de migración de humedad se diseñó y construyó un arreglo experimental a escala reducida, que representa a un transformador de potencia de 75 MVA (una fase de transformación completa que incluye las bobinas de regulación, baja y alta tensión), instrumentado con sensores ubicados en diferentes secciones de los devanados y tanque. Las principales variables monitoreadas durante el desarrollo del modelo fueron: Contenido de humedad en el papel. Esta variable se controló en dos etapas de humectación, alcanzando un valor máximo de 4%. Figura 1. Arreglo experimental con la instrumentación. Solubilidad en el aceite. Se utilizaron aceite nuevo y envejecido tipo nafténico, con una saturación superior a º C. Absorción de humedad en el papel. Esta variable fue evaluada utilizando dos bobinas con diferente configuración de papel. Perfil de temperatura del transformador. Se reprodujo el perfil térmico de un transformador de potencia. Grado de envejecimiento del papel. Se utilizaron bobinas con papel nuevo y envejecido, hasta un grado de polimerización cercano a un valor de 400. Figura 2. Vista exterior del arreglo experimental. 4

3 Divulgación similar al del transformador de potencia y así obtener los flujos de aceite por convección dentro de los ductos formados por los discos. La figura 2 presenta el exterior del arreglo experimental, así como parte de la instrumentación utilizada para el monitoreo de las variables involucradas. Debido a la complejidad del experimento fue necesario desarrollarlo en tres etapas: 1. Experimento base, con papel y aceite nuevo (PAN). 2. Experimento con diferencias geométricas (DG). misma que se indica en la ventana de advertencia y diagnóstico, marcada con el punto 8 en la figura 5. El punto 9 corresponde al botón de salida del programa. Desarrollo del modelo de generación de burbujas Se diseñaron y construyeron dos arreglos experimentales a escala reducida, que permiten reproducir las condiciones locales de operación del aislamiento de un transformador de potencia de 75 MVA, considerando las siguientes variables: 3. Experimento con papel y aceite envejecido (PAE). La figura 3 presenta la secuencia térmica típica utilizada para las diferentes corridas experimentales. La figura 4 presenta la gráfica de los datos de permitividad versus temperatura en diferentes etapas y diferentes humedades, para los discos superior e inferior de baja tensión (BT). Con el modelo obtenido se desarrolló un software para la estimación de la humedad y su distribución axial, siendo la parte inferior del transformador la más fría y la parte superior la más caliente. La figura 5 presenta la pantalla principal para la estimación de humedad en transformadores. Figura 3. Seguimiento térmico. El software requiere como datos de entrada la humedad en el aceite (en ppm), temperatura superior del aceite ( C), y la acidez en el aceite (mg KOH/g), puntos del 1 al 4 en la figura 5. Con estos datos, al ejecutar el programa con el botón indicado en el punto 5, el software verifica que no existan incongruencias en los datos y en caso contrario enviará un reporte de alarma, el cual se indicará en la ventana del punto 8. En el punto 6 se presenta el contenido global de humedad estimado en el transformador, dado en %. En las ventanas marcadas con el número 7 se presenta el porcentaje de distribución axial de humedad en el devanado del transformador. La coloración de las ventanas dependerá del contenido de humedad en cada una de las zonas, Figura 4. Temperatura versus permitividad έ. 5

4 Boletín IIE enero-marzo-2013 Divulgación Contenido de humedad en el papel: valor máximo de 4% Perfil de sobrecarga: 0.8 a 1.6 y 2.0 p.u. Presión hidrostática: hasta 2,000 msnm. Solubilidad del aceite: nuevo y usado. Envejecimiento del papel: valor mínimo de 400 GP (grado de polimerización). Contenido de gases disueltos: hasta 100%. Factores geométricos: número de capas de papel y distancia entre discos de la bobina. Figura 5. Software para estimar la distribución de humedad en transformadores de potencia. Factores termohidráulicos: velocidad de flujo En la figura 6 se presenta el arreglo experimental utilizado para el desarrollo del modelo, el cual permitió monitorear las temperaturas en 5 puntos de la bobina, las temperaturas superior e inferior del aceite y el contenido de humedad del mismo. Adicionalmente, las mirillas de los arreglos experimentales permitieron observar el fenómeno de generación de burbujas en la bobina de prueba. Se utilizó el mismo arreglo para experimentos que simulan la operación con tanque conservador y con colchón de nitrógeno. Las bobinas utilizadas para el desarrollo del modelo se construyeron, manteniendo las relaciones cobre/papel del transformador de potencia de 75 MVA. En algunas bobinas se modificó el número de capas de papel y la distancia entre los discos de la misma. Para los experimentos en los que se evaluó la variable de envejecimiento de papel, las bobinas fueron sometidas a un proceso de envejecimiento acelerado, hasta obtener un grado de polimerización de 400. Las bobinas se sometieron a un proceso de secado antes de ser impregnadas con aceite, se colocaron en el arreglo experimental y se evaluaron bajo dos perfiles térmicos de sobrecarga. El tiempo de iniciación del fenómeno de generación de burbujas se determinó a través del registro visual. Figura 6. Arreglo experimental para el modelo de generación de burbujas. En total se realizaron 73 experimentos, de los cuales 36 fueron utilizados para determinar el efecto de las variables de contenido de humedad en el papel, perfil térmico de sobrecarga y presión hidrostática en la temperatura de generación de burbujas. El resto de los experimentos se utilizó para evaluar las otras variables antes descritas. En la figura 7 se presenta el fenómeno de generación de burbujas en el disco superior de una bobina de prueba. Los resultados obtenidos con la experimentación realizada mostraron lo siguiente: Se observó que, con los materiales investigados, el envejecimiento del papel provoca un decremento en la temperatura de generación de burbujas, que es contrario a lo reportado por CIGRE (CIGRE, 2008). Esto puede deberse a que Figura 7. Fenómeno de generación de burbujas en bobina de prueba. 6

5 Divulgación durante el envejecimiento del papel se generan espacios entre las fibras que componen la estructura del mismo, permitiendo la desorción de vapor de agua entre ellos. Lo anterior disminuye las fuerzas capilares y como consecuencia se requiere menor temperatura y presión para liberar las burbujas de vapor de agua. El envejecimiento del aceite provoca un incremento en la temperatura de generación de burbujas. La hipótesis que explica este efecto es que el aceite envejecido tiene mayor capacidad para absorber humedad, razón por la cual se requieren temperaturas más altas para que se presente el fenómeno de generación de burbujas. Se observó una reducción en la temperatura de generación de burbujas entre 4 C y 7 C conforme se disminuye la distancia entre los discos de la bobina. Este efecto se debe a que cuando la distancia entre discos de ésta disminuye es más difícil enfriarla y en consecuencia, la generación de burbujas se presenta a temperaturas menores. Se observó un incremento en la temperatura de burbujas (entre 1 C y 3 C) conforme se reduce el número de capas de papel en la solera. Se ha observado que el gradiente de temperatura entre la solera y el papel es menor, conforme existe un menor número de capas en la solera, esto podría indicar que se debería reducir la temperatura de generación de burbujas cuando la solera tiene menos capas de papel, sin embargo, el incremento en la temperatura de generación es congruente con la reducción de la masa total de papel, lo que origina una menor cantidad de agua disponible en el sistema. En los experimentos en los que se varió la velocidad de flujo de aceite, no se encontraron diferencias significativas en la temperatura de generación de burbujas, razón por la cual esta variable se excluyó del desarrollo del modelo. En los experimentos en que se saturó el aceite con nitrógeno (N 2 ) se observó un rápido decremento en la temperatura de generación de burbujas por encima del 3% de humedad en el papel, sin embargo, el decremento en la temperatura tiene un comportamiento lineal, diferente a los resultados reportados por otros investigadores (Oommen, 2004). Con los resultados de las temperaturas de generación de burbujas obtenidos en la etapa experimental se desarrolló una ecuación que describe este fenómeno. La ecuación obtenida de los resultados experimentales se programó en plataforma Lab View para el desarrollo del software, el cual se complementó con el modelo térmico para el cálculo del punto más caliente (hot spot) del aislamiento de los devanados (IEEE C ). En la figura 8 se presenta la pantalla principal del software de generación de burbujas. El software requiere como datos de entrada: Un archivo con los datos de diseño del transformador (el cual se puede cargar oprimiendo el botón información). Figura 8. Pantalla principal del software de generación de burbujas. 7

6 Boletín IIE enero-marzo-2013 Divulgación El perfil en el tiempo de la corriente de carga aplicada. La temperatura superior del aceite (top oil). La temperatura ambiente. La presión hidrostática (en mmhg o mbar). El contenido de humedad del papel (obtenido del modelo de migración de humedad). El software proporciona como datos de salida: El perfil de calentamiento de transformador (basado en el modelo térmico de la norma IEEE C ). La temperatura de generación de burbujas. La temperatura del punto más caliente del transformador. El tiempo requerido para alcanzar el umbral de generación de burbujas, con el perfil de carga dado. El porcentaje de vida residual del transformador. El software cuenta con un semáforo que indica si existe o no el riesgo de generación de burbujas, de acuerdo a las condiciones de operación del transformador. Figura 9. Interface hombre-máquina del equipo de monitoreo. Desarrollo del equipo de monitoreo Con el desarrollo de los modelos y su software respectivo, se diseñó y fabricó un equipo que es capaz de determinar en línea la distribución axial de humedad en el papel aislante, administrar la carga y estimar la vida residual de los transformadores de potencia. El equipo puede ser adosado al transformador y tener la capacidad de llevar un registro histórico del comportamiento de la humedad en el papel, así como la pérdida de vida útil debido a los regímenes de carga aplicados al transformador. El equipo cuenta con alarmas y/o pantallas remotas que indican el contenido de humedad en el papel, la temperatura de generación de burbujas y la vida residual del transformador. Para poder interactuar con el equipo se desarrolló una interface hombre-máquina, que permite al usuario monitorear de forma remota, las condiciones de uno hasta 32 transformadores, para que en un caso de solicitud de sobrecarga tenga las herramientas necesarias para la toma de decisiones. 8

7 Divulgación La figura 9 presenta el menú principal de la interface hombre-máquina, en la cual se pueden apreciar las principales variables a monitorear en el transformador. Conclusiones La experimentación realizada en arreglos experimentales a escala reducida de un transformador de potencia de 75 MVA, permitió la obtención de los datos suficientes para el desarrollo de un modelo que estima la distribución en sentido axial, de la humedad en las diferentes zonas térmicas de los devanados del transformador y un modelo que permite calcular la temperatura y tiempo de operación seguros para aplicar una sobrecarga, sin la presencia del fenómeno de generación de burbujas. El modelo de humedad se desarrolló considerando variables tales como el contenido de humedad en el aceite, temperatura superior e inferior del aceite, acidez del aceite, factores geométricos, termohidráulicos y envejecimiento del papel y del aceite. Se confirmó que la temperatura de generación de burbujas se ve afectada significativamente por las siguientes variables: Contenido de humedad en el papel Perfil de sobrecarga Presión hidrostática Solubilidad del aceite Envejecimiento del papel Contenido de gases disueltos Factores geométricos Se desarrolló software para ambos modelos experimentales. Éste ofrece un elevado nivel de confiabilidad en la determinación de la distribución axial de humedad y la temperatura de generación de burbujas, debido a que combina parámetros de diseño de cada transformador, con los resultados experimentales obtenidos de la evaluación de las variables antes mencionadas. En el equipo de monitoreo se adecuaron de forma satisfactoria, los modelos de determinación de la humedad en el papel en devanados, el modelo de generación de burbujas para administrar la carga, el modelo IEEE para el cálculo del hot spot y para la estimación de la vida residual de transformadores de potencia. El equipo desarrollado es un prototipo funcional que se instaló en un transformador PROLEC GE de 12.5 MVA. Referencias Davydov V., Roizman O. and Bonwick W. Moisture Evaluation in Oil and Paper for Sealed Transformer Insulation System, Proceedings of EPRI Substation Equipment Diagnostics Conference VII, New Orleans, 1999, a. Sokolov V. and Vanin B. Experience With in-field Assessment of Water Contamination of Large Power Transformers, EPRI Substation Equipment Diagnostic Conference VII, 1999, b. Sokolov V., Aubin J., Davydov V., Gasser H., Griffin P., Koch M., Lundgaard L., Roizman O., Scala M., Tenbohlen S. y Vanin B. Moisture equilibrium and moisture migration within Transformer insulation systems, CIGRE WG A2.30, Oommen T. Moisture Equilibrium Curves for Transformer Insulation Condition Assessment, TechCon Asia-Pacific, Sydney, Australia, April IEEE C Guide for loading mineral-oil-immersed transformer, IEEE Power Engineering Society. 9

8 Boletín IIE enero-marzo-2013 Divulgación ROBERTO LIÑÁN GARCÍA Doctor en Ingeniería Eléctrica por la University de Salford, Inglaterra en Maestro en Sistemas Computacionales por el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM), campus Morelos en Ingeniero Eléctrico por la Universidad Autónoma de Coahuila en y. Su área de especialidad es el diseño y la operación de equipos de interrupción y seccionamiento. En 1982 ingresó al IIE, donde actualmente se desempeña como Gerente de Equipos Eléctricos. Obtuvo el 2o. lugar de tesis de licenciatura en el V Certamen Nacional de tesis sobre diseño y fabricación de equipo eléctrico, así como mención honorífica del Premio Nacional de Ciencia y Tecnología Ha sido Investigador Honorario del Departamento de Energía Eléctrica y Electrónica de la Universidad Liverpool, Inglaterra, y pertenece al Condition Monitoring Inner Circle of the Current Zero Club, organización internacional dedicada a la investigación de arco eléctrico en equipos de interrupción. Ha publicado diversos artículos técnicos sobre nuevas técnicas de diagnóstico para equipos de interrupción, seccionamiento y transformadores de potencia. DAVID PONCE NOYOLA [dponce@iie.org.mx] Doctor en Ingeniería y Ciencias Aplicadas por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM). Ingeniero Mecánico por la ESIME IPN, México. Ingresó al IIE en 1984, a la División de Sistemas Eléctricos. Su área de especialidad se relaciona con el diseño mecánico, así como la supervisión de la fabricación de aislamiento eléctrico para alta tensión, herramental para manufactura del aislamiento y diversos equipos eléctricos. En el año 2000 participó en el sector privado como gerente de ingeniería, desarrollando apartarrayos para protección de líneas de distribución hasta sub-transmisión, desde 13.8 kv hasta 115 kv. Se reincorporó al IIE en marzo de 2009, a la Gerencia de Equipos Eléctricos, donde participó en el desarrollo del modelo para la estimación de humedad en los devanados de los transformadores de potencia, así como el desarrollo del equipo para monitoreo en línea de la humedad y la temperatura para la generación de burbujas en los transformadores. Es autor de varios artículos nacionales e internacionales, así como de patentes otorgadas y en trámite. Se ha desempeñado como docente en la Universidad Autónoma del Estado de Morelos. ARALI GUZMÁN LÓPEZ [aguzman@iie.org.mx] Ingeniera Química por el Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez en Desde 2011 es investigadora en la Gerencia de Equipos Eléctricos del IIE. Ha trabajado en el desarrollo de proyectos relacionados con el diagnóstico de equipo primario de subestaciones mediante evaluaciones fisicoquímicas. 10