Experiencia en la adquisición de cuatro bancos de transformadores de 500 kv en UTE

Transcripción

1 Experiencia en la adquisición de cuatro bancos de transformadores de 500 kv en UTE Ing. Álvaro Portillo Ing. Álvaro Portillo Transformer Consultant Ing. Horacio Perdomo - HPerdomo@ute.com.uy UTE - Sub Gerente de Proyectos Electromecánicos Ing. Rafael Hirsch - RHirsch@ute.com.uy UTE - Coordinador de Proyectos Electromecánicos

2 El objetivo de la presentación es describir la revisión del diseño e inspecciones en fábrica realizados por UTE con motivo de la adquisición de: 2 bancos de transformadores de 500/150 kv con potencia del banco ONAF de 425 MVA (los dos bancos tienen distinta impedancia por tanto son proyectos diferentes) 1 banco de transformadores de 500/150 kv con potencia del banco ONAF de 250 MVA 1 banco de autotransformadores de 500/150 kv con potencia del banco ONAF de 250 MVA En total son 16 unidades monofásicas ya que cada banco tiene una unidad de reserva Todos los bancos tienen un terciario de 31.5 kv conectado en delta (grupo de conexión del banco: YNyn0d11 e YNa0d11) 2

3 La Revisión de Diseño fue llevada a cabo basada en los siguientes documentos: Especificación Técnica de UTE Normas IEC de la Serie y otras Normas ANSI en caso de no existir Normas IEC aplicables Documentos del CIGRE: "Guidelines for Conducting Design Reviews for Power Transformers", Technical Brochure Nº 529, WG A2.36, April 2013 "Guide for Conducting Factory Capability Assessment for Power Transformers", Technical Brochure Nº 530, WG A2.36, April

4 La revisión del diseño se realizó en fábrica en el 2013 e incluyó el análisis detallado de los tipos constructivos utilizados para el núcleo, bobinas y partes mecánicas así como del diseño eléctrico, térmico y mecánico de los transformadores En las inspecciones en fábrica (la adjudicación se realizó a dos fabricantes) se focalizó la atención en los procesos de: armado de núcleo fabricación de bobinas secado previo de las bobinas estabilización y prensado de las bobinas montaje de las bobinas en el núcleo conexionado secado final 4

5 En Enero de 2014 se realizó en Montevideo, en las oficinas de UTE, una nueva revisión de diseño, sobre: 2 bancos de autotransformadores monofásicos de 500/150/31.5 kv con potencia del banco ONAF de 390/390/100 MVA (en total 7 máquinas, 1 de reserva) 3 transformadores trifásicos de generador (GSU) de 150/15 kv con potencia ONAF de 300 MVA En este caso, por falta de tiempo, no se realizó inspección a fábrica pero se decidió realizar ensayo de cortocircuito sobre uno de los autotransformadores monofásicos 5

6 Los objetivos de la revisión del diseño son: 1. Asegurarse de que hay un entendimiento claro y mutuo de los requisitos técnicos del transformador de acuerdo con la especificación técnica del comprador y las normas vigentes en la industria 2. Entender la aplicación requerida y verificar los requisitos del sistema y de los transformadores 3. Identificar las áreas donde se puede requerir atención especial 4. Verificar que el diseño cumple con todos los requisitos técnicos 5. Identificar las características del prototipo y evaluar su fiabilidad y sus posibles riesgos 6. Intercambiar experiencias que puedan ser utilizadas para identificar eventuales mejoras en el diseño y mejoras o cambios en la especificación técnica 7. Comprender mejor las capacidades técnicas del fabricante 8. Fortalecer la relación técnica entre el comprador y el fabricante y con el tiempo mejorar y profundizar el conocimiento en el diseño de transformadores por el lado de los compradores 6

7 El proyecto del transformador es lo que requiere la mayor parte de la atención durante la revisión del diseño El fabricante debe demostrar que su proyecto funcionará de forma fiable dentro de los requisitos operativos, incluyendo las condiciones transitorias (sobretensiones, cortocircuitos, sobrecargas, etc.) y que además cumple con las garantías de rendimiento (pérdidas, impedancias, etc.) Es imperativo que el fabricante demuestre que se han incluido en el proyecto márgenes de seguridad adecuados, que cubren los requisitos de prueba y las condiciones de funcionamiento Los objetivos mínimos de revisión de diseño son establecer los márgenes entre: (a) los valores de proyecto calculados (pérdidas, impedancias, temperaturas, etc.) y los valores esperados en las pruebas (b) los esfuerzos (dieléctricos, térmicos, mecánicos, etc.) calculados y los esfuerzos operativos que pueden ocurrir en el servicio 7

8 Especificación Técnica La Especificación Técnica del comprador debe hacer mención clara a que se realizará la revisión del diseño. Por ejemplo con un texto como el que sigue: REVISIÓN DEL DISEÑO Antes de comenzar con la fabricación del transformador se realizará una revisión de diseño en fábrica basada en el CIGRE Technical Brochure 529: "Guidelines for conducting design reviews for power transformers", publicado en April 2013 por el Working Group A2.36 La revisión del diseño tiene por objetivo asegurar que existe un entendimiento completo de las normas y especificaciones técnicas aplicables y realizar una revisión del diseño o proyecto propuesto por el fabricante de modo de asegurar que todos los requisitos solicitados por el comprador se cumplen. Las deficiencias de proyecto que se detecten durante la revisión del diseño deberán ser corregidas antes de comenzar con la fabricación del transformador. La revisión del diseño no elimina la responsabilidad del fabricante que deberá garantizar el correcto funcionamiento de los transformadores en todos los ensayos de recepción y posteriormente en operación en la red. 8

9 Durante la Revisión del Diseño se utilizaron los siguientes Softwares: DTDS v7.14 Software utilizado para optimizar y calcular transformadores de distribución y potencia FCC v2.19 Software utilizado para calcular el campo magnético de dispersión y a partir del mismo permite determinar las fuerzas de cortocircuito en los conductores, los esfuerzos de cortocircuito en los conductores y aislantes, la reactancia de cortocircuito y las pérdidas adicionales debidas al campo magnético de dispersión DDI v5.00 Este Software permite calcular la distribución de tensión en el interior de los bobinados cuando se aplica un impulso en uno de los terminales del transformador LGOilPT v1.00 Este Software permite calcular las temperaturas del aceite y de los bobinados en condiciones de sobrecarga de acuerdo a las principales normas internacionales considerando las condiciones de carga y temperatura ambiente 9

10 Detalles Constructivos Se requiere un detallado relevamiento de la geometría y de las características principales del transformador: Núcleo (Material, Tipo, Dimensiones, etc.) Bobinas (Tipo, Material, Dimensiones, Espiras, etc.) Control de la Capacidad Serie: DC, DE, SMIT, Intershield Descargadores de Sobretensión Internos (ZnO) Reactor en el Terciario Shunts Magnéticos en el Tanque y Prensayugos Conmutador Bajo Carga (Fabricante, Tipo, In, Vn, etc.) Conmutación Lineal, con Inversor o Gruesa/Fina Tanque (Tipo, Dimensiones, Refuerzos, etc.) Radiadores (Dimensiones) y Ventiladores (Caudal) Eventualmente Intercambiadores de Calor y Bombas Diagrama de Conexiones (claro, con todos los detalles) 10

11 Descargadores Internos Uso de descargadores de sobretensión internos para limitar las oscilaciones internas de tensión durante el impulso, especialmente en el caso de autotransformadores. Se utilizan principalmente en paralelo con las bobinas de regulación Existen empresas eléctricas que no admiten el uso de descargadores internos creyendo equivocadamente que se disminuye la confiabilidad del transformador Documentos del CIGRE e IEEE recomendando esta práctica: 1983 IEEE PAS: An Approach to Suppressing Resonance Voltage in Transformer Tap Windings, Teranishi, Ebisawa, Yanari, Honda 1992 ELECTRA Nº143: Use of ZnO Varistors in Transformers, R.Baehr, Study Committee The use of Non Linear Metal Oxide Resistors in Transformer Tapping Windings. Prepared by: Arne Petersen (AU) in the name of CIGRE Study Committee A2 11

12 Montaje cerca del fondo del tanque (aceite frio) Conectar siempre 2 varistores en serie como mínimo Garantizar la presión de contacto 12

13 Reactores Internos Uso de reactores en serie con el terciario para lograr valores de impedancia o para limitar corrientes de cortocircuito. Deben ser reactores de núcleo de aire para evitar que saturen con las corrientes de cortocircuito. Muchas veces se le colocan yugos (sin columnas) para confinar el flujo de dispersión. Esto hace que el reactor sature ligeramente en condiciones de cortocircuito y presente por lo tanto dos valores de reactancia, uno a corriente nominal que se debe considerar en el cálculo de las impedancias y otro (menor) para limitar las corrientes de cortocircuito Se debe analizar la influencia del reactor en el ensayo de impulso (ver diagrama de conexiones) 13

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15 Reactores Internos 15

16 Diagrama de Conexiones Y2 X1 H2' AT ATRF BT MT H1 AT ATRF H2 Yr X2 H2'' ZnO R - k + Yr' Y1 16

17 Comparación entre Valores Calculados y Valores Garantizados 17

18 Cálculo del Nivel de Ruido 18

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20 Curvas de Magnetización Valores Calculados de Pérdidas y Corriente de Vacío en función de la tensión aplicada en los terminales del transformador: El fabricante suministra además la curva de magnetización: 20

21 Cálculo de la Reactancia de Núcleo de Aire Se observa que los valores calculados por el fabricante son muy similares a los obtenidos utilizando el Software FCC v

22 Cálculo de la Corriente de Inrush 22

23 Resistencia a la Sobreexcitación Al producirse la sobreexcitación, el circuito magnético está completamente saturado y el exceso de flujo magnético comienza a circular por fuera del núcleo. Este flujo magnético circulando a través de las piezas metálicas macizas externas al núcleo genera pérdidas que pueden alcanzar importantes valores. Además la corriente magnetizante presenta armónicos de gran amplitud que generan grandes pérdidas en el bobinado primario. Teniendo en cuenta que las constantes de tiempo térmicas son mucho mayores que las constantes de tiempo del transitorio eléctrico, el calor generado se almacena sin disiparse en las piezas metálicas sometidas al flujo magnético, aumentando su temperatura en forma proporcional a la duración de la sobreexcitación. La duración del fenómeno debe por tanto ser lo menor posible de modo de prevenir temperaturas excesivas que puedan dañar los materiales aislantes en contacto con las piezas metálicas sometidas al flujo magnético. El fenómeno de sobreexcitación fue estudiado por primera vez en profundidad por los ingenieros de la General Electric, en Pittsfield en 1966, debido a un gran número de fallas en transformadores de generador producidas por este fenómeno en Estados Unidos a comienzos de los años

24 Las primeras gráficas de resistencia a la sobreexcitación en transformadores de potencia fueron publicadas por: G.W.Alexander, S.L.Corbin, W.J.McNutt: "Influence of Design and Operating Practices on Excitation of Generator Step-Up Transformers", IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-85, Nº8, August 1966, pp

25 La mayoría de los fabricantes presentan curvas de soportabilidad a la sobreexcitación "genéricas" que no dependen del proyecto del transformador considerado, que son todas muy similares entre sí y a su vez están basadas en la curva original desarrollada por General Electric en los años 60. Para especificaciones futuras mi sugerencia es seguir una de las dos alternativas: En caso de seguir solicitando la curva de soportabilidad a la sobreexcitación al fabricante, se debe exigir que la misma debe estar fundamentada por una memoria de cálculo basada en estudios de elementos finitos en 3D y que los resultados del estudio deberán depender del proyecto de cada transformador En lugar de solicitar la curva de soportabilidad a la sobreexcitación al fabricante, exigir en la especificación que el transformador ofertado cumpla una cierta curva de soportabilidad a la sobrexcitación Dicha curva pasa a ser una característica garantizada y el fabricante será responsable por cualquier falla en campo ocasionada por valores de sobrexcitación con valores inferiores a los de la curva garantizada. Esto es lo que hace en Brasil la "Agencia Nacional de Energía Eléctrica" (ANEEL) en sus especificaciones técnicas para la compra de transformadores 25

26 Un ejemplo de curva a especificar podría ser: La única mención que hace la IEC :2011 a este fenómeno se refiere a transformadores directamente conectados a generadores: "5.3 Load rejection on transformers directly connected to a generator Transformers intended to be connected directly to generators in such a way that they may be subjected to load rejection conditions shall be able to withstand 1,4 times rated voltage for 5 s at the transformer terminals to which the generator is to be connected." 26

27 Cálculo Térmico 27

28 Cálculo Térmico Ubicación del Hot-Spot de las Bobinas La ubicación del Hot-Spot en las bobinas de AT y MT se realizó aplicando el método de elementos finitos (CFD = Computational Fluid Dynamics) En base a los resultados de este estudio se resuelve la ubicación para los tres puntos de medida de temperatura por fibra óptica: 28

29 Cálculo Térmico Ensayo de Calentamiento Medida por Fibra Óptica por lo menos durante el ensayo de calentamiento Planificar como se va a realizar el ensayo de calentamiento Especial atención al caso de transformadores de tres arrollamientos (IEC :1997) Se debe definir la potencia ternaria a la cual se van a evaluar las pérdidas garantizadas y la potencia ternaria a la cual se va a realizar el ensayo de calentamiento Ensayo de calentamiento con condiciones de sobrecarga especificada Medición durante el ensayo de calentamiento de los parámetros necesarios para aplicar las guías de carga 29

30 Cálculo de la Resistencia Dinámica al Cortocircuito Características de los bobinados desde el punto de vista de su respuesta al cortocircuito: Uso de CTC cementable siempre que sea posible Requerir bobinados autosoportados (Free Buckling) Se deben analizar todos los cortocircuitos posibles con el OLTC en diferentes posiciones (Máx., Central y Mín) Se deben calcular todos los esfuerzos indicados en el Anexo A de la Norma IEC :2006 A continuación se muestra el cálculo de las corrientes de cortocircuito y los esfuerzos máximos hallados luego de analizar todos los posible cortocircuitos 30

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32 Comparison of short-circuit forces and stresses in core-type transformers Type of force/stress Mean hoop tensile stress on disc-, helical- and layer-type w indings (MPa) Mean hoop compressive stress on disc, helical, single layer type w indings (MPa) Equivalent mean hoop compressive stress on multilayer-type w indings (MPa) Stress due to radial bending of conductors betw een axial sticks and spacers (MPa) Stress due to axial bending of conductors betw een radial spacers (MPa) Thrust force acting on the low -voltage w inding lead exits (kn) Maximum axial compression force on each physical w inding (kn) Maximum axial compression force on w inding compared to crit. force for tilting (kn) Maximum end thrust force on physical w inding - up (kn) Maximum end thrust force on physical w inding - dow n (kn) Compressive stress on conductor paper insulation and radial spacers (MPa) Compressive stress on end stack insulation structures and end ring (MPa) Compressive stress on common press rings (MPa) LV winding MV Winding HV winding HV Tap winding act. all. crit. act. all. crit. act. all. crit. act. all. crit (7) (12) (3) (8) (2) n/a n/a n/a n/a n/a n/a n/a n/a n/a n/a n/a n/a (8) (4) (13) (3) (8) (10) (13) (3) (8) 4561 (11) (1) (3) (8) (11) (1) (3) (11) (8) (11) (3) (11) (8) (11) (3) (8) (11) (1) (3) (11) 1.85 (8) 3.7 (11) 1.53 (3) act. all. crit / 4.1 * Tensile stress on tie rods (flitch plates) (MPa) / 92.2 ** Clamping force per limb (kn) act. = calculated force or stress value relating to the transformer under consideration * a/b a = stress in press ring for MV and LV windings all. = allowable force or stress value (based on manufacturers s design rules) b = stress in press ring for HV and Tap windings crit. = critical force or stress value (based on manufacturers s design rules) ** a/b a = stress in wound limb pressing plate b = stress in unwound limb pressing plate Pressing force of windings is distributed among the pressing plates: 50% at the 2 plates of wound limbs and 50% at the 2 x 2 plates of unwoun limbs 32

33 Cálculo de la Resistencia Térmica al Cortocircuito 33

34 1.503e+007 : >1.582e e+007 : 1.503e e+007 : 1.424e e+007 : 1.345e e+007 : 1.266e e+007 : 1.187e e+007 : 1.107e e+006 : 1.028e e+006 : 9.492e e+006 : 8.701e e+006 : 7.910e e+006 : 7.119e e+006 : 6.328e e+006 : 5.537e e+006 : 4.746e e+006 : 3.955e e+006 : 3.164e e+006 : 2.373e e+005 : 1.582e+006 <0.000e+000 : 7.910e+005 Evaluación Dieléctrica Density Plot: E, V/m kv kv/mm 1.503e+007 : >1.582e e+007 : 1.503e e+007 : 1.424e e+007 : 1.345e e+007 : 1.266e e+007 : 1.187e e+007 : 1.107e e+006 : 1.028e e+006 : 9.492e e+006 : 8.701e e+006 : 7.910e e+006 : 7.119e e+006 : 6.328e e+006 : 5.537e e+006 : 4.746e e+006 : 3.955e e+006 : 3.164e e+006 : 2.373e e+005 : 1.582e+006 <0.000e+000 : 7.910e+005 Density Plot: E, V/m ITAIPÚ Autotransformer 470/470/157 MVA 525/241.5/13.8 kv 34

35 Distribución de Voltaje LI/AV/IVW 35

36 Calculo de Campo Eléctrico Aislamientos Externos 1.505e+007 : >1.584e e+007 : 1.505e e+007 : 1.425e e+007 : 1.346e e+007 : 1.267e e+007 : 1.188e e+007 : 1.109e e+006 : 1.029e e+006 : 9.502e e+006 : 8.711e e+006 : 7.919e e+006 : 7.127e e+006 : 6.335e e+006 : 5.543e e+006 : 4.751e e+006 : 3.959e e+006 : 3.167e e+006 : 2.376e e+005 : 1.584e+006 <0.000e+000 : 7.919e+005 Density Plot: E, V/m 36

37 Cálculo de la Respuesta al Impulso Atmosférico i S 3 i S 6 i S 2 i S 5 is1 i S 4 37

38 Cálculo de la Respuesta al Impulso Atmosférico 38

39 Cálculo de la Respuesta al Impulso Atmosférico 39

40 Cálculo de la Respuesta al Impulso Atmosférico OLTC 40

41 Verificación del Diseño Dieléctrico El fabricante debe demostrar que el aislamiento está diseñado para soportar las tensiones impuestas Debe indicar la estructura del aislamiento, el estrés correspondiente y la consiguiente rigidez dieléctrica, incluyendo factores de seguridad (márgenes): 1. Entre espiras 2. Entre discos o secciones 3. Entre bobinas 4. Bobinas a tierra 5. Entre fases 6. Localización de las pantallas y anillos electrostáticos 7. Tensiones en uniones, derivaciones y conexionado 41

42 Resistencia Mecánica a la Ruptura del Tanque por Arco Interno Análisis Estructural del Tanque (Límite Elástico de Deformación) Ubicación de las Válvulas de Sobrepresión Definir Magnitud y Duración de la Corriente de Falla así como el Tensión de Arco Fórmula de Hydro-Québec: 42

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