APLICACION EN TRANSFORMADORES DE POTENCIA

Transcripción

1 APLICACION EN TRANSFORMADORES DE POTENCIA ESPECTROSCOPIA EN EL DOMINIO DE LA FRECUENCIA JULIO,

2 Agenda Base Teórica y Aplicaciones Análisis de Humedad en Aislamiento Solido Utilización de Equipo de medicion y su SW de control Reporte de mediciones FDS usando Preguntas Frecuentes Pruebas de Campo Interpretación de Resultados 2

3 Instrumento de Medición Características del instrumento para diagnostico de sistemas de aislamiento Señal de Prueba: Vp 0 50 ma Frecuencia: Hz Hz Rango de Muestreo: 10 pf 100 µf Uno o dos canales de medición independiente Nuevo sistema de tres hilos Liviano y Robusto 3

4 Espectroscopia en el Dominio de Frecuencia Mediciones de perdidas y capacitancia en el sistema de aislamiento en función de la frecuencia. Hi V A Lo Z U I 1 j C Ground C HL C L C H Z C, tan, PF and 4

5 Beneficios de las mediciones FDS Medición de Factor de Potencia/Factor de Disipación a múltiples frecuencias y a cualquier temperatura Compare los valores medidos vs. los valores del modelo, con referencia en una base de datos de materiales Se obtienen los resultados en forma de humedad en el aislamiento solido de papel como porcentaje del peso total del papel Corrección de Temperatura precisa Habilidad para detectar contaminación 5

6 Que es la Espectroscopia? Método para aislar/identificar la estructura constructiva de un material compuesto Ejemplo 1: Identificar la composición química de una muestra extraída en la Luna u otro planeta del sistema solar. Ejemplo 2: Fragmentación de un rayo luminoso a través de un prisma 6

7 Espectroscopia en el Dominio de Frecuencia Variación de la Capacitancia con la Frecuencia Eje de Capacitancia 32 nf a 0.02 Hz 18 nf a 60 Hz Eje de Frecuencia 7

8 Espectroscopia en el Dominio de Frecuencia Variación del Factor de Potencia con la Frecuencia 32% a 0.02 Hz (0.32) Eje del Factor de Potencia 0.31% a 60 Hz (0.0031) Eje de Frecuencia 8

9 Pérdidas en el Aislamiento Pérdidas de Polarización Pérdidas Conductivas Pérdidas Totales Medición: Factor de Disipación (tan ), Factor de Potencia (cos 9

10 Conducción y Polarización Conducción (cargas libres) _ -q +q +q +q -q -q + Polarización (cargas dipolares) 10

11 Polarización Polarización Electrónica Molecular Orientación de dipolos (líquidos, polímeros) Interfacial (en los bordes externos o internos) La polarización se ve afectada por el envejecimiento Introduce agua y otras moléculas polares Ruptura de cadenas estructurales Otros efectos 11

12 Polarización Incremento de Carga A Q C0 U 0 d U U= 0 U _ U= 0 U _ Q C U A d r 0 r 0 U 12

13 Polarización Incremento de Corriente El factor mediante el cual el valor de corriente se incrementa se conoce como permitividad relativa r U= 0 U _ U= 0 U _

14 Propiedades de Materiales Dieléctricos Permitividad Relativa y Conductividad de algunos materiales Dieléctricos Material Permitividad Relativa, r a 50/60 Hz Conductividad, [S/m] XLPE 2.3 <10-16 Papel Kraft Aceite Mineral Carton Prensado Teflon Agua 80 14

15 Polarización + U _

16 Métodos de Medición de la Polarización A una frecuencia fija o como una función de frecuencia Factor de disipación (tan a una frecuencia fija, usualmente a 50/60 Hz o 0.1 Hz Facto de disipación (tan como una función de frecuencia Desde Hz hasta 1000 Hz A un instante de tiempo determinado o como una función de tiempo resistencia de aislamiento, índice de polarización tiempo de hasta 10 min Corrientes de polarización y despolarización desde unos pocos ms hasta algunos miles de segundo. magnitud del voltaje de retorno, espectro de polarización (RVM) 16

17 Principio de Medición 17

18 Capacitancia y Factor de Disipación (Tan ) 18

19 Áreas de Aplicación Diagnostico de Transformadores Aislamiento de Transformadores de Potencia Bujes Transformadores de Instrumentos Diagnostico de Cables Cables con aislamiento de Papel (PILC) Otros sistemas de Aislamiento Para usuarios en áreas de investigación y desarrollo 19

20 Humedad en Transformadores de Potencia Métodos Tradicionales Punto de Rocío (De Point) En pruebas de certificación antes del llenado de aceite EN campo durante el proceso de secado (Dry-out) sin aceite Muestra de Aceite Luego de un proceso de recirculación En Servicio Unidades de Monitoreo en Línea Debe ser independiente para cada transformador a monitorearse Medición de Factor de Potencia Únicamente a frecuencia de línea 21

21 Prueba Tradicional de Factor de Factor de Potencia Potencia 1 mhz 60 Hz 1kHz Frecuencia 22

22 Respuesta de Frecuencia del Dieléctrico Factor de Potencia 1 mhz 60 Hz 1kHz Frecuencia 23

23 Respuesta de Frecuencia del Dieléctrico - Variación del Factor de Potencia con la Frecuencia Factor de Potencia 0.32 a 0.02 Hz a 60 Hz Frecuencia 24

24 Factores que influencian la forma de la Curva 25

25 Respuesta del Aceite Mineral 1000Hz-1mHz 26

26 Respuesta del Aceite Mineral 1000Hz-1mHz 1.00E E E-13 27

27 Respuesta de Papel Solido 1000Hz-1mHz 28

28 3% 2% 1% Respuesta de Papel Solido 1000Hz-1mHz 0.5% 29

29 Aislamiento del Transformador 1000Hz-1mHz 30

30 Aceite Aislamiento del Transformador Papel Solido Kraft 31

31 Factores que Afectan la Respuesta - Humedad + - Conductividad del Aceite + - Temperatura + - Humedad+ + 32

32 Respuesta de Frecuencia del Dieléctrico - Un solo valor de FP no es suficiente para tomar una decisión - La Respuesta de Frecuencia del Dieléctrico es mas explicita Transformador seco con aceite viejo (alta conductividad) Transformador húmedo con buen aceite Valor idéntico de FP a 60Hz 33

33 Por que se mide la humedad? Un transformador con bajo contenido de humedad es como una persona en buenas condiciones Un transformador se puede poner a carga con tranquilidad sin el riesgo de una falla catastrófica. Una persona puede trabajar en esfuerzo sin sufrir un ataque cardiaco Un transformador húmedo es como una persona con las arterias obstruidas. El dueño del transformador debe limitar la carga para evitar la generación de burbujas (riesgo de explosión) La humedad en el aislamiento acelera el envejecimiento del mismo 34

34 Análisis de Agua en Aceite El aislamiento en transformadores de potencia consiste de celulosa impregnada en aceite y aceite. Casi toda la humedad esta en la celulosa: 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 20ppm (partes por millón) en 25 ton de aceite 3% de agua en 2.5 ton de celulosa 35

35 Humedad en Transformadores de Potencia El aislamiento en transformadores de potencia consiste de celulosa impregnada en aceite y aceite. Casi toda la humedad esta en la celulosa: 25 tons de aceite con contenido de agua de 20 ppm = 0,5 kg 2.5 tons de celulosa con 3% de contenido de agua = 75 kg El contenido de humedad en el aceite (es casi constante en la celulosa) varia con la temperatura y la condición de envejecimiento del aceite: Un aceite envejecido permite mayor solubilidad de mayor cantidad de agua que un aceite nuevo Una pequeña concentración de humedad dificulta el proceso de muestreo. 36

36 Análisis de Contenido de Agua en Aceite Las muestras de aceite tomadas a bajas temperaturas son de baja precisión debido a que el agua ha migrado hacia el papel Muestra de Aceite tomada a 20 0 C 4.0% agua = 6 ppm 1.0 % agua = 3 ppm 37

37 Humedad en Transformadores de Potencia El aislamiento en transformadores de potencia consiste de celulosa impregnada en aceite y aceite. Casi toda la humedad esta en la celulosa: 25 tons de aceite con contenido de agua de 20 ppm = 0,5 kg 2.5 tons de celulosa con 3% de contenido de agua = 75 kg El contenido de humedad en el aceite (es casi constante en la celulosa) varia con la temperatura y la condición de envejecimiento del aceite: Un aceite envejecido permite mayor solubilidad de mayor cantidad de agua que un aceite nuevo Una pequeña concentración de humedad dificulta el proceso de muestreo. La humedad cambia las propiedades dieléctricas de la celulosa papel/prensado 38

38 Humedad en Transformadores de Potencia El aislamiento en transformadores de potencia consiste de celulosa impregnada en aceite y aceite. Casi toda la humedad esta en la celulosa: 25 tons de aceite con contenido de agua de 20 ppm = 0,5 kg 2.5 tons de celulosa con 3% de contenido de agua = 75 kg El contenido de humedad en el aceite (es casi constante en la celulosa) varia con la temperatura y la condición de envejecimiento del aceite: Un aceite envejecido permite mayor solubilidad de mayor cantidad de agua que un aceite nuevo Una pequeña concentración de humedad dificulta el proceso de muestreo. La humedad cambia las propiedades dieléctricas de la celulosa papel/prensado La humedad limita la vida útil del equipo 39

39 Humedad en Transformadores de Potencia Prueba de aceptación del Transformador El agua se absorbe en el papel a una rata de 15kg en 16h si se lo deja expuesto en un medio de 20C 97% RH. Fuente: Cigre Brochure 349 Sobre la migración de humedad en los Transformadores de Potencia 40

40 Humedad en Transformadores de Potencia La humedad limita la vida útil del equipo Aislamiento seco 90 0 C = 40 Años Aislamiento húmedo 90 0 C = 4-5 Años 41

41 Cuándo debe usar la medición FDS? Cuando sabe que el transformador va a trabajar con sobrecalentamiento Evite la formación de burbujas 42

42 Cuándo debe usar la medición FDS? Antes y después del proceso de secado Averigüe que tan exitoso ha sido el proceso 43

43 Humedad en Transformadores de Potencia El aislamiento en transformadores de potencia consiste de celulosa impregnada en aceite y aceite. Casi toda la humedad esta en la celulosa: 25 tons de aceite con contenido de agua de 20 ppm = 0,5 kg 2.5 tons de celulosa con 3% de contenido de agua = 75 kg El contenido de humedad en el aceite (es casi constante en la celulosa) varia con la temperatura y la condición de envejecimiento del aceite: Un aceite envejecido permite mayor solubilidad de mayor cantidad de agua que un aceite nuevo Una pequeña concentración de humedad dificulta el proceso de muestreo. La humedad cambia las propiedades dieléctricas de la celulosa papel/prensado La humedad limita la vida útil del equipo La humedad limita la utilización 44

44 Humedad en Transformadores de Potencia La humedad determina el máximo de carga/punto mas caliente para generación de burbujas (ver IEEE Std C ) Conociendo el contenido de humedad se puede tomar la decisión correcta Dejarlo tal-cual Secado Remplazo Cambio de aislamiento o reubicación? Hottest Spot Temperature ( O C) Long-Time Emergency Limit Planned Loading Beyond Nameplate Limit Normal Life Expectancy Limit Short Time Emergency Limit Moisture in Insulation (% wt) G. K. Frimpong, M. Perkins, A. Fazlagic, U. Oil Quality of Transformer Insulation 45 using Client Conference, Paper 8M, 2001.

45 La Humedad acelera el Proceso de Envejecimiento Aging Factor for Kraft Paper (IEEE) Punto mas caliente para papel Kraft IEEE 95 C 5% 4% 3% Winding Hot Spot C 2% 1% IEEE Kraft 0.5% Water 46

46 Interpretación del Contenido de Humedad < 0.5 % % % 2.5-4% > 4% Transformador Nuevo Aislamiento Seco Nivel medio de humedad Aislamiento Húmedo Aislamiento muy húmedo La interpretación del contenido de humedad en el aislamiento solido dado en % de peso de agua por peso de celulosa 47

47 Interpretación del Contenido de Humedad (IEEE 62) < 1% < 2% 2-3% 3 4.5% > 4.5% Transformador Nuevo Aislamiento Seco Moderadamente Húmedo Húmedo Aislamiento excesivamente Húmedo La interpretación del contenido de humedad en el aislamiento solido dado en % de peso de agua por peso de celulosa 48

48 Proceso de Evaluación de la Humedad Se mide el factor de disipación/factor de potencia desde 1 khz hasta 2 mhz Se envía los resultados de la medición a un analizador Ingrese el valor de la temperatura del aislamiento (temperatura del aceite en la cumbre de la unidad) El SW analizador ajusta la curva medida a la curva modelo (automáticamente) variando los parámetros que afectan la forma de la curva para encontrar el mejor ajuste La relación de aislamiento solido (celulosa) vs. liquido (aceite) entre devanados Humedad en el aislamiento solido Conductividad del Aceite 49

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52 Resultado 53

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54 Corrección Precisa de Temperatura La corrección individual de temperatura para transformadores es mas compleja comparada con -solo- aislamiento de papel La energía de activación W a en la ecuación de Arrhenius, 0 exp(-w a /kt) ºC corresponde a una medición a El papel impregnado de aceite típicamente es ev Aceite mineral de transformador típicamente entre ev Ambos materiales deben ser considerados 55

55 Factor de Potencia a baja conductividad de aceite, 1% humedad, 20 o C 50 o C PF@60Hz C 30C 40C 50C 56

56 Factor de Potencia a alta conductividad del aceite, 1% humedad, 20 o C 50 o C PF@60Hz C 30C 40C 50C 57

57 Fabricante Año Temp. Humedad Conductividad Aceite Potencia Condición Medida Nominal Hyundai C o 0.6 % 0.013% 60Hz 105 MVA Nuevo, durante puesta en marcha Westinghouse C o 1.1 % 0.019% 60Hz 80 MVA Usado en subestación GE C o 2.1% 0.406% 60Hz 15 MVA Usado en subestación Yorkshire C o 4,5 % 0.467% 60Hz 10 MVA Usado y raspado 58

58 1.007 corrección corrección corrección corrección 59

59 Contaminación Contaminación Respuesta atípica Respuesta Normal 60

60 FDS Respuestas Inusuales Altas perdidas que incrementan con el incremento de frecuencia Resistencia en serie mala conexión / alta resistencia en el aterrizaje del núcleo Alta conductividad inesperada del aceite para una configuración, ej. CHL Las superficies de conducción están puenteando los electrones - polución, sendas de carbón Perdidas negativas en mediciones de bujes (tan /factor de potencia), usualmente alrededor de Hz Circulación de corrientes parasitas por la superficie (externa) o interfases (interno) Incremento de perdidas entre Hz hacia ~ 0.1Hz Contaminación, mala conexión del apantallamiento. 61

61 FDS para Fabricantes de Transformadores Caracteriza los materiales aislantes Control de procesos (ej. Secado de humedad) Se lo utiliza para controlar el contenido de humedad en el proceso de manufactura de Transformadores de Potencia, Instrumentación, cables de AT y también para monitorear el proceso de curado epóxico en la fabricación de generadores Verifica en sitio que el aislamiento se encuentra en buenas condiciones antes de energizarlo Permite mediciones a temperaturas superiores e inferiores a las de fabricación Ayuda a entender las posibles causas (inclusive temporales) de alto tan /factor de potencia, ej. Contaminación que eventualmente será absorbida por el papel y el prensado. 62

62 Ventajas de FDS vs Mediciones Convencionales de Capacitancia y tan FDS usa un bajo voltaje (140 Vrms) seguridad Tamaño del equipo FDS mide capacitancia y tan en un rango de frecuencia que permite: Mejor interpretación Posibilidad de eliminar errores de medición. La interpretación de resultados se basa en un modelo real de diseño de transformador 63

63 FDS otras Ventajas Las mediciones FDS son reproducibles Las mediciones pueden reiniciarse Mediciones previas en AC no afectan los resultados (pruebas de alto voltaje en DC bajan el valor de factor de disipación en todas las pruebas AC) Las mediciones FDS son mas fáciles de entender y modelar El modelo FDS son cálculos j El modelo en dominio de tiempo involucra integración 64

64 Verificación de la medición FDS ABB tiene mas de 10 sistemas, ellos lo usan para determinar el contenido de humedad y como herramienta de identificación de fallas. La aplicación FDS es fundamental en su negocio. La UE-financio el proyecto REDIATOOL y los resultados se publicaron en CIGRE 2006 (documento D1-207). Ejemplos de otros entes independientes de verificación IREQ (Canadá) SINTEF (Noruega) 65

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