Proyecto Final. Modelado de la Respuesta en Frecuencia de Transformadores de Potencia Tipo Seco Para Diagnóstico de Fallas

Transcripción

1 Ingeniería Electromecánica con Orientación Electrónica Proyecto Final la Frecuencia de de Potencia Tipo Seco Para Diagnóstico de Fallas los de la Autores: Pablo Antuña Osmar Quiñonez Asesor: Ing. Armando Ortiz, M.Sc. Hernandarias - Paraguay Marzo de 2014

2 El objetivo del mantenimiento preventivo de los transformadores de potencia es aumentar la confiabilidad (reliability) del sistema al cual pertenecen y alargar la vida útil de los equipos. Ensayos convencionales realizados en la Binacional: Resistencia de aislación Resistencia óhmica Relación de transformación los de la

3 Hoy se sabe que estas pruebas pueden no ser suficientes para detectar fallas. Evidencia de esto es la falla del transformador TEP 18A - fase C, en el año 2012, en donde un cortocircuito en el devanado del secundario ocasionó la salida de operación del transformador. El ensayo FRA (Frequency Response Analysis) surge como una alternativa para conseguir un diagnóstico más confiable. los de la

4 Ventajas: Sensibilidad Repetibilidad Desventajas: Falta de normativas los de la

5 Ventajas: Sensibilidad Repetibilidad Desventajas: Falta de normativas La dificultad de la interpretación proviene del hecho que el diagnóstico se realiza comparando dos curvas. los de la

6 Ventajas: Sensibilidad Repetibilidad Desventajas: Falta de normativas La dificultad de la interpretación proviene del hecho que el diagnóstico se realiza comparando dos curvas. La opinión del responsable de interpretar los ensayos puede carecer de objetividad y transparencia. los de la

7 La comunidad científica ha planteado varias posibles soluciones a esta desventaja del ensayo FRA. En el presente proyecto se implementa una de las alternativas: El modelado de la respuesta en frecuencia del transformador bajo estudio. Ensayo FRA en Estado de Referencia Ensayo FRA en Estado de Evaluación Obtención del Modelo en Estado de Referencia Obtención del Modelo en Estado de Evaluación Comparación de Parámetros de los Modelos Diagnóstico los de la

8 Contenido los de la los de la

9 Los Positiva (TEPs) de la Binacional son transformadores tipo seco que alimentan al sistema de excitación de las unidades generadoras. los de la Este tipo de transformadores normalmente requiere poco manteniemiento, pero debido a su avanzada edad se ha comenzado a prestar una mayor atención al estado de éstos.

10 El es una técnica usada para diagnosticar el estado de transformadores. Es capaz de detectar: Movimientos de los devanados. Deslizamiento de las bobinas. Envejecimiento de la aislación. Cortocircuito entre espiras. los de la

11 El es una técnica usada para diagnosticar el estado de transformadores. Es capaz de detectar: Movimientos de los devanados. Deslizamiento de las bobinas. Envejecimiento de la aislación. Cortocircuito entre espiras. Falla más común en los TEPs. los de la

12 Consiste básicamete en la inyección de un voltaje sinusoidal a diferentes frecuencias en las terminales de un devanado del transformador. Se mide la amplitud y fase en otras terminales, y se grafican los resultados en función de la frecuencia. Es decir, se obtiene la función de transferencia (FT) del equipo en el dominio de la frecuencia. los de la

13 los de la

14 Pruebas Comparativas El ensayo FRA es un ensayo de tipo comparativo, la prueba realizada debe compararse con un ensayo realizado anteriormente. Desviaciones en la curva indican posibles fallas. Bajas Frecuencias (f < 5 khz): deformación del núcleo, circuitos abiertos, espiras en corto y magnetismo o corrientes residuales. Medias Frecuencias 10 khz < f < 600 khz: movimientos del devanado, cortocircuito entre espiras. Altas Frecuencias f > 750 khz: conexiones internas del cables o el aterramiento. los de la

15 Configuraciones 1. Extremo con Extremo, Abierto. los de la

16 Configuraciones 2. Extremo con Extremo, Cortocircuito. los de la

17 Configuraciones 3. Inductancia entre Devanados: no se utilizó. los de la 4. Capacitancia entre Devanados: no se utilizó.

18 los de la

19 Las estrategias de modelado orientadas al FRA deben cumplir con los siguientes requisitos: Ajuste de la respuesta en frecuencia medida. y análisis de fenómenos físicos. los de la

20 El método de constituye un ejemplo de modelo paramétrico, y consiste de un circuito eléctrico compuesto de elementos resistivos, inductivos y capacitivos. La utilización de esta topología de circuito eléctrico se basa en la observación de que la respuesta en frecuencia de un transformador es similar a la de un circuito de este tipo. los de la

21 (a) Circuito de dos celdas (a) Transformador (b) Respuesta del circuito (b) Respuesta del transformador los de la

22 Los parámetros del modelo son los valores de R, L y C de cada celda. R: disipación de energía L: efectos en el campo magnético C: efectos en el campo eléctrico los de la

23 En cada frecuencia solo una de las celdas es la predominante en la respuesta en frecuencia: los de la

24 Cálculo de los Parámetros El objetivo es obtener parámetros R, L y C para cada celda de manera que la respuesta del circuito sea lo más cercana posible a la respuesta del transformador. El procedimiento de cálculo consiste en la minimización de una función error. Los valores de los parámetros R, L y C que minimizan la función error pueden ser encontrados derivando la función error respecto a cada una de las variables e igualando las derivadas a cero. los de la

25 Procedimiento Práctico de Cálculo 1. Conversión a Impedancia. 2. Selección de Anchos de Banda. 3. Procedimiento Iterativo. los de la

26 Cálculo Directo El método original de presentó problemas en ciertos casos: 1. Convergencia: los de la 2. Soluciones sin significado físico: valores de R, L o C negativos.

27 Cálculo Directo Para solucionar estos problemas, se desarrolló en el presente proyecto un método alternativo de cálculo de parámetros. El método se basa en fijar de antemano la frecuencia de resonancia y el valor de la resistencia R, a partir de las mediciones. los de la

28 Cálculo Directo Fijando estos datos, se modifica la función error E. L = 1 ω 2 r C E se convierte en una función de solo una variable, C. Aplicando los métodos conocidos del cálculo diferencial, se encuentra que el mínimo de la función E corresponde a un valor de C dado por: C = m B R (ω i )ω i ωr 2 i=1 m ωi 2 + ωr 4 i=1 m 1 i=1 ωi 2 m i=1 B R (ω i ) ω i 2ω 2 r m (1) (2) los de la

29 los de la Se presentan los datos del Transformador Positiva (TEP) bajo estudio. Marca: TRASFOR Impedancia de corto: 6.86 % Frecuencia: 60 Hz Standard: IEC 76/726 Fabricación: 2003 Descripción: monofásico, seco encapsulado en vacío Potencia: 3570 kva Tensión nominal: (±2 2.5 %)V/1850V Conexión: Y- Clase de aislación: F A continuación se muestran los resultados del modelado de la respuesta en frecuencia del transformador en distintas configuraciones. los de la

30 los de la Bobina de Baja Tensión, Configuración Abierto los de la

31 los de la Bobina de Baja Tensión, Configuración Abierto los de la

32 los de la Bobina de Baja Tensión, Configuración Abierto Celda 1 Celda 2 Rango: Hz Rango: Hz R 1 : Ω R 2 : Ω L 1 : mh L 2 : µh C 1 : nf C 2 : nf ERP: % Método de Cálculo: Directo los de la

33 los de la Bobina de Baja Tensión, Configuración Cortocircuito los de la

34 los de la Bobina de Baja Tensión, Configuración Cortocircuito los de la

35 los de la Bobina de Baja Tensión, Configuración Cortocircuito Celda 1 Celda 2 Rango: Hz Rango: Hz R 1 : Ω R 2 : Ω L 1 : µh L 2 : µh C 1 : nf C 2 : nf ERP: 29.6 % Método de Cálculo: Directo El error obtenido en esta configuración es mucho mayor. De ahora en adelante mostraremos exclusivamente los resultados en la configuración abierto. los de la

36 los de la Bobina de Alta Tensión, Configuración Abierto los de la

37 los de la Bobina de Alta Tensión, Configuración Abierto los de la

38 los de la Bobina de Alta Tensión, Configuración Abierto Celda 1 Celda 2 Rango: Hz Rango: Hz R 1 : kω R 2 : kω L 1 : mh L 2 : mh C 1 : pf C 2 : pf ERP: % Método de Cálculo: Directo los de la

39 los de la Conclusiones del Modelado El modelo es válido hasta una frecuencia de alrededor de 220 khz. La respuesta en frecuencia de este transformador es caracterizada por dos picos de resonancia. Los mejores resultados de modelado se dan en la configuración abierto. El método de cálculo de parámetros que resultó en la obtención de modelos más precisos fue el directo. Las resistencias e inductancias son mayores en la bobina de alta tensión. los de la

40 Simulación de Cortocircuitos Entre Espiras A fin de realizar una comparación de modelos en estado de referencia y en estado de evaluación, se simularon cortocircuitos entre espiras. Las fallas son simuladas cortocircuitando diferentes TAP s del devanado de alta tensión. los de la

41 Simulación de Cortocircuitos Entre Espiras los de la A continuación se muestran los resultados de las mediciones y del modelado.

42 Simulación de Cortocircuitos Entre Espiras Resultado de las mediciones, devanado de alta tensión, configuración abierto: los de la

43 Simulación de Cortocircuitos Entre Espiras Modelado en estado de referencia, devanado de alta tensión, configuración abierto. los de la

44 Simulación de Cortocircuitos Entre Espiras Modelado con la primera falla, devanado de alta tensión, configuración abierto. los de la

45 Simulación de Cortocircuitos Entre Espiras Modelado con la segunda falla, devanado de alta tensión, configuración abierto. los de la

46 Simulación de Cortocircuitos Entre Espiras Resumen de los resultados del modelado del devanado de alta tensión. Referencia Primera falla Variación Segunda falla Variación R kω kω % kω % L mh mh % mh % C pf pf % pf % R kω kω 5.48 % L mh mh % C pf pf % los de la

47 Patrones de Variación Disminución de L. Aumento de C. los de la

48 Patrones de Variación Debido a que es en el devanado de alta tensión donde se producen los cortocircuitos simulados, es natural que disminuya la inductancia, ya que la corriente circula por una cantidad menor de espiras. Ya fue observado en la literatura que la disminución de inductancias en el devanado de un transformador está asociado a un aumento de las capacitancias. los de la

49 Conclusiones del Modelado Un cortocircuito entre espiras genera un patrón de variación en los parámetros del devanado en donde se produce el cortocircuito. El patrón de variación consiste en una disminución de las inductancias y un aumento de las capacitancias. La presencia o no de este patrón se puede utilizar como criterio de interpretación de ensayos FRA. Específicamente, este criterio ayudaría a detectar cortocircuitos entre espiras. los de la

50 Correlación Entre Severidad de Fallas y Variación de Parámetros La proporción de espiras cortocircuitadas en las fallas simuladas se pueden deducir conociendo la resistencia del devanado en las distintas configuraciones de los TAPs. los de la

51 Correlación Entre Severidad de Fallas y Variación de Parámetros los de la

52 Correlación Entre Severidad de Fallas y Variación de Parámetros Estado Cortocircuito L 1 C 1 Referencia 0 % 0 % 0 % Primera Falla 2.09 % % % Segunda Falla 4.59 % % % Variación del Parámetro L1 ( %) ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Porcentaje de Espiras Cortocircuitadas ( %) los de la

53 Correlación Entre Severidad de Fallas y Variación de Parámetros Estado Cortocircuito L 1 C 1 Referencia 0 % 0 % 0 % Primera Falla 2.09 % % % Segunda Falla 4.59 % % % Variación del Parámetro L1 ( %) ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Porcentaje de Espiras Cortocircuitadas ( %) los de la

54 Correlación Entre Severidad de Fallas y Variación de Parámetros Estado Cortocircuito L 1 C 1 Referencia 0 % 0 % 0 % Primera Falla 2.09 % % % Segunda Falla 4.59 % % % Variación del Parámetro C1 ( %) ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Porcentaje de Espiras Cortocircuitadas ( %) los de la

55 Correlación Entre Severidad de Fallas y Variación de Parámetros Variación de Parámetros ( %) L1 C1 L2 C2 Devanado de Alta Tensión los de la ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Porcentaje de Espiras Cortocircuitadas ( %)

56 El objetivo buscado con la aplicación es facilitar la utilización del modelado de la respuesta en frecuencia. Importación de datos de ensayos. Graficado de hasta dos respuestas en frecuencia. Síntesis automática del modelo. Comparación de la respuesta medida y la respuesta del modelo. Simulación de cortocircuitos entre espiras de distintas severidades. Exportación de todas las curvas, tanto medidas como de modelos, a un formato estándar utilizado por los softwares proveidos por fabricantes de instrumentos. los de la

57 Herramientas Utilizadas La aplicación fue desarrolla completamente en el lenguaje Java. Además de la Java Class Library, la cual contiene las clases estándar de Java, fueron utilizadas otras librerías para la implementación de ciertas funciones. JFreeChart: elaboración de gráficos. OpenCsv: importación y exportación de archivos de texto. Commons Math: operaciones matemáticas. los de la

58 Esquema de la los de la

59 Conclusiones la respuesta en frecuencia de transformadores de potencia del tipo seco. Son escasos los trabajos que se enfoquen en este tipo de transformadores. Los resultados del modelado obtenidos en este proyecto pueden servir de referencia para trabajos futuros. Deducción de criterios de interpretación para el ensayo FRA. Se llega a una correlación cuantitativa entre la gravedad de un cortocircuito entre espiras y la variación de ciertos parámetros del modelo. El patrón de variación de parámetros obtenidos podrá ser utilizado como criterio de interpretación de ensayos futuros. los de la

60 Conclusiones Desarrollo e implementación de un nuevo método de cálculo de parámetros del modelo de. El método iterativo para el cálculo de parámetros en ciertos casos no ofrece resultados satisfactorios. Para resolver esta situación, en el presente trabajo se desarrolló un método alternativo de cálculo de parámetros. Desarrollo de una aplicación informática para el modelado de la respuesta en frecuencia de transformadores. La aplicación es compatible con los formatos utilizados por los fabricantes de instrumentos, lo cual facilita y acelera la tarea de modelado de la respuesta. Además, la aplicación tiene la capacidad de simular cortocircuitos entre espiras. los de la

61 Conclusiones Para Trabajos Futuros Existen muchos desarrollos que enriquecerían enormemente las ventajas de la metodología desarrollada en el presente proyecto. Desarrollo de un método iterativo que utilice el método directo presentado en este proyecto. Constatación experimental de las curvas que relacionan el porcentaje de espiras cortocircuitadas y la variación de los parámetros. Utilización de más que dos celdas para el modelado de la respuesta en frecuencia. los de la

62 Conclusiones Para Trabajos Futuros de la metodología de modelado presentada para el diagnóstico de transformadores en aceite, tanto transformadores de potencia como transformadores de distribución. los de la

63 Gracias por la atención! los de la