Megger Seminario de Transformadores Pruebas de Mantenimiento y Puesta en Servicio Introducción a Transformadores Julio 2010 1
Contenido Fundamentos de Transformadores Seguridad Teoría Aplicación Diseño Tipos (Source: Waukesha) 2
Seguridad Ante Todo!! 3
Seguridad Ante Todo!! Equipo de Protección Personal 4
Seguridad Los transformadores utilizan electricidad La energía eléctrica proviene de otro tipo de energía Nuclear, Hidráulica, Térmica, Combustibles La electricidad no siempre es visible o audible Al pasar por un conductor Fácilmente puede atravesar cualquier material Madera, metales, material orgánico, líquidos, gases 5
Seguridad Inspección Visual Cables sin aislamiento Puntos de Tierra flojos Deformaciones en el tanque Instrumentos de Medición (T,P,L) Asegúrese de conocer los elementos que están energizados Verifique la proximidad delineas energizadas Pueden imponer energía en equipos des energizados Verifique la identificación del área de pruebas NUNCA DEJE DE ESTAR ATENTO! 6
Transformadores - Propósito Los Transformadores son elementos clave en la estructura de los sistemas eléctricos de potencia Los generadores producen cantidades variables de energía Normalmente las estaciones de generación se encuentran a grandes distancias de los centros de carga final Los transformadores intervienen de una manera efectiva en el transporte de energía sobre largas distancias con mínimas perdidas Elevación de voltaje de generación Líneas de Transmisión de AT transportando energía a grandes distancias Alta Tensión, baja corriente = perdidas bajas (i 2 r) Los transformadores deben utilizarse en el lado de distribución Reducción de Voltaje (en etapas) a los niveles de voltaje requeridos por la carga 7
Aplicación en el Mundo Real Fuente de Energía Generación Eléctrica BT y AT Transformador (GSU) Líneas de Transmisión AT AT a MT / BT Transformador MT / BT Líneas de Distribución Cargas de Potencia Electica Transformadores 8
Aplicación Modelo Eléctrico Trifásico Generación MT a AT Transformador (GSU) Líneas de Transmisión AT AT a MT/BT Transformador MT / BT Líneas Distribución Cargas del Sistema Eléctrico LV HV HV LV Cargas Reactivas V2 L Fuente de Energía Generador Generador V1 R Cargas Resistivas Generador Transformadores 9
Transformadores Centro de una Subestación Los otros equipos son para Control Automático y Protección 10
Niveles de Voltaje Generación 10 a 34.5kV Transmisión 1000 kv, 765kV, 500kV, 345kV, 230kV, 138kV, 124kV, 69kV Distribución / Industrial 69kV, 34.5kV, 28kV, 24kV, 13.2kV, 11kV, 7.6kV, 4.16kV, 0.480 Residencial 0.240 kv, 0.120 kv 11
Monofásico vs. Trifásico 12
Diseño Devanados Estándar Servicios Industriales Monofasico o Trifásico residencial e industrial (montado en el piso o en poste) Monofásicos Auto transformadores 2-devanados, transformadores trifásicos 3-devanados, transformadores trifásicos Tipos Especiales Móvil Arco (alta corriente) Cambiadores de Tap Múltiple devanado (>3 devanados) 13
Diseño Configuraciones 1- Delta Y Zigzag Varias rotaciones de fase 14
Transformador Sistema de Potencia Trifásico Capacitiva o Inductiva Capacitiva = Banco Capacitivo Capacitivo = Largas líneas de transmisión Reactiva = Reactor Motor Generador Potencia Reactiva (Q) = kvar Vector 2 anguloentre vectores1y 2 Potencia Real (P) = kw Vector 1 S P jq Resistiva Iluminación Resistores 15
Transformadores Potencia En sistemas 3 En sistemas 1 S 3 V L I L -O- S 3 V F I F S V L I L P 3 V L I L factor de potencia P V L I L factor de potencia 1 MVA = 1000 * kva 1 kva = 0.001 * MVA 16
Teoría Transformador Monofasico Objetivo: Transfer ir energía desde la fuente hacia la carga Construcción: Dos conductores (primario y secundario) bobinados sobre un mismo núcleo, por ende asilados eléctricamente uno del otro Teoría: Ley de Faraday: Una fuente de energía aplica una corriente AC que pasa por el devanado primario, produce una densidad de flujo magnético que varia en el tiempo sobre el núcleo Este flujo también pasa a través del secundario induciendo un voltaje en el secundario Cuando la carga esta conectada al secundario, la corriente fluye según la impedancia de la carga Fuente Voltaje L o a d 17
Teoría Transformador monofásico Ecuación universal del transformador V 4. 44 f A N B B I V = Voltaje f = Frecuencia A = sección área del núcleo N = # de espiras B = Densidad de Flujo magnético I = Corriente de Excitación Función de frecuencia, geometría y corriente 18
Teoría Transformación de Energía 1. Corriente (i, amps) pasa a través de un conductor y produce una fuerza de campo magnético 2. La energía potencia, se mide como flujo (B, Tesla) 3. Concentración of Flujo = Densidad de Flujo Air Core Núcleo Magnético HV i LV 10,000 veces mas efectivo 19
Teoría Transformación de Energía Corriente AC crea Flujo AC Variable en el tiempo, dirección cambiante (polaridad) Energía AT Núcleo BT Energía Eléctrica Energía Magnética Energía Eléctrica 20
Teoría Transformación de Energía Flujo de Saturación Es el nivel máximo de flujo magnético que un material puede manejar Sin importar el valor de corriente aplicada Depende únicamente de las propiedades del material del núcleo y su diseño Permeabilidad Magnética Temperatura Corriente de Excitación La corriente que fluye a lo largo del conductor bobinado en vacio (circuito abierto), cuando se aplica un voltaje al transformador Generado por corrientes parasitas del núcleo (eddy) y perdidas de histéresis Depende principalmente del voltaje aplicado Corriente de Saturación Es el nivel en el cual la saturación del flujo inicia (ver curva de histéresis) 21
Teoría Transformación de Energía 22
Teoría Transformación de Energía Histéresis (perdidas) = Memoria Magnética (historia) No toda la energía necesaria para magnetizar un material se recupera cuando este es desmagnetizado Mientras mas ancho y alto el lazo de histéresis, mayores las pérdidas por histéresis que tiene un material 23
Pérdidas Resistencia de los Devanados Debido a la resistencia de los conductores Reactancia de Fuga Debido a la fuga de flujo Resistencia del Núcleo Pérdidas por histéresis y corrientes parasitas 24
Modelo Eléctrico de una unidad monofásica Perdidas en Devanados Perdidas en Devanados Perdidas del Núcleo Histéresis (magnetizing) Eddy current (resistive) Inductive (stored energy) Resistive (watts loss) Pérdida s del núcleo Perdidas de los devanados Prueba en vacio Prueba de Corto circuito 25
Diseño Trifásico Principales Componentes: Conductores Eléctricos / Devanados Núcleo Magnético Aislamiento Primario Secundario 26
Conductores Eléctricos / Devanados Objetivo: Paso de electricidad Material: Cobre o Aluminio (Source: Alconex) (Source: Waukesha Transformer) 27
El Núcleo Magnético Objetivo: Ser el canal del Flujo Magnético Material: Acero eléctrico M3, M4 (Source: Waukesha Transformer) 28
El Núcleo Magnético Una serie de laminas delgadas planas, aisladas una con respecto a la otra Reduce las perdidas corrientes (Eddy) Malo Bueno 29
Material Aislante (Primario) Objetivo: Aislar los potenciales y proveer soporte mecánico Material: CELULOSA; papel Kraft, envoltura del Devanado, Papel Crepe, Madera Eléctrica, etc.. Insulating Structure Inside Power Transformer (Source: 2005 Weidmann Conf.) 30
Material Aislante (Secundario) Objetivo: Aislar potenciales, reducir calentamiento, mantiene alejada la humedad Material: Aceite Mineral, Natural, Silicona, Air, Nitrógeno, SF6 31
Diseño Transformador Trifásico (Montaje de núcleo y devanado 32
Diseño Transformador Trifásico (Producto Final) Cuba, bujes, conservador, radiadores, Ventiladores, Instrumentación, TCs, Cambiador de Taps, etc.. 33
Relación de Transformación Cambiadores de Tap 100% + (16) * 5/8% De-energized Tap Changer (DETC) Typically 5 taps, regulating V range % based on design need 100% + (2) * 5/8% 100% + (1) * 5/8% 100% + (0) * 5/8% 100% - (1) * 5/8% 100% - (2) * 5/8% Load Tap Changer (LTC) Typically 32 taps, regulating V range +10% to -10% 100% + (8) * 5/8% 100% + (7) * 5/8% 100% + (6) * 5/8% 100% + (5) * 5/8% 100% + (4) * 5/8% 100% + (3) * 5/8% 100% + (1) * 5/8% 100% + (0) * 5/8% 100% - (1) * 5/8% 100% - (2) * 5/8% 100% - (3) * 5/8% 100% - (4) * 5/8% 100% - (5) * 5/8% 100% - (6) * 5/8% 100% - (7) * 5/8% 100% - (8) * 5/8% 100% - (16) * 5/8% 34
Transformador Cambiadores de Tap Regulación de Voltaje y Control Trifásico Cambiador de Tap bajo Carga (CTBC) Cambiador de Tap Des-energizado (CTDE) 35
Transformador Cambiadores de Tap 36
Clase Sistema de Enfriamiento ONAN (OA) Aceite Natural Enfriamiento Propio ONAF (FA) Aceite Natural Aire Forzado Ventiladores OFAF (FOA) Aceite Forzado Aire Forzado Bombas y Ventiladores ODAF (FOA) Aceite Dirigido Aire Forzado Bombas y Ventiladores 37
Sistema de Enfriamiento Radiadores, Ventiladores, Flujo, etc.. 38
Datos de Placa Rango de Operación Voltajes nominales de 1rio y 2rio Potencia Nominal Impedancia # de Serie Especificaciones de Peso Niveles de impulso Clase de Enfriamiento 39
Datos de Placa Diagramas de Conexionado de Primario y Secundario Cambiadores de Tap - Configuraciones Información de TCs 40
Datos de Placa Configuración de devanado trifásico y polaridad 41
Datos de Placa Devanado Trifásico Polaridad de primario a voltaje secundario 42
Los componentes del Transformador serian CERO pérdidas No existen conductores perfectos (cero resistencia de devanados) No existe permeabilidad del núcleo infinita ( permitiendo 100% del flujo que se comparta) No todo el flujo magnético se concentra en el núcleo del transformador (fuga de flujo) No existe resistencia de aislamiento infinita y/o factor de potencia del aislamiento CERO (sin corriente de fuga) 43
Diseño Real Diseño de los Componentes del Transformador Eléctrico Para transferir potencia AC de un potencial a otro Térmico Para soportar las altas temperaturas de Operación Mecánico Para mantenerlo estático, invariable y físicamente robusto 44
Condiciones Reales Esfuerzos en los componentes del Transformador Eléctrico Sobre voltajes = Alto esfuerzo en el aislamiento Envejece el material dieléctrico; inclusive a voltajes nominales Térmico Alta Corriente = Alto esfuerzo en todos los componentes Envejece el material dieléctrico; inclusive a Temperaturas nominales Mecánico Fuerte Impacto = Alto esfuerzo físico DEFORM ACION/ DESPLAZAMIENTO 45
Condiciones Reales Esfuerzos en los componentes del Transformador Ataque Químico Aceite, Celulosa, y productos del Cobre DETERIORO de los componentes del aislamiento Contaminantes del Medio Ambiente Sal y corrosión externa DETERIORO de la cuba y equipos auxiliares 46
Programación de Pruebas Dependiendo del nivel de importancia del equipo (transformador) Potencia - <2500 kva, >50 MVA, etc.. Importancia de la carga generación, hospital, Centro de Computo, etc. No-Planificada Luego de una falla Luego d alarmas de falla activa Etc. Frecuencia 6 meses 12 meses 36 meses Etc. 47
Resumen de Transformadores Que se debe Probar? Devanados Aislamiento Núcleo Cambiadores de Tap Bujes Aceite Dieléctrico 48
IEEE 62 Detalle de Pruebas, basado en los componentes del Transformador Component Test Megger products Resistance MTO Ratio/polarity TTR Excitation current Delta/TTR Short-circuit impedance MLR/FRAX Windings Frequency response analysis FRAX Insulation resistance S1 Capacitance Delta/IDAX Power factor/tan delta Delta/IDAX Dielectric frequency response IDAX Induced voltage/partial discharge Capacitance Delta/IDAX Power factor/tan delta Delta/IDAX Bushings Dielectric frequency response IDAX Partial discharge Temperature (Infrared) Water content KF Dissolved gas Dielectric strength OTS Particle count Insulating oil Power factor/tan delta IDAX/Delta Interfacial tension Acidity Visual Color Oxidation stability Cellulose insulation Moisture content IDAX-MODS Contact/winding resistance MTO Temperature (Infrared) Load Ratio TTR Timing (make before break) MTO Tap changers Motor current Limit switch Contact pressure (resistance test) MTO De-energized Centering Ratio TTR Visual inspection Insulation resistance MIT/S1 Core Frequency response analysis FRAX Ground test MoM/DLRM 49
Megger Equipos de Prueba Diagnóstico y Pruebas de Transformadores 50