dga en reactores caso de investigacion

JORNADAS TCNICAS ISA - 2012

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GENERACIN ANORMAL DE GASES COMBUSTIBLES EN REACTORES SIEMENS PROYECTO UPME 01-02/2003

Nelson Javier Mesa Palacio

Director CTE Centro

CTE Centro Interconexin Elctrica S.A E.S.P

[email protected]

Categora Subestaciones RESUMEN En los aos 2006 y 2007 fueron instalados en la red de ISA, 27 reactores de 500kV marca SIEMENS referencia LSAL, desde la puesta en servicio de esos equipos, ISA hizo seguimiento al comportamiento de estos equipos mediante DGA

1,

al cabo de un ao se evidenciaron trazas de gases combustibles y se inici un proceso de reclamacin al fabricante para que explicara porque este comportamiento. Luego de un proceso de investigacin, el fabricante determin que la causa de este problema estaba dado por un problema de fabricacin del ncleo del reactor que haca que el aceite aislante utilizado se quedara atrapado en los entrehierros sin posibilidad de refrigerarse, ocasionando puntos calientes puntuales que generaban el gas. Este trabajo muestra el desarrollo de la investigacin y la solucin final propuesta por el fabricante para resolver el problema, adems, muestra los resultados de los ensayos realizados y algunos cuestionamientos frente a la solucin propuesta que han realizado algunos especialistas sobre el tema PALABRAS CLAVES. Reactores, SIEMENS, LSAL, DGA, entrehierros.

1 DGA Anlisis de Gases Disueltos, tcnica fsico-

Qumica que determinar la cantidad de gases en una

muestra de aceite y permite el diagnstico del equipo al

que le fue tomada la muestra.

INTRODUCCIN En el ao 2003 Interconexin Elctrica ISA E.S.P. -ISA-particip en la licitacin pblica que tena por objeto la construccin de una red de alto voltaje a 500kV que uniera la capital del pas con la costa norte, lo que implic la construccin de ms de 1000km de circuito y la construccin de 5 subestaciones, Bacat, Primavera, Ocaa, Copey y Bolvar, estas subestaciones en todos los casos tenan asociados transformadores de potencia 230/500kV y en todas las subestaciones se consideraron reactores conforme el diagrama unifilar que se anexa, para efectos de competencia el proyecto fue divido en dos partes denominados UPME01 y UPME02 de 2003, los dos proyectos fueron adjudicados a ISA. Para los proyectos UPME I y UPME II, ISA adquiri 28 Reactores SIEMENS tipo LSAL fabricados en la fbrica de transformadores de SIEMENS en Brasil. De estos 28 equipos fueron instalados 27 y uno fue definido como reserva sin ser energizado. Las unidades instaladas en el proyecto UPME I (Primavera y Bacat) fueron declaradas en operacin el 31 de diciembre de 2006 y las del Proyecto UPME II (Primavera, Ocaa, Copey y Bolivar), fueron declaradas en operacin el 31 de marzo de 2007.

Fuente: Elaboracin propia


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Figura 1 Diagrama unifilar del proyecto UPME01-2003

y UPME 02-2003.

En los ensayos realizados en el ao 2008 fueron detectadas trazas de gases combustibles en algunos de los equipos, tal situacin fue reportada al fabricante, algunos de los resultados se muestran en la siguiente tabla


Tabla 1. Resultados de ensayos DGA en algunos

equipos de la familia de reactores LSAL

El fabricante, para determinar los valores de referencia que indican problemas, utiliz las definiciones del CIGRE, que se anexan en la grfica siguiente:

Fuente: CIGRE [1]

Tabla 2. Criterios de evaluacin de resultados DGA

definidos por el CIGRE [1].

Puede observarse que algunos de los equipos no cumplen con los valores mnimos definidos por la norma, adicionalmente, si se evalan los resultados a la luz del Tringulo de Duval

2 puede

observarse que en los equipos se presentan problemas de calentamiento. El Tringulo de Duval se define de la siguiente manera:

2 DUVAL, Michel, Fault Gases Formed in Oil-Filled

Breathing E.H.V. Transformers; Interpretation of Gas

Analysis Data. Herramienta Grafica para determinar el

tipo de falla en equipos inductivos dependiendo de la

concentracin y relacin de algunos gases.

PD

D1

D2

DT

T1

T2

T3 Thermal faults of temperature > 700C

Table: Identification of fault zones in the Figure above

Corona Partial Discharges

Discharges of low energy

Thermal faults of temperature 300C < T < 700C

Mixtures of electrical and thermal faults.

Discharges of high energy

Thermal faults of temperature < 300C

Figure: The Duval Triangle 1 for transformers filled with mineral oils.

Fuente: Bibliografa [2]

Figura 2. Tringulo de Duval y sus zonas.

Los datos de los reactores repostados al fabricante como cuestionados se muestran a continuacin.

CASO 01CASO 02CASO 03CASO 04CASO 05CASO 06

C2H2 ACETYLENE

Duval Triangle Nr 1

C2H4 ETHYLENECH4 METHANE

100

0100

0

1000

Fuente: Informe de falla SIEMENS

Figura 3. Evaluacin de los reactores LSAL en el

Tringulo de Duval.

Claramente se observa en este caso que las muestras se sitan en el tringulo de Duval en la zona denominada T3, indicando una falla trmica de alta temperatura (T>700C); muy cerca de la convergencia de las zonas T2 y DT, que en general representan puntos en el interior del equipo con temperaturas superiores a los 300C. A partir de esta definicin, se inician las discusiones con el fabricante, referente a que si en


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el interior del equipo existen temperaturas tan altas, es posible la degradacin del aceite y de los elementos que estn alrededor, tales como los ncleos del equipo, el papel aislante, la madera de separacin, etc. Dada la criticidad del diagnstico, el fabricante inicio una etapa de investigacin que condujo a las definiciones que se consideran en el desarrollo de este trabajo.

1 INVESTIGACIN DESARROLLADA POR EL FABRICANTE

Luego de investigar el problema en la fbrica, SIEMENS determin las posibles causas del mismo, identificando: Causas asociadas al diseo: Siemens indica que esta causa es improbable porque todos los reactores Shunt del proyecto tienen el mismo diseo y solo algunos de ellos tienen una generacin atpica de gases. Causas Asociadas a los Materiales: Siemens indica que esta causa es improbable porque todos los reactores Shunt del proyecto fueron fabricados con los mismos lotes de materiales incluyendo el aceite aislante y solo algunos de ellos tienen una generacin atpica de gases. Causas Asociadas a al proceso de produccin: Siemens indica que esta causa es la ms probable considerando las desviaciones presentes en el proceso de produccin, sin embargo, indica que todo el proceso fue controlado y estuvo dentro de las tolerancias. La explicacin dada por el fabricante, era que al momento del corte de las chapas del ncleo, era imposible conseguir que todas tuvieran la misma longitud, lo que podra generar espacios donde el aceite podra alojarse, sin la posibilidad de fluir y ser refrigerado, generando de esta manera calentamiento del mismo y la generacin de gases durante su degradacin, en la siguiente grafica se indica el lugar donde posiblemente se generaba el problema.


Figura 4. Forma constructiva bsica de un reactor LSAL


Figura 5. reas encontradas con evidencia de

Calentamiento.

Fuente: Fotos del proceso de Reparacin ISA

Figura 6. Ncleo de un reactor LSAL en proceso de

desensamble.


4


Figura 7. Estado del yugo superior y de la placa de

separacin del yugo con una de las columnas


Figura 8. Estado de los puntos de unin de las

columnas con el yugo.


Figura 9. Estado del yugo y la zona de acople con el

nucleo de la bobina.

Considerando que SIEMENS no conoca en detalle la causa del problema y su solucin, fue establecido por la fbrica un plan de ensayos, con reactores de ISA Colombia, ISA-CTEEP Brasil y con equipos de otros clientes con problemas similares, lo anterior consideraba que en la fbrica fue imposible repetir el proceso de formacin de gases, estos solo se presentaron en equipos operativos con hasta 6 meses de funcionamiento, esto se verific an con ensayos de sobreexitacin prolongados de equipos similares.

2.1 PRIMERA SOLUCIN PROPUESTA

Considerando que la hiptesis planteada, era que el aceite se quedaba en los entrehierros del ncleo y en el entrehierro entre el centro de la bobina y el yugo superior, la primera propuesta de solucin desarrollada, consista en el aumento del gap del entrehierro de 2mm a 5mm, y reemplazo de la placa aislante (material similar a fibra de vidrio) usada como separacin. Luego de algn tiempo, se comprob que esta solucin no fue efectiva, porque al ser implementada en equipos de otros clientes, el problema en algunos casos se present, imposibilitando repetirla como solucin a los equipos operativos instalados en redes distantes de Brasil, como en el caso de los equipos en Colombia, esta solucin, trajo un problema adicional y fue el aumento de las prdidas de dispersin del reactor.

2.2 SEGUNDA SOLUCIN PROPUESTA

El segundo intento del fabricante, para permitir que el aceite atrapado fluyera, fue el reemplazo de las lminas aislantes, por una lmina acanalada como se muestra en la siguiente figura, el propsito del cambio era la generacin de canales que permitieran el flujo de aceite atrapado en los entrehierros, de manera que se favoreciera el intercambio de calor en la zona y de esta forma la degradacin del aceite. Esta solucin fue ensayada por SIEMENS en varios equipos vendidos por su fbrica, sin embargo, al cabo de menos de un ao tuvo reportes, de otros de sus clientes, que estos equipos presentaban generacin anormal de gases.


Figura 10. Placa acanalada instalada en el proceso de

solucin del problema de flujo de aceite.


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3 INVESTIGACIN DE LAS CAUSAS DEL PROBLEMA

Considerando que las soluciones propuestas no eran satisfactorias, y que los ensayos de gases indicaban la posibilidad de que se estuvieran presentando temperaturas de hasta de 700C en el interior de los equipos, y que ISA como cliente estaba solicitando el reemplazo total de los equipos por calidad y correcto funcionamiento, fue desarrollado un proceso de investigacin en la fbrica, utilizando un reactor de otra empresa, de la misma referencia de los equipos instalados en Colombia y que presentaba el mismo problema.

3.1 ETAPA 1 DE LA INVESTIGACIN

En la primera etapa de la investigacin, fueron desarrolladas pruebas de rutina al equipo, buscando repetir el problema presentado en los equipos en servicio, estas pruebas se realizaron si hacer ningn tipo de trabajo o modificacin al equipo, los ensayos realizados fueron:


Tabla 3. Ensayos realizados en la primera etapa de

investigacin.

Los resultados de todos los ensayos fueron satisfactorios, y similares a los resultados de las pruebas en fbrica, especialmente: Descargas parciales, 1 hora, 1.5pu Normal Ruido y Vibracin: Normal.


En esta etapa de la investigacin se instalaron

sensores de temperatura, donde era ms probable tener aumentos de temperatura, lo anterior se hizo sin desarmar el ncleo, solo en los puntos accesibles luego de retirar la tapa superior del reactor.


Figura 11. Instalacin de sensores de temperatura en

la parte superior del yugo.


Figura 12. Instalacin de sensores de temperatura en

la parte superior de la columna.

Luego de ser instalados los sensores el equipo se ensamblo de nuevo y fueron realizadas las siguientes pruebas:



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Tabla 4. Ensayos realizados en la segunda etapa de

investigacin.

Todos los resultados fueron similares a los encontrados en la etapa 1 de investigacin. La temperatura del ncleo despus de 6 horas fue de 84.7C, lo que equivale a 17.7C ms alta que la temperatura del aceite en la parte superior del reactor, lo que se considera normal.


En esta etapa de la investigacin se instalaron sensores de temperatura, donde era ms probable tener aumentos de temperatura, lo anterior se hizo desarmando el ncleo, e instalando los sensores en la placa de separacin de los entrehierros.


Figura 13. Puntos donde fueron instalados sensores de

temperatura.


Figura 14. Puntos donde fueron instalados sensores de

temperatura.

Luego de ser instalados los sensores el equipo se

ensambl de nuevo y fueron realizadas las siguientes pruebas:


Tabla 5. Ensayos realizados en la tercera etapa de

investigacin.

Todos los resultados fueron similares a los encontrados en la etapa 1 de investigacin. La temperatura del ncleo despus de 6 horas fue de 90.9C, lo que equivale a 20.1C ms alta que la temperatura del aceite en la parte superior del reactor, lo que se considera normal.


Figura 15. Evolucin de la temperatura medida con los

sensores.

Adems de los ensayos realizados, posteriormente fueron tomas muestras del ncleo para evaluar su integridad y tambin del material aislante


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Figura 16. Sitio donde fueron obtenidas muestras del

ncleo.


Figura 17. Muestras del ncleo.


Figura 18. Muestras del ncleo luego de ser limpiadas



Figura 19. Muestras del NOMEXTM

que separa el yugo

del ncleo central.


Figura 20. Muestras del NOMEXTM

que separa el yugo

del ncleo central luego de ser limpiadas.

4 SOLUCIN DEFINITIVA PROPUESTA

Luego de ser realizado el proceso de investigacin, y de encontrar que la temperatura en el ncleo y en los puntos considerados ms calientes no correspondan con los supuestos por las definiciones del Tringulo de Duval y por las reglas


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de diagnstico definidas por las normas internacionales [1], [3] y [4], se propuso una solucin al calentamiento de los entrehierros del ncleo, esta consiste en la aplicacin de un compuesto epxico entre las lminas separadoras y el ncleo, de tal manera que la lmina quede pegada al ncleo y que no queden espacios vacos, las siguientes graficas muestran el proceso.


Figura 21. Aplicacin de material epxico en las placas

de separacin.


Figura 22. Instalacin de las placas de separacin.


Figura 23. Aplicacin de material epxico en la placa

de separacin del yugo con el ncleo de la bobina.


Figura 24. Instalacin de la placa superior.

Dada la complejidad de la solucin y lo inconveniente para llevar a fbrica todos los equipos, de comn acuerdo con el fabricante, ISA acord realizar este trabajo en sitio, con la mano de obra, los equipos y la ingeniera de SIEMENS. Con base en los resultados de las pruebas de aceites, en la historia se ha encontrado que 20 equipos han presentado evidencias del problema descrito, el acuerdo con el fabricante es que el proceso de solucin definitiva ser realizado a 21 equipos, los 20 anteriormente mencionados y un equipo de repuesto que sirve de pivote en algunas subestaciones para reemplazar uno de los principales, de manera que los tiempos de indisponibilidad se reduzcan al mximo en beneficio del sistema.


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Fuente: Fotos del proceso de Reparacin ISA

Figura 25. Ensamblaje del reactor luego de la repacin.

5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Los reactores SIEMENS tipo LSAL de 500kV presentan un problema en el proceso productivo que puede hacer que generen gases combustibles por efecto de aceite aislante atrapado en los entrehierros del ncleo. El problema es genrico de la familia LSAL y afecta equipos de ISA y de otros clientes del fabricante SIEMENS. Los resultados de los ensayos DGA indican que se trata de una falla que tiene implcita altas temperaturas, sin embargo, no fue posible en la fbrica reproducir el fenmeno, ni encontrar dichas temperaturas, la temperatura mxima encontrada fue de 90.9C. El aceite en los sitios identificados como posibles puntos calientes, muestra seales de degradacin y residuos de carbn, lo que no es explicable para temperaturas bajas como las encontradas en las distintas etapas de prueba, por lo anterior se hace necesario realizar un seguimiento en detalle de la evolucin de los equipos intervenidos. A los equipos intervenidos, se les est solicitando el reinici de la garanta, hecho que dar elementos de juicio a ISA en caso que la solucin implementada no sea totalmente exitosa. El proceso de investigacin fue de ensayo error, basado en las hiptesis del fabricante; existen otras hiptesis que no han sido evaluadas y pueden generar el mismo problema ya expuesto.

Se debe modificar la especificacin tcnica de reactores, de manera que la empresa no adquiera equipos que tengan su ncleo seccionado. Se debe evitar en ISA y en sus empresas en general la compra de ms reactores del tipo LSAL De debe implementar la solucin final propuesta por el fabricante a la totalidad de los 21 equipos que han tenido evidencia de problemas de generacin de gases combustibles-

6 REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS.

[1] CIGRE Task force 15.01.01 NEW GUIDELINES FOR INTERPRETATION OF DGA,Octr 1999

[2] DUVAL, Michel, Fault Gases Formed in Oil-Filled Breathing E.H.V. Transformers; Interpretation of Gas Analysis Data.

[3] IEEE C57.104-1991, IEEE Guide for the Interpretation of Gases Generated in Oil-Immersed Transformers,

[4] IEC 60599- 2007 Guide to the interpretation of dissolved and free gases analysis

HOJA DE VIDA DEL AUTOR. Nelson Javier Mesa Palacio, Ingeniero Electricista de la Universidad Nacional de Colombia, se ha desempeado en ISA desde 1998 como Analista de Mantenimiento, Director del CTE Noroccidente, Director de la Direccin Gestin Mantenimiento y en la actualidad como Director del CTE Centro.

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