seminario de transformadores pruebas de mantenimiento y
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Megger
Seminario de Transformadores Pruebas de Mantenimiento y Puesta en
Servicio
Introducción a Transformadores
Julio 2010
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Contenido
Fundamentos de TransformadoresSeguridadTeoría AplicaciónDiseñoTipos
(Source: Waukesha)
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Seguridad Ante Todo !!
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Equipo de Protección Personal
Seguridad Ante Todo !!
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Seguridad
Los transformadores utilizan electricidadLa energía eléctrica proviene de otro tipo de energía
Nuclear, Hidráulica, Térmica, Combustibles
La electricidad no siempre es visible o audibleAl pasar por un conductor
Fácilmente puede atravesar cualquier materialMadera, metales, material orgánico, líquidos, gases
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Seguridad
Inspección VisualCables sin aislamientoPuntos de Tierra flojosDeformaciones en el tanqueInstrumentos de Medición (T,P,L)
Asegúrese de conocer los elementos que están energizadosVerifique la proximidad delineas energizadas
Pueden imponer energía en equipos des energizados
Verifique la identificación del área de pruebasNUNCA DEJE DE ESTAR ATENTO!
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Transformadores - Propósito
Los Transformadores son elementos clave en la estructura de los sistemas eléctricos de potenciaLos generadores producen cantidades variables de energíaNormalmente las estaciones de generación se encuentran a grandes distancias de los centros de carga finalLos transformadores intervienen de una manera efectiva en el transporte de energía sobre largas distancias con mínimas perdidas
Elevación de voltaje de generaciónLíneas de Transmisión de AT transportando energía a grandes distanciasAlta Tensión, baja corriente = perdidas bajas (i2·r)
Los transformadores deben utilizarse en el lado de distribuciónReducción de Voltaje (en etapas) a los niveles de voltaje requeridos por la carga
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Aplicación en el Mundo Real
Líneas de Transmisión
ATAT a MT / BT
Transformador
BT y AT Transformador
(GSU)Generación EléctricaCargas de Potencia
ElecticaFuente de EnergíaMT / BT Líneas de Distribución
Transformadores
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Líneas de Transmisión
ATAT a MT/BT
Transformador
MT a AT Transformador
(GSU)GeneraciónCargas del Sistema
Eléctrico
MT / BT Líneas Distribución
Aplicación Modelo Eléctrico Trifásico
LV HV
Generador
Generador
Generador
HV LV
V1
V2
R
L
Cargas Reactivas
Cargas Resistivas
Fuente de
Energía
Transformadores
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Transformadores Centro de una SubestaciónLos otros equipos son para Control Automático y Protección
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Niveles de Voltaje
Generación 10 a 34.5kV
Transmisión 1000 kV, 765kV, 500kV, 345kV, 230kV, 138kV, 124kV, 69kV
Distribución / Industrial69kV, 34.5kV, 28kV, 24kV, 13.2kV, 11kV, 7.6kV, 4.16kV, 0.480
Residencial0.240 kV, 0.120 kV
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Monofásico vs. Trifásico
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Diseño Devanados
Estándar Servicios IndustrialesMonofasico o Trifásico residencial e industrial (montado en el piso o en poste)Monofásicos Auto transformadores2-devanados, transformadores trifásicos3-devanados, transformadores trifásicos
Tipos EspecialesMóvilArco (alta corriente)Cambiadores de TapMúltiple devanado (>3 devanados)
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Diseño Configuraciones
1-
Delta
Y
Zigzag
Varias rotaciones de fase
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Potencia Real (P) = kW
Pot
enci
a R
eact
iva
(Q) =
kVA
R
Transformador Sistema de Potencia Trifásico
jQPS
2y 1 vectoresentre angulo
Vect
or 2
Vector 1
Capacitiva o Inductiva
Capacitiva = Banco Capacitivo
Capacitivo = Largas líneas de transmisión
Reactiva = Reactor
Motor
Generador
Resistiva
Iluminación
Resistores
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Transformadores Potencia
LL IVS 3
FF IVS 3
En sistemas 3 En sistemas 1
LL IVS
potencia defactor P LL IVpotencia defactor 3 P LL IV
-O-
1 MVA = 1000 * kVA1 kVA = 0.001 * MVA
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Load
Fuente Voltaje
Teoría Transformador MonofasicoObjetivo:
Transfer ir energía desde la fuente hacia la cargaConstrucción:
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 núcleoEste flujo también pasa a través del secundario induciendo un voltaje en el secundarioCuando la carga esta conectada al secundario, la corriente fluye según la impedancia de la carga
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Ecuación universal del transformador
BNAfV 44.4
V = Voltaje
f = Frecuencia
A = sección área del núcleo
N = # de espiras
B = Densidad de Flujo magnético
I = Corriente de Excitación
IB
Teoría Transformador monofásico
Función de frecuencia, geometría y corriente
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Air Core
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
HV
LV
Núcleo Magnético
10,000 veces mas efectivo
i
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Corriente AC crea Flujo ACVariable en el tiempo, dirección cambiante (polaridad)
EnergíaAT Núcleo BTEnergía Eléctrica Energía Magnética Energía Eléctrica
Teoría Transformación de Energía
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Flujo de SaturaciónEs el nivel máximo de flujo magnético que un material puede manejar
Sin importar el valor de corriente aplicadaDepende únicamente de las propiedades del material del núcleo y su diseño
Permeabilidad MagnéticaTemperatura
Corriente de ExcitaciónLa 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 histéresisDepende principalmente del voltaje aplicado
Corriente de SaturaciónEs el nivel en el cual la saturación del flujo inicia (ver curva de histéresis)
Teoría Transformación de Energía
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Teoría Transformación de Energía
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Histéresis (perdidas) = Memoria Magnética (historia)No toda la energía necesaria para magnetizar un material se recupera cuando este es desmagnetizadoMientras mas ancho y alto el lazo de histéresis, mayores las pérdidas por histéresis que tiene un material
Teoría Transformación de Energía
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Pérdidas
Resistencia de los DevanadosDebido a la resistencia de los conductores
Reactancia de FugaDebido a la fuga de flujo
Resistencia del NúcleoPérdidas por histéresis y corrientes parasitas
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Modelo Eléctrico de una unidad monofásica
Perdidas del Núcleo
Perdidas en Devanados
Perdidas en Devanados
Pérdidas del núcleo
Prueba en vacio
Histéresis (magnetizing)
Eddy current (resistive)
Perdidas de los devanados
Prueba de Corto circuito
Inductive (stored energy)
Resistive (watts loss)
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Diseño Trifásico
Principales Componentes:
Conductores Eléctricos / Devanados
Núcleo Magnético
AislamientoPrimarioSecundario
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Conductores Eléctricos / Devanados
Objetivo: Paso de electricidadMaterial: Cobre o Aluminio
(Source: Alconex) (Source: Waukesha Transformer)
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El Núcleo Magnético
(Source: Waukesha Transformer)
Objetivo: Ser el canal del Flujo MagnéticoMaterial: Acero eléctrico M3, M4
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El Núcleo MagnéticoUna serie de laminas delgadas planas, aisladas una con respecto a la otraReduce las perdidas corrientes (Eddy)
Malo
Bueno
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Insulating Structure Inside Power Transformer(Source: 2005 Weidmann Conf.)
Material Aislante (Primario)
Objetivo: Aislar los potenciales y proveer soporte mecánicoMaterial: CELULOSA; papel Kraft, envoltura del Devanado, Papel Crepe, Madera Eléctrica, etc..
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Material Aislante (Secundario)
Objetivo: Aislar potenciales, reducir calentamiento, mantiene alejada la humedadMaterial: Aceite Mineral, Natural, Silicona, Air, Nitrógeno, SF6
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Diseño
Transformador Trifásico (Montaje de núcleo y devanado
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Diseño
Transformador Trifásico (Producto Final) Cuba, bujes, conservador, radiadores,Ventiladores, Instrumentación, TCs, Cambiador de Taps, etc..
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Relación de Transformación Cambiadores de Tap
100% + (1) * 5/8%
100% + (2) * 5/8%
100% + (0) * 5/8%
100% - (1) * 5/8%
100% - (2) * 5/8%
100% + (1) * 5/8%
100% + (2) * 5/8%
100% + (0) * 5/8%
100% - (1) * 5/8%
100% - (2) * 5/8%
De-energized Tap Changer (DETC)
100% - (3) * 5/8%
100% + (4) * 5/8%
100% + (6) * 5/8%
100% + (0) * 5/8%100% - (1) * 5/8%100% - (2) * 5/8%
100% + (7) * 5/8%100% + (8) * 5/8%
100% + (5) * 5/8%
100% + (3) * 5/8%100% + (1) * 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%
100% - (16) * 5/8%
Load Tap Changer (LTC)
Typically 32 taps, regulating V range +10% to -10%
Typically 5 taps, regulating V range % based on design need
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Transformador Cambiadores de Tap
Regulación de Voltaje y Control TrifásicoCambiador de Tap bajo Carga (CTBC)Cambiador de Tap Des-energizado (CTDE)
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Transformador Cambiadores de Tap
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Clase Sistema de Enfriamiento
ONAN (OA) Aceite Natural Enfriamiento PropioONAF (FA) Aceite Natural Aire Forzado Ventiladores OFAF (FOA) Aceite Forzado Aire Forzado Bombas y
VentiladoresODAF (FOA) Aceite Dirigido Aire Forzado Bombas y
Ventiladores
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Sistema de Enfriamiento Radiadores, Ventiladores, Flujo, etc..
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Datos de PlacaRango de Operación
Voltajes nominales de 1rio y 2rio
Potencia Nominal
Impedancia
# de Serie
Especificaciones de Peso
Niveles de impulso
Clase de Enfriamiento
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Datos de PlacaDiagramas de Conexionado de Primario y Secundario
Cambiadores de Tap -Configuraciones
Información de TCs
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Datos de PlacaConfiguración de devanado trifásico y polaridad
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Datos de PlacaDevanado Trifásico Polaridad de primario a voltaje secundario
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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)
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Diseño Real
Diseño de los Componentes del Transformador
EléctricoPara transferir potencia AC de un potencial a otro
TérmicoPara soportar las altas temperaturas de Operación
MecánicoPara mantenerlo estático, invariable y físicamente robusto
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Condiciones Reales
Esfuerzos en los componentes del Transformador
EléctricoSobre voltajes = Alto esfuerzo en el aislamientoEnvejece el material dieléctrico; inclusive a voltajes nominales
TérmicoAlta Corriente = Alto esfuerzo en todos los componentesEnvejece el material dieléctrico; inclusive a Temperaturas nominales
MecánicoFuerte Impacto = Alto esfuerzo físicoDEFORM ACION/ DESPLAZAMIENTO
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Condiciones Reales
Esfuerzos en los componentes del Transformador
Ataque QuímicoAceite, Celulosa, y productos del CobreDETERIORO de los componentes del aislamiento
Contaminantes del Medio AmbienteSal y corrosión externaDETERIORO de la cuba y equipos auxiliares
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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-PlanificadaLuego de una fallaLuego d alarmas de falla activaEtc.
Frecuencia6 meses12 meses36 mesesEtc.
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Resumen de Transformadores Que sedebe Probar ?
DevanadosAislamientoNúcleoCambiadores de TapBujesAceite Dieléctrico
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Component Test Megger products
Windings
Resistance MTORatio/polarity TTR
Excitation current Delta/TTRShort-circuit impedance MLR/FRAX
Frequency response analysis FRAXInsulation resistance S1
Capacitance Delta/IDAXPower factor/tan delta Delta/IDAX
Dielectric frequency response IDAX Induced voltage/partial discharge
Bushings
Capacitance Delta/IDAXPower factor/tan delta Delta/IDAX
Dielectric frequency response IDAXPartial discharge
Temperature (Infrared)
Insulating oil
Water content KFDissolved gas
Dielectric strength OTSParticle count
Power factor/tan delta IDAX/DeltaInterfacial tension
AcidityVisualColor
Oxidation stabilityCellulose insulation Moisture content IDAX-MODS
Tap changers
Load
Contact/winding resistance MTOTemperature (Infrared)
Ratio TTRTiming (make before break) MTO
Motor currentLimit switch
De-energized
Contact pressure (resistance test) MTOCentering
Ratio TTRVisual inspection
CoreInsulation resistance MIT/S1
Frequency response analysis FRAXGround test MoM/DLRM
IEEE 62Detalle de Pruebas, basado en los componentes del Transformador
50
Megger Equipos de PruebaDiagnóstico y Pruebas de Transformadores