sobre la confiabilidad y las especificaciones de transformadores
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Sobre la Confiabilidad y las especificaciones de Transformadores
Librado Magallanes R.
Junio 2011
Una gestión de activos eficaz, inicia con la adquisición de los mismos y esto requiere de especificaciones que
satisfagan los requerimientos funcionales, los requerimientos de seguridad de funcionamiento
(confiabilidad, mantenibilidad, disponibilidad & soporte logístico de mantenimiento), las condiciones de servicio,
las condiciones del sitio de instalación, además de estándares industriales aplicables
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Probabilidad de ocurrencia de falla
¿Qué se quiere decir cuando se habla de equipos estratégicos?
Consideraciones de Confiabilidad y gestión de riesgo en los Transformadores
• Térmicas
• Dieléctricas
• Mecánicas
• Materiales
• Componentes
Por su origen pueden subdividirse en:
Consideraciones de Confiabilidad en los Transformadores
Cuánto cuesta la indisponibilidad o reducción de vida en los transformadores estratégicos que operan en condiciones mayores al promedio establecido por las normas, 30°C temperatura promedio, 40°C temperaturas máxima vs. Cuánto costaría la construcción con un margen de reducción de elevación de temperatura o con materiales con mayor clase de temperatura en la zona del hot-spot para llevar la operación del transformador cuando menos a las condiciones de norma.
Degradación de propiedades de materiales Formación de burbujas en el aceite Acelera la falla dieléctrica
La vida de los aislamientos se reduce exponencialmente en función del incremento de temperatura, un incremento de 8*C reduce la vida a la mitad.
Si no se especifica otra cosa y solamente se aplica la norma, el fabricante optimiza el diseño para estar al límite del hot-spot, este limite minimiza el tamaño del transformador y la cantidad de materiales.
En aplicaciones estratégicas sujetas a condiciones de servicio extremas, altos factores de carga y altos factores de servicio (planta) y además sujetas a temperaturas ambientes superiores a las establecidas en la normas, por ejemplo, instalaciones como Cerro Prieto, Puerto Libertad, etc., tendrán un envejecimiento más acelerado que otras con temperaturas ambiente menores. Lo cual implicaría menor tiempo de vida.
Consideraciones de Confiabilidad en los Transformadores
Criterios de fin de vida del aislamiento
La estimación de fin de vida esta basada en pruebas de vida acelerada, el valor en la columna años debe ser la mediana. Las normas a que se hace referencia no reportan:
• La desviación estándar de los valores fin de vida • El tamaño de la muestra • Los parametros de la distribución estadística utilizada • El nivel de confianza
No está documentado en la normas el tiempo mínimo que debe durar el esfuerzo (la temperatura) aplicado para que inicie el fenomeno de degradación (pérdida de propiedades físicas).
Aspectos a considerar para mejorar la confiabilidad respecto a los esfuerzos térmicos?
Condiciones de servicio Tipo de carga: variable, constante; factor de servicio; factor de carga exposición a sobrecargas, de tiempo corto, de emergencia Condiciones ambientales: Temperatura ambiente promedio, temperatura ambiente máxima Efectos: • Envejecimiento acelerado en aislamientos y componentes tales como
boquillas y cambiadores de derivaciones, • problemas de generación de gases por puntos calientes en contactos del
cambiador de derivaciones y en conexiones, • incremento en la probabilidad de falla dieléctrica por la formación de
burbujas Alternativas de solución: • Especificar la elevación de temperatura con un margen de seguridad en función de la
vida esperada del transformador, dependiendo del perfil de la carga y las temperaturas ambiente,
• Evaluar si pudiera ser suficiente reforzar la zona del hot-spot con aislamiento de mayor clase de temperatura.
• En caso de sobrecargas dimensionar en función de ellas todos los componentes afectados por estas (bushings, terminales de conexión, cambiadores de derivaciones, etc.
• Limitar la temperatura del aceite, hot-spot y partes metálicas y contenido de gases antes y después de las pruebas.
Consideraciones de Confiabilidad en los Transformadores
En el caso de los esfuerzos dieléctricos, en condiciones normales, esto es, una adecuada coordinación de aislamiento, el esfuerzo en la especificación estaría orientado a comprobar que el fabricante tiene una buena base de conocimiento & experiencia en los temas que aseguran un buen diseño dieléctrico, como son:
• Herramientas de análisis de elemento finito • Teoría del esfuerzo dieléctrico en volumenes de aceite
• Curva Tensión – Tiempo • Curva de arrastre acumulado (creep)
• Teoría de los ductos de aceite
Los aspectos clave para la manufactura estarían orientados a:
La capacidad para extraer la humedad de los aislamientos y mantenerlo libre de contaminantes mediante un control estricto durante el proceso de manufactura y un secado en fase de vapor controlado Desde el punto vista de pruebas, debería requerirse:
• Cromatografías antes & después de las pruebas dieléctricas
• Descargas parciales en μV y pC
• Contenido de humedad en el aceite y en el papel
• Conteo de partículas en el aceite
Aspectos a considerar para mejorar la confiabilidad respecto a los esfuerzos dieléctricos?
Limitar el nivel de descargas parciales a 100 pC y reducir el límite de gases disueltos, impulsará un mejor control del proceso de diseño & manufactura
Consideraciones de Confiabilidad en los Transformadores
Experiencias de resultados de pruebas de corto circuito
Tipos de fallas encontrados
• Devanado de baja tensión corto circuitado a tierra, el devanado incrustado contra el núcleo y/o contra la estructura de sujeción
• Devanado de alta tensión abierto, fallas en las conexiones • Desplazamiento radial/deformación de los devanados de AT (falla bajo fuerzas
axiales) • Desplazamiento axial de los devanados (apachurramiento de los devanados
debido a fuerzas axiales) • Corto entrevueltas en la zona de transposiciones de los devanados de BT,
observandose en la relación de transformación y en la corriente de excitación • Desplazamiento asimétrico de los devanados, observándose variaciones de
reactancia • Falla de aislamiento, durante aplicado y/o durante pruebas de inducido • Ruptura de los soportes aislantes colocados entre el devanado y el dispositivo
de sujeción • y espaciadores entre secciones del devanado de AT, debidas al impacto de
fuerzas electrodinámicas. • Cuerpo del tanque fracturado y/o deformado • Explosión e incendio
Aspectos a considerar para mejorar la confiabilidad respecto a los esfuerzos mecánicos por corto circuito Con el apoyo de herramientas para análisis de campos eléctricos y magnéticos • Seleccionar la dureza correcta del conductor de acuerdo a las fuerzas
que debe soportar • Seleccionar los materiales con las carácterísticas mecánicas
adecuadas para los espaciadores • Incorporar y aplicar correctamente el dimensionamiento isostático
durante el proceso de vapor phase • Diseñar un sistema de sujeción axial efectivo • Balancear adecuadamente los ampere-vueltas • Diseñar y controlar la manufactura robusta de guías conexión y
soportes para las mismas Respecto a la especificación, revisar para cada tipo de aplicación el valor de la impedancia, buscando especificar la máxima posible. Por ejemplo, en la aplicación de transformadores que enlazan anillos de 400/115, si no se seleccionan adecuadamente las impedancias, la impedancia equivalente entre anillos se hace tan baja que crea la necesidad de utilizar interruptores de 115 kV con capacidades interruptivas mayores a los 50 kA. Es conveniente incluir tambien, la ejecución de pruebas y la revisión de diseño, en transformadores críticos para el sistema.
Consideraciones de Confiabilidad en los Transformadores
Aspectos a considerar para mejorar la confiabilidad respecto a los esfuerzos mecánicos en tanques
La condición más crítica es la ruptura del tanque, la pregunta sería cuando considerar que sería prudente bajo un criterio objetivo el especificar que el tanque no se rompa y el aceite se derrame.
La respuesta más obvia sería cuando los costos de las pérdidas directas más consecuenciales sean mayores al costo del seguro considerando la probabilidad de ocurrencia del evento. En otros países se ha considerado esto debido a los costos relacionados con las regulaciones ambientales, que muchas veces va más allá de la remediación del suelo o de los daños ambientales causados, sino que ponen en riesgo los permisos de operación de la compañía. Otro aspecto díficil de valorar es la imagén de la compañía, aspecto relevante cuando cotizan en bolsa o acuden a mercados de deuda. La mínima recomendación sería que los tanques deben ser diseñados para vacío absoluto y presión completa, realizándose una prueba hidrostática para comprobar la no existencia de fugas, en función del tamaño del tanque debe colocar las válvulas de sobrepresión necesarias y demostrar su correcto funcionamiento. De requerirse la prevención de ruptura del tanque, se requería validar el diseño.
COMPONENTS
Rupture Disc High Flexible Tank Vent piping Relief Tank Alarm Device
6
OperaDon Principle
Material & Flexibility
Rupture Disc & VenDng
Pressure Curve
7
OperaDon Principle
Material & Flexibility
Rupture Disc & VenDng
Pressure Curve
8
OperaDon Principle
PRESSURE
TIME
Design Safety Margin
RUPTURE PRESSURE
TRANSFORMER W/O TPRS
TRANSFORMER WITH TPRS
Material & Flexibility
Pressure Curve
Rupture Disc & VenDng
RUPTURE TIME
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Consideraciones de Confiabilidad en los Transformadores
La principal causa que afecta la confiabilidad en los empaques es normalmente el control de calidad en el material, lo que pudiera resolverse con la especificación adecuada del material por parte del fabricante. En lugar de especificar el material, como ha sido la práctica, debe especificarse un requerimiento funcional de cero fugas a través de empaques, demostrada mediante pruebas de vida acelerada en modelos.
Consideraciones de Confiabilidad en los Transformadores
Los principales problemas confiabilidad en boquillas son: • Fallas por sismo • Fallas por daños al tap capacitivo • Fallas por problemas de contacto en terminales de conexión • Fallas dieléctricas por penetración de humedad
Debe especificarse y probarse el aguante a las condiciones de aceleración vertical y horizontal especificada; Evaluarse el diseño y la confiabilidad del tap capacitivo Seleccionar la boquillas con los margenes adecuados para las condiciones de sobrecarga El fabricante debe asegurarse de la confiabilidad de diseño y seleccionar la tecnología que garantice la hermeticidad y se evite la penetración de humedad
Consideraciones de Confiabilidad en los Transformadores
• Deben establecerse las condiciones de servicio • El fabricante debe evaluar la tecnología de relevadores bucholtz que
satisfagan las condiciones de servicio con una muy baja probabilidad de operar en falso.
Consideraciones de Confiabilidad en los Transformadores
Otras consideraciones operacionales
Armónicas • Cuáles? • Qué magnitud? • Cuánto tiempo?
Transformadores directamente conectados a generadores • Nivel de sobreexcitación • Consideraciones de regulación • Tiempo de duración desde el arranque hasta la sincronización • Esquema de protección
Impacto de sobrecargas altas por cortos tiempos • Qué magnitudes? • Cuánto tiempo? • Qué componentes requieren ser especificados para estas condiciones?
Switcheo • Frecuencia TRV del interruptor cercana a la frecuencia natural del
transformador
Consideraciones de Confiabilidad en los Transformadores
Otras consideraciones operacionales
Coordinación de aislamiento • Carácterísticas de tensión-tiempo
• Carácterísticas de apartarrayos
• Transitorios rápidos
• Operaciones de maniobra con bancos de capacitores
• Simulación del comportamiento bajo esas condiciones con el EMTP
Protecciones • Coordinación de relevadores
Operación en paralelo
Además de otras condiciones inusuales de servicio
• Limitaciones de espacio
• Corrientes geomagnéticas
• Buses de fase aislada
Consideraciones de Confiabilidad en los Transformadores
Durante la vida de los transformadores
Monitoreo & Diagnóstico • Qué monitorear? • Para Qué? • Qué efectividad?
Mantenimiento • Periodico • Preventivo • Predictivo • Basado en la condición
Extensión de vida • Evaluación de riesgo • Evaluación de la condición • Reacondicionamiento
• La mejor utilidad de la estadística de fallas es la de sustentar la mejora de las especificaciones.
• Enfocar las especificaciones (empezando con los equipos estratégicos) hacia la mejora de la confiabilidad tendrá como resultados un disminución significativa en el riesgo del sistema eléctrico.
Conclusión
