TECNOLOGIA DEL AISLAMIENTO

EN LOS TRANSFORMADORES DE MEDIDA

INSULATION TECHNOLOGY

IN INSTRUMENT TRANSFORMERS

SERVICIOINTERIOR 725 KV.

Media Tensin Media TensinAlta Tensin

CombinadosTensin Capacitivos

CondensadoresBobinas Bloqueo

Baja TensinPiecerio Resina

SERVICIOEXTERIOR 765 KV.

RELESELECTROMAGNETICOS

Auxiliares

Basculantes

Temporizados

Medida/Funcin

Baja/Media TensinProtecciones

Sealizacin/Alarmas

Control Integrado

PROTECCIONES

PRODUCT RANGE:RELAYS

ELECTROMAGNETICRELAYS

Auxiliary

Bi-stable

Time-lagMeasure/Function

Low/Medium Voltage

Protections

Signals/AlarmsIntegrated Control

PROTECTIONS

INDOORSERVICE 72.5 KV.

Medium Voltage Medium VoltageHigh Voltage

Combined Units

Capacitor Voltage Tr.Coupling Capacitors

Line Traps

Low Voltage

Resin Pieces

OUTDOORSERVICE 765 KV.

Abstract

The technology now used to construct insulation in high-vol-

tage instrument transformers is described. New materials

a re discussed as alternatives in design and likely trends for

the future. Finally, various methods are described to assure

manufacturing quality and the condition of transformers in

s e rv i c e .

1. INTRODUCTION

Although the main purpose of a instrument transformer (IT)

is to transform accurately voltage or current to standard i z e d

levels in both transient and established regimes, if it is con-

nected to a high voltage line its electrical insulation function

is also highly import a n t .

Medium voltage (3.6 - 72.5 kV) must be distinguished fro m

high voltage (72.5 - 765 kV) in terms of use and the insu-

lation employed. The high voltage units are the main subject

of this art i c l e .

Resumen

Se describen en primer lugar la tecnologa utilizada actual-

mente en la construccin del aislamiento de los transfor-

m a d o res de medida de alta tensin. Los nuevos materiales

se comentan como alternativa de diseo y posible tenden-

cia futura. Finalmente se describen diversos mtodos para

asegurar la calidad en la fabricacin y el estado de los

t r a n s f o rm a d o res en serv i c i o .

1. INTRODUCCIN

Aunque el objetivo principal de un transformador de medida

(TM) es transformar con precisin las magnitudes de ten-

sin o intensidad a valores normalizados, tanto en rgimen

transitorio como establecido, si est conectado a una lnea

de alta tensin su funcin de aislamiento elctrico adquie-

re gran import a n c i a .

Tanto por su utilizacin como por el aislamiento empleado

cabe diferenciar claramente la media tensin (3,6 a 72,5

kV) de la alta tensin (72,5 a 765 kV), siendo esta ltima

el tema principal de este art c u l o .

1

Tecnologa del aislamiento entransformadores de medida.

Insulation technology in instrument transformers.

BERROSTEGUIETA, JAIME

Electrotcnica Arteche Hnos., S.A.

Existen tres tipos de TM:

1) Tr a n s f o rm a d o res de intensidad (TI) destinados a trans-

f o rmar la intensidad de la lnea en la que estn conectados

en serie (fig. 1).

2) Tr a n s f o rm a d o res de tensin, tanto inductivos (TTM)

como capacitivos (TTC), destinados a transformar la ten-

sin entre la lnea y tierra (fig. 2 y 3); y

3) Tr a n s f o rm a d o res Combinados (TMC) formados por un TI

y un TTM (fig. 4). El aislamiento de los TI, TTM y TTC difiere

substancialmente entre s, por lo que se analizar separa-

d a m e n t e .

Aunque el TM es una mquina esttica que, en principio no

necesita mantenimiento durante su larga vida, p.e. 25

aos, resulta difcil conocer su estado y si falla, ocurre de

f o rma inesperada y a veces violenta. Por ello re c i e n t e m e n-

te se est trabajando intensamente en los posibles mto-

dos para conocer la situacin de su aislamiento principal.

2. DESCRIPCIN TCNICA

La aparicin de resinas sintticas de tipo epoxi permiti uti-

lizar el mismo aislante para el aislamiento interno y extern o

en los TM de media tensin y servicio interior (fig. 5). Poste-

r i o rmente con resinas de tipo cicloaliftico o materiales

como el butilo con mejores caractersticas ante los arc o s

elctricos superficiales y rayos ultravioleta, se ha podido uti-

lizar la misma tcnica para el diseo de TM de servicio exte-

rior (fig. 6). No obstante en estos casos la lnea de fuga

T h e re are three types of IT:

1) Current Tr a n s f o rmers (CT) for transforming the current on

the line to which they are connected in series (fig. 1). 2) Vo l-

tage Tr a n s f o rmers, which may be magnetic (MVT) or capa-

citive (CVT) used to transform the voltage between the line

and earth (fig. 2 & 3); and

3) Combined Tr a n s f o rmers (KT) made up of one CT and one

MVT (fig. 4). Insulation differs considerably between these

types, so they are analyzed separately here .

The IT is a static unit which in principle needs no mainte-

nance throughout its lifetime, which may be as long as 25

years. However it is hard to know the condition of a IT, so

that if it fails it does so unexpectedly and sometimes vio-

l e n t l y. There has there f o re been intense word re c e n t l y

aimed at finding ways of learning the status of the main

insulation on these units.

2. TECHNICAL DESCRIPTION

The appearance of epoxy type synthetic resins enabled the

same material to be used for the inside and outside

insulation of medium voltage, indoor ITs (fig. 5). Later,

cycloaliphatic resins and materials such as butyl which

2

Fig. 1. Transformador de intensidadCurrent transformer

Fig. 2. Transformador de tensinMagnetic voltage transformer

debe ser superior a la utilizada en los aisladores de por-

celana debido a su carcter orgnico y consiguiente

menor resistencia a los citados arcos elctricos.

Es posible combinar las ventajas de fabricacin del aisla-

miento slido con una elevada resistencia externa, median-

te un diseo como el de la figura 7, donde se combinan la

resina epoxi con la porcelana en un TM de media tensin.

En este caso debe garantizarse la estanqueidad de la

cmara entre ambos elementos para evitar que se hume-

dezca y como consecuencia de ello se produzca un arc o

e n t re alta y baja tensin a travs de dicha cmara.

A pesar de diversas experiencias en la utilizacin de estos

materiales en alta tensin, se ha comprobado que no son

aconsejables para tensiones superiores a 72 kV por lo que

se sigue empleando el papel-aceite como aislamiento

interno, aunque es un procedimiento ms laborioso, y por-

celana para el exterior.

3

Fig. 4. Transformador combinadoCombined transformer

Fig. 3. Transformador de tensin capacitivoCapacitive voltage transformer

behave better against surface electric arcs and UV rays

enabled the same technique to be used in designs for ITs

for outside use (fig. 6). However in these cases the leaka-

ge path must be greater than that used in porcelain insula-

tors because they are organic and there f o re less re s i s t a n t

to the mentioned electric arc s .

The manufacturing advantages of solid insulation can be

combined with high outside strength in designs such as the

one in fig. 7, where epoxy resin is combined with porc e l a i n

in a medium voltage IT. In this case the leak-tightness fo the

chamber between the two parts must be ensured to pre v e n t

m o i s t u re getting in and causing an electric arc between the

high and low voltage across the chamber.

Various trials have been carried out with these materials in

high voltage, but they have been found to be unsuitable for

voltages of more than 72 kV. Oil paper is there f o re still used

in internal insulation, in spite of the process being more

laborious, and porcelain for the outside.

2.1 Outside Insulation

As indicated above, porcelain is normally used for insulation

at high voltages.

The sheds are either all the same or alternate (see fig. 8)

with leakage paths of 2 cm/kV for average contamination

and 3.1 for heavy contamination. IEC standard 815 goes

into this matter in depth.

2.1. Aislamiento externo

Como se ha indicado, la porcelana es el material norm a l-

mente utilizado como aislamiento externo en AT.

Las aletas suelen ser todas iguales o alternadas (fig. 8) con

lneas de fuga de 2 cm/kV para contaminacin media y 3,1

para muy fuerte. La norma CEI 815 desarrolla en pro f u n d i-

dad este tema.

En los nuevos diseos se ha reducido el dimetro de la por-

celana, consiguiendo aumentar la tensin de contorn e o

especialmente en el caso de fuerte polucin. Al reducir el

volumen de aceite se consigue tambin reducir los efectos

de una posible explosin y posterior incendio. Mediante las

bridas cementadas, que permiten coeficientes de trabajo

en la porcelana muy superiores al caso de mordazas, se

obtienen excelentes caractersticas mecnicas a pesar de

su reducido dimetro .

Si la porcelana es de gran altura, puede ser necesario fabri-

car dos piezas por separado y unirlas finalmente, mediante

el llamado pegado cermico (se cuecen de nuevo) o

mediante pegamento de epoxi. (fig. 9).

4

In new designs the diameter of the porcelain parts has

been reduced, with which the flashover voltage is incre a-

sed, especially in the case of heavy pollution. By re d u c i n g

the volume of oil the effects of any explosion and subse-

quent fire are also reduced. Cemented flanges allow for

much higher work coefficients in porcelain than clamps and

enable excellent mechanical characteristics to be obtained

in spite of the small diameter.

If the porcelain parts are very tall, they may need to be

made in two separate parts and then joined by ceramic

adhesion (re-baking) or with epoxy glue (fig. 9).

When ITs are installed at altitudes of more than 1000 m

above sea level, it must be taken into account that the

lower air density makes it less electrically rigid, and taller

p o rcelain units are needed to withstand the same volta-

ges. Since the internal insulation is not affected by this

p roblem it does not need to be oversized. If the outside

insulation is to be checked in a laboratory at normal altitude

a re i n f o rced prototype must be built so that higher voltages

can be applied. This is expensive: an alternative is to test the

flashover tension of the insulator, since this is not aff e c t e d

a p p reciably when the internal parts are fitted.

Fig. 7. Transformador de intensidad servicio exterior,resina + porcelana

Outdoor, epoxy+porcelain, current transformer

Fig. 8. Aletas de porcelanaPorcelain sheds

Fig. 5. Transformador de intensidad servicio interiorIndoor current transformer

Fig. 6. Tr a n s f o rmador de intensidad servicio exterior tipo secoOutdoor, dry type, current transformer

5Fig. 9. Porcelana pegadaBonded porcelain

Fig. 10. T. I. tipo horquillaHair pin type C.T.

Fig. 11. T. I. tipo agujaNeedle type C.T.

Fig. 12. T. I. tipo intermedioIntermediate type C.T.

Cuando los TM se instalan en zonas muy altas, p.e. supe-

rior a 1.000 m sobre el nivel del mar, es necesario tener

en cuenta que la menor densidad del aire disminuye su

rigidez, y como consecuencia hay que aumentar la altura

de la porcelana para que soporte las mismas tensiones.

Como el aislamiento interno no se ve afectado por este

fenmeno, no es preciso sobredimensionarlo, pero en el

caso de querer verificar el aislamiento externo en un labo-

ratorio situado a una altura normal hay que construir un

prototipo reforzado para poder aplicar tensiones superio-

res correspondientes.

Como esta solucin es cara, otra alternativa es ensayar la

tensin de contorneo del aislador, ya que su comport a-

miento en este aspecto no se ve afectado sensiblemente

al colocar los elementos intern o s .

2.2 Aislamiento interno

A. Elemento aislante principal

Est formado por el conjunto aislante papel-aceite situado

e n t re los electrodos o pantallas de alta y baja tensin.

En los TI este aislamiento puede situarse sobre el primario,

s o b re el secundario o parcialmente en cada uno de ellos.

En el primer caso, a su vez, puede tratarse del tipo horq u i-

lla (fig. 10) donde el primario tiene aspecto de cable aisla-

do, y tipo aguja (fig. 11). Es usual denominar a estos m o d e-

los, tipo "cuba a tierra" a diferencia de los que tienen el

aislamiento sobre el secundario (fig. 1) llamados tipo

"cuba activa". Los modelos con aislamiento re p a rtido entre

el primario y secundario son poco utilizados (fig. 12).

2.2 Internal Insulation

A. Main Insulating Element

This comprises the oil paper insulating assembly between

the high and low voltage electrodes or scre e n s .

In CTs this insulation can be on the primary, on the

s e c o n d a r y or par tly on each. If it is on the primary it may

be hairpin type (fig. 10) with the primary having the appe-

arance of an insulated cable, or needle type (fig. 11).

These are usually known as dead tank models, with

those having the insulation on the secondary (fig. 1)

being known as live tank models. Models with insula-

tion shared between primary and secondary are seldom

used (fig. 12).

Cascade type CTs (fig. 13) are a special case. Two CTs of

one of the types indicated above are connected in series,

with each bearing half the voltage. This voltage sharing is a

function of the capacities of the transformers (500-1 0 0 0

pF) and may vary due to strays or leakage current if there is

heavy pollution.

Kraft and/or capacitor type paper is used. It is overlapped

so that no easy paths are provided for electric arcs. There

should be no gaps, because after impregnation they will

contain only oil, with a dielectric constant which is half that

of oil paper. This will lead to a big increase in gradient in an

a rea which is already electrically weak.

M V Ts can be made up of a single coil (fig. 2) or several coils

on a single core (fig. 14) or on several cores (fig. 15).

Unin

Union

Los transform a d o res tipo cascada en TI (fig. 13) constituy e n

un caso especial. En base a uno de los tipos citados se

colocan en serie dos TI, soportando cada uno la mitad de

la tensin. En este re p a rto de tensiones es funcin de l a s

capacidades de los transform a d o res (500 a 1000 pF) y

puede variar debido a las capacidades parsitas o corr i e n-

tes de fuga en caso de fuerte polucin.

El material utilizado es papel tipo cable, Kraft crepado y/o

c o n d e n s a d o r, colocado de forma solapada para evitar la for-

macin de caminos fciles para el arco elctrico. Ta m b i n

hay que evitar la formacin de huecos ya que, tras la

i m p regnacin, en ellos solamente hay aceite, con una cons-

tante dielctrica mitad a la del papel-aceite lo que pro d u c e

un fuerte incremento del gradiente en una zona ya elctri-

camente dbil.

Los TT pueden estar formados por una sola bobina (fig.2),

o por varias colocadas sobre un solo ncleo (fig. 14) o

s o b re varios (fig. 15). En este caso, el re p a rto de tensiones

se garantiza de forma inductiva, mediante arro l l a m i e n t o

a u x i l i a res dentro de cada ncleo y entre ncleos. En la

figura 16 se aprecia la construccin de una bobina de un TT

donde lminas de papel tipo condensador 0,04 mm se inter-

calan entre las espiras de fino hilo de cobre de tal

6

In this case voltage sharing is guaranteed inductively by

a u x i l i a ry windings in each core and between cores. Fig. 16

shows the construction of a MVT coil with sheets of 0.04

mm capacitor paper placed between the turns of fine copper

w i re so that capacitative and inductive voltages are main-

tained at diff e rent frequencies. Since the distance between

layers of wire is small, the working gradients of the insula-

tion are far higher than those used in CTs, and can be as

much as half the levels used in CVTs .

Fig. 13. T. I. cascadaCascade C.T.

Fig. 14. T. T. cascadaCascade M.V.T.

7Fig. 15. T. T. cascadaCascade M.V.T.

Fig. 16. Bobina de T. T.M.V.T. coil

Fig. 17. Paquete condensadorCapacitor stack

manera que el re p a rto de tensiones capacitivo e inductiv o

se mantiene a diferentes frecuencias. Adems, como la

distancia entre capas de hilo es reducida, los gradientes

de trabajo del aislante son muy superiores a los utilizados

en los TI, llegando incluso a la mitad los utilizados en los

T T C .

En los TTC el aislamiento est formado por unidades con-

densadoras planas (galletas) conectadas en serie coloca-

das dentro de la porcelana. Cada galleta se fabrica arro-

llando sobre un mandril cilndrico dos lminas de aluminio

y diversas lminas de papel que posteriormente se impre g-

nan con aceite mineral (fig. 17). Tambin se utiliza poli-

p ropileno, con una lmina de papel para mejorar la i m p re g-

nacin del conjunto. Con el polipropileno el valor de la tg del condensador se reduce notablemente. No obstante,

teniendo en cuenta que el envejecimiento de los TM se pro-

duce por efecto de las descargas parciales y no por efecto

t rmico, el valor de tg tiene un significado relativo, ysolamente comparable cuando se utilizan los mismos

m a t e r i a l e s .

B. Zona transicin

Es la zona de separacin entre los electrodos de alta y baja

tensin, a lo largo de la superficie del aislante principal en

contacto con el aceite. El diseo correcto de esta zona, per-

mite elevar la tensin de contorneo tanto en la zona inter-

na del TM como en el aire .

In CVTs insulation comprises flat capacitor units connec-

ted in series, fitted inside the porcelain. Each unit is made

by winding two sheets of aluminium and various sheets of

paper on a cylindrical mandrel and then impregnating

them with mineral oil (fig. 17). Polypropylene is also used

with a sheet of paper to improve the impregnation of the

whole assembly. With polypropylene the value of tg ofthe capacitor is reduced considerably. However, bearing in

mind that MTs age due to partial discharges and not ther-

mal effects, the significance of the value of tg is relati-ve and is only comparable when the same materials are

used.

B. Transitional Area

This is the gap between the high and low voltage elec-

t rodes along the surface of the main insulator in contact

with the oil. If this area is properly designed the flasho-

ver voltage can be raised both inside the MT and in the

a i r.

N o rmally screen electrodes (fig. 18) or capacitor scre e n s

(fig. 19) are used. With the former of these systems less

s c reens are used, but they must have rounded ends to

reduce the axial gradient. When capacitor screens are

used, similar to those used in bushings, it is advisable

to use a high number of screens to reduce the edge

e ff e ct .

Deflector aislado

Insulated scre e n

Bobina de A.T.

High voltage coil

Bobina de B.T.

Low voltage coil

8N o rmalmente se utilizan electrodos deflectores (fig. 18) o

pantallas condensadoras (fig. 19).

En el primer caso, se utilizan menos pantallas, pero

deben acabar de forma redondeada para reducir el gra-

diante axial.

En el caso de pantallas condensadoras, similares a las uti-

lizadas en los pasamuros, conviene utilizar muchas p a n t a-

llas para evitar el efecto del borde. En ciertos casos, es

necesario intercalar pantallas de longitud reducida que aun-

que no influyen en el re p a rto capacitivo de tensiones, re d u-

cen el gradiente de los extremos de las pantalla principa-

l e s .

2.3 Compensador de aceite

Aunque es un elemento auxiliar en el TM, influye de mane-

ra decisiva en el comportamiento en servicio del sistema

a i s l a n t e .

Antiguamente, los TM, como otros aparatos elctricos, ten-

an el aceite en contacto con la atmsfera por lo que esta-

ban saturados de gas y agua. En ciertos casos se utilizaba

un filtro de secado con silicagel, pero al estar situado en la

zona de alta tensin, en la prctica no se cambiaban y al

cabo de poco tiempo este dispositivo no era efectivo. Este

diseo es vlido hasta cierta tensin siempre que se

dimensione suficientemente el aislamiento, pero en el caso

de muy alta tensin, p.e. 420 kV, el valor elevado de la

tg de este aislamiento produce un calentamiento impor-tante, que en un TI con gran espesor de aislamiento y

difcil refrigeracin provoca el envejecimiento pre m a t u ro del

t r a n s f o rm a d o r.

2.3 Oil Compensator

This is an auxiliary element of the IT, but its influence on the

behaviour in service of the insulation system is capital.

I Ts, like other electrical apparatuses, formerly used oil in

contact with the atmosphere, meaning that they were satu-

rated with gas and water. In some cases a silica gel dry i n g

filter was used, but since these filters were located in high

voltage areas they were not changed and after a while beca-

me ineffective. This design is valid up to a certain voltage

level, provided that the insulation is properly sized, but in

the case of very high voltages, e.g. 420 kV, the high level of

the tg of this insulation causes considerable heating. CTswith very thick insulation are hard to cool, so the transfor-

mer can age pre m a t u re l y.

At present, all ITs are built with an oil volume compensator

so that the oil is not in direct contact with the air. This main-

tains the high dielectric characteristics of the oil paper

a s s e m b l y, obtained by careful manufacturing with vacuum

d rying at more than 0.02 To rr. for 5-15 days. In final elec-

trical testing these ITs have not partial discharges, and their

tg is lower than 0.5%.

There are many versions of compensator designs, but

most are covered by the four shown in fig. 20.

A. Nitrogen Cushion

The oil is saturated with gas. The amount it contains is a func-

tion of pre s s u re and temperature. At low temperatures the

reduction in pre s s u re causes bubbles to form in the oil. These

rise to the top chamber, leading to partial discharges.

Fig. 18. DeflectoresRounded screens

Fig. 19. Pantallas condensadorasCapacitor screens

Fig. 20. CompensadoresCompensators

a) Colchn de Nitrgeno / Nitrogen cushion

b) Baln de gas / Gas balloon

c) Membrana de goma / Rubber membrane

d) Fuelle metlico / Metal bellows

a) b)

c) d)

9Fig. 21. Tensin de aparicin de descargas parcialesInception voltage of partial discharges

Actualmente todos los TM, se construyen con un compen-

sador del volumen de aceite de manera que ste no est

en contacto con el aire. As se mantienen las elevadas

caractersticas dielctricas del conjunto papel-aceite obte-

nidas en una cuidada fabricacin mediante secado con

vaco superiores a 0,02 To rr, durante un perodo de 5 a 15

das. En los ensayos elctricos finales, estos TM re s u l t a n

exentos de descargas parciales (DP) y con valores de tg i n f e r i o res a 0,5%.

Aunque existen muchas variantes en el diseo del com-

pensador, se pueden resumir en 4 indicadas en la fig. 20.

A. Colchn de nitrgeno

El aceite est saturado de gas, siendo la cantidad que

contiene funcin de la presin y temperatura. Por ello, a

bajas temperaturas la disminucin de la presin provoca

la formacin de burbujas en el seno del aceite, que van

ascendiendo hacia la cmara superior. La consecuencia

elctrica de este fenmeno es la aparicin de DP.

Se ha comprobado experimentalmente que en aceite satu-

rado de gas, a presiones inferiores a 0,8 bares absolutos,

la tensin de aparicin de DP disminuye drsticamente (fig.

21). Para evitar este fenmeno, es usual que el transfor-

mador se construya con una ligera sobre p resin a tempe-

ratura ambiente (20oC) pero hay que garantizar la calidad de

las juntas para evitar que la sobre p resin en el caso de

mximo calentamiento produzca fuga de gas.

Otro peligro de este diseo, es la posible entrada del

agua alojada en la superficie del transformador en con-

tacto con la zona de juntas, cuando stas no funcionan

c o rrectamente, ya que a bajas temperaturas se pro d u c i r

una subpre s i n .

B. Baln de gas

Constituye una variante mejorada del caso anterior, ya que

el gas no est en contacto con el aceite y por lo tanto ste

no est saturado.

La presin del aceite vara tambin con la temperatura,

con el consiguiente peligro en caso de fallo de juntas de

estanqueidad.

C. Membrana de goma

En este caso la presin del aceite es constante, debido

a la gran elasticidad de la membrana.

Utilizando el material adecuado, se puede reducir la per-

meabilidad del compensador, manteniendo as el aceite

en buenas condiciones a los largo de los aos.

D. Fuelle metlico

Es una solucin similar a la anterior, utilizando metal (p.e.

a c e ro inoxidable) como elemento elstico.

Experiments have shown that in gas saturated oil with pre s-

s u res of less than 0.8 bar absolute, the voltage at which par-

tial discharges appear drops drastically (fig. 21). To pre v e n t

this, transformers are usually built with a slight overpre s s u-

re at ambient temperature (20oC). However the l e a k - t i g h t-

ness of the seals must be ensured to prevent that over-

p re s s u re from causing gas leaks under maximun heating

c o n d i t i o n s .

Another hazard of this design is the possibility that water

lying on the surface of the transformer in contact with the

seal area may get inside if the seals do not work pro p e r l y,

because at low temperatures there will be underpre s s u re .

B. Gas Balloon

This is an improved variant of the above. The gas is not in

contact with the oil and the oil is there f o re not saturated.

Oil pressure also varies with temperature here, with the

consequent risks should the seals fail.

C. Rubber Membrane

In this case the oil pre s s u re is constant due to the gre a t

elasticity of the membrane. If the correct material is used

the permeability of the compensator can be reduced and oil

kept in good condition for years.

D. Metal Bellows

This solution is similar to the previous one, but metal (e.g.

stainless steel) is used as the elastic element.

If the compensator is built of welded plates the whole

assembly is highly elastic and no pre s s u re is produced in

the oil when the volume varies. The welding is highly deli-

cate and re q u i res great care, because the steel involved is

v e ry thin.

U ( K V )

P resin absoluta (bar)

Absolute pre s s u re (in bar)

1 . Sin N2 en contacto conaceite (casos b, c y d)

1 . Without N2 in contactwith oil (cases b, c, d)

2 . Con cmara de N2 (caso a)2. With N2 chamber (case a)

1

2

10

Si el compensador est formado por platos soldados, el

conjunto resulta muy elstico y no se produce presin en

el aceite al variar de volumen. La soldadura es muy delica-

da debido al reducido espesor del acero y debe contro l a r s e

c u i d a d o s a m e n t e .

En el caso de fuelles fabricados mediante conformado, (sin

soldaduras en el cuerpo principal) es necesario aplicar pre-

sin para que cambien de volumen, por lo que el aceite no

trabaja a presin constante. Por otro lado, este tipo de com-

pensador puede deteriorarse si se producen cambios bru s-

cos de volumen a baja temperatura.

3. NUEVOS AISLANTES

Aunque existen diseos de TI fabricados con gas SF6 como

aislante principal desde hace muchos aos, re c i e n t e m e n t e

han aparecido en el mercado nuevas versiones.

En la figura 22 se aprecia este tipo de construccin, donde

el aislamiento papel-aceite, y el aceite complementario han

sido sustituidos por SF6, resultando un conjunto muy sim-

ple. En otros diseos, se producen ligeros cambios, por

ejemplo, se coloca un soporte aislante entre el primario y

el secundario para mejorar las caractersticas mecnicas, o

bien se utiliza una pantalla intermedia para optimizar el

re p a rto de campo a lo largo del aislador.

Este aislante es muy conocido por su utilizacin en subes-

taciones blindadas. La presin de trabajo suele ser de 3,5

a 4,5 bares absolutos, ya que sus caractersticas dielctri-

cas mejoran notablemente con la presin, pero cuidando

que no se produzca condensacin a baja temperatura. Este

aspecto es importante en los TM ya que se instalan al exte-

rior con temperaturas de -25oC o inferiore s .

Un inconveniente de este aislante es que as como en las

subestaciones blindadas se realiza un control riguroso de

la presin del gas, desconectando el sistema cuando sta

baja, en los TM resulta complicado utilizar mtodos simila-

re s .

Los TT de las subestaciones blindadas se fabrican, gene-

ralmente aislados tambin con SF6, como se ve en la

figura 23. El aislamiento entre capas puede ser papel

p e ro es necesario asegurar su correcto secado, ya que la

p resencia de humedad en atmsfera de SF6 y arcos elc-

tricos produce compuestos corrosivos. Por esta razn es

habitual utilizar polipropileno como aislante, ya que no es

h i g ro s c p i c o .

Como aislamiento externo, se han comenzado a utilizar

tubos de fibra de vidrio + resina con aletas de silicona.

Este diseo es menos frgil que la porcelana, pero de

momento la experiencia que existe no es grande, y es

necesario garantizar la calidad de la zona de unin entre

las aletas y el tubo.

In the case of bellows made by shaping (no welds in the

main body) pressure must be applied to make then chan-

ge volume, which means that the oil does not work at

constant pressure. On the other hand, compensators of

this type can deteriorate if sudden changes of volume

occur at low temperatures.

3. NEW INSULATING MATERIALS

CT using SF6 gas as their main insulator have existed for

many years, but new versions have recently come onto the

m a r k e t .

Fig. 22 shows a construction of this type, where oil paper

insulation and supplementary oil have been replaced by

SF6, resulting in a simple assembly. The design varies

Fig. 22. T. I. aislado con gas SF6SF6 insulated C.T.

11

Caso aparte, constituyen los TM electrnicos, en los que la

conexin entre el lado de alta tensin y el de baja tensin

puede ser algo tan simple como una fibra ptica.

4. CONTROL DE CALIDAD Y ENSAYOS

Existen normas sobre transform a d o res de medida (CEI 44,

185, 186, IEEE C57-13 etc.) en las que se indican diversos

ensayos de tipo y de rutina, en base a los cules puede esta-

blecerse en cierto modo la calidad de los aparatos.

Sin embargo es necesario completar estos medios de con-

t rol con otros que garanticen de la mejor manera posible

la calidad total de la fabricacin. La norma ISO 9000 sobre

Sistemas de Calidad establece, en funcin del nivel elegi-

do, los procesos o aspectos a controlar en la fabricacin,

como son: Diseo, Documentos, Pro v e e d o res, Inspeccin

en Proceso, Registros, etc.

A continuacin comentaremos algunos ensayos finales

cuyas caractersticas estn en estudio, as como algunas

condiciones exigidas a los TM, pero no incluidas en nor-

m a s .

A. Ensayos dielctricos de rutina

Debido al esfuerzo que supone para el transformador, el

ensayo de rigidez a frecuencia industrial, la tendencia es

reducir su valor pero midiendo las DP a continuacin, sin

bajar a cero la tensin.

Fig. 23. T. T. para una instalacin blindadaM.V.T. for a GIS substation

slightly in other cases, e.g. an insulating support may be

placed between the primary and secondary to impro v e

mechanical characteristics, or an intermediate screen may

be used to optimize the distribution of the field along the

i n s u l a t o r.

This material is well known due to its use in GIS (gas insu-

lated substation) substations. It usually runs at 3.5 - 4.5

bar absolute, since its dielectric characteristics impro v e

considerably with increased pre s s u re, but care must be

taken to prevent condensation from forming at low temp e-

r a t u res. This is important in ITs because they are inst a l l e d

outdoors, where they may have to contend with temperatu-

res of - 25oC or even lower.

One problem with this insulation is that in ITs, it is highly

complicated to use methods similar to those used in GIS

substations, where gas pre s s u re is checked carefully and

the system is disconnected when the pre s s u re is too low.

The MVT in GIS substations are generally also insulated

with SF6, as shown in fig. 23. The insulation between layers

may be paper, but if so proper drying must be ensured, as

any moisture in an atmosphere of SF6 and electric arcs can

p roduce corrosive compounds. For this reason polypro p y l e-

ne is normally used as an insulator, as it does not absorb

w a t e r.

As external isolation, tubes of glass fiber with silicone

sheds have begun to be used. This design is less fragile

than the porcelain, but there is not much experience of it,

and it is necessary to guarantee the quality of the join bet-

ween sheds and tube.

Another separate case is that of electronic ITs in which the

connection between the high and low voltage sides may

simply be an optical fibre .

4. QUALITY CONTROL & TESTING

T h e re are regulations governing measuring transform e r s

(IEC 44, 185, 186, IEEE C57-13, etc.) which stipulate

various routine and type tests for establishing the quality of

a p p a r a t u s e s .

However these tests must be supplemented by others to

provide the best possible guarantees as to overall manu-

facturing quality. ISO standard 9000 on Quality System

lays down the processes or aspects of manufacturing to

be tested in accordance with the level selected. These

include design, documents, suppliers, in-process inspec-

tion and records.

Below is a discussion of some final tests whose charac-

teristics are being studied, and some conditions required

of ITs but not included in standards.

12

En los TTC se est estudiando un ensayo de DP aplican-

do ondas de maniobra superpuestas a la frecuencia

industrial.

B. Ensayos de vida

Como se ha indicado anteriormente en los TM no es norm a l

que se produzca un envejecimiento trmico. No obstante si

se estima conveniente puede aplicarse un ensayo de esta-

bilidad trmica. La medicin de tg despus de un ensayode calentamiento no es suficiente para conocer este fen-

m e n o .

El envejecimiento elctrico se produce por la DP, y por

ello, el ensayo acelerado debe basarse en las curvas ten-

sin-tiempo, de igual probabilidad a DP. Estas curvas son

de la forma

U = C t -c

donde C y c son constantes.

C. Transitorios de alta frecuencia

Durante las maniobras de interru p t o res o seccionadore s ,

se producen oscilaciones de alta frecuencia (0,1 a 10 M

Hz) con tensiones hasta 3 veces la nominal. Este tipo de

ondas produce corrientes de corta duracin en las panta-

llas de los TM de hasta 500 A provocando, a veces, el fallo

del transform a d o r.

Para analizar el comportamiento de los TM ante este fen-

meno, la norma CEI expone un mtodo, que consiste en

aplicar al menos 100 impulsos cortados en la cresta y a n a-

lizar la evolucin de los gases disueltos. Se estima que el

TM ha soportado el ensayo cuando el incremento de gases

ha sido:

H2 < 5 ppm

CH4 < 2 ppm

C2H4 < 1 ppm

C2H2 < 1 ppm

C2H6 < 2 ppm

D. Descarga de lneas

Cuando se produce la apertura de una lnea en vaco, la

tensin es mxima y si no se descarga puede producirse

una sobretensin en el reenganche.

Los TT son aparatos adecuados para descargar las lneas,

ya que su impedancia se reduce rpidamente al saturarse

el ncleo con la corriente transitoria. No obstante, esta

elevada corriente produce esfuerzos trmicos y dinmicos

en el bobinado, llegando incluso a destruir el transform a-

dor si no est preparado para soport a r l a s .

A. Routine Dielectric Testing

Since a rigidity test at industrial frequency puts a strain on

the transform e r, there is a tendency to reduce the level but

measuring partial discharges immediately afterw a rds, wit-

hout reducing voltage to zero .

B. Lifetime Testing

As indicated above thermal aging does not usually take

place in ITs. However, if it is considered convenient a ther-

mal stability test can be perf o rmed. Measuring tg after aheating test is not sufficient to check this phenomenon.

Electrical aging is caused by partial discharges, so accele-

rated testing must be based on voltage/time curves with

the same probability of partial discharges. These curv e s

have the following form :

U = C t -c

where C and c are constants.

C. High-frequency Transients

When disconnectors or circuit breakers are used, high-fre-

quency oscillations (0.1 -10 MHz) are produced with volta-

ges up to 3 times the rated level. Waves of this type cause

s h o rt-duration currents in TM screens of up to 1000 A,

sometimes causing the transformer to fail.

To analyze the behaviour of ITs in respect of this pheno-

menom, IEC has a method in which at least 100 pulses

chopped at the crest are applied, and the comparision

with the values of gas content before and after test is

analyzed. A IT is estimated to have passed the test when

the increase in gases is:

H2 < 5 ppm

CH4 < 2 ppm

C2H4 < 1 ppm

C2H2 < 1 ppm

C2H6 < 2 ppm

D. Line Discharge

When a line is opened under no load, maximum voltage is

obtained. If this is not discharged there may be an overv o l-

tage on re c o n n e c t i o n .

M V Ts are suitable for discharging lines, since their impe-

dance drops rapidly when the core is saturated with the

transient current. However, this high current causes

t h e rmal and dynamic stresses in the winding, and can

even destroy the transformer if it is not pre p a red to sup-

p o rt them.

13

Un caso similar se produce en los TT destinados a des-

cargar bancos de condensadores.

E. Ferrorresonancia

Aunque este fenmeno no se produce con mucha fre-

cuencia, resulta muy peligroso ya que, generalmente, el

TT se destruye por calentamiento.

De acuerdo con las caractersticas del circuito, la ferro-

rresonancia puede ser serie o paralelo, pero esta ltima

slo aparece en lneas con neutro aislado, por lo que no

es propia de la alta tensin.

En cuanto a la ferro rresonancia serie, adems del conoci-

do caso de los TTC, puede encontrarse en TT conectados

a una lnea en tensin a travs de los condensadores de

re p a rto de un interruptor o a travs de la capacidad entre

lneas cuando una est en tensin y la otra no.

Existen mtodos para suprimir este fenmeno como la uti-

lizacin de un secundario auxiliar, conectado en tringulo

a b i e rto sobre una re s i s t e n c i a .

F. Transporte y ensayos ssmicos

El nmero de roturas que se producen en el transporte o

en la carga y descarga es importante. Adems, puede

producirse una avera no detectada que produce el fallo

del transformador al poner en servicio.

Se ha comprobado, que el transporte en camin o ferro-

carril es ms severo que en barco, y se han alcanzado

valores incluso superiores a 10 g.

Por todo ello, se ve la necesidad de establecer valore s

mximos de manera que por un lado se diseen los emba-

lajes de forma que soporten estos valores y por otro se

garantice que el transporte no supera dichas aceleracio-

nes. Existen dispositivos indicadores, que podran incorpo-

rarse en los embalajes para verificar este dato.

O t ro fenmeno que puede destruir mecnicamente un TM

es el terremoto. Los TM son aparatos esbeltos y frgiles, y

deben calcularse adecuadamente si el lugar de instalacin

es propenso a sesmos.

Las especificaciones de diversas Compaas, establecen

adecuadamente los criterios de diseo, as como los

ensayos de verificacin, y la experiencia ha demostrado

que TM fabricados de esta manera se han comportado

correctamente durante importantes terremotos.

En algunos casos, especialmente en muy alta tensin,

puede ser necesario utilizar amortiguadores.

The same thing can happen to MVTs used to discharge

banks of capacitors.

E. Ferro-resonance

This phenomenom is not frequent, but it is highly dange-

rous, as the MVT is generally destroyed by overh e a t i n g .

Depending on the characteristics of the circuit, ferro - re s o-

nance may be in series or parallel, though the latter only

occurs in lines with an insulated neutral and is there f o re not

found in high voltage situations.

A p a rt from the well known case of CVT, ferro - resonance in

series can also be found in MVTs connected to a voltage

line through distributing capacitors of a circuit breaker or

t h rough the capacity between lines when one is live and the

other is not.

T h e re are ways of avoiding this phenomenom, such as the

use of an auxiliary secondary in an open delta connection

on a re s i s t o r.

F. Transportation & Seismic Testing

The number of breakages in loading, transit and unloading

is important. Malfunctions may also be caused which are

not detected and which cause the transformer to fail when

it is put into serv i c e .

It has been shown that truck and rail transportation is har-

der on equipment than sea transportation, with levels of 10

g or even more being re a c h e d .

It is there f o re necessary to set maximum acceleration

levels in accordance with which packaging can be designed

and which should not be exceeded during transport a t i o n .

T h e re are indicators available which can be built into pac-

kaging to check this.

ITs can also be mechanically destroyed by earthquakes,

since they are slim, fragile units. It must be taken into

account whether the installation site is likely to suffer

earth tremors.

Various companies have drawn up specifications which inclu-

de design criteria and checking tests, and experience has

shown that ITs manufactured to their re q u i rements can

withstand heavy eart h q u a k e s .

In some cases, especially with very high voltages, shock

absorbers may need to be used.

14

5. INSPECCIN Y CONTROL EN CAMPO

5.1 En la puesta en servicio

En primer lugar hay que verificar cuidadosamente el esta-

do del embalaje y de los transform a d o res al llegar a su

destino. Puede suceder, que a pesar de estar el embalaje

en buen estado, haya sufrido golpes o vibraciones peligro-

sas para el transform a d o r.

En los aparatos con indicador de nivel de aceite, hay que

verificar su posicin y comprobar que coincide con la de

otros transformadores del mismo lote. Tambin hay que

inspeccionar con todo detalle la zona de juntas tratando

de encontrar muestras de aceite, especialmente en los

casos de perodo largo de almacenaje. En el caso de

fugas, de TI tumbados, el aislamiento principal queda sin

aceite y no debe ponerse en servicio.

Como chequeo elctrico es conveniente medir el aisla-

miento entre secundarios y entre stos y tierra.

Finalmente, al aplicar tensin, cualquier ruido extrao

puede ser un indicativo del mal funcionamiento del trans-

formador.

5.2 Control en Campo

A. Inspeccin visual

Es aconsejable un control visual de los transform a d o res de

f o rma peridica, p.e. trimestralmente, inspeccionando los

i n d i c a d o res de nivel, etc., as como posibles fugas de acei-

te. Tambin como en el caso anterior, conviene verificar si

hay algn ruido extrao.

B. Anlisis del aceite

Al cabo de varios aos en servicio, p.e. de 5 a 10 aos,

conviene tomar muestras de aceite del transformador,

para evaluar su estado , a travs de ensayos de gases

disueltos, tg y humedad.

5. INSPECTION & CHECKING IN THE FIELD

5.1 On Commissioning

First, check the condition of the packaging and the trans-

f o rmers carefully on arrival at their destination. They may

have suff e red damaging knocks or vibrations even if the

packaging appears to be in good condition.

In apparatuses with oil level indicators, check thar these

coincide with those on other transformers from the same

batch. Also carry out a detailed inspection of the seal are a ,

checking for oil, especially after long periods of storage. If

a CT placed horizontally develops leaks the main insulation

loses its oil and the unit must not be put into serv i c e .

As electrical checking, it is advisable to measure the insu-

lation between secondaries and between each secondary

and eart h .

Finally, any unusual noise on powering up may be a sign

of transformer malfunction.

5.2 Checking in the Field

A. Visual inspection

It is advisable to run regular visual inspections on trans-

formers, e.g. every three months to check oil indicators,

etc. and check for oil leaks. As above, check also for any

unusual noises.

B. Oil analysis

After 5 - 10 years of service, samples should be

taken of the transformer oil to check its condition.

This can be checked via dissolved gas, tg and mois-t u re tests.

Fig. 24. T.T. Toma de muestras de aceiteM.V.T. oil sampling

Fig. 25. T.I. Toma de muestras de aceiteC.T. oil sampling

15

Mediante el anlisis de gases disueltos en el aceite se

puede conocer el estado del transformador y las causas

del deterioro. Normalmente se mide H2, CH4, C2H4 y

C2H2, pero en los TM los ms interesantes son el H2 q u e

indica presencia de descargas parciales de pequea

e n e rga y el C2H2 que indica descargas elctricas ms

i m p o rt a n t e s .

Este mtodo se ha utilizado mucho en transformadores

de potencia, pero en TM se ha comprobado que no pue-

den utilizarse los mismos criterios, ya que los resultados

dependen mucho del tipo de construccin. Actualmente

se est investigando este tema y es de esperar que en

pocos aos se conozca mejor el fenmeno.

A ttulo orientativo, se indican los valores lmite de gases

disueltos en TM:

Se estn realizando experiencias para facilitar este ensayo

colocando detectores en los TM, e incluso se estudia la

posibilidad de un control en continuo. La razn es que en

un TM de muchos aos en servicio, puede producirse un

envejecimiento muy rpido si aparecen DP.

El valor tg a 90oC del aceite es un indicativo de su con-taminacin pero resulta difcil relacionarlo con el estado

del aislamiento principal. Con valores superiores al 6%

aproximadamente puede estimarse que el aceite no est

en buen estado.

La medida del contenido de agua en el aceite es impor-

tante, ya que el agua pasa del aceite al papel deterio-

rando el aislamiento principal. De esta manera, aunque

no ensayemos a tg todo el transform a d o r, podemosestimar si se ha humedecido gracias al anlisis del acei-

te. Va l o res superiores a 20 ppm pueden considerarse

p e l i g rosos y a partir de 40 ppm (a 30oC) el aceite est

s a t u r a d o .

La medida de furfuraldehido en el aceite para detectar el

envejecimiento debido a fenmenos que no producen

arcos, aunque es uno de los parmetros utilizados en

transformadores de potencia, no es significativa en TM.

By analyzing the gases dissolved in the oil the condition of

the transformer can be learned, along with the causes of

any deterioration. Normally H2, CH4, C2H4 and C2H2 a re

m e a s u red, though in ITs the most important are H2 ( w h i c h

indicates the presence of low energy partial discharg e s )

and C2H2 (which indicates larger electrical discharg e s ) .

This method is widely used in power transformers, but it has

been shown that the same criteria cannot be used for ITs ,

as the results depend largely on the type of constru c t i o n .

R e s e a rch is being carried out into this matter, and it is

hoped that the phenomenom will be better known within a

few years.

As a guideline, the limit levels for dissolved gases in ITs

are as follows:

Experiments are being carried out to facilitate this test by

placing detectors inside ITs, and the possibility of conti-

nuous monitoring is also being studied. The reason b e h i n d

this is that ITs which have been in service for many years

can age very quickly if partial discharges appear.

The tg level of oil at 90oC indicates the degree of conta-mination, but is hard to relate this to the condition of the

main insulation. With levels of more than approx. 6% the oil

can be assumed to be in poor condition.

It is also important to measure the amount of water in the

oil, as water passes from the oil to the paper, thus dete-

riorating the main insulation. By analyzing the oil in this

way we can, even without testing the whole transformer at

tg , estimate whether it has become wet. Levels of morethan 20 ppm can be considered as hazardous, and the oil

can be considered as saturated at 40 ppm or more (at

30oC).

Furfuraldehide in oil is measured to detect aging due to

phenomena other than arcs. Though this is one of the

parameters used in power transformers, it is not signifi-

cant in ITs.

Observaciones / Remarks

TM en buen estado / TM in good condition

Investigar / Remove

C2H2

10

C2H4

100

CH4

200

H2

1000

Valores mximos (ppm) / Maximum levels (ppm)

16

C. Ensayos elctricos

Los ensayos de tg y DP del transformador, son un com-plemento adecuado para conocer el estado del aisla-

miento, pero en general, solamente puede realizarse en

un laboratorio.

Hay equipos porttiles para medir tg a 10 kV, pero es unensayo complicado porque hay que desconectar el TM de

la lnea y limpiar el aislador ya que esta medida vara

mucho si no se realiza con cui-

dado. Para este ensayo en TI, en

conveniente que exista una

toma aislada.

D. Otros mtodos

Mediante equipos de term o v i-

sin pueden detectarse defectos

en conexiones primarias de TI,

calentamiento excesivo en TTC,

etc. Es un mtodo sencillo y muy

sensible y las experiencias re c o-

miendan su utilizacin.

Para detectar fallos de galletas

en TTC se puede utilizar la ten-

sin en tringulo abierto, ya

que el fallo del condensador se

produce normalmente de forma

gradual.

Se han realizado tambin expe-

riencias con mtodos ultrasnicos, para detectar descar-

gas internas, pero de momento no se ha logrado suficien-

te sensibilidad.

6. CONCLUSIONES

El aislamiento clsico papel-aceite sigue siendo el norm a l-

mente utilizado en los TM. Mejoras en la calidad de los

materiales y en los diseos, han permitido elevar notable-

mente sus caractersticas dielctricas.

Se estn utilizando nuevos materiales, especialmente gas

SF6 en los TM para subestaciones blindadas y por exten-

sin en los norm a l e s .

Los ensayos citados en las normas, se estiman insufi-

cientes y se precisa complementarlos para garantizar el

correcto funcionamiento del transformador en servicio.

Aunque existen diversos mtodos para conocer el estado de

aislamiento en TM con muchos aos en servicio, de momen-

to no se ha obtenido uno suficientemente fiable y sencillo.

C. Electrical Testing

P a rtial discharge and tg tests on transformers area a sui-table additional means of learning the condition of the insu-

lation, but in general they can only be perf o rmed in a labo-

r a t o ry.

T h e re are portable units for measuring tg at 10 kV, but thetest is complicated becaused the ITs has to be disconnec-

ted from the line and the insulator cleaned. The measure-

ments can vary greatly if this is

not done care f u l l y. On CTs it is

advisable for an insulated con-

nection point to be used for this

t e s t .

D. Other methods

T h e rmovision equipment can be

used to detect defects in the pri-

m a ry connections of CTs, exces-

sive heating in CVTs, etc. This is

a simple, highly sensitive met-

hod which is recommended by

e x p e r i e n c e .

To detect failures in condenser

units of CVTs, open delta volta-

ge can be used, as capacitor

f a i l u res normally occur gra-

dually.

Ultrasonic methods have also

been tried to detect internal dis-

c h a rges, but for the moment the sensitivity levels attained

a re not suff i c i e n t .

6. CONCLUSIONS

The classical oil paper insulation system is still norm a l l y

used in ITs. Improvements in material quality and design

have enabled dielectric characteristics to be considerably

i m p roved.

New materials are being used, especially SF6 gas in ITs

for GIS substations and by extension in normal uses.

The tests laid down in standards are considered insuffi-

cient, and need to be supplemented to ensure correct

transformer operation in service.

Various ways exist of learning the condition of the insulation

of a IT which has been in service for many years, though

for the moment none is considered to be sufficiently re l i a-

ble and simple.

Toma de Tg Capacitanceand tg TAP.

Fig. 26.

Derio Bidea, 28. 48100 Mungia. Vizcaya. Espaa. (Spain)

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