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Espectroscopia en el Dominio de Frecuencia

(FDS)

Quito, Ecuador 19 a 22 de Noviembre de 2013

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NUEVAS TECNOLOGAS DE EVALUACIN DE LA CONDICIN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA

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Contenido: FDS: Base Terica y Aplicaciones Humedad en transformadores FDS: Medicin de humedad en transformadores Procedimiento de medicin Comentarios finales FDS: Aplicaciones Especiales

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Pruebas de Espectroscopia Dielctrica

(IDAX 300 Megger Insulation Diagnostic Analyzer)

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FDS: Base Terica y Aplicaciones

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FDS: Fundamentos (I)

Que es la espectroscopa Dielctrica? Es el estudio a partir del cual se obtiene la respuesta de los materiales cuando se les aplica un campo elctrico variable en el tiempo.

En la espectroscopa Dielctrica se analiza la respuesta de una magnitud macroscpica a partir de la cual se obtiene informacin de la estructura microscpica de los materiales.

FDS: Frequency Domain Spectroscopy

Informacin Microscpica

Magnitud Macroscpica

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Pruebas de Espectroscopa Dielctrica

FDS: Fundamentos (II)

Ejemplos de Espectroscopa Dielctrica Ejemplo 1: Identificar la composicin qumica de una muestra extrada en un suelo desconocido.

Ejemplo 2: Fragmentacin de un rayo luminoso a travs de un prisma dependiendo de su longitud de onda.

Los datos de espectroscopa se presentan grficamente en un espectro en funcin de longitud de onda o frecuencia.

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FDS: Fundamentos (III)

Resea Histrica La espectroscopa de la Impedancia opera con valores complejos y su

historia data desde la introduccin del trmino impedancia en 1880.

En 1941 la espectroscopa de la Impedancia se introdujo en el campo de la Respuesta del Dielctrico al introducir el grfico Cole-Cole mostrando en el eje y (imaginario) vs. c' en el eje x (o real).

En 1995 se introduce el PRIMER instrumento para pruebas FDS en laboratorio/campo.

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FDS: Fundamentos (IX)

POLARIZACIN

Campo elctrico

Temperatura

Constante dielctrica

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FDS: Fundamentos (X)

ENVEJECIMIENTO

Ruptura de cadenas estructurales

Contaminantes polares Humedad

Envejecimiento produce cambios en la permitividad

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FDS: Fundamentos (XI) Cmo evaluar la polarizacin de un dielctrico?

Polarizacin de un

dielctrico

Tensin de retorno (RVM)

Respuesta dielctrica en

el dominio del tiempo

Respuesta dielctrica en el dominio de la frecuencia

CIGRE Working Group, 15.01.09

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FDS: Fundamentos (XII) a) Respuesta dielctrica en el dominio del tiempo (Polarisation and Depolarisation Current, PDC)

1 Conduccin debido a la conductividad del material 2 Conduccin instantnea debido a la componente capacitiva 3 Conduccin debido a la polarizacin material

1 2 3

j(t)

t

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FDS: Fundamentos (XIII)

1 2 1 Componente capacitiva 2 Componente resistiva

Cmo evaluar la polarizacin de un dielctrico? b) Respuesta dielctrica en el dominio de la frecuencia (Frequency Domain Spectroscopy, FDS)

En trminos de la permitividad compleja:

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FDS: Fundamentos (XIV) Evaluacin de la polarizacin: Resumen A un instante de tiempo determinado o como una funcin de tiempo

a) Resistencia de aislamiento. b) ndice de polarizacin.

A una frecuencia fija o como una funcin de frecuencia a) Factor de disipacin (tan a una frecuencia fija, 50 / 60 Hz). b) Factor de disipacin (tan en funcin de frecuencia desde 1 kHz hasta 1

mHz)

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FDS: Fundamentos (XIV) Evaluacin de la polarizacin: Comparacin de mtodos

FDS PDC RVMNo invasivo Si Si SiDescarga antes de Prueba No Si SiTiempo de Medicion Medio Largo LargoSuceptibilidad a Ruido

DC Bajo Alto AltoAC Bajo Medio Alto

Mediciones con Guarda Si Si NoPresicion Alta Alta BajaRepetibilidad Alta Alta Baja

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FDS: Fundamentos (XV)

1 mHz 50 Hz 1kHz

Fact

or d

e di

sipa

cin

Frecuencia

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Humedad en transformadores

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Por qu se mide la humedad? Un transformador con bajo contenido de humedad es como una

persona saludable

Un transformador se puede poner a carga con tranquilidad minimizando el riesgo de una falla intempestiva y catastrfica.

Una persona puede trabajar esforzndose sin sufrir un ataque cardiaco.

Un transformador hmedo es como una persona con las arterias obstruidas.

El dueo del transformador debe limitar la carga para evitar la generacin de burbujas (riesgo de explosin).

La humedad en el aislamiento acelera el envejecimiento del mismo.

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Anlisis de humedad en el aceite (I) El aislamiento en transformadores de potencia esta conformado por

celulosa (impregnada en aceite) y aceite. Durante una determinada temperatura de funcionamiento, casi toda la humedad esta en la celulosa: 25 ton de aceite con contenido de agua de 20 ppm = 0,5 kg 2.5 ton de celulosa con 3% de contenido de agua = 75 kg

20ppm (partes por milln) en 25 ton de aceite

3% de agua en 2.5 ton de celulosa

Humedad

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Anlisis de humedad en el aceite (II) El contenido de humedad en el aceite (es casi constante en la celulosa)

varia con la temperatura y con la condicin de envejecimiento del aceite: Un aceite envejecido permite mayor solubilidad de mayor cantidad de

agua que un aceite nuevo Una pequea concentracin de humedad dificulta el proceso de muestreo. Las muestras de aceite tomadas a bajas temperaturas son de baja

precisin debido a que el agua ha migrado hacia el papel

Muestra de Aceite tomada a 200C 4.0% agua = 6 ppm 1.0 % agua = 3 ppm

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Anlisis de humedad en el aceite (III) La humedad cambia las propiedades dielctricas de la celulosa papel/

prensado La humedad limita la vida til del equipo

Aislamiento seco (0.5%) @ 900C = 40 Aos

Aislamiento hmedo (2.0%) @ 900C = 4-5 Aos

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Interpretacin del contenido de humedad (Megger)

< 0.5 % Transformador Nuevo 0.5 - 1.5% Aislamiento Seco 1.5 - 2.5% Nivel medio de humedad 2.5 - 4% Aislamiento Hmedo > 4% Aislamiento muy hmedo

(% de peso de agua por peso de celulosa)

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Interpretacin del contenido de humedad (IEEE)

< 1% Transformador nuevo < 2% Aislamiento seco 2 - 3% Moderadamente hmedo 3 - 4.5% Hmedo > 4.5% Aislamiento excesivamente hmedo

(% de peso de agua por peso de celulosa)

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FDS: Medicin de humedad en transformadores

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Humedad en transformadores de potencia Mtodos tradicionales para su determinacin: Punto de Roco (Dew Point)

a) En pruebas de certificacin antes del llenado de aceite b) En campo durante el proceso de secado (Dry-out) sin aceite

Muestra de Aceite a) Luego de un proceso de recirculacin b) En servicio

Unidades de Monitoreo en Lnea Medicin de Factor de Potencia (nicamente a frecuencia de lnea)

FDS IDAX 300

Nueva tcnica

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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (I)

Objetivo Medir las prdidas y la capacitancia del sistema de aislamiento a diferentes frecuencias (y con baja tensin).

Defectos detectables Humedad en el sistema de aislamiento. Contaminacin en el sistema de aislamiento. Determinar posible envejecimiento.

ENVEJECIMIENTO

Ruptura de cadenas estructurales

Contaminantes polares Humedad

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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (II)

Prestaciones del sistema Medicin de Factor de Disipacin a mltiples frecuencias y a cualquier

temperatura.

Compara los valores medidos vs. los valores del modelo, con referencia en una base de datos de materiales.

Se obtienen los resultados en forma de humedad en el aislamiento slido de papel como porcentaje del peso total del papel.

Correccin de temperatura precisa. Habilidad para detectar contaminacin

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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (V) Factores que influyen en la forma de la curva

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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (VI)

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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (VII)

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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (VIII)

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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XI)

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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (X)

Resultados Factores que afectan la respuesta

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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XI)

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Procedimiento de medicin

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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (I)

Metodologa de medicin Por qu medir FDS?

1) FDS usa baja tensin (140 Vrms), lo cual implica:

Mayor seguridad Menor tamao del equipo

2) FDS mide capacitancia y tan delta en un rango de frecuencia que permite:

Mejor interpretacin Posibilidad de eliminar errores de medicin.

3) La interpretacin de resultados se basa en un modelo real de diseo de transformador.

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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (II)

Metodologa de medicin Por qu medir FDS?

4) Las mediciones FDS son reproducibles:

Las mediciones pueden reiniciarse Mediciones previas en AC no afectan los resultados (pruebas de alta

tensin en CC pueden disminuir el valor de factor de disipacin)

5) Las mediciones FDS son fciles de entender y de modelar:

El modelo FDS son clculos j (Impedancia compleja) El modelo en dominio de tiempo involucra integracin

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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (III)

Aplicacin en la fabricacin de transformadores Caracteriza los materiales aislantes Se lo utiliza para controlar el contenido de humedad en el proceso de

manufactura de Transformadores de Potencia

Verifica en sitio que el aislamiento se encuentra en buenas condiciones antes de energizarlo:

a. Permite mediciones a temperaturas superiores e inferiores a las de fabricacin

b. Ayuda a entender las posibles causas (inclusive temporales) de alto tan delta/factor de potencia, ej. contaminacin que eventualmente ser absorbida por el papel y el prensado.

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Caractersticas del sistema (I)

Caractersticas del sistema Seal de Prueba: 0 a 200 V (pico-pico) y 0 a 50 mA Frecuencia: 10 kHz a 0.1 mHz Rango de medicin de la capacitancia: 10 pF a 100 F Uno o dos canales de medicin independiente Liviano y robusto Posibilidad de aumentar la tensin de salida (Vax 020: 2 kV)

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Caractersticas del sistema (II)

Caractersticas del software 1) Sistema de Control

Controla y opera el equipo IDAX 300 Resultados

2) Organiza los objetos de prueba y las mediciones Presenta los datos medidos

3) MODS Software para anlisis de datos

4) Posibilidad de generar reportes (MS Word)

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Metodologa de Medicin (I)

1. Se realizan las conexiones. 2. Se mide el factor de disipacin/factor de potencia desde 1 kHz hasta

1mHz

3. Se envan los resultados de la medicin a un analizador: MODS 4. Se ingresa el valor de la temperatura del aislamiento (temperatura del

aceite).

5. MODS ajusta la curva medida a la curva modelo (automticamente) variando los parmetros que afectan la forma de la curva para encontrar el mejor match.

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Metodologa de Medicin (II)

Metodologa de medicin Pasos de medicin del IDAX:

6. A partir de 5. se obtiene: La relacin de aislamiento slido (celulosa) vs. lquido (aceite) entre

devanados Humedad en el aislamiento slido Conductividad del aceite

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1) Conexionado

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1) Conexionado

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1) Conexionado

Que y cmo medir

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1) Conexionado

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Que y cmo medir

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3) Envo de los resultados al MODS

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4) Ingreso de la temperatura del aceite

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5) Ejecucin del MODS

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6) Obtencin de resultados

Resultado

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7) Ejemplos Fabricante Ao Temp.

Medida Humedad PF del Aceite Potencia

Nominal Condicin

Hyundai 2008 27 Co 0.6 % 0.013% PF @ 60Hz 105 MVA Nuevo, durante puesta en marcha

WesHnghouse 1987 27 Co 1.1 % 0.019% PF @ 60Hz 80 MVA Usado en subestacin

GE 1950 27 Co 2.1% 0.406% PF @ 60Hz 15 MVA Usado en subestacin Yorkshire 1977 27 Co 4,5 % 0.467% PF @ 60Hz 10 MVA Usado y reparado

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7) Ejemplos

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0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Factor de Potencia a baja conductividad de aceite, 1% humedad, 20oC 50oC

20C 30C 40C 50C

PF@60Hz

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0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Factor de Potencia a alta conductividad del aceite, 1% humedad, 20oC 50oC

20C 30C 40C 50C

PF@60Hz

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DFR Recomendaciones Generales: Rango de Frecuencia

Las mediciones DFR son dependientes de la temperatura y para asegurar un anlisis confiable del contenido de humedad en el espcimen de prueba en aislamientos a bajas temperaturas, se recomienda extender el rango de frecuencia.

En la siguiente tabla se muestran los valores mnimos de frecuencia que se requiere a diferentes temperaturas del aislamiento.

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DFR Respuestas Atpicas

Altas prdidas que se incrementan con el incremento de frecuencia: Resistencia en Serie malas conexiones/alta resistencia en el la

conexin ncleo-tierra

Alta conductividad del aceite en la configuracin de prueba, ej. CHL Las superficies conductoras generan un puente entre los electrodos

polucin, senderos carbnicos

Prdidas negativas en mediciones de bujes (tan/factor de potencia), usualmente alrededor de 1 - 0.1 Hz

Corrientes de Fuga Superficiales (externas) o de interface (internas) Incremento de Prdidas entre 50-100Hz hasta ~ 0.1Hz

Contaminacin, mala conexin.

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Importancia de FDS para el diagnstico de transformadores

Brochure 445 CIGRE Guide for Transformer Maintenance Working Group A2.34 - February 2011

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FDS: Aplicaciones Especiales

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BUSHINGS DFR Aplicaciones No-tradicionales

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Fallos en bushings

IEEE Std C37.91-2008 IEEE Guide for Protecting Power Transformers

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Partes del bushings

Conductor Central

Mirilla o indicador de nivel de aceite

Brida

Conductor Central

n Cabezal

n Porcelana Superior

n Toma de Pruebas

n Porcelana Inferior

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Construccin de los bushings

Equivalente Elctrico Circuito

Condensador / Grado Capacitivo Est diseado en capas de material

aislante el cual crea capacitores entre el conductor central y tierra.

Se construyen con un punto de prueba para la capacitancia graduada. Normalmente aterrizado en servicio.

Tap de Prueba (Tap Capacitivo) Tap de Potencial

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Pruebas en bushings de Tipo Capacitivo

Condensador / Grado Capacitivo La prueba mas importante es la

medicin de C1. Se mide la calidad del aislamiento

principal del buje. Se aplica una seal sinusoidal en BT al

conductor central. La medicin se realiza con respecto al

tap de prueba del bushging. Modo de Prueba UST, Ungrounded

Espcimen Test

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Pruebas FDS en C1

1. Se hace un puente entre los terminales de AT.

2. Se hace un puente entre los terminales de BT.

3. El tanque del transformador debe estar a tierra.

4. La brida del bushing debe estar aterrizada.

5. Se debe quitar la conexin a tierra del tap de prueba

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Caso de Estudio COTA 350 Prueba C1

23C, mc=0.8%

25C, mc=0.8%

35C, mc=0.7% 45C, mc=0.7%

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Referencias Recomendadas

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Referencias

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Referencias

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