Diagnóstico de condición

de equipos de

subestaciones eléctricas

de alta tensión

MsC Ing Javier AcevedoConsultor para LatinoamericaDoble Engineering Company

jacevedo@doble.com

Técnicas para Interpretación de análisis DGA en transformadores

de potencia.

MsC Ing Javier AcevedoConsultor para LatinoamericaDoble Engineering Company

jacevedo@doble.com

Objetivos de la técnica DGA

• Proveer un medio no invasivo para determinar

objetivamente si existe una condición de falla en

evolución al interior de un transformador

– Enfoque pesimista.

– Enfoque optimista.– Enfoque optimista.

• Confirmar la condición del equipo antes que entre

en servicio.

• Prevenir una salida inesperada del equipo.

• Reducir el nivel de riesgo de la unidad en el

sistema.

Varios gases se crean durante la descomposición del aceite dependiendo del tipo de falla.

Energía requerida para romper enlaces y formar gases.

Hidrógeno 338 kJ/molH H

HH

338 kJ/molMetano C H

607 kJ/mol

720 kJ/mol

960 kJ/mol

Etano

Etileno

Acetileno

C CH

H

H

H

C CH H

C CHH

H H

Gases detectados

Gas Tipo

Hydrogen

Oxígeno

Nitrogeno

Metano Hidrocarburo

Monóxido Carbono Monóxido Carbono

Etano Hidrocarburo

Dióxido Carbono

Etileno Hidrocarburo

Acetileno Hidrocarburo

Otros gases puede ser detectados pero no son usados en la rutina de análisis.

Total Gases Combustibles, TCG

Gas Tipo

Hidrógeno

Metano Hidrocarburo

Monóxido Carbono Monóxido Carbono

Etano Hidrocarburo

Etileno Hidrocarburo

Acetileno Hidrocarburo

Otros gases puede ser detectados pero no son usados en la rutina de análisis.

Temperaturas de Generación

Gas Temp

Hidrógeno ≈ 120°C

Metano ≈ 120°C

Etano ≈ 150°C

Etileno ≈ 300°C Etileno ≈ 300°C

Acetileno de sobrecalentamiento

≈ 700°C

Acetylene de arqueo ≈ 1200°C

En aceite únicamente, no incluye los efectos del papel.Otros gases puede ser detectados pero no son usados en la rutina de análisis.

Equilibrio Térmico de Halstead

Análisis de Gases Disueltos- 3 Métodos

• Método A – Extracción de Vacío / Análisis Cromatográfico

• Método B – Columna Stripper / Análisis Cromatográfico

• Método C – Headspace / Análisis Cromatográfico

Gas Normalizado – Cromatografía de gases

pA

1250

1500

1750

FID2 A, (121202ST\004F0401.D)

5.9

27 -

C

O2

ET

HY

LE

NE

12.1

50

- M

ET

HA

NE

TCD1 B, (121202ST\004F0401.D)

4.6

94

- N

ITR

OG

EN

2 4 6 8 10 12

0

250

500

750

1000

7.9

33 -

A

CE

TY

LE

NE

8.8

79 -

E

TH

YL

EN

E

9.8

16

- E

TH

AN

E

11

.72

2

3.4

55 -

HY

DR

OG

EN

4.1

44

- O

XY

GE

N

CO

• Diseño de Tanque Sellado.

•Tanque sellado con control de Gas.

• Diseño de tanque sellado Gas – Aceite.

• Tanque conservador sellado con membrana.

Impacto del Sistema de Preservación.

• Tanque conservador sellado con membrana.

• Tanque conservador abierto con respiración

libre.

• Tanque sellado Vs. conservador sellado con

membrana.

Solubilidad de Gases en Aceite.

• Hidrógeno, Monóxido de Carbono, (Metano en menor grado)

– Proporcionalmente mayores en tanques con

conservador cerrado que en tanques con conservador cerrado que en tanques con

colchón de gas.

– Se pierde lentamente en la atmósfera en

tanques con conservador abierto.

– Fugas.

Homogeneidad de gases en aceite.

• Tasa de generación.

• Acceso del flujo de aceite al área bajo falla.

• Tasa de mezclado.

• Presencia de colchón de gas.

• Difusión.

Burbujas de Gas

• Súper-saturación del aceite con gas.

• Descomposición térmica del aislamiento de celulosa.

• Vaporización del agua absorbida por la • Vaporización del agua absorbida por la celulosa.

Técnicas de Interpretación mas comunes.

• Triángulo de Duval.

• Límites, tasas y valores TDCG norma IEEE C57.104.

• Límites valores puntuales.

• Método del gas clave.

• Relaciones de Dörnenburg.• Relaciones de Dörnenburg.

• Relaciones de Rogers.

• Límites y relaciones IEC 60599.

• Análisis de Tendencias.

• Patrón Distintivo.

• Análisis de Sistema Experto.

Triángulo de Duval

Claves PD Descargas ParcialesD1 Descargas de baja energíaD2 Descargas de alta energíaT1 Falla térmica, t < 300ºCT2 Falla térmica, 300ºC < t < 700 ºCT3 Falla térmica, t > 700 ºC

Claves del triángulo de Duval.

Limites de zonas

PD

D1

D2

T1

T2

T3

98% CH4

23% C2H4

23% C2H4

4% C2H2

4% C2H2

15% C2H2

13% C2H2

13% C2H2

10% C2H4

10% C2H4

50% C2H4

38% C2H2

50% C2H4

29% C2H2

Limites de zonas

Límites Aceptables de Gases Disueltos según varias fuentes.

H2 CO CH4 C2H6 C2H4 C2H2 CO2 TCG

*IEEE 100101-700701-1800

>1800

350351-570

571-1400>1400

120121-400

401-1000>1000

6566-100

101-150>150

5051-100

101-200>200

3536-5051-80>80

25002500-4000

4001-10000>10000

720721-1920

1921-4630>4630

**Electra (CIGRE)

28.6 289 42.2 85.6 74.6 -- 3771 520

IEC 60599TypicalRange

60-150 540-900 40-110 50-90 60-280 3-50 5100-13000

Manufact. 200(250)

500(1000)

100(200)

100(200)

150(300)

15(35)

----

10651985

*EN REVISIÓN**VALORES CORREGIDOS 1978( ) VALORES 6 – 7 AÑOS

Gases claves - Arqueo

60

70

80

90

100

Co

mb

ust

ible

s, %

0

10

20

30

40

50

Co

mb

ust

ible

s, %

CO H2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2

Gases claves –Sobrecalentamiento Aceite

60

70

80

90

100C

om

bu

stib

les,

%

0

10

20

30

40

50

Co

mb

ust

ible

s, %

CO H2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2

Gases claves- Descarga Parcial

50

60

70

80

90

100C

om

bu

stib

les,

%

0

10

20

30

40

50

Co

mb

ust

ible

s, %

CO H2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2

Gases claves –Sobrecalentamiento Papel

60

70

80

90

100

Co

mb

ust

ible

s, %

0

10

20

30

40

50

Co

mb

ust

ible

s, %

CO H2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2

Método relaciones Dörnenburg

• Relación 1 (R1)=CH4/H2

• Relación 2 (R2)=C2H2/C2H4

• Relación 3 (R3)=C2H2/CH42 2 4

• Relación 4 (R4)=C2H6/C2H2

Relaciones de Dörnenburg –tabla de diagnóstico desde aceite

R1 CH4/H2

R2 C2H2/C2H4

R3 C2H2/CH4

R4 C2H6/C2H2

1-Descomp Térmica

>1.0

<0.75

<0.3

>0.4

2- DP baja intensidad

<0.1

Not Sig

<0.3

>0.4 intensidad <0.1 Not Sig <0.3 >0.4

3-Arqueo

>0.1,<1.0

>0.75

>0.3

<0.4

Valido solo si todas las relaciones se cumplen para un tipo de falla en

particular.

Relaciones de Roger’s.

• Tres relaciones

– Relación 1 (R1)=CH4/H2

– Relación 2 (R2)=C2H2/C2H4

– Relación 5 (R5)=C H /C H– Relación 5 (R5)=C2H4/C2H6

• No existen umbrales mínimos– Sugeridos cuando los niveles normales son

sobrepasados.

Diagnóstico de Falla según relaciones de Roger.

Caso R2 R1 R5 FALLA

C2H2/C2H4 CH4/H2C2H4/C2H

6

0 < 0.1 >0.1,< 1.0 <1.0 Normal

1 < 0.1 <0.1 <1.0 PD Baja Energía1 < 0.1 <0.1 <1.0 PD Baja Energía

2 0.1 - 3.0 0.1-1.0 >3.0 Arqueo

3 < 0.1 >0.1,< 1.0 1.0 - 3.0

Térmico Baja

Temp

4 < 0.1 >1.0 1.0 - 3.0 Térm < 700°C

5 < 0.1 >1.0 >3.0 Térm > 700°C

IEC 60599

• Identifica 6 diferentes tipos de fallas.– PD: Descarga parcial

– D1: Descarga de baja energía

– D2: Descarga de alta energía

– T1: Falla térmica, t <300°C– T1: Falla térmica, t <300°C

– T2: Talla térmica, 300°C < t < 700 °C

– T3: Falla térmica, t > 700 °C

• Usa una combinación de relaciones (basadas

en las relaciones de Roger), concentraciones de

gases y tasas de incremento de estos.

Niveles Típicos de Gases de acuerdo con IEC 60599.

H2 CO CH4 C2H6 C2H4 C2H6 CO2

Rango tipico IEC 60599

60-150 540-900 40-110 50-90 60-280 3-505100 -13000

Nota en la norma IEC 60599: Valores típicos son mayores en

transformadores sellados que en transformadores de respiración

libre.

OLTC comunicado con cuba

75-150 400-850 35-130 50-70 110-250 80-270 5300-12000

MÉTODOS BASADOS EN RELACIONES.

• Ventajas– Cuantitativos

– Independiente del volumen de aceite

– Baja complejidad computacional.

• Desventajas– No siempre se consigue resultados del análisis.– No siempre se consigue resultados del análisis.

– No siempre es correcto.

– Fuerte dependencia de sistemas de preservación de aceite.

– El método de Dornenburg ha caído en desuso debido a

errores en identificar falla incipientes.

• El aislamiento sólido se maneja separadamente usando la relación monóxido – dióxido.

ANÁLISIS DE TENDENCIAS.

• Información Histórica.

– Se ha elevado súbitamente el porcentaje de

TCG en el colchón de gas?

– Se ha elevado súbitamente el porcentaje de – Se ha elevado súbitamente el porcentaje de

TCG en el aceite?

– Datos de placa del equipo.

– Cual es la edad del transformador?

– Ha fallado algún bushing durante la historia

operativa del equipo?

– Tuvo el transformador una falla previamente?

– Si la unidad fue reparada previamente, se filtró

ANÁLISIS DE TENDENCIAS.

– Si la unidad fue reparada previamente, se filtró

y desgasificó el aceite?

– La unidad está trabajando sobrecarga o lo ha

sido históricamente?

– Análisis DGA previos?

CO´S Y SUS RELACIONES.

Aislamiento de celulosa• Tipo shell> CO2 que tipo core debido a la

masa.

• CO2 accidental.2

• CO2/CO : 3 -14:1

• CO2/CO promedio. 7:1

• Enfoque 1 altas temperaturas de falla.

• Alto CO2 con bajo CO- falta de enfriamiento

/sobrecalentamiento general.

• Fallas incipientes no identificadas.

– Producción de H2 de delgadas interfaces de

aceite sobrecalentado en laminaciones del

núcleo (>140°C)

– Oxidación y calentamiento térmico del aceite

LO QUE NO SE TIENE EN CUENTA:

– Oxidación y calentamiento térmico del aceite

que causa producción de CO and CO2 .

• Gases producidos sin falla existente.

– Fuga entre cambiador de tomas bajo carga y

cuba principal.

• Agua

– Agua libre+ núcleo acero= H2 + O2

– Celulosa con PD genera mas H2.

• Compuestos siliconados, polímero

LO QUE NO SE TIENE EN CUENTA:

• Compuestos siliconados, polímero orgánicos

– Bajo condiciones de sobrecalentamiento y

descarga eléctrica (arco)

– Generan H2 y CO.

LA REALIDAD – USO DE SISTEMAS EXPERTOS.

• Historia.

• Gases claves.

• Relaciones.

• Patrones – poblaciones similares.

Use todas las • Análisis de tendencias.

• Bases de datos internas.

• Gas Combustible Total

• Tasas de generación de gas.

• El experto humano….

Use todas las herramientas

disponibles, no solo una!!!

LÍMITES DE GAS COMBUSTIBLE TOTAL (PPM)

TCG

0-500 BAJO NIVEL DE GASEO

501-1500 DESCOMPOSICIÓN MODERADA – ESTABLECER TENDENCIA

1501-2500 NIVEL DE DESCOMPOSICIÓN MODERADA– ESTABLECER TENDENCIA

>2500 NIVEL DE DESCOMPOSICIÓN MUY ALTO - IDENTIFICAR CAUSA.

TIPOS DE PROBLEMAS TÉRMICOS.

�Sobreexcitación del núcleo.

�DETC.

�Corto entre espiras o entre conductores.

�Doble aterrizamiento accidental del núcleo.

�Corrientes circulantes en el núcleo.

�Flujo de dispersión.

• Saturación del núcleo por corrientes geomagnéticamente inducidas.

• Conexiones defectuosas.

• Problemas en apantallamientos.

TIPOS DE PROBLEMAS TÉRMICOS.

• Problemas en apantallamientos.

• Comunicación OLTC- cuba.

• Deficiente apriete en conexiones pernadas.

• Averías en bombas.

OTRAS TÉCNICAS DE DIAGNÓSTICO.

• Termografía Infrarroja- detecta puntos calientes

externos.

• Pruebas de pf% aislamientos- degradación y

contaminación de aislamientos, excesiva

humedad en celulosas.humedad en celulosas.

• Medición de corrientes de excitación – Averías

en OLTC, espiras en corto, problemas del

núcleo.

• Prueba TTR- espiras en cortocircuito.

• Resistencia de aislamiento del núcleo y devanado.

• Prueba de aterrizamiento accidental del núcleo.

• Reactancia de fuga/ impedancia de cortocircuito-

deformación de devanados.

OTRAS TÉCNICAS DE DIAGNÓSTICO.

deformación de devanados.

• Análisis de Respuesta al Barrido de Frecuencia

(SFRA)- deformación o movimiento de devanados,

espiras en corto.

• Descarga Parcial- acústica, eléctrica y UHF.

• Curva de carga.

• Desempeño Térmico.

CONDICIONES DE OPERACIÓN.

• Componentes Funcionales y materiales dieléctricos.

Y CUANDO HAY ALGO ANORMAL????

• Definir un marco de tiempo para

actuar….Evaluación criticidad.

• Identificar posibles causas. Plantear • Identificar posibles causas. Plantear

hipótesis.

• Usar otras técnicas de diagnóstico

DGA- CASO DE ESTUDIO 1

• Fabricante Ferranti Packard

• Año 1969

• Tiempo de servicio 30 años

• kV 34

• MVA 18.5• MVA 18.5

• Sistema de Preservación Conservador -

Respiración libre

• Equipo fallado? No

• Otros datos Trafo de Alto Horno

DGA Detecta Condición de Falla incipiente en LTC

12/16/1997

90

100

110

120

130

140

150

Ga

s C

on

cen

tra

tio

n,

pp

m

C2H6

CH4

C2H4

C2H2

169 ppm

12/09/1991

01/13/1993

06/01/1995

06/17/1996

06/18/1997

11/01/1990

04/20/1994

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Sampling Dates

Ga

s C

on

cen

tra

tio

n,

pp

m

• No se encontró nada anormal al interior de la cuba.

• Inspección del LTC mostró dos problemas:

– Un conector deteriorado de alto voltaje debido a

INSPECCIÓN INTERNA

– Un conector deteriorado de alto voltaje debido a

conexión defectuosa.

– Se descubrió empaquetadura defectuosa la cual

permitía comunicación entre aceite de la cuba y

el OLTC.

Conector de Alto Voltaje deteriorado

Caso 2- Transformador Sobrecalentado

• Humedad en transformadores

– Intercambio entre aislamientos líquidos y

sólidos.

– ppm -vs- saturación relativa– ppm -vs- saturación relativa

– Gradientes de temperatura

– El agua esta en su mayoría depositada en el

papel.

80

100

120

140

Temperature

Water Content

Relative Saturation

Caso 2. Curvas de Temperatura y Humedad

0

20

40

60

9/2

/19

87

3/2

/19

88

9/2

/19

88

3/2

/19

89

9/2

/19

89

3/2

/19

90

9/2

/19

90

3/2

/19

91

9/2

/19

91

3/2

/19

92

9/2

/19

92

3/2

/19

93

9/2

/19

93

3/2

/19

94

9/2

/19

94

3/2

/19

95

9/2

/19

95

3/2

/19

96

9/2

/19

96

3/2

/19

97

9/2

/19

97

3/2

/19

98

9/2

/19

98

3/2

/19

99

9/2

/19

99

3/2

/20

00

10000

12000

14000

16000

18000

20000

CO2

C2H4

C2H6

C2H2

CH4

CO

O2

H2

Caso 2. Comportamiento DGA.

0

2000

4000

6000

8000

10000

7/3

0/1

975

7/3

0/1

976

7/3

0/1

977

7/3

0/1

978

7/3

0/1

979

7/3

0/1

980

7/3

0/1

981

7/3

0/1

982

7/3

0/1

983

7/3

0/1

984

7/3

0/1

985

7/3

0/1

986

7/3

0/1

987

7/3

0/1

988

7/3

0/1

989

7/3

0/1

990

7/3

0/1

991

7/3

0/1

992

7/3

0/1

993

7/3

0/1

994

7/3

0/1

995

7/3

0/1

996

7/3

0/1

997

7/3

0/1

998

7/3

0/1

999

Valores pf% aislamientos del transformador.

Pow er Factor, %

1993 19981993 1998

C H .232 .684

C L .202 .862

C H L .642 1.265

Caso 3- Sistema de Preservación

• Mejoramiento del sistema de preservación

• Decrecimiento del TCG.

• CO and H2

– Mayor contribución al TCG – Mayor contribución al TCG

– Reducción mas drástica

• Gases de Hidrocarburos

– Ligero decrecimiento.

Gas Coeficiente de Oswald

Oxigeno 0.138

Nitrógeno 0.0745

Dióxido de Carbono 0.900

Monóxido de Carbono 0.102

Caso 3. Coeficientes de solubilidad.

Monóxido de Carbono 0.102

Hidrógeno 0.0429

Metano 0.337

Etano 1.99

Etileno 1.35

Acetileno 0.938

150

200

250

Gas

Co

nte

nt,

pp

m

H2

CH4

C2H4

C2H6

C2H2

CO

TCG

Caso 3. Comportamiento DGA

0

50

100

11

/24

/99

12

/08

/99

12

/22

/99

01

/05

/00

01

/19

/00

02

/02

/00

02

/16

/00

03

/01

/00

03

/15

/00

03

/29

/00

04

/12

/00

04

/26

/00

05

/10

/00

05

/24

/00

06

/07

/00

06

/21

/00

07

/05

/00

07

/19

/00

08

/02

/00

08

/16

/00

08

/30

/00

09

/13

/00

09

/27

/00

10

/11

/00

10

/25

/00

11

/08

/00

11

/22

/00

12

/06

/00

12

/20

/00

01

/03

/01

01

/17

/01

Gas

Co

nte

nt,

pp

m

TCG

Caso 4- Relé Bucholtz

• Monofásico, 420 MVA, ASEA, 1972

• 1996- DGA detecto descarga parcial.

• 1997-DGA detectó sobrecalentamiento de • 1997-DGA detectó sobrecalentamiento de aceite. Tres semanas después PD.

• 7/3/97- Relé bucholtz sacó la unidad de servicio.

Gas Cuba (Aceite) Bucholtz

(Gas)

Conc.,

ppm

7/3/97

6PM

Conc.,

ppm

7/3/97

10PM

Conc., ppm

7/3/97 6PM

H2 630 260 448410

CH4 210 160 9157

Caso 4. Comportamiento DGA

4

C2H4 30 30 8524

C2H6 10 10 234

C2H2 0 0 3342

CO 90 80 2073

CO2 230 270 5075

N2 -- -- --

O2 3000 3000 6300

TCG 970 540 471475

K @ 50°C Conc. Equiv en aceite a partir

de gas del relé Bucholtz, ppm

H2 0.05 22421 CH4 0.40 3663

C2H4 1.40 11934 C H 1.80 430

Caso 4. Estimación de contenido de gas en aceite.

C2H6 1.80 430 C2H2 0.90 3008

CO 0.12 245 CO2 1.00 5075

N2 0.09 -- O2 0.17 1071

Case 4 – Análisis de la información.

• Formación de burbujas.

– Tasa de generación de gas excedió la difusión.

– Aceite de la cuba saturado en gas.

• Investigación posterior.• Investigación posterior.

• Conexión del núcleo a tierra desconectada.

• Importancia de analizar el gas atrapado en el relé Bucholtz.

Caso 5 – Característica de generación de gases en aceites a baja temperatura.

H2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2 CO CO2

Aceite A

378

106

63

2

0

215

908

Contenido DGA en diferentes muestras de aceites envejecidos.

Aceite B 122 101 58 10 0 113 1414

Aceite C 81 34 20 1 0 65 608

Aceite D 35 0 0 0 0 46 489

H2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2 CO CO2

Contenido DGA de muestras envejecidas después de desgasificación.

Caso 5 – Característica de generación de gases en aceites a baja temperatura.

H2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2 CO CO2

Oil A 165 133 99 2 0 116 370

Oil B 0 4 2 0 0 0 42

Caso de Estudio 6

• Fabricante Federal Pacific

• kV 230

• MVA 200

• Sistema Preservación Colchón de Gas

• Fallado??? Si

• Otros Auto-trafo trifásico

Caso Estudio 6. Perfil DGA

GAS PPM Hidrógeno 1,500 Oxígeno 2,200 Nitrógeno 110,000 Metano 410 Monóxido de Carbono 310 Monóxido de Carbono 310 Etano 31 Dióxido de Carbono 2,400 Etileno 390 Acetileno TCG

880

3,493

Case 6 – Resultados de la investigación.

• La falla comenzó con un cortocircuito y arco

eléctrico entre dos salidas, una del transformador

del OLTC y la otra del devanado regulador a la

bornera del OLTC.

• Vibración y desgaste del aislamiento del terminal.• Vibración y desgaste del aislamiento del terminal.

• Esto ocasión un cortocircuito e través de la fase

B del autotransformador del OLTC.

• Los terminales habían sido separados y fundidos

entre sí por el arco.

Caso de Estudio 7.

• Fabricante Allis Chalmers

• kV 345

• MVA 500

• Sistema de Preservación Colchón de gas

• Fallado? No

Caso de Estudio 7. Perfil DGA del transformador.

GAS PPM Hidrógeno 420 Oxígeno 2,800 Nitrógeno 89,000 Metano 4,400 Monóxido de Carbono 42 Monóxido de Carbono 42 Etano 950 Dióxido de Carbono 1,300 Etileno 3,900 Acetileno TCG

5

9,717

Case 7 – Resultados de la Investigación.

• Dos pernos del sistema de fijación del núcleo estaban tan flojos, que podía retirarse con la mano.

• Formación de carbón alrededor de estos • Formación de carbón alrededor de estos pernos con señales de fusión en las puntas de los pernos.

Caso de Estudio 8

• Fabricante Westinghouse

• kV 161

• MVA 60

• Sistema de Preservación Conservador Sellado

• Fallado?? No

• Otros Transformador

alimentador de Central

de Generación por

Bombeo

GAS PPM Hidrógeno 280 Oxígeno 12,000 Nitrógeno 49,000 Metano 1,500 Monóxido de Carbono 94

Caso de Estudio 8. Perfil DGA del equipo.

Monóxido de Carbono 94 Etano 150 Dióxido de Carbono 960 Etileno 1,200 Acetileno TCG

140

3,364

Caso 8 – Resultados de la Investigación.

• Inspección visual reveló que dos espiras habían fallado y el cobre fundido se había depositado alrededor de la zona de falla.

• Aún habían tres conductores intactos al • Aún habían tres conductores intactos al interior de la espira fallada.