Megger
Seminario de Transformadores Pruebas de Mantenimiento y Puesta en Servicio Introducción a Transformadores Julio 2010
1
Contenido
Fundamentos de Transformadores Seguridad Teoría Aplicación Diseño Tipos
(Source: Waukesha)
2
Seguridad Segurid ad Ante Todo !!
3
Seguridad Ante Todo !! Equipo de Protección Personal
4
Seguridad
Los transformadores utilizan electricidad
La energía eléctrica proviene de otro tipo de energía Nuclear, Hidráulica, Térmica, Combustibles
La electricidad no siempre es visible o audible Al pasar por un conductor conductor
Fácilmente puede atravesar cualquier material Madera, metales, material orgánico, líquidos, gases
5
Seguridad
Inspección Visual Cables sin aislamiento Puntos de Tierra flojos Deformaciones en el tanque Instrumentos de Medición (T,P,L)
Asegúrese
de conocer los elementos que están energizados
Verifique la proximidad delineas energizadas Pueden imponer energía en equipos des energizados
Verifique la identificación del área de pruebas
NUNCA DEJE DE ESTAR ATENTO! 6
Transformadores - Propósito
Los Transformadores son elementos clave en la estructura de los sistemas eléctricos de potencia Los generadores producen cantidades variables de energía Normalmente las estaciones de generación se encuentran a grandes distancias de los centros de carga final Los transformadores intervienen de una manera efectiva en el transporte de energía sobre largas distancias con mínimas perdidas Elevación de voltaje de generación Líneas de Transmisión de AT transportando energía a grandes distancias Alta Tensión, baja corriente = perdidas bajas (i2·r)
Los transformadores deben utilizarse en el lado de distribución
Reducción de Voltaje (en etapas) a los niveles de voltaje requeridos por la carga
7
Aplicación en el Mundo Real
BT y AT Transformador Fuente de Energía
Generación Eléctrica
(GSU)
Líneas de Transmisión AT
AT a MT / BT Transformador
MT / BT Líneas de Distribución
Cargas de Potencia Electica
Transformadores
8
Aplicación ± Modelo Eléctrico Trifásico
MT a AT Transformador Generación
(GSU)
Líneas de Transmisión AT
AT a MT/BT Transformador
LV
HV
HV
LV
Dĭ
$ĭ
$ĭ
Dĭ
MT / BT Líneas Distribución
Cargas del Sistema Eléctrico
Cargas Reactivas
Fuente de Energía
Eĭ
%ĭ
%ĭ
Eĭ
Fĭ
&ĭ
&ĭ
Fĭ
V2
V1
$ĭ
L R
%ĭ
$ĭ
Cargas Resistivas
Generador %ĭ
&ĭ
Generador &ĭ
Generador
Transformadores
9
Transformadores ± Centro de una Subestación Los otros equipos son para Control Automático y Protección
10
Niveles de Voltaje
Generación 10 a 34.5kV
Transmisión 1000 kV, 765kV, 500kV, 345kV, 230kV, 138kV, 124kV, 69kV
Distribución / Industrial 69kV, 34.5kV, 28kV, 24kV, 13.2kV, 11kV, 7.6kV, 4.16kV, 0.480
Residencial 0.240 kV, 0.120 kV
11
Monofásico vs. Trifásico
12
Diseño ± Devanados
Estándar Servicios Industriales Monofasico o Trifásico residencial e industrial (montado en el piso o en poste) Monofásicos Auto transformadores 2-devanados, transformadores trifásicos 3-devanados, transformadores trifásicos
Tipos Especiales
Móvil Arco (alta corriente) Cambiadores de Tap Múltiple devanado (>3 devanados)
13
Diseño ± Configuraciones
1- ĭ Delta Y Zigzag
Varias rotaciones de fase
14
Transformador ± Sistema de Potencia Trifásico 2 r o t c e V
Capacitiva o Inductiva
Capacitiva = Banco Capacitivo Capacitivo = Largas líneas de transmisión Reactiva = Reactor Motor Generador
R A V k = ) Q ( a v i t c a e R a i c n e t o P
S P jQ
angulo entre vectores1 y 2 Potencia Real (P) = kW
Vector 1
Resistiva
Iluminación Resistores
15
Transformadores ± Potencia En sistemas 3ĭ S
3 V L
En sistemas 1ĭ S V L
I L
I L
-O-
S
P
3 V F
3 V L
I F
I L factor de potencia
P V L
I L factor de potencia
1 MVA = 1000 * kVA 1 kVA = 0.001 * MVA 16
Teoría ± Transformador Monofasico
Objetivo: Transfer ir energía desde la fuente hacia la carga
Construcción: Dos conductores (primario y secundario) bobinados sobre un mismo núcleo, por ende asilados eléctricamente uno del otro
Teoría:
Ley de Faraday: Una fuente de energía aplica una corriente AC que pasa por el devanado primario, produce una densidad de flujo magnético que varia en el tiempo sobre el núcleo
Este flujo también pasa a través Voltaje del secundario induciendo un voltaje en el secundario
Cuando la carga esta conectada al secundario, la corriente fluye según la impedancia de la carga
Fuente
L o a d
17
Teoría ± Transformador monofásico
Ecuación universal del transformador
V
4.44
f A N B
B
I
V = Voltaje f =
Frecuencia
A = sección área del núcleo N = # de espiras B = Densidad de Flujo magnético I = Corriente de Excitación
Función de frecuencia, geometría y corriente
18
Teoría ± Transformación de Energía 1.
Corriente (i, amps) pasa a través de un conductor y produce una fuerza de campo magnético
2.
La energía potencia, se mide como flujo (B, Tesla)
3.
Concentración of Flujo = Densidad de Flujo ĭ*DXVV
Air Core
Núcleo Magnético
HV
i
LV
10,000 veces mas efectivo
19
Teoría ±Transformación de Energía
Corriente AC crea Flujo AC Variable en el tiempo, dirección cambiante (polaridad)
Energía AT Æ Núcleo Æ BT Energía Eléctrica Æ Energía Magnética Æ Energía Eléctrica
20
Teoría ± Transformación de Energía
Flujo de Saturación Es el nivel máximo de flujo magnético que un material puede manejar ± Sin importar el valor de corriente aplicada ± Depende únicamente de las propiedades del material del núcleo y su diseño ± Permeabilidad Magnética ± Temperatura
Corriente de Excitación La corriente que fluye a lo largo del conductor bobinado en vacio (circuito abierto), cuando se aplica un voltaje al transformador ± Generado por corrientes parasitas del núcleo (eddy) y perdidas de histéresis ± Depende principalmente del voltaje aplicado
Corriente de Saturación ± Es el nivel en el cual la saturación del flujo inicia (ver curva de histéresis)
21
Teoría ± Transformación de Energía
22
Teoría ± Transformación de Energía
Histéresis (perdidas) = Memoria Magnética (historia)
No toda la energía necesaria para magnetizar un material se recupera cuando este es desmagnetizado
Mientras mas ancho y alto el lazo de histéresis, mayores las pérdidas por histéresis que tiene un material
23
Pérdidas
Resistencia de los Devanados Debido a la resistencia de los conductores
Reactancia de Fuga Debido a la fuga de flujo
Resistencia del Núcleo Pérdidas por histéresis y corrientes parasitas
24
Modelo Eléctrico de una unidad monofásica Perdidas en Devanados
Perdidas en Devanados
Perdidas del Núcleo
Histéresis (magnetizing)
Eddy current (resistive)
Pérdida s del núcleo Prueba en vacio
Inductive (stored energy)
Resistive (watts loss)
Perdidas de los devanados Prueba de Corto circuito
25
Diseño ± Trifásico
Principales Componentes:
Conductores Eléctricos / Devanados Núcleo Magnético Aislamiento ±
Primario
±
Secundario
26
Conductores Eléctricos / Devanados
Objetivo: Paso de electricidad
Material: Cobre o Aluminio
(Source: Alconex)
(Source: Waukesha Transformer)
27
El Núcleo Magnético
Objetivo: Ser el canal del Flujo Magnético
Material: Acero eléctrico M3, M4
(Source: Waukesha Transformer)
28
El Núcleo Magnético
Malo
Una serie de laminas delgadas planas, aisladas una con respecto a la otra
Reduce las perdidas corrientes (Eddy)
Bueno
29
Material Aislante (Primario)
Objetivo: Aislar los potenciales y proveer soporte mecánico
Material: CELULOSA; papel Kraft, envoltura del Devanado, Papel Crepe, Madera Eléctrica, etc..
Insulating Structure Inside Power Transformer (Source: 2005 Weidmann Conf.) 30
Material Aislante (Secundario)
Objetivo: Aislar potenciales, reducir calentamiento, mantiene alejada la humedad
Material: Aceite Mineral, Natural, Silicona, Air, Nitrógeno, SF6
31
Diseño
Transformador Trifásico (Montaje de núcleo y devanado
32
Diseño
Transformador Trifásico (Producto Final) Cuba, bujes, conservador, radiadores, Ventiladores, Instrumentación, TCs, Cambiador de Taps, etc..
33
Relación de Transformación ± Cambiadores de Tap 100% + (16) * 5/8%
100% + (2) * 5/8%
100% + (8) * 5/8% 100% + (7) * 5/8%
100% + (1) * 5/8%
100% + (6) * 5/8% 100% + (5) * 5/8% 100% + (4) * 5/8%
100% + (0) * 5/8% 100% - (1) * 5/8%
100% + (3) * 5/8%
100% - (2) * 5/8%
100% + (1) * 5/8% 100% + (0) * 5/8% 100% - (1) * 5/8% 100% - (2) * 5/8%
De-energized Tap Changer (DETC) Typically 5 taps, regulating V range % based on design need
100% - (3) * 5/8% 100% - (4) * 5/8% 100% - (5) * 5/8%
Load Tap Changer (LTC) Typically 32 taps, regulating V range +10% to -10%
100% - (6) * 5/8% 100% - (7) * 5/8% 100% - (8) * 5/8%
100% - (16) * 5/8%
34
Transformador ± Cambiadores de Tap
Regulación de Voltaje y Control Trifásico Cambiador de Tap bajo Carga (CTBC) Cambiador de Tap Des-energizado (CTDE)
35
Transformador ± Cambiadores de Tap
36
Clase ± Sistema de Enfriamiento
ONAN (OA)
Aceite Natural
Enfriamiento Propio
ONAF (FA)
Aceite Natural Aire Forzado
Ventiladores
OFAF (FOA)
Aceite Forzado Aire Forzado
Bombas y Ventiladores
ODAF (FOA)
Aceite Dirigido Aire Forzado
Bombas y Ventiladores
37
Sistema de Enfriamiento ± Radiadores, Ventiladores, Flujo, etc..
38
Datos de Placa
Rango de Operación
Voltajes nominales de 1rio y 2rio
Potencia Nominal
Impedancia
# de Serie
Especificaciones de Peso
Niveles de impulso
Clase de Enfriamiento
39
Datos de Placa
Diagramas de Conexionado de Primario y Secundario
Cambiadores de Tap Configuraciones
Información de TCs
40
Datos de Placa
Configuración de devanado trifásico y polaridad
41
Datos de Placa
Devanado Trifásico ± Polaridad de primario a voltaje secundario
42
(QXQ0XQGR3HUIHFWRH,GHDO«
Los componentes del Transformador serian CERO pérdidas No existen conductores perfectos (cero resistencia de devanados) No existe permeabilidad del núcleo infinita ( permitiendo 100% del flujo que se comparta) No todo el flujo magnético se concentra en el núcleo del transformador (fuga de flujo) No existe resistencia de aislamiento infinita y/o factor de potencia del aislamiento CERO (sin corriente de fuga)
43
Diseño Real
Diseño de los Componentes del Transformador Eléctrico ± Para transferir potencia AC de un potencial a otro
Térmico ± Para soportar las altas temperaturas de Operación
Mecánico ± Para mantenerlo estático, invariable y físicamente robusto
44
Condiciones Reales
Esfuerzos en los componentes del Transformador Eléctrico ± Sobre voltajes = Alto esfuerzo en el aislamiento ± Envejece el material dieléctrico; inclusive a voltajes nominales
Térmico ± Alta Corriente = Alto esfuerzo en todos los componentes ± Envejece el material dieléctrico; inclusive a Temperaturas nominales
Mecánico ± Fuerte Impacto = Alto esfuerzo físico ± DEFORM ACION/ DESPLAZAMIENTO
45
Condiciones Reales
Esfuerzos en los componentes del Transformador Ataque Químico ± Aceite, Celulosa, y productos del Cobre ± DETERIORO de los componentes del aislamiento
Contaminantes del Medio Ambiente ± Sal y corrosión externa ± DETERIORO de la cuba y equipos auxiliares
46
Programación de Pruebas
Dependiendo del nivel de importancia del equipo (transformador) Potencia - <2500 kVA, >50 MVA, etc.. Importancia de la carga ± generación, hospital, Centro de Computo, etc.
No-Planificada Luego de una falla Luego d alarmas de falla activa Etc.
Frecuencia
6 meses 12 meses 36 meses Etc.
47
Resumen de Transformadores ± Que se debe Probar ?
Devanados Aislamiento Núcleo Cambiadores de Tap Bujes Aceite Dieléctrico
48
Component
IEEE 62 Detalle de Pruebas, basado en los componentes del Transformador
Windings
Bushings
Insulating oil
Cellulose insulation
Load Tap changers
De-energized
Core
Test Resistance Ratio/polarity Excitation current Short-circuit impedance Frequency response analysis Insulation resistance Capacitance Power factor/tan delta Dielectric frequency response Induced voltage/partial discharge Capacitance Power factor/tan delta Dielectric frequency response Partial discharge Temperature (Infrared) Water content Dissolved gas Dielectric strength Particle count Power factor/tan delta Interfacial tension Acidity Visual Color Oxidation stability Moisture content Contact/winding resistance Temperature (Infrared) Ratio Timing (make before break) Motor current Limit switch Contact pressure (resistance test) Centering Ratio Visual inspection Insulation resistance Frequency response analysis Ground test
Megger products MTO
TTR Delta/TTR MLR/FRAX FRAX S1 Delta/IDAX Delta/IDAX IDAX Delta/IDAX Delta/IDAX IDAX
KF OTS IDAX/Delta
IDAX-MODS MTO TTR MTO
MTO TTR 49
MIT/S1 FRAX MoM/DLRM