Diagnóstico moderno de transformadores de potencia

Artículo realizado por: Xavier Garrido

El transformador de potencia, debido a su criticidad dentro del sistema eléctrico requiere un cuidado especial a la hora de su transporte. Su volumen y elevado peso hacen que cualquier incidente, por leve que parezca, ocasione variaciones mecánicas o eléctricas en su estructura interior, las cuales pudieran derivar en una anormal operación, una vez instalado en su nuevo emplazamiento.

También fenómenos naturales como tormentas eléctricas, terremotos y en ocasiones transitorios de operación derivados de averías en el sistema eléctrico, son igualmente causantes de alteraciones internas en el transformador de potencia, las cuales a simple vista pueden pasar inadvertidas.

En la actualidad, la gran demanda de energía exige una confiabilidad de las máquinas, y en algunos casos, la continuidad de operación una vez transcurrida su vida útil. Si a todo lo anterior sumamos unas labores de mantenimiento limitadas, podremos tener un problema a mediano plazo.

Un adecuado sistema de Mantenimiento Predictivo es la mejor manera de conocer el estado de nuestras máquinas en cada momento, prolongando así la vida de estas sin mermar la calidad del servicio. Lo realmente importante es conocer el estado y evolución del transformador para estar en condiciones de poderlo operarlo con la máxima seguridad y saber si es apropiado continuar su uso.

Existen una serie de técnicas de Mantenimiento Predictivo que a través de ensayos tales como análisis físico-químico de aceites, gases disueltos (DGA), determinación de compuestos furanos y la técnica más moderna y reciente de diagnostico de transformadores de potencia conocida como Análisis de Respuesta en Frecuencia (FRA), nos permiten hacer seguimiento del estado del transformador.

Análisis de Respuesta en Frecuencia

El Análisis de Respuesta en Frecuencia (FRA) es un método capaz de detectar indicios de problemas donde otras técnicas son incapaces. Para su ejecución se necesita que el transformador de potencia se encuentre fuera de servicio, por un periodo muy corto de tiempo.

El transformador de potencia se podría representar por medio de una red de elementos pasivos (bobinas, condensadores y resistencias) distribuidos, formando conexiones en serie, paralelo o ambas, caracterizando la “Huella” del transformador (Figura 1). Cualquier modificación de estos elementos provocará una variación proporcional en la “Huella” patrón de una manera irreversible [1].

Lo ideal sería disponer del ensayo FRA realizado en fábrica después de su fabricación o en su defecto un ensayo de puesta a cero. Esta “Huella” será única y el patrón de referencia durante toda la vida útil del transformador.

Este ensayo es utilizado tanto en labores de Mantenimiento Predictivo, como ante una sospecha de avería en el transformador, o para la confirmación de problemas detectados por otros métodos: Relación de transformación, Impedancia de cortocircuito, Resistencia de bobinados, etc.

Una de las aplicaciones más interesantes es la de garantizar la calidad del transporte de estas grandes y pesadas máquinas. Simplemente comparando un ensayo realizado en origen con otro en destino, es capaz de detectar incidentes ocurridos durante el traslado.

Los problemas detectables son los siguientes [3]:

• Cortocircuitos entre espiras en los bobinados.
• Bobinados abiertos.
• Deformaciones y desplazamientos de los bobinados (axiales y radiales).
• Movimientos o golpes en el núcleo magnético.
• Puesta a tierra del núcleo magnético con fallas
• Roturas o aflojamiento de sujeciones.
• Conexiones eléctricas flojas o rotas.

Técnicas de Ensayo de Respuesta en Frecuencia (FRA)

Actualmente esta técnica se encuentra sometida a estudio en grupos de trabajo de organismos internacionales (IEEE y CIGRÉ) para su normalización. El ensayo puede ser realizado principalmente por medio de dos técnicas diferentes [2]:

• Inyección de Impulso (IFRA). Se aplica un pulso de tensión calibrado, obteniéndose el espectro de frecuencia de las señales de entrada y salida por medio de la transformada rápida de Fourier FFT, y luego se grafica la respuesta de la función transferencia, calculada en el dominio de las frecuencias.
• Barrido de Frecuencia (SFRA). Se realiza aplicando una onda de tensión de amplitud constante y frecuencia variable en incremento continuo a lo largo de todo el espectro de frecuencia de medición (20Hz – 2MHz), y graficando la relación entre las tensiones aplicadas y las reflejadas, en función de la frecuencia.

Ambos métodos arrojan resultados equivalentes de forma lineal y logarítmica y permiten la comparación entre ensayos a lo largo del tiempo (histórico).

El ensayo consiste en obtener una “Huella” característica de cada bobinado de un transformador, y debido a la simetría constructiva que estos deben tener, se espera que estas “Huellas” sean similares.

Las curvas obtenidas se muestran en una gráfica bidimensional donde el eje horizontal representa la frecuencia y el eje vertical nivel de amplitud. Cada “Huella” se identifica por medio de un color diferente.

Para realizar este ensayo FRA se cuenta con instrumentos que dispone de cables apantallados y grapas especiales de conexionado a tierra ya que son factores determinantes para garantizar la repetitividad y la validez de los resultados a lo largo del tiempo y en diferentes condiciones de medida. Diferentes anclajes, puntos o métodos de conexión a tierra provocarán desviaciones en la “Huella” sobre todo en la zona de alta frecuencia.

Es tal la importancia de este aspecto que algunas guías internacionales recomiendan probar antes y después de cada ensayo la integridad de los cables de medida con unos patrones suministrados por el fabricante.

Análisis y Diagnóstico

El diagnóstico en general de cualquier máquina es una labor que requiere experiencia en este campo y un completo conocimiento de la técnica aplicada, en caso contrario, será difícil emitir un diagnóstico completo y preciso. Actualmente, la única normativa que puede utilizarse como base es la Norma China DL/T 911-2004.

La “Huella” de un transformador de potencia no debería sufrir cambios a lo largo del tiempo, por tanto, son perfectamente comparables el ensayo de puesta en servicio y el realizado después de 30 años de trabajo en condiciones normales de funcionamiento. A la hora de diagnosticar un ensayo de Respuesta en Frecuencia (FRA), hay que tener en cuenta que, por la propia construcción del transformador, se producirán diferencias en las “Huellas” de los bobinados y efectos típicos, los cuales no deben contaminar las conclusiones finales del diagnóstico. Este aspecto es el responsable de la complejidad del análisis en profundidad sin una experiencia previa. En cuanto al diagnóstico de resultados y generación de informes, se podría dividir en dos niveles:

• Diagnóstico inicial: es un diagnóstico superficial, el cual permite obtener conclusiones rápidas sin ser un experto en el método. Simplemente comparando la “Huella” de los bobinados, ya sea entre fases, o entre fases a tierra y con las respuestas obtenidas se observan las diferencias teniendo en cuenta las zonas en las que se producen [2]:

1. Frecuencia 2 KHz. Deformación del núcleo, cortocircuitos, circuito abierto, múltiples puestas a tierra del núcleo magnético, núcleo magnético sin tierra.
2. Frecuencia 20 KHz. Movimiento de los bobinados.
3. Frecuencia 20 KHz a 200 KHz. Deformación de bobinados.
4. Frecuencia 200 KHz a 2 MHz. Deformación de bobinados, problemas en espiras, falta de tierra.
5. Frecuencia 2 MHz a 10 MHz. Salidas de bobinados, puntas de ensayos mal posicionados, tierra deficiente.

Aunque lo ideal sería disponer del histórico del transformador para así poder comparar ensayos realizados en distintas fechas, para el caso de transformadores trifásicos es posible la comparación de la “Huella” entre sus tres fases con un solo ensayo, ya que deberían comportase de la misma manera, tal y como se observa en la Figura 2.

• Diagnóstico experto: Para la emisión de este tipo de informes, se hacen necesarios los aspectos que a continuación se detallan [1]:

1. Experiencia en la técnica.
2. Disponer de una buena base de datos con ensayos sobre transformadores de todo tipo, transformadores hermanos, con similares características, etc..
3. Conocer los casos especiales debidos a las propiedades constructivas de la máquina, uso del neutro, etc..

Reflexión Final.

Dentro de la política de Mantenimiento Predictivo, la inclusión del ensayo de Respuesta en Frecuencia (FRA) podría definirse como una herramienta útil para la detección y confirmación de problemas eléctricos o mecánicos en transformadores de potencia. Desde el punto de vista económico, el presupuesto empleado en un Sistema de Mantenimiento Predictivo es ínfimo frente a los costos de una parada inesperada con la consecuencia de la pérdida de producción o a la sustitución del transformador de potencia con sus respectivas gestiones y plazos de entrega.

La Respuesta en Frecuencia, gracias a su rapidez y efectividad, se ha afianzado como un método de ensayo y diagnóstico válido hacia el completo conocimiento del estado operativo del transformador de potencia. Cada vez más, se perfila como una herramienta valiosa ya que es un método ideal para [4]:

• Comprobación de su estado después de la prueba de cortocircuito.
• Comprobación de su integridad después del transporte.
• Evaluación después de que se produzcan fallas en el sistema eléctrico con elevados niveles de corrientes transitorias.
• Mediciones rutinarias de diagnóstico.
• Diagnóstico después de una alarma o disparo de una protección.
• Pruebas después de cambios significativos en los valores supervisados (gases disueltos en el aceite).
• Inspección adicional después de obtener resultados inusuales durante pruebas de rutina.
• Investigaciones científicas.

Referencias

1. Revista ENERGIA “Respuesta en Frecuencia. La huella dactilar del transformador de potencia” n° 214 Mayo/Junio 2009.
2. Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Avellaneda, Argentina: “Practicas de Ensayo en el Laboratorio de Investigaciones y Ensayos en Altas Tensiones, Tema: Transformadores de Distribución y Potencia (Ensayos de Campo)” Septiembre 2007.
3. MEGGER FRAX 101 “Analizador de Respuesta de Frecuencia de Barrido, www.megger.com
4. OMICRON FRAnalyzer “Diagnóstico fiable de devanado y núcleo para transformadores de potencia” www.omicronusa.com