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Pruebas Eléctricas para Diagnóstico y
Mantenimiento de Transformadores
Ing. Cesar Paul Castellanos
[email protected]
Pto Vallarta, Junio 2015
Introducción
 El transformador es probablemente una de las máquinas eléctricas más
útiles que se ha inventado. Este dispositivo puede elevar o reducir
voltaje, así como corriente en un circuito de CA, lo cual permite transmitir
energía eléctrica a través de grandes distancias y distribuirla de manera
segura en industrias y hogares.
Generación
TR Elevador
Transmisión
TR Reductor
Distribución
Funcionamiento del Transformador
PE = V1 x I1
PS = V2 x I2
¿Por qué las Compañías Eléctricas Utilizan
Transformadores?
1.
Permite manejar el nivel de voltaje a conveniencia.
2.
Es una máquina confiable sin partes móviles.
3.
Grandes cantidades de energía pueden ser transmitidas de un lugar a
otro con bajas pérdidas.
 Alto voltaje = Baja corriente
 Baja corriente = menores pérdidas
Tipos de Transformador en la Industria
POTENCIA
POSTE
AUTO TRANSFORMADOR
JARDIN
ALUMBRADO
RURAL
Transformador: Principales Componentes
 Conductores eléctricos / Devanados
 Núcleo magnético
 Aislamiento:
 Papel
 Aceite
 Cambiador de derivación
 Boquillas
 Sistema de enfriamiento
 Sistema de protección
Fuente: Siemens
Aislamiento: Papel
 Función: Aislar los potenciales y proveer soporte mecánico
 Material: Papel Kraft, papel crepe, cartón prensado
Aislamiento: Aceite
 Función: Aislar los potenciales, reducir calentamiento y mantener alejada
la humedad
 Material: Aceite mineral, silicona, aire, nitrógeno, SF6
Pruebas de Mantenimiento: Objetivo
 Evitar fallas, continuidad en el servicio.
 El diagnóstico se basa en la recolección de información confiable para
tomar la decisión correcta.
 Tomar la decisión correcta ahorra dinero y tiempo.
FP
MEGGER
ACEITE
RESISTENCIA
DE
DEVANADOS
TTR
Modelo Básico de Falla en un Transformador
Pruebas de Mantenimiento: Enfoque
Partiendo de los componentes internos del transformador, podemos dividir
la pruebas eléctricas de acuerdo a su enfoque:
 Pruebas “Dieléctricas”: (Sistema aislante)
 Resistencia de aislamiento
 Capacitancia y Factor de potencia
 Rigidez dieléctrica del aceite
 Pruebas “Eléctricas”: (Sistema mecánico)
 Resistencia óhmica de devanados
 Relación de transformación, polaridad y fase
 Corriente de excitación
Estándar de Pruebas
 IEEE C57.152
 Guía para Pruebas de Campo
Y pensar que todo inició con la
prueba de “Megger”… y el giro de
una manivela …
Resistencia de Aislamiento
Resistencia de Aislamiento
 La resistencia eléctrica se define como la oposición que ofrece un material
aislante a la circulación de corriente, cuando se le aplica una diferencia de
potencial.
 La corriente resultante de la aplicación de un voltaje en un material aislante, se
conoce como corriente de fuga.
 Esta prueba se realiza en CD.
Resistencia de Aislamiento
 La prueba es comúnmente conocida como Megger / Megado, y se ejecuta conforme a
lo solicitado en el estándar IEEE C57 e IEC 60076 para evaluación aparatos eléctricos.
 Típicamente se realiza a 5000 V. (Dependiendo del dispositivo bajo prueba y su voltaje de operación)
 Factores que afectan la prueba: contaminación en el aislamiento, humedad y la
temperatura.
Resistencia de Aislamiento
 La prueba se realiza en dominio del tiempo, es decir, se ejecuta a 1 minuto para
obtener el índice de absorción dieléctrico (DAR) y a 10 minutos para obtener el índice
de polarización (PI). Los valores medidos se utilizan para obtener una gráfica del
comportamiento del aislamiento.
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La Prueba en Campo
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Seguridad !!!, Transformador a evaluar fuera de operación.
Corto-circuitos en los devanados de alta y de baja tensión.
Limpieza de boquillas.
Utilizar el circuito de guarda para asegurar la medición. (sin resistencias en paralelo / serie)
Utilizar cables aislados y blindados para obtener una lectura limpia.
Rango de medición amplio para crear una tendencia. (15 / 35 TΩ)
Instrumento para trabajar en subestaciones energizadas. (CAT IV 600V & EMC 61326)
Conexiones
Transformador, 2 devanados
 Primario vs Secundario, Guardando el Tanque.
 Primario vs Tanque, Guardando el Secundario.
 Secundario vs Tanque, Guardando el Primario.
El objetivo es evaluar el sistema de aislamiento de un equipo eléctrico entre sus partes
energizadas y respecto de tierra.
Línea
Guarda
Tierra
Conexiones
Auto-Transformador, con Terciario
 Primario vs Terciario, Guardando el Tanque.
 Primario vs Tanque, Guardando el Terciario.
 Terciario vs Tanque, Guardando el Primario.
Línea
Guarda
Tierra
Conexiones
Boquilla, con conexión Guarda
Línea
Guarda
Tierra
Conexiones
Cable tripolar con malla, con conexión Guarda
Línea
Guarda
Tierra
Conexiones
Interruptor, con conexión Guarda
Línea
Guarda
Tierra
Relación de Transformación
Relación de Transformación
 La relación de transformación, se define como la relación del número de vueltas
del devanado primario, respecto del número de vueltas del devanado secundario.
 Esta prueba es mejor conocida como TTR (por sus siglas en inglés) y se realiza de
conformidad con el estándar de pruebas IEEE C57
 La prueba se realiza en CA.
Relación de Transformación
Esta prueba se utiliza para detectar los siguientes problemas:

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

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
Defectos de fabricación en los devanados.
Polaridad incorrecta.
Corto-circuito entre espiras.
Falla del devanado a tierra. (Fase aterrizada)
Conexiones de alta resistencia.
Cambiador de derivación defectuoso.
La relación medida debe estar dentro del 0.50% del valor de placa, como error
máximo aceptable.
Relación de Transformación
 Para todas las mediciones de TTR se considera que:
« La relación de voltaje de un transformador en vacío es igual a la relación entre el
número de espiras»
TTR = NP / Ns = VP / Vs
Donde:
NP = Número de vueltas del primario
Ns = Número de vueltas del secundario
VP = Voltaje del primario
Vs = Voltaje del secundario
TTR de manivela
Diagramas de Conexión, ANSI
La Prueba en Campo
 Limpieza y buena conexión de las terminales.
 Identificar la posición del cambiador de derivaciones.
 Excite el devanado primario con un voltaje conocido y mida el voltaje inducido en el
devanado secundario.
 La corriente generada en el devanado donde se aplica el voltaje, se le conoce como
la corriente de excitación.
 Ejemplo: TR 1Φ, 2 Devanados
Conexiones
Transformador monofásico
 Estándar de prueba: ANSI
 Diagrama de conexión: No. 1
 Los cables de prueba H0, H3, X0 y X3 deben permanecer desconectados y aislados del
transformador
Conexiones
Auto-Transformador con terciario
 Estándar de prueba: ANSI
 Diagrama de conexión: No. 1
 Los cables de prueba H0, H3, X0 y X3 deben permanecer desconectados y aislados del
transformador
Conexiones
Transformador, 2 devanados, D/Y
 Estándar de prueba: ANSI
 Diagrama de conexión: No. 5
 El cable de prueba H0, debe permanecer desconectado y aislado del transformador
Factor de Potencia
Factor de Potencia
 Es la técnica de prueba eléctrica, en la que se aplica una tensión
alterna (CA) para medir la corriente de fuga / pérdidas en el
aislamiento eléctrico de conformidad con IEEE C57
 El objetivo es medir los valores de capacitancia y de Tgδ (Factor de
Potencia o Disipación) de las diferentes combinaciones del sistema de
aislamiento del Transformador.
Factor de Potencia
 Todo sistema de aislamiento, sin importar su condición, tiene una cantidad
medible de pérdidas eléctricas.
 El envejecimiento del material aislante, causa incremento en las pérdidas del
sistema de aislamiento (dieléctrico).
Factor de Potencia
Esta prueba se utiliza para detectar los siguientes problemas:
 Determina si el aislamiento ha experimentado cambio físicos en su estructura.
 Es sensible a cambios en la estructura del aislamiento ocasionados por
contaminación, humedad y envejecimiento.
 En cualquier caso, proporciona una idea de las pérdidas dieléctricas en el
aislamiento.
 Tendencia / Historial, Importante!!!
Valores de referencia:
Factor de disipación [%]
Estado
0.5 <
Bueno
0.5 - 0.7
Deterioro normal
0.7 - 1
Requiere investigación
>1
Deterioro excesivo
Factor de Potencia
 El sistema de aislamiento de un transformador puede ser modelado con un
capacitor.
 La capacitancia del capacitor depende de las características del material
dieléctrico y su geometría. Si estas características cambian, inevitablemente
cambiará el valor de la capacitancia.
 La relación entre la componente resistiva y la
componente capacitiva es la denominada tgδ o
factor de disipación.
 La relación entre la corriente resistiva y la
corriente total que circula por el dieléctrico se
denomina factor de potencia.
La Prueba en Campo
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

Seguridad !!!, Transformador a evaluar fuera de operación.
Corto-circuitos en los devanados de alta y de baja tensión.
Medir capacitancia entre devanados / devanados vs tanque.
La prueba se realiza típicamente a 10 kV
Circuito capacitivo equivalente del aislamiento
Factor de Potencia
Sistemas de Aislamiento Papel/Aceite
 Factor de Potencia no es dependiente con la tensión.
Aislamiento tipo Seco
 Factor de Potencia es dependiente con la tensión.
Conexiones
Transformador, 2 devanados
Factor de potencia, 10 kV
 Primario vs Secundario (UST)
 Primario vs Tanque, guardando Secundario (GST, guarda)
 Primario vs Secundario + Primario vs Tanque (GST, tierra)
Conexiones
Auto-Transformador, con Terciario
Factor de potencia, 10 kV
 Primario vs Terciario (UST)
 Primario vs Tanque, guardando Terciario (GST, guarda)
 Primario vs Terciario + Primario vs Tanque (GST, tierra)
Resistencia de Devanados
Resistencia de Devanados
 La medición de resistencia de devanados en una prueba común en
transformadores de potencia. Sirve para verificar que no existen problemas de
conexión y/o daño en los devanados.
 Esta prueba es también conocida como resistencia óhmica de devanados y se
realiza de conformidad con el estándar de pruebas IEEE C57
 La prueba se realiza en CD.
Resistencia de Devanados
Se realiza para detectar:
 Contactos flojos o deteriorados.
 Cambiador de derivaciones en mal estado.
 Espiras en corto del devanado.
 Devanado abierto.
La Prueba en Campo
Corriente de prueba:
 No exceda el 10% del valor de la
corriente nominal. Esto podría
causar lecturas erróneas debido al
calentamiento del devanado.
 Típicamente la corriente de prueba
es entre 1 y el 10% del valor
nominal.
 Si la corriente de prueba es muy
baja, las lecturas de resistencia no
serán consistentes.
Resultados
Interpretación de resultados:
 Comparar la lecturas contra valores de fábrica y
mediciones previas.
 Comparación entre fases.
 Los estándares de prueba, recomiendan una
diferencia máxima del 2-3% de los valores de
resistencia entre las tres fases.
Sugerencia: (IEEE C57)
 Valor medido respecto de valor de referencia: < 5%
Desmagnetización
 Al realizar pruebas en CD en un transformador, existe el riesgo de magnetizar el
núcleo. Es por ello que la IEEE C57, recomiendan desmagnetizar el núcleo antes
de poner el transformador en servicio, evitando así corrientes de «In-rush»
+100% of
Test current
+10%
Positive
polarity
+0.1%
-0.01%
-1%
-100%
Negative
polarity
Conexiones
Transformador, 2 devanados
Corriente +
Puente
Corriente -
Canal 1
Volta je +
Canal 1
Voltaje -
Canal 2
Volta je +
Canal 2
Voltaje -
H1
H2-X1
X2
H1
H2
X1
X2
Desempeño en campo
Prueba en cambiador de derivaciones:
 Cambiador de derivaciones nuevo.
MTO210
Desempeño en campo
Prueba en cambiador de derivaciones:
 Cambiador de derivaciones viejo, en mal estado.
MTO210
Rigidez Dieléctrica del Aceite
Rigidez Dieléctrica del Aceite
 La rigidez dieléctrica es una medida de la capacidad que tiene un aceite
dieléctrico para soportar esfuerzos eléctricos.
 El valor de rigidez dieléctrica sirve principalmente para indicar la presencia de
contaminantes como agua y contaminación.
 Esta prueba es mejor conocida como Rigidez Dieléctrica del Aceite y se realiza de
conformidad con el estándar de pruebas ASTM D877, ASTM D1816 e IEC 60156
 La prueba se realiza en CA.
Rigidez Dieléctrica del Aceite
 Estándar de pruebas más comúnmente utilizados:
Estándar:
Distancia Electrodos:
Forma de los Electrodos:
Tamaño de Recipiente:
Incremento de Voltaje:
Tiempo de Agitamiento:
Tiempo de Reposo:
IEC 60156
2.5 mm
Esféricos
300 - 500 ml
2 kV/s
1 minuto
1 minuto
ASTM D1816
2.0 mm
Hongo
500 ml / 950 ml
0.5 kV/s
1 minuto
1 minuto
ASTM D877
2.5 mm
Cilíndricos
300 - 500 ml
3 kV/s
N/A
1 minuto
La Prueba en Campo
Ajustes pre-operativos:
 Seleccione el tipo de electrodos conforme al estándar de prueba deseado.
 Ajuste la separación entre los electrodos utilizando las galgas de calibración.
 Utilice la tapa con agitador motorizado, si el estándar de prueba lo requiere.
 Ubique el instrumento de prueba sobre una superficie nivelada. (preferentemente)
 Seleccione el estándar de prueba en el instrumento y ejecute la prueba.
Precauciones y cuidados
Seguridad y cuidados:
 Tenga presente que es una prueba de alto voltaje.
 Usar solamente para aceites aislantes de interruptores y transformadores.
 Retirar el recipiente de prueba del equipo cuando se ajustan los electrodos.
 El equipo NO opera si la tapa se encuentra abierta.
 El equipo NO debe operarse si se detecta alguna parte dañada.
 Retirar el aceite derramado después de terminadas las pruebas.
”La vida de un transformador
es la vida del aislamiento, y la
vida del aislamiento es un
factor controlable”
Transformer Maintenance Guide, Transformer Maintenance
Institute S.D. Myers
Preguntas!!!
[email protected]
Oropeza Ingenieros S.A. de C.V.
“La solución a sus necesidades de medición y pruebas eléctricas”