El Noticiero de ABRIL 2016 | EDICIÓN DE MARCOMM VALLEY FORGE
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Superando los límites en la prueba del factor de potencia Robert Breazeal - Southern California Edison Jill Duplessis - Gerente y editora global de marketing técnico
E
ste artículo describe los procedimientos de prueba de verificación cruzada y de DETC abierto, las configuraciones de devanados de transformadores para las que estos métodos son más efectivos, y se presenta un estudio de caso en el que estos métodos brindaron información complementaria útil para caracterizar los problemas de un transformador con fallas. Pruebas de verificación cruzada A diferencia de las preparaciones para pruebas tradicionales de factor de potencia, las pruebas de verificación cruzada no requieren poner en cortocircuito los devanados del transfomador. Por lo tanto, cuando se aplica tensión al terminal de un bushing, (1) el devanado ahora se excita y (2) la tensión se distribuye de manera no uniforme en el devanado. La mayor solicitación de tensión se encontrará en la sección del aislamiento más cercana al terminal energizado. De esta manera, el sistema de aislamiento (por ejemplo CH) medido en una prueba tradicional de factor de potencia total con los devanados de tres fases conectadas en corto entre sí, se puede ahora seccionar en tercios. Se espera, por lo tanto, que las sumas de los resultados (mA, vatios y capacitancia) para las tres pruebas (segmentadas) de verificación cruzada debieran igualarse a los resultados medidos en la prueba tradicional de factor de potencia total. Nótese que en muchos casos no se proveen las pruebas de verificación cruzada para el sistema de aislamiento CL porque los requerimientos de corriente para excitar el devanado de baja tensión superan lo que la mayoría de los instrumentos portátiles de campo pueden proveer. GST por fase (CH): Un terminal primario está energizado mientras los otros dos terminales y X0 se conectan al terminal de protección. (Los bushings the X1, X2 y X3 se dejan flotantes.) El DETC se deja en el derivador. La suma de los vatios, miliamperios y capacitancias de las tres pruebas debe ser igual a los valores totales de CH. La prueba de GST por fase se puede realizar hasta la tensión especificada, siempre que la corriente de excitación de protección no exceda la salida del equipo de prueba. Las pruebas de H1, H2 y H3 están diseñSa como ICH1, ICH2 y ICH3 respectivamente.
UST por fase (CHL): Un terminal primario está energizado mientras los otros dos terminales se conectan al terminal de protección. Se mide la salida del terminal X0. Los bushings X1, X2 y X3 se dejan flotantes. El DETC se deja en el derivador. La suma de los vatios, miliamperios y capacitancias de las tres pruebas debe ser igual a los valores totales de CHL. La verificación cruzada UST se puede realizar hasta la tensión especificada, siempre que la corriente de excitación de protección no exceda la salida del equipo de prueba. Las pruebas de H1, H2 y H3 están diseñadas como ICHL1, ICHL2 e ICHL3 respectivamente. Pruebas de DETC abierto En las pruebas de verificación cruzada descritas, la visualización de una anomalía es proporcional a su proximidad a la fuente de tensión. En los protocolos con DETC abierto, toda la sección de devanados energizados está al mismo potencial pues los terminales de devanados de baja tensión están en cortocircuito. Esto permite la detección de anomalías en el centro del devanado, que pueden ser difíciles de localizar con precisión con las pruebas de referencia cruzada. Esta seccionalización del primario también permite que el técnico determine la posición de la anomalía respecto del DETC. Si una falla en el centro de un devanado primario se propaga radialmente lo suficiente como para afectar a numerosas espiras del devanado, se lo puede detectar como visto desde ambos lados del DETC abierto. GST con DETC abierto (Tabla 3): DETC se coloca en una posición intermedia entre derivadores. Un terminal primario está energizado mientras se conectan al terminal de protección los otros dos terminales primarios y todos los terminales secundarios (devanados de baja tensión en cortocircuito). La suma de los vatios, miliamperios y capacitancias de las tres pruebas debe ser igual a los valores totales de CH. La verificación cruzada de GST con DETC abierto se realiza hasta un máximo de 500 voltios. Las pruebas de H1, H2 y H3 están diseñadas
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Visión general de pruebas complementarias GST estándar por prueba de fase
DETC abierto - GST por prueba de fase
UST estándar por prueba de fase
DETC abierto - UST por prueba de fase
como CH1, CH2 y CH3 respectivamente. En esta configuración, las secciones individuales del primario en delta están aisladas y energizadas. Si se sospecha que una anomalía está ubicada en la porción central de un devanado, la prueba con DETC abierto determinará la posición de la anomalía en relación con el DETC. UST DETC abierto (Tabla 3): DETC se coloca en una posición intermedia entre derivadores. Los terminales secundarios se conectan en cortocircuito y se energizan a la misma tensión que en la prueba total. Se mide un terminal primario mientras se conectan al terminal de protección los otros dos terminales. La suma de los vatios, miliamperios y capacitancias de las tres pruebas debe ser igual a los valores totales de CHL. Las pruebas están diseñadas en función del terminal primario que se mide. Las pruebas de H1, H2 y H3 están diseñadas como CHL1, CHL2 y CHL3 respectivamente.
www.megger.com exactos. Las pruebas con DETC abierto (Tabla 3) son las únicas pruebas complementarias que se pueden usar con esta configuración. Configuración estrella-delta: La prueba GST con DETC abierto es el único protocolo que garantiza la obtención de datos útiles con esta configuración de devanados. Las pruebas UST con DETC abierto pueden no brindar datos útiles porque la interfaz de devanado secundario está normalmente ubicada entre el DETC y el neutro. Cuando se implementa el protocolo de verificación cruzada por fase en la configuración estrella-delta, la unidad se sebe tratar como si fuera delta-estrella, o sea que la prueba se debe realizar energizando el devanado X. Sin embargo, esto no resulta posible si la corriente de excitación requerida por el devanado secundario excede las capacidades del equipo de prueba. Configuración estrella-estrella: La configuración estrella del secundario permite realizar las pruebas de verificación cruzada CH y CHL por fase como se indica en la Tabla 4. Con la configuración primaria en estrella, se energiza solamente un devanado primario por prueba cuando se energiza cada terminal de fase, con lo que el protocolo es una auténtica prueba por fase. Si bien las pruebas CH0 y CHL0 no son útiles para localizar anomalías, los datos se usan para comparar las sumas de vatios, mA y capacitancias con los datos totales. Por las razones indicadas previamente para la configuración estrella-delta, la prueba UST con DETC abierto puede no brindar datos útiles. La prueba GST con DETC abierto se puede realizar, como se muestra en la Tabla 5. Autotransformador y reguladores trifásicos estrella-estrella: El método de verificación cruzada por fase se usa en esta configuración para investigar valores sospechosos de CH. Como con las otras configuraciones, las sumas de los vatios, miliamperios y capacitancias de las pruebas de verificación cruzada deben ser iguales a los valores respectivos de la prueba total. Las pruebas de verificación cruzada por fase se realizan como se indica en la Tabla 6.
Modo
Energizado
Tierra
1
GST
HV
LV (baja tensión)
2
GST
HV
3
UST
HV
Configuraciones de transformadores y sus limitaciones
4
GST
LV
Configuración delta-estrella: La configuración ideal del transformador a probar, es la configuración delta-estrella con un núcleo de tres columnas. La configuración delta-estrella es la única en la que se pueden realizar todas las pruebas complementarias sin errores debidos a la geometría. En configuraciones de núcleos de distribución, las mediciones CH2 de la fase central son inexactas porque la configuración del núcleo dificulta gravemente la circulación de corriente para pruebas de CH por fase.
5
GST
LV
6
UST
LV
7
GST
H1
H2,H3,X0
8
GST
H2
9
GST
H3
10
UST
11 12
Configuración delta-delta: Si se realiza una prueba de verificación cruzada por fase en un devanado trifásico con un secundario en delta, la corriente de excitación primaria induce una corriente de circulación en el secundario, lo que imposibilita la obtención de datos
Protección
UST
Medición ICH+ICHL
LV
ICH LV
HV (alta tension)
ICHL ICH+ICLH
HV
ICL X1,X2,X3
ICLH
-
X1,X2,X3
ICH1
H1,H3,X0
-
X1,X2,X3
ICH2
H1,H2,X0
-
X1,X2,X3
ICH3
H1
H2,H3
X0
X1,X2,X3
ICHL1
UST
H2
H1,H3
X0
X1,X2,X3
ICHL2
UST
H3
H2,H3
X0
X1,X2,X3
ICHL3
Tabla 2: Pruebas totales y de verificación cruzada por fase para configuraciones de transformadores* delta-estrella
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Prueba
Modo
Energizado
Protección
UST
Medición
1
GST
H1
H2,H3,X0,X1,X2,X3
-
ICH1
2
GST
H2
H1,H3,X0,X1,X2,X3
-
ICH2
3
GST
H3
H1,H2,X0,X1,X2,X3
-
ICH3
4
UST
X0,X1,X2,X3
H2,H3
H1
ICHL1
5
UST
X0,X1,X2,X3
H1,H3,
H2
ICHL2
6
UST
X0,X1,X2,X3
H1,H2
H3
ICHL3
UST
Medición
Tabla 3: Pruebas de DETC abierto Prueba
Modo
Energizado
Protección
1
GST
H1
H0,H2,H3
ICH1
2
GST
H2
H0,H1,H3
ICH2
3
GST
H3
H0,H1,H2
ICH3
4
GST
H0
X0,H1,H2,H3
5
UST
H1
H0
X0
ICHL1
6
UST
H2
H0
X0
ICHL2
7
UST
H3
H0
X0
ICHL3
8
UST
H0
H1,H2,H3
X0
ICHL0
www.megger.com Las pruebas de relación arrojaron datos dentro de las especificaciones, sin indicación de anormalidades. Las pruebas de resistencia de aislamiento arrojaron valores de 605 MΩ, 7,35 GΩ y 48 MΩ para CHL, CH y CL respectivamente. Las pruebas de corriente de excitación se realizaron con éxito a 10 kV. Los resultados de las pruebas de factor de potencia total se muestran en la Tabla 7. Entre otros problemas, se observó que los factores de potencia CHL en las líneas 3 y 6 se desviaban casi 0,1%. Se postuló que existía un problema dependiente de la tensión como resultado de la falla. Se realizó una prueba tip-up del factor de potencia para CHL, CH y CL (Figura 1).
ICH0
Tabla 4: Pruebas de verificación cruzada por fase para configuración estrella-estrella (DETC en derivación) Prueba
Modo
Energizado
Protección
Medición
1
GST
H1
H2,H3,H0,X0X1,X2,X3
ICH1
2
GST
H2
H1,H3,H0,X0,X1,X2,X3
ICH2
3
GST
H3
H1,H2,H0, X0,X1,X2,X3
ICH
4
UST
H0
H1,H2,H3,X0,X1,X2,X3
ICH0
3
Tabla 5: Pruebas estándar por fase con DETC abierto para configuraciones estrella-estrella
Prueba
Modo
Energizado
Protección
Flote
Medición
1
GST
H1
H2,H3,H0X0
x1,x2,x3
ICH1
2
GST
H2
H1,H3,H0X0
x1,x2,x3
ICH2
3
GST
H3
H1,H2,H0X0
x1,x2,x3
ICH3
4
GST
H0X0
H1,H2,H3
x1,x2,x3
ICH0
Tabla 6: Pruebas por fase para autotransformadores y reguladores trifásicos estrella-estrella
Estudio de un caso: Análisis de causa raíz de falla en un transformador de subestación de 69 kV con falla de secundario a tierra El banco n.° 2 sur B de la subestación Tulare se sacó de servicio. La información de relés indicó una falla diferencial en la fase C. El personal de la subestación realizó una prueba de resistencia de aislamiento en el transformador, que indicó que la unidad había fallado. En este punto el transfomador fue separado de la plataforma y enviado a la planta de reparación de grandes aparatos de SCE para realizar pruebas adicionales.
Figura 1 – Tip-up en tensión del factor de potencia en un banco de 69 kV con fallas
Los datos de la prueba mostraron valores tip-up del factor de potencia de aproximadamente 0,16 y 0,4% para CHL y CH respectivamente, muy probablemente a causa de contaminación con carbón. El factor de potencia CL, por otra parte, aumentó en forma muy significativa al aumentar la tensión hasta 10 kV. La prueba de tip-up, en conjunto con los valores de resistencia de aislamiento, indicaban en principio a CL como la localización de la falla. Las pruebas de corriente de excitación y de relación, sin embargo, no indicaron la fase en la que se originó la falla. Se realizaron las pruebas complementarias estándar para obtener valores del factor de potencia “por fase” para pruebas GST y UST. La unidad estaba construida con una configuración estándar de 3 columnas que permitió la recolección de datos exactos de verificación cruzada GST y UST. La elevación de CH3, en combinación con la depresión de los valores de CHL2, indicó en forma concluyente que la falla CL ocurría en el devanado de la fase C (H2-H3). Dado que la falla CHL para la fase C fue indicada en CHL2, esto verificó que el puente del conductor H2 ingresaba en el devanado primario de la fase C en el borde interior del devanado primario adyacente a la barrera entre devanados. La falla CH no fue detectada en forma significativa en la prueba CH2, por lo que se puede deducir que la ubicación de la falla estaba en cercana proximidad eléctrica del extremo del devanado C en el que se origina el conductor del bushing H3.
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Dado que la falla ocurrió en la fase C, los valores por fase de CH1 y CHL1 reflejaban con exactitud las condiciones de los devanados primarios lejos de la zona de la falla. El conductor H1 no es común a la fase C, por lo que cualquier anormalidad de la fase C será invisible a mediciones vistas desde CH1 y CHL1. Por razones de procedimientos no se podía operar el DETC. Si se hubiera podido ubicar el DETC entre derivaciones, se hubiera realizado el protocolo por fase para DETC abierto, que ignora el corrimiento del factor de potencia que se ve en el protocolo estándar por fase (resultado de la falla a tierra de CL) y brinda datos exactos del factor de potencia por fase. El devanado fue extraído del tanque y se realizó na inspección física. Como se esperaba, el devanado secundario de la fase C había experimentado una falla a tierra en las proximidades de la barrera entre devanados, validando el valor de CHL2. También se descubrió que la barrera estática de la fase C había fallado, validando el resultado CH3 (que indicaba un daño CH en próxima cercanía al conductor H3). Medición
kV de prueba
mA
Vatios
% FP
ICH + ICHL
10,0
35,367
3,423
0,958
ICH
10,0
10,605
1,65
1,540
ICHL
10,0
24,756
1,794
0,718
ICL + ICLH
5,0
69,377
10,759
1,535
ICL
5,0
44,615
9,300
2,064
24,752
1,557
0,623
ICLH
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Conclusiones La fortaleza del protocolo por fase es la localización de problemas incipientes en los respectivos devanados, pero también se debieran emplear otros métodos tales como análisis de gases disueltos y análisis de respuesta de frecuencia de barrido a fin de identificar la base física de la anomalía. Una sólida comprensión de la disposición de los devanados y de la geometría interna es esencial para una adecuada interpretación de los resultados por fase. La disposición de los devanados y de las conexiones internas variarán en forma significativa dependiendo del tamaño y de la clase de tensión de la unidad. Se pueden realizar en casos en los que CH o CHL están elevados por encima de los valores de línea de base obtenidos en las pruebas de puesta en servicio. Otra prueba empleada por SCE para investigar problemas es una prueba recomendada de evaluación de rutina conocida como prueba de respuesta de frecuencia dieléctrica (DFR) de banda angosta (también conocida como factor de potencia de frecuencia variable). Este será el foco de la última parte de esta serie, a ser publicada en la próxima edición del ET (Equipo para pruebas eléctricas). Para más información visita www.megger.com
Tabla 7 – Resultados del factor de potencia total de banco de 69 kV Medición
kV de prueba
mA
Vatios
% FP
CAP (pF)
ICH1
5,0
3,373
0,187
0,555
894,6
ICH2
5,0
3,301
0,096
0,292
875,7
ICH3
5,0
3,898
1,128
2,894
1033,7
10,572
1,411
2804,0
ICHL1
5,0
8,109
0,185
0,228
2150,9
ICHL2
5,0
8,535
1,119
1,311
2263,7
ICHL3
5,0
8,101
0,207
0,256
2148,9
24,745
1,511
6563,6
Tabla 8 – Pruebas de verificación cruzada por fase del factor de potencia de devanados de banco de 69 kV
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