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Buenos Aires, 27 de septiembre de 2011
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Training Transformers v1 – 27/sep/2011
TÉCNICAS MODERNAS DE DIAGNÓSTICO EN TRANSFORMADORES DE POTENCIA
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➽ Introducción
➽ Capacitancia y factor de disipación (DELTA 4000)
➽ Análisis de Respuesta en Frecuencia (FRAX 101)
➽ Espectroscopia Dieléctrica (IDAX 300)
Temario de la reunión:
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Técnicas modernas de diagnóstico en Transformadores de Potencia
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➽ Es el equipo más importante y costoso de la ET.
➽ La vida del transformador esta definida por la vida de su aislamiento.
➽ Las tareas de mantenimiento se orientan a determinar la vida del aislamiento.
Importancia del Transformador de Potencia en los SisPot
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Técnicas modernas de diagnóstico en Transformadores de Potencia
Fuente: Siemens
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➽ Es el conjunto de las actuaciones técnicas y administrativas que aseguran la optimización de la efectividad de los equipos y productos industriales.
➽ Tiene por objeto minimizar los fallos y agilizar las reparaciones buscando su óptimo funcionamiento.
➽ Tipos de mantenimiento: Correctivo; Preventivo; Predictivo y Proactivo.
➽ Las tareas de mantenimiento se basan en controles y mediciones sistemáticas, que deben ser planificadas de acuerdo a la importancia y probabilidad de fallo.
➽ Las evolución del comportamiento de cada parámetro se debe analizar progresivamente; adoptando valores de referencia y desviaciones recomendadas y/o normalizadas.
Mantenimiento
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Mantenimiento: Modelo Básico de Falla
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Fuente: CIGRE A2.18 20 January 2003
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Mantenimiento: estrategias de acción
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Fuente: CIGRE A2.18 20 January 2003
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Principales componentes➽ Conductores Eléctricos / Devanados
➽ Núcleo Magnético
➽ Aislamiento
Primario
Secundario
➽ Conmutador / Regulador
➽ Bushings o pasamuros
➽ Sistema de enfriamiento
➽ Sistema de protecciónFuente: Siemens
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Conductores Eléctricos / DevanadosFunción: conducir la corrienteMaterial: cobre o aluminio
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Núcleo MagnéticoFunción: Establecer el canal para el flujo magnéticoMaterial: Hierro silicio
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Material Aislante PrimarioFunción: Aislar los potenciales y proveer soporte mecánicoMaterial: Papel Kraft, papel crepe, etc.
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Material Aislante SecundarioFunción: Aislar potenciales, reducir calentamiento, mantener alejada la humedad.Material: Aceite mineral, silicona, aire, nitrógeno, SF6
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Índices de fallas
HSB: Harford Steam Boiler Insurance Company IMIA Working Group: “Analysis of Transformer Failures” -International Association of Engineering Insurers 36th Annual Conference – Stockholm, 2003
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Análisis del Aislamiento➽ Tomando como referencia el AISLAMIENTO, podemos clasificar los ensayos y
controles en dos tipos: directos e indirectos
➽ Ensayos “Directos”:Capacitancia y tgδ (factor de disipación, factor de potencia)
Resistencia de aislamiento
Rigidez dieléctrica del aceite
Capacidad y tgδ del aceite
Espectroscopia en el dominio de la frecuencia
Medición de las descargas parciales
➽ Ensayos “Indirectos”:
Resistencia de arrollamientos
Relación de transformación; polaridad y fase.
Análisis de respuesta en frecuencia
Corriente de excitación
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Capacitancia y tgδ (factor de disipación, factor de potencia)
Espectroscopia en el dominio de la frecuencia
Análisis de respuesta en frecuencia
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Capacitancia y tgδ de Arrollamientos y Bushings
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TÉCNICAS MODERNAS DE DIAGNÓSTICO EN TRANSFORMADORES DE POTENCIA
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Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (I)➽ Objetivo
El objeto de este ensayo es el de medir los valores de capacitancia y de tgδ (factor de disipación) de las diferentes combinaciones del sistema de aislamiento del transformador.
➽ Defectos detectables
Puede determinarse si el aislamiento ha experimentado cambios físicos en su estructura al cabo de solicitaciones electromecánicas
El factor de disipación también es sensible a cambios en la estructura del aislamiento ocasionados por contaminación, humedad o envejecimiento.
En cualquiera de los casos, el factor de disipación da una idea de las pérdidas dieléctricas del aislamiento.
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Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (II)➽ FundamentosEl valor de la capacitancia de un capacitor depende de las características del material
dieléctrico y de su geometría. Si las características del material dieléctrico o la configuración del capacitor cambia, indefectiblemente 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.
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0 10 20 30 40 50 60 70 80 900
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Fact
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Ángulo fi [º]
Factor de PotenciaFactor de Disipación
Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (III)
➽ Metodología de medición
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Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (IV)
➽ Metodología de medición
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Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (V)➽ Metodología de medición
Para un diagnóstico integral del aislamiento es recomendable medir las capacitancias y tgδ asociadas para cada una de los aislamientos intervinientes:Arrollamientos Primarios y SecundariosArrollamientos Primarios y TerciariosArrollamientos Secundario y TerciariosArrollamientos y cuba
AR
RO
LLA
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NTO
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AR
RO
LLA
MIE
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CUBA(a tierra)Csg
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Cpt
Cpg Ctg
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Capacidad y tgδ de los Arrollamientos (VI)➽ Metodología de medición
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Capacidad y tgδ de los Arrollamientos (VII)➽ Metodología de medición
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Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (VIII)➽ Metodología de medición
Algunos criterios generales:
Se aplican 10 kVca y se miden los valores de la capacitancia y tgδ.
Por qué razón aplicar 10 kVca en un Transformador cuya tensión nominal primaria es, por ejemplo 132 kV?
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En sistemas de aislamiento papel/aceite en “BUENAS” condiciones la tgδ NO VARÍA con la tensión.
¿Como detectar la dependencia de la tgδ con la tensión?
Se realizan mediciones para diferentes niveles de tensión, y se determina el factor de dependencia de la tgδ con la tensión: TIP-UP
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Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (IX)➽ Resultados
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Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (X)➽ Dependencia de la temperatura
Las características del factor de disipación un dieléctrico son dependientes de la temperatura.
Es fundamental registrar los valores de temperatura (¿Cuál temperatura?), para poder referirlos a una temperatura de referencia (normalmente 20ºC) y poder de comparar las desviaciones.
¿Como corregir los valores de factor de disipación con la temperatura?
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Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (XI)➽ Corrección de temperatura: Criterio IEEE Std C57.12.90-2006
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tgδ (20 ºC) = tgδ (xºC) / K
¿Cuál es la temperatura del sistema aislante al momento de las pruebas?
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Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (XII)➽ Dependencia de la temperatura
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Capacitancia de los Arrollamientos (XIII)
➽ Interpretación de los resultados
a) Incrementos en el factor de potencia pueden deberse a:
Contaminación en el sistema de aislamiento
Deterioro Químico
Daños por sobrecalentamiento
Presencia de humedad
b) Si el sistema de aislamiento es dependiente de la tensión aplicada, la prueba tip-up puede identificar ionización, carbonización en el aceite, contaminación en el papel o aceite.
c) Variaciones en capacitancia indican:
Deformaciones mecánicas en las estructuras de núcleo/bobinas
Humedad
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Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (XIV)
➽ Interpretación de los resultados
Factor de disipación [%] Estado
0.5 Bueno
0.5 - 0.7 Deterioro normal
0.7 - 1 Requiere investigación
> 1 Deterioro excesivo
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Para analizar las tendencias de los valores de la capacitancia, se compraran las sucesivas mediciones respecto a los valores de referencia, cuyas desviaciones no debieran ser superiores al 10%.
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Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (XIV)
➽ Interpretación de los resultados
Factor de potencia [%]
Estado
0.5 Bueno
0.5 - 0.7 Deterioro normal
0.7 - 1 Requiere investigación
> 1 Deterioro excesivo
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Capacitancia y tgδ de Bushings
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Capacitancia y tgδ de los bushings (I)
➽ Objetivo
El objeto de este ensayo es el de medir los valores de capacitancia y de tgδ (factor de disipación) del bushing (C1 y C2).
➽ Defectos detectables
Puede determinarse si el aislamiento ha experimentado cambios físicos al cabo de solicitaciones electromecánicas.
Puede determinarse envejecimiento del sistema de aislamiento del bushing.
Es posible detectar contaminación y grietas en la estructura de la porcelana.
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Capacitancia y tgδ de los bushings (II)
➽ Fundamentos
Estructura interna de los bushings:
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Fuente: IEEE P62-1995
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Capacitancia y tgδ de los bushings (III)
➽ Metodología de medición
C1
C2
TAP
M C1
C2
TAP
M
C1
C2
TAPM
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Capacitancia y tgδ de los bushings (IV)
➽ Metodología de medición
En los casos en que el bushing no cuente con TAP pude emplearse el método del “collar caliente”.
Este método consiste en colocar una banda polimérica sobre la superficie del bushing; de forma de conformar un electrodo para la aplicación de tensión.
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Capacitancia y tgδ de los bushings (V)
➽ Metodología de medición
¿Corrección por temperatura?
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Capacitancia y tgδ de los bushings (VI)➽ Interpretación de los resultados
Para bushings de alta tensión, los valores de tgδ debieran mantenerse por debajo al 1% en cualquier condición.
Discrepancias superiores al 10% de los valores de capacidad, pueden ser indicativos de cambios importantes en la estructura del aislamiento del bushing.
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Capacitancia y tgδ: Resumen
➽ Se miden diferentes combinaciones del aislamiento (arrollamientos y bushings); el uso de guardas es fundamental.
➽ La prueba TIP-UP es muy útil para determinar contaminación del sistema aislante.
➽ Para un correcto análisis del factor de disipación deben realizarse correcciones por temperatura.
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si no
✔
✔
✔
DELTA 4000/4300
¿Ejecución Automática?
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Delta 4000/4300
➽ Tensión de salida: 12 kV.
➽ Corriente máx (4 min) 300 mA (3,6 kVA) y cont. 100 mA (1,2 kVA).
➽ Alta inmunidad al ruido externo; genera su propia señal de prueba.
➽ Frecuencia de la señal de ensayo: 45-70 Hz (12 kV); 15-400 Hz (4 kV); 1-500 Hz (250 V).
➽ Modo de operación “Manual” y “Automático”.
➽ Ensayo de TIP-UP incorporado.
➽ Corrección automática de la temperatura.
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Capacitancia y tgδ
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Capacitancia y tgδ del aceite
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Capacitancia y tgδ del aceite (I)
➽ Objetivo
El objetivo de este ensayo es determinar la tgδ del aceite.
El factor de disipación es una medida de la potencia de pérdida cuando un líquido aislante eléctrico es sometido a un campo eléctrico de corriente alterna.
➽ Defectos detectables
Presencia de humedad
Presencia de elementos contaminantes
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Capacitancia y tgδ del aceite (II)
➽ Interpretación de los resultados
Valores sugeridos para aceites en servicio por IEEE C57.106.2006 (ASTM 924).
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Capacitancia y tgδ del aceite (III)
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Análisis de Respuesta en Frecuencia
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Análisis de Respuesta en Frecuencia (I)
➽ Objetivo
El objetivo de este ensayo es determinar la curva de respuesta en frecuencia de la función de transferencia del conjunto eléctrico - dieléctrico - magnético - mecánico del transformador.
➽ Defectos detectables
Movimientos en el núcleo magnético.
Daños en los arrollamientos (pérdida de aislamiento, deformaciones, etc.).
Disminución del ajuste mecánico y/o movimientos en los arrollamientos.
Cambios físicos en la estructura mecánica del conmutador bajo carga.
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Análisis de Respuesta en Frecuencia (II)
➽ Fundamentos
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Análisis de Respuesta en Frecuencia (III)
➽ Fundamentos: Respuesta de Amplitud
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Análisis de Respuesta en Frecuencia (IV)
➽ Fundamentos: Respuesta de Fase
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Análisis de Respuesta en Frecuencia (V)
➽ Metodología del ensayo
Una serie de señales de baja tensión (10 V pico-pico) se aplican al transformador en varias frecuencias (20 Hz – 2 MHz).
Se mide amplitud y fase en las señales de entrada y salida.
La relación entre las dos señales provee la respuesta de frecuencia o función de transferencia del transformador.
De la función de transferencia se pueden derivar una serie de términos como una función de frecuencia:
a) Magnitud
b) Fase
c) Impedancia / admitancia
d) Correlación
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Análisis de Respuesta en Frecuencia (VI)
➽ Metodología del ensayo
El circuito RLC posee una impedancia diferente a diferentes frecuencias.
La función de transferencia para todas las frecuencias es la medida de laimpedancia efectiva del circuito RLC.
Cualquier deformación en la geometría del sistema, cambia el circuito RLC, el cual a su vez cambia su impedancia y por ende, su función de transferencia a diferentes frecuencias.
Estos cambios dan una advertencia sobre posibles daños en el transformador.
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Análisis de Respuesta en Frecuencia (VII)
➽ Metodología del ensayo
Rangos de frecuencia para medición SFRA adoptados por CIGRE 342.
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Análisis de Respuesta en Frecuencia (VIII)
➽ Metodología del ensayo
Otros estándares.
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Análisis de Respuesta en Frecuencia (IX)
➽ Metodología del ensayo
¿Cuándo y cómo?... Tiempo, tipo constructivo, y diseño!
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Análisis de Respuesta en Frecuencia (X)➽ Metodología del ensayo1) Basadas en Tiempo (Las pruebas se levan a cabo en el mismo transformador en
diferentes periodos de tiempo)Esta es la prueba mas eficaz.Desviaciones entre curvas son fácil de detectar.
2) Basadas en el Tipo Constructivo (Las pruebas se llevan a cabo en transformadores de un diseño similar)Se requiere un conocimiento especifico sobre el objeto de prueba y sus posible modificaciones.Desviaciones menores no son necesariamente un signo de problemas en la unidad.
3) Basado en Diseño (Las pruebas se realizan en los terminales de los devanados y boquillas de idéntico diseño)Se requiere un conocimiento especifico sobre el objeto de prueba y sus posible modificaciones.Desviaciones menores no son necesariamente un signo de problemas en la unidad.
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Análisis de Respuesta en Frecuencia (XI)
➽ Metodología del ensayo
Configuración del ensayo
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Análisis de Respuesta en Frecuencia (XII)
➽ Metodología del ensayo
Configuración del ensayo: circuito de medición
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Análisis de Respuesta en Frecuencia (XIII)
➽ Metodología del ensayo
Configuración del ensayo: La conexión de puesta a tierra asegura la repetitividad de la prueba en altas frecuencias
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Análisis de Respuesta en Frecuencia (XIV)
➽ Interpretación de los resultados
Analisis de FRA - Arrollamientos de AT kV - Tap en "- 6"
-50,00
-40,00
-30,00
-20,00
-10,00
0,00
10,00
20,00
1 10 100 1000Frecuencia [KHz]
Tran
sfer
enci
a [d
B]
Fase UFase VFase WFase U 2Fase V 2Fase W 2
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Análisis de Respuesta en Frecuencia (XV)
➽ Interpretación de los resultados
Transformador en buen estado
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Análisis de Respuesta en Frecuencia (XVI)
➽ Interpretación de los resultados
Transformador con serios problemas
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Análisis de Respuesta en Frecuencia (XVII)
➽ FRAX 101: Interpretación de los resultados, “Analyzers”
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Análisis de Respuesta en Frecuencia (XVIII)
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Espectroscopia en el dominio de la frecuencia
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FDS: Fundamentos (I)
➽ ¿Que es la Espectroscopia Dieléctrica?
Es el estudio a partir del cual se obtiene la respuesta de los materiales cuando se les aplica un campo eléctrico variable en el tiempo.
En la Espectroscopia Dieléctrica se analiza la respuesta de una magnitud macroscópica a partir de la cual se obtiene información de la estructura microscópica de los materiales.
FDS: Frequency Domain Spectroscopy
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FDS: Fundamentos (II)➽ Aplicación de un campo eléctrico: Conducción y Polarización
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Training Transformers v1 – 27/sep/2011
+
-
+
-
+
-
+
-
++++
++++
----
----
ConducciónDesplazamiento de cargas libres
PolarizaciónDesplazamiento de dipolos
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FDS: Fundamentos (III)➽ Principales mecanismos que producen la Polarización
a) Polarización electrónica: el átomo se distorsiona y los electrones se concentran a un lado del núcleo, cerca del extremos positivo del campo.
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+
--
- -
-
-
--
+
---
--
---
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E
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FDS: Fundamentos (IV)➽ Principales mecanismos que producen la Polarización
b) Polarización iónica: las uniones entre iones se deforman elásticamente; redistribuyéndose la carga dentro del material.
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+-
+ -
-
+
E
+
-
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FDS: Fundamentos (V)➽ Principales mecanismos que producen la Polarización
c) Polarización molecular: Al aplicar el campo eléctrico en materiales que contienen dipolos naturales, dichos dipolos giran hasta alinearse con el campo aplicado.
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Training Transformers v1 – 27/sep/2011
E
+
-
+
-
+
+
-
++
-
+
+
-
+
+
-
+
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FDS: Fundamentos (VI)➽ Principales mecanismos que producen la Polarización
d) Polarización interfacial: Como consecuencia de la presencia de impurezas se produce una carga eléctrica en las interfaces de dos materiales.
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E
+ - +
-
+-
+
- +
-Material A
Material B
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FDS: Fundamentos (VII)
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FDS: Fundamentos (VIII)
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➽ Envejecimiento produce cambios en la permitividad
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FDS: Fundamentos (IX)
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➽ ¿Cómo evaluar la polarización de un dieléctrico?
a) Respuesta dieléctrica en el dominio del tiempo
� Conducción debido a la conductividad del material� Conducción instantánea debido a la componente capacitiva� Conducción debido a la polarización material
1 2 3
j(t)
t
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FDS: Fundamentos (X)
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1 2� Componente capacitiva� Componente resistiva
➽ ¿Cómo evaluar la polarización de un dieléctrico?
b) Respuesta dieléctrica en el dominio de la frecuencia
En términos de la permitividad compleja:
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FDS: Fundamentos (XI)
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➽ Evaluación de la polarización: Resumen
A un instante de tiempo determinado o como una función de tiempo
a) Resistencia de aislamiento
b) Índice de polarización
c) Magnitud de la tensión de retorno (RVM)
A una frecuencia fija o como una función de frecuencia
a) Factor de disipación (tan a una frecuencia fija, usualmente a 50/60 Hz o 0.1 Hz
b) Factor de disipación (tan como una función de frecuencia desde 0.001 Hz hasta 1000 Hz
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FDS: Fundamentos (XII)
➽ Fundamentos
Respuesta de Frecuencia del Dieléctrico
1 mHz 50 Hz 1kHz
Factor de disipación
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FDS: Fundamentos (XIII)
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➽ Características de FDS
La respuesta debe ser finita, considerando que la polarización de un material es finita.
Cada material tiene SU PROPIA y única respuesta
La respuesta no varía (significativamente) al variar la temperatura, a no ser que hubieran cambios estructurales importantes.
Debye
Curie-von Schweidler
Respuesta general
Frecuencia
Res
pues
ta
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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (I)
➽ Objetivo
Medir las pérdidas y la capacitancia del sistema de aislamiento a diferentesfrecuencias (y con baja tensión).
➽ Defectos detectables
Humedad en el sistema de aislamiento.
Contaminación en el sistema de aislamiento.
Determinar posible envejecimiento.
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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (II)
➽ Prestaciones del sistema
Medición de Factor de Disipación a múltiples frecuencias y a cualquier temperatura.
Compara los valores medidos vs. los valores del modelo, con referencia en una base de datos de materiales.
Se obtienen los resultados en forma de humedad en el aislamiento sólido de papel como porcentaje del peso total del papel.
Corrección de temperatura precisa.
Habilidad para detectar contaminación
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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (III)
➽ Características del sistema
Señal de Prueba: 0 a 200 V (pico-pico) y 0 a 50 mA
Frecuencia: 10 000 Hz a 0.0001 Hz
Rango de medición de la capacitancia: 10 pF a 100 μF
Uno o dos canales de medición independiente
Liviano y Robusto
Posibilidad de aumentar la tensión de salida (Vax 020: 2 kV)
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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (IV)
➽ Características del sistema
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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (V)
➽ Características del sistema
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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (VI)
➽ Que y cómo medir
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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (VI)
➽ Metodología de medición
Pasos de medición del IDAX:
1. Se realizan las conexiones
2. Se mide el factor de disipación/factor de potencia desde 1 kHz hasta 1 mHz
3. Se envían los resultados de la medición a un analizador.
4. Se ingresa el valor de la temperatura del aislamiento (temperatura del aceite).
5. El IDAX ajusta la curva medida a la curva modelo (automáticamente) variando los parámetros que afectan la forma de la curva para encontrar el mejor ajuste.
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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (VII)
➽Metodología de medición
¿Por qué medir FDS?
1) FDS usa baja tensión (140 Vrms), lo cual implica:
Mayor seguridad
Menor tamaño del equipo
2) FDS mide capacitancia y tan en un rango de frecuencia que permite:
Mejor interpretación
Posibilidad de eliminar errores de medición.
3) La interpretación de resultados se basa en un modelo real de diseño de transformador.
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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (VIII)
➽Metodología de medición
¿Por qué medir FDS?
4) Las mediciones FDS son reproducibles:
Las mediciones pueden reiniciarse
Mediciones previas en AC no afectan los resultados (pruebas de alta tensión en CC pueden disminuir el valor de factor de disipación)
5) Las mediciones FDS son fáciles de entender y de modelar:
El modelo FDS son cálculos “jω” (Impedancia compleja)
El modelo en dominio de tiempo involucra integración
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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (IX)
➽ Resultados
Variación de la Capacitancia con la Frecuencia
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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (X)
➽ Resultados
Variación del Factor de Potencia con la Frecuencia
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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XI)
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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XII)
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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XIII)
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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XIV)
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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XV)
➽ Resultados
Factores que afectan la respuesta
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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XVI)
➽ Ejemplo
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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XVII)
➽ Interpretación de resultados
< 0.5 % Transformador nuevo
0.5 - 1.5% Aislamiento seco
1.5 - 2.5% Nivel medio de humedad
2.5 - 4% Aislamiento húmedo
> 4% Aislamiento muy húmedoLa interpretación del contenido de humedad en el aislamiento solido dado en % de peso de agua
por peso de celulosa
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Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XVIII)
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FINAL
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