Prueba de la Reactancia de Dispersión

Alberto Gutiérrez, B Sc. M Sc
Doble Engineering Company

Región Latinoamericana - Tampa, Fl 33618, USA
algu@tampabay.rr.com

Resumen: Las distorsiones de devanados, las cuales conllevan a fallas de transformadores, pueden tener como causa inicial varios eventos de sobre corriente. La probabilidad de estos eventos de sobre corriente no es muy alta y por con-siguiente un transformador puede permanecer en servicio con devanados parcialmente deformados; sin embargo la confiabilidad del transformador se ve reducida. Muchas fallas de transformadores comienzan por distorsiones mecánicas y eventualmente ocurren por razones eléctricas. Consecuentemente, las condiciones mecánicas deben ser consideradas con mucha seriedad. Aún cambios pequeños de los parámetros medidos deben ser tratados con mucho respeto. La medición de la reactancia de dispersión es una prueba muy fácil de hacer la cual sirve como un indicador muy confiable de la distorsión de los devanados del transformador.

Palabras Claves:
Distorsión de devanados, Transformador, Devanados deformados, Distorsión mecánica, Reactancia de dispersión, Reactancia de fuga.

I. INTRODUCCIÓN

Para la detección de deformaciones de devanados se han utilizado varios métodos.
Estos han sido:
1) Análisis de la respuesta de frecuencia
2) Prueba de impulso de voltaje bajo
3) Medición de la Capacitancia
4) Medición de la Reactancia de Dispersión
Los métodos 1 y 2 tienen inherentemente muy buenas posibilidades de búsqueda. Sin embargo, la relativa sofisticación de los instrumentos de prueba necesarios y la experiencia exigida por éstas mediciones, todavía no permiten que se conviertan en “herramientas familiares” en muchas compañías de electricidad.

La medición de la capacitancia se lleva a cabo como parte de las pruebas rutinarias del aislamiento en corriente alterna y normalmente incluye las tres fases. La capacitancia entre arrollamientos, y entre cada arrollamiento y el núcleo/tanque, es una función de su relación geométrica dependiendo de como las constantes dieléctricas participan en el aislamiento.

De ésta manera la capacitancia proporciona información sobre las menores variaciones debidas a cambios de temperatura o contaminaciónes serias.Las mediciones de la Reactancia de Dispersión son realizadas durante la prueba de CortoCircuito. Durante ésta prueba la reluctancia encontrada por el flujo magnético es determinada predominantemente por el canal de dispersión o también llamado de fuga (Fig. 1).


Fig. 1. Canal de dispersión de un devanado de un Transformador

El canal de fuga o de dispersión es el espacio confinado entre la superficie interior del devanado interior, la superficie exterior del devanado exterior, y los yugos inferior y superior. Cuando ocurre una distorsión de los devanados se cambia la reluctancia de la trayectoria del flujo magnético, dando como resultado un cambio en la reactancia de dispersión medida.

La medición de la reactancia de dispersión es la más sencilla de las cuatro pruebas. Durante las pruebas de rutina de investigación del transformador, es muy útil realizar tanto la prueba de reactancia de dispersión como la de capacitancia. Los cambios en ambos parámetros sirven como un indicador confiable de la distorsión de los devanados. En [1] se presentan casos de estudios que comparan los resultados de ambas mediciones.

Debe notarse que la prueba de reactancia de dispersión no reemplaza a la medición de la corriente de excitación; ambas pruebas son complementarias. La reactancia de dispersión esta influenciada por la reluctancia en el canal de dispersión; la corriente de excitación esta influenciada por la reluctancia en el núcleo del transformador y puede detectar espiras cortocircuitadas en los devanados, laminaciones del núcleo cortocircuitadas, múltiples aterrizamientos del núcleo y problemas con el LTC (Cambiador bajo carga) y el NLTC (Cambiador sin carga).

II. MODOS DE FALLA

Cuando un sistema de potencia sufre una condición de corto circuito se genera una corriente muy grande que fluye a través de los transformadores de alta potencia. Los devanados y terminales internas del transformador son sometidos a fuerzas mecánicas extremadamente altas. La fuerza radial total en un devanado puede ser un múltiplo de millones de libras y la fuerza axial total puede estar entre uno o dos millones de libras. La corriente extremadamente alta durante la condición de falla, es la mayor fuente de desplazamientos mecánicos y subsecuentemente de fallas de transformadores.

La corriente que fluye en los conductores de los devanados del transformador crea un campo electromagnético dentro y alrededor de los devanados, como se muestra en los esquemáticos simplificados de las Figs. 2 y 3. Cualquier conductor transportador de corriente (I) que esté enlazado por este campo (B) experimenta una fuerza mecánica (F) la cual es perpendicular a la dirección de la corriente y al campo.

En un transformador tipo núcleo, Fig. 2, las fuerzas actúan radialmente hacia afuera en los devanado externos y radialmente hacia adentro en los devanados internos, pero debido a los bordes radiales en las terminaciones de los devanados, también existen componentes de fuerzas axiales las cuales tienden a comprimir a los devanados (Fig. 2).



Fig. 2. Fuerzas Generadas en un transformador tipo núcleo.

Los modos comunes de falla en un transformador tipo núcleo son los siguientes:

• Doblamiento hacia dentro del aro radial
• Alargamiento hacia fuera del aro radial
• Doblez del haz de conductores debido a la fuerza radial generada
• Inclinamiento de los conductores debido a las fuerzas axiales acumuladas
• Inestabilidad del soporte extremo de la bobina producida por la fuerza axial

Mientras que las fuerzas principales en el diseño tipo núcleo, son dirigidas radialmente, las fuerzas principales en el tipo acorazado (Fig. 3) son dirigidas axialmente. Estas fuerzas tienden a separar los devanados de bajo voltaje de los devanados de alto voltaje, los cuales empujan a los devanados de bajo voltaje contra del núcleo. El devanado de alto voltaje es aplastado sobre sí mismo. También existen componentes de fuerza radial moderadas; éstas tienden a comprimir radialmente las secciones del empaquetado de los devanados (Fig. 3).

Fig. 3. Fuerzas Generadas en un transformador tipo acorazado.

Los modos de falla para transformadores tipo acorazado son los siguientes:
Desplazamiento del conductor por fuerzas axiales acumulativas
Doblez de la viga del conductor debido a las fuerzas axiales generadas
Inestabilidad radial de los empaquetados de los devanados
Colapsamiento de los soportes terminales (fuerzas transmitidas hacia el núcleo)

Las deformaciones de los devanados descritas pueden afectar la trayectoria del flujo de dispersión, las cuales a su vez pueden dar como resultado un cambio en la reactancia de dispersión medida.

III. CONSIDERACIONES ACERCA DE LAS PRUEBAS

La medición de la reactancia de dispersión se puede hacer de una manera automática o en forma manual. En éste último caso se requiere del uso de una fuente externa de voltaje (Variac) y cables de corriente proporcionados por el usuario. El equipo de prueba debe incluir todos los controles, cables y botones de seguridad así como el módulo de Reactancia de Dispersión en un solo paquete. Adicionalmente, para realizar las pruebas de Reactancia de Dispersión es necesario tener el siguiente equipo:

1) Interface de Medición/cálculo de la Reactancia de Dispersión la cual debe incluir:

a) Juego de cables de suministro del voltaje
b) Juego de cables de sensado del voltaje

c) Cables de tierra

2) Módulo del programa de medición de la Reactancia de Dispersión.

Si se usa el módulo de medición de la reactancia de dispersión, se requiere de un variac y tres cables para conectar el autotransformador del variac a las boquillas del transformador y al módulo de reactancia de dispersión. El calibre de los cables debe ser de acuerdo con la capacidad del variac. Los rangos del Modulo de Reactancia de Dispersión deben ser de 400 voltios y 50 amperios. Este módulo debe tener los cables de sensado de voltaje y el cable de alimentación de corriente alterna.

IV INFORMACIÓN REQUERIDA ANTES DE LA PRUEBA.

Aunque es posible hacer la prueba sin ninguna información de la placa del transformador o los datos iniciales (“Benchmark”), el % de impedancia y el % de reactancia no podrán ser calculados. La información de placa del transformador incluye la siguiente información, la cual deberá ser proporcionada al programa de cálculo antes de hacer la prueba:

• Impedancia en %
• Los Volt-amperios base para ésta impedancia (en kVA)
• El Voltaje base de Línea-a-Línea para ésta impedancia (en kV)
Si se tiene disponible de pruebas anteriores, la siguiente información inicial debe ser proporcionada al programa de cálculo:

• % Impedancia “Benchmark” o inicial
• % Reactancia “Benchmark” o inicial

V. VOLTAJE DE PRUEBA

El objetivo es seleccionar un voltaje adecuado que permita realizar la medición de la Reactancia de Dispersión con exactitud. La fuente puede ser de 120 ó 240 voltios de salida. La interface de Reactancia de Dispersión debe proporcionar una corriente máxima de prueba de 25 amperios durante 3 a 5 minutos antes de operar el interruptor de salida. Sin embargo el rango contínuo máximo de la corriente de operación debe ser de unos 10 amperios. El módulo de prueba debe estar equipado con un circuito de protección térmico, el cual evite que se haya salida de potencia cuando el del variac haya excedido el límite de operación segura. Una luz roja debe indicar la sobrecarga cuando se encienda.

Al seleccionar el variac de prueba se debe tener en cuenta los rangos de operación necesarios (50 A, 400V).

Una vez se haya obtenido la información de los datos de placa del transformador (% Impedancia, los kV y kVA base a los cuales esta basada el % de impedancia), y la información inicial de prueba o “Benchmark”, se debe calcular la corriente de prueba. El variac se deberá entonces ajustar a éste valor calculado.

Si la información de la placa del transformador mencionada en el punto anterior no esta disponible, la prueba puede todavía ser realizada. Sin embargo, el usuario deberá ajustar el variac hasta alcanzar varios amperios hacia el devanado.

VI. SELECCIÓN DEL MÉTODO DE PRUEBA

Se recomienda considerar los siguientes puntos para seleccionar el tipo de prueba:

1) En un transformador trifásico reconstruido o durante las pruebas iniciales de un transformador usado, se deben de realizar las pruebas del equivalente trifásico y las pruebas por fase. Esto nos permite la comparación de los valores de placa entre las fases y nos proporciona la referencia inicial o “benchmark” para las pruebas futuras. En una unidad monofásica solamente una prueba puede ser realizada (Fig. 4a). Para realizar la comparación las pruebas deben realizarse con el LTC (Cambiador bajo carga) en la misma posición que se indica en los datos de placa.

2) Una vez que los resultados de prueba han sido verificados con los datos de placa, las pruebas de seguimiento pueden incluir únicamente las pruebas por fase. El realizar más pruebas de búsqueda permite la comparación no solo con los resultados de prueba previos sino también entre las fases.

3) Las pruebas iniciales deben ser realizadas en todas las posiciones del cambiador de derivaciones des energizado. Esto es concebible ya que a lo largo de la vida de servicio, el transformador puede ser energizado en todas las posiciones del DETC (Cambiador sin carga) y cuando las unidades salen fuera de línea, el personal de servicio puede hacer la prueba solamente en la posición en la cual se encuentra el transformador en servicio. Si ésta posición no fué medida originalmente, se pierde la oportunidad de comparar las dos pruebas.

VII. CONSIDERACIONES ESPECIALES

1) Si la prueba se lleva a cabo desde el devanado de alto voltaje, a un voltaje de prueba dado, ésta requiere de la fuente de prueba, una corriente menor que aquella demandada si la prueba fuese ejecutada al mismo voltaje pero desde el devanado de bajo voltaje.

2) Es recomendable realizar la prueba al voltaje más alto posible para minimizar los efectos de la Reactancia de magnetización. Para mayor información vease [2].

3) Para ciertas configuraciones de devanados, los resultados por fase no pueden ser comparados con el valor de placa o los resultados de la prueba trifásica equivalente.
Para mayor información vease [3].

VIII. CONEXIONES PARA LAS PRUEBAS

Las conexiones para las diferentes prueba a varios tipos de transformadores, se muestran en las Figs. 4a y 4b.

IX. PROCEDIMIENTO DE PRUEBA PARA UNA UNIDAD TRIFÁSICA DE DOS DEVANADOS.

Con una excitacion por fase, la reactancia de dispersión de una unidad trifásica, puede ser medida usando dos métodos: La prueba del equivalente trifásico y la prueba por fase.

1) Prueba del Equivalente Trifásico Se ejecutan tres pruebas conectando la fuente de voltaje y los cables de sensado desde la interface de Reactancia de Dispersión a cada par de las terminales de línea del transformador. Las tres terminales de línea del devanado en oposición son conectadas juntas en cortocircuito por medio de un puente como se muestra en la Fig. 4a.

2) Prueba por Fase

Se ejecuta una prueba por cada fase, conectando los terminales de prueba (de voltaje y sensado) de la interface de Reactancia de Dispersión a las terminales de línea o al neutro de los devanados en estrella y zig/zag o a un par de los terminales de línea en el devanado en delta. Las terminales en el devanado en oposición se deben unir entre sí en cortocircuito por medio de un puente, como se muestra en la Fig. 4a.

X. PROCEDIMIENTO DE PRUEBA PARA UNA UNIDAD MONOFÁSICA CON DOS DEVANADOS

Las conexiones de prueba para una unidad monofásica se muestran en la Fig. 4a.

XI. PROCEDIMIENTO DE PRUEBA PARA UNA UNIDAD DE DEVANADOS MÚLTIPLES.

A una unidad de devanados múltiples (más de dos devanados), se le debe probar la Reactancia de Dispersión asociada a cada par de devanados. Los terminales de línea de los otros devanados deben ser dejados flotantes. En una unidad con tres devanados el procedimiento de prueba descrito anteriormente es aplicable para cada uno de los tres pares de devanados. En una unidad con cuatro devanados se tendrán seis pares de devanados.

XII. CÁLCULO DE LOS RESULTADOS.

1) Prueba del Equivalente Trifásico:

La reactancia de dispersión resultante en % es calculada de la siguiente manera:

(1)

donde:

La suma de las reactancias por cada fase, medida en ohmios

La potencia trifásica base en kVA, de los devanados donde la medición es realizada, obtenida de los datos de placa.

El Voltaje de Línea–Línea base en kV, de los devanados donde la medición es realizada, obtenida de los datos de placa.


2) Prueba por Fase:

La reactancia de dispersión resultante se calcula de la manera siguiente:

a) Para la prueba realizada en un devanado con conexión en delta:

(2)

Para la prueba realizada en un devanado con conexión en estrella:

(3)

donde:

La suma de las reactancias por cada fase, medida en ohmios

La potencia trifásica base en kVA, de los devanados donde la medición es realizada, obtenida de los datos de placa.

El Voltaje de Línea–Línea base en kV, de los devanados donde la medición es realizada, obtenida de los datos de placa.

Para la prueba realizada en un devanado con conexión en zig-zag los resultados son analizados en ohmios sin convertirlos a %X.

b) Prueba para una Unidad Monofásica de dos Devanados.

La reactancia de dispersión resultante se calcula de la siguiente manera:

(4)

en donde Xm es la reactancia medida en ohmios, S y V son la potencia y voltaje base de los devanados donde las mediciones son realizadas, obtenidas del dato de placa del transformador.

 

XII. INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS.

La experiencia actual de algunas compañías en los Estados Unidos y Europa indican que los cambios que exceden el ±3% del valor medido son significantes y deben de ser investigados. Por ejemplo, si la reactancia de dispersión cambia de 7.5% a 8.2%, este cambio debe de considerarse como significante ya que el cambio de reactancia es de 9.3% de su valor original, 7.5%.

Los resultados de la prueba del equivalente trifásico deben ser comparados con los valores de datos de placa o con las pruebas anteriores. Los resultados de la prueba por fase deben ser comparados entre las fases y con las pruebas anteriores. El análisis debe ser realizado considerando la reactancia de dispersión y los resultados de otras pruebas, especialmente las de capacitancia. Si más de una característica proporciona evidencia de cambios, se debe investigar la fuente que provoca el cambio. Por ejemplo, la combinación de un cambio de 2% en la reactancia de dispersión más un cambio de 10% en la capacitancia puede dar causa a una investigación para establecer la razón del porqué de estos dos cambios simultáneos.

XIII. REFERENCIAS.

[1] M. F. Lachmam, Doble Engineering, ”Low-Voltage Single-Phase Leakage Reactance Measurement on Transformers – Significance and Application - Part I”, Minutas de la Sexagésimo primera Conferencia Internacional Anual de Clientes de Doble de 1994, sec. 6-5.1

[2] M. F. Lachman, Doble Engineering, Y. N. Shafir, ZTZ Service Company, “Low-Voltage Single-Phase Leakage Reactance Measurement on Transformers – Influence of Magnetizing Reactance - Part II”, Minutas de la Sexsagésima Segunda Conferencia Internacional Anual de Clientes de Doble de 1995. sec. 8-12.1.

[3] M. F. Lachman, Doble Engineering, Y. N. Shafir, ZTZ Service Company, “ Influence of Single-Phase Excitation On Transformer Leakage Reactance Measurement”, Minutas de la Sexsagésima Segunda Conferencia In-ternacional Anual de Clientes de Doble de 1995. sec. 8-13.1.

XIV. BIOGRAFÍA.

Alberto Gutiérrez (M 1973) posée un BEE (Bachelor of Electrical Engineering, programa de 5 años) de la City Co-llege of New York, una Maestría en Ciencia de Columbia University y un Certificado del Curso Anual Power Systems Engineering Program de GE (Schenectady, NY).

Tiene 26 años de experiencia en la industria de potencia, incluyendo compañías de energía eléctrica, compañías de consultoría de ingeniería y enseñanza en universidades de los EE.UU, Colombia y México.

Su experiencia incluye ingeniería (diseño y estudios de sistemas), experiencia de campo (construcción, puesta en servicio y soporte de operación) en substaciones de 34.5 kV a 765 kV, plantas generadoras (Nucleares y fosiles) así como protección por relés y sistemas de control. La experiencia en el sector eléctrico incluye diseño y construcción de substaciones convencionales y GIS, bancos de capacitores, interruptores de alto voltaje, sistemas de comunicación, sistemas de protección por relés y pruebas de campo de aparatos de alto voltaje. Por diez años trabajó en plantas nucleares en Missisippi, Louisiana, Florida, Texas y México y desde 1994 se encuentra trabajando con la compañía Doble Engineering de Watertown, MA, USA.