Análisis de la respuesta del barrido de frecuencia

Se basa en la medición de las funciones de transferencia eléctrica de los transformadores en un amplio rango de frecuencia. La finalidad del SFRA es comprobar si se han producido desplazamientos físicos en la parte activa del transformador debido al envejecimiento o después de algún incidente concreto, como un cortocircuito o un transporte. 

Los resultados del ensayo se comparan con la referencia para poder detectar un amplio abanico de tipos de averías, por ejemplo:

• Movimientos del núcleo
• Errores de puesta a tierra del núcleo
• Deformaciones de devanados
• Desplazamientos de devanados
• Hundimiento parcial de devanados
• Pandeo radial
• Estructuras de sujeción rotas
• Espiras cortocircuitadas y devanados abiertos

Figura 1: Configuración de los ensayos de SFRA y diagrama del equipo de medida

Parámetros de medición e interpretaciones de resultados

El método SFRA implica la inyección de una señal en un terminal del transformador y la medición de la señal resultante en otro terminal, como se observa en la Figura 1. 

Los parámetros de medición son la tensión del terminal aplicada y la resultante en otro terminal. El resultado se muestra en forma magnitud (dB) y ángulo de fase (°), que se expresan de la siguiente manera:

La tensión es aquella que atraviesa una resistencia de 50 ohmios y que es proporcional a la circulación de corriente que pasa por el devanado del transformador. En consecuencia, la magnitud representa la información de admisión del transformador. 

Los resultados de la medida aparecen generalmente como la magnitud trazada comparada con la frecuencia en una escala logarítmica. Se miden tres fases respectivamente, que a continuación se comparan las unas con las otras, como se observa en la Figura 2. 

Tres trazas idénticas indican un buen estado, mientras que las desviaciones significativas pueden apuntar a la existencia de algún problema, como una deformación.

a)

(b)

(c)
Figura 2 – El transformador (a) está en buen estado (b) con espiras cortocircuitadas en una fase (c) en muy mal estado

Para un transformador trifásico con dos devanados, se recomienda un mínimo de nueve ensayos, como se observa en la figura 3.

• Mida las respuestas trifásicas del lado de alta tensión con el lado de baja tensión cortocircuitado
• Mida las respuestas trifásicas del lado de alta tensión con el lado de baja tensión en circuito abierto
• Mida las respuestas trifásicas del lado de baja tensión con el lado de alta tensión en circuito abierto

Figura 3: Resultado típico de SFRA de un transformador trifásico

La "abierta" mide la impedancia de excitación del transformador, mientras que la "corta" permite hacer lo propio la impedancia de cortocircuito del transformador. 

Es importante señalar que para las mediciones "abiertas", la traza de la fase B a menudo se desvía de las de las fases A y C a bajas frecuencias debido a la estructura del núcleo. 

Esta cuestión no debe tratarse como defecto. A medida que aumenta la frecuencia, la inductancia introducida por el núcleo comienza a disminuir y luego desaparece. Las mediciones "abiertas" y "cortas" ofrecen los mismos resultados a frecuencias altas.

Además de la comparación entre fases, existen dos métodos comparativos más:

• Comparación temporizada: Los resultados de SFRA se comparan con los anteriores de la misma unidad. Este es el método más fácil y eficaz para discernir un problema.
• Comparación por tipos: El SFRA de un transformador se compara con un tipo de transformador similar. Un transformador gemelo se considera uno que tiene los mismos datos de la placa de características y normalmente es del mismo fabricante.

Se pueden identificar diferentes fallos a partir del cambio de la curva de SFRA en determinados rangos de frecuencia. La forma de la curva de baja frecuencia viene determinada por el circuito magnético de un transformador. En consecuencia, los problemas del núcleo, las espiras cortocircuitadas y los filamentos rotos cambian esta forma. 

La capacidad del conjunto del devanado es de aproximadamente unos pocos nanofaradios y comienza a afectar a la curva de SFRA a partir de unos pocos kHz. La capacitancia del disco de devanado es bastante baja y comienza a tener relevancia en el rango de frecuencia más alto. 

La Tabla 1 puede ayudar a los técnicos de ensayo a identificar el problema específico basándose en las diferencias de curva en ciertos rangos de frecuencia.

Después de retirar el depósito de un transformador, la deformación mostrada en la Figura 4 obtuvo la respuesta de frecuencia mostrada en la Figura 5. 

Se puede observar que la curva de la fase B cambia su patrón después de la avería. La desviación es de entre 500 Hz y 500 kHz y cabe concluirse que el núcleo está en buen estado, pero el devanado está deformado. La diferencia es más evidente de 1 a 10 kHz, mientras que la parte de baja frecuencia es correcta. 

De acuerdo con la Tabla 3, el problema suele ser la deformación del conjunto del devanado.

Figura 4: Avería por pandeo del devanado del transformador [2]

Figura 5: Respuestas de frecuencia de barrido del transformador que presenta la avería por pandeo del devanado

Modelado de transformadores

Para comprender por qué la medición de SFRA es capaz de detectar tantos fallos mecánicos que son difíciles de detectar mediante otros métodos, es necesario analizar el modelo de circuito equivalente del transformador sometido a medida. El modelo que se describe en este artículo es válido para transformadores monofásicos.

A frecuencias bajas (<1 kHz), el modelo de circuito equivalente de los transformadores se muestra en la Figura 6. Consta de un transformador ideal, además de la impedancia de la excitación y las impedancias de fuga de los devanados de alta y baja tensión. 

Cuando la señal de SFRA se inyecta desde el devanado de alta tensión con el devanado de baja tensión abierto, en realidad está midiendo la impedancia de excitación. La impedancia aumenta linealmente con la frecuencia de medida, con lo que conforma una línea recta en una escala logarítmica.

A medida que aumenta la frecuencia, el efecto capacitivo comienza a aparecer y la inductancia del núcleo se vuelve menos dominante. El primer punto de resonancia es la resonancia del inductor, determinada por el devanado y el núcleo, y el condensador, formado por devanado y tierra (núcleo y depósito).

En la frecuencia más alta, la resonancia se debe a la autoinductancia de los conductores (nH/m) y al capacitor de los discos o espiras del devanado. El circuito equivalente de alta frecuencia se muestra en la Figura 7. 

El número representa las espiras del devanado. Cada espira consta de autoinductancia, inductancia mutua y resistencia. Además de eso, hay condensadores entre espiras (un condensador ideal y el componente de pérdida) y condensadores de espira a tierra.

Las averías internas del transformador de potencia pueden producir cambios en algunas regiones de la curva de respuesta de frecuencia, y estos cambios se pueden identificar mediante una inspección visual.

Figura 6: Modelo de transformador monofásico a bajas frecuencias

Figura 7: Modelo de transformador monofásico a 1 MHz [3]

Figura 8: Características de una curva de SFRA

Buenas prácticas para los ensayos de SFRA

El de SFRA es un método de medida no destructivo de baja tensión (10 V). Se deben seguir buenas prácticas para garantizar la calidad de los resultados.

Aplicar una tensión de medida constante

Se ha demostrado que la respuesta de baja frecuencia está determinada principalmente por las propiedades magnéticas del transformador. 

La permeabilidad del material del núcleo magnético se suele suponer que es constante, pero en la práctica no lo es: varía con la tensión aplicada. La respuesta de frecuencia se mide a una tensión bastante baja, de apenas sobre los 10 V. 

La permeabilidad del núcleo se modifica rápidamente a este valor de tensión.

Figura 9: Curva B-H y curva μ-H del material del núcleo del transformador (B27G130 de silicio-hierro [4])

La permeabilidad del núcleo varía con la tensión aplicada, lo que hace que las respuestas de SFRA a bajas frecuencias dependan de la tensión. En consecuencia, contar con una tensión constante es muy importante para las mediciones de SFRA. 

Se recomienda usar un instrumento de medida con tensión de salida variable para que el ensayo se pueda efectuar con la misma tensión que la curva de referencia.

Figura 10: Resultados de SFRA con diferentes tensiones aplicadas

Mantener vigilada la posición del cambiador de tomas

Las posiciones del cambiador de tomas deben ser las mismas que las utilizadas para las pruebas de referencia. De no serlo, las respuestas de frecuencia pueden diferir y no pueden compararse. 

Si se elige la toma máxima, con esta medida puede examinarse todo el cambiador de tomas. Esta instrucción es válida tanto para DETC como para OLTC. Normalmente, la medida se efectúa en posición de devanado completo y en neutro.

La desmagnetización, primero

El flujo residual influye en los resultados del SFRA. Después de la medida de resistencia del devanado, el punto de partida pasa del 0 al 1 o el 2 en la curva de histéresis (véase la figura 11). 

Puesto que el flujo residual modifica significativamente la inductancia del núcleo, se recomienda realizar la medida de SFRA antes de cualquier otro ensayo o inmediatamente después de la desmagnetización, lo que hace que el punto de inicio vuelva al punto 0.

Figura 11: Respuestas de SFRA obtenidas antes y después de la desmagnetización

Seguir las buenas prácticas de puesta a tierra

La sección de alta frecuencia de la respuesta es muy sensible a las interferencias electromagnéticas, por lo que el sistema de medida debe ser resistente al ruido. 

Una estrategia muy usada es el uso del cable coaxial. El conductor central del cable está conectado al terminal del transformador, mientras que el conductor exterior está conectado al chasis del instrumento, que debe estar conectado a tierra. 

Esta práctica evita que el conductor central capte ruido.

Figura 12: Dos sistemas de conexión a tierra

Es bastante habitual que la conexión a tierra del transformador (conexión a tierra de la subestación) no sea la misma que la conexión a tierra del instrumento. 

En tales casos, la corriente y la tensión entre la conexión a tierra del transformador y la conexión a tierra del instrumento pueden afectar negativamente al resultado de la medida. 

Para mejorar la repetibilidad, es necesario conectar el cable de tierra (apantallamiento) y el transformador de tierra con los cables planos más cortos posibles, como se muestra en la figura 1.

Figura 13: Resultados obtenidos con diferentes prácticas de puesta a tierra

Conclusión

La de SFRA es una técnica de medición de gran valor, sensible a problemas que, de otro modo, serían difíciles de detectar sin desmontar el transformador, ejercicio que resulta costoso e incómodo. 

Sin embargo, para obtener los resultados más representativos, se debe recurrir a un conjunto de medidas de buena calidad y eficacia demostrada, se deben seguir las buenas prácticas durante los ensayos y los resultados se deben interpretar con precaución, siguiendo las directrices indicadas en este artículo.

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Bibliografía

• [1] J.C. Gonzales and E.E. Mombello, “Diagnosis of Power Transformers through Frequency Response Analysis by Poles and Zeros Shifts Identification,” Transmission and Distribution: Latin America Conference and Exposition (T&D-LA), 2012 Sixth IEEE/PES
• [2] M. Bagheri, M. S. Naderi, T. Balckburn and T. Phung, “FRA vs. Short Circuit Impedance Measurement in Detection of Mechanical Defects within Large Power Transformer,” Conference Record of the 2012 IEEE International Symposium on Electrical Insulation (ISEI)
• [3] N. Abeywickrama, Y. Serdyuk and S. Gubanski, “High-Frequency Modeling of Power Transformers for Use In Frequency Response Analysis,” IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 23, No.4, 2008
• [4] Technical Manual of Baosteel GO silicon Steel Products, 2008