Análisis de respuesta de frecuencia de barrido

Su base es la medición de las funciones de transferencia eléctrica de los transformadores en un amplio rango de frecuencia. El objetivo de la SFRA es probar si se han producido desplazamientos físicos en la parte activa del transformador debido al envejecimiento o después de un evento en particular, como falla de cortocircuito y transporte. 

Los resultados de la prueba se comparan con la referencia para que se pueda detectar una amplia gama de tipos de fallas, entre los que se incluyen los siguientes:

• Movimientos del núcleo
• Conexiones a tierra defectuosas del núcleo
• Deformaciones del devanado
• Desplazamientos del devanado
• Colapso parcial del devanado
• Deformación del devanado
• Estructuras de sujeción rotas
• Espiras en cortocircuito y devanados con circuitos abiertos

Figura 1: Configuración de la prueba de SFRA y diagrama esquemático del instrumento de prueba

Parámetros medidos e interpretaciones de resultados

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

Los parámetros medidos son la tensión de terminal aplicada y el resultado en otro terminal. El resultado se muestra en magnitud (dB) y ángulo de fase (°) que se expresan como:

La tensión es aquella que pasa a través de una resistencia de 50 ohmios, que es proporcional a la corriente que fluye a través del devanado del transformador. Por lo tanto, la magnitud representa la información de admisión del transformador. 

Los resultados de la prueba generalmente se muestran como la magnitud trazada en comparación con la frecuencia en una escala logarítmica. Se miden tres fases, respectivamente, y, a continuación, se comparan entre sí, como se muestra en la Figura 2. 

Tres trazos idénticos indican una buena condición, mientras que las desviaciones grandes pueden indicar la existencia de un problema como la deformación.

a)

(b)

(c)
Figura 2: El transformador (a) en buen estado, (b) con espiras en cortocircuito en una fase y (c) en muy mal estado
 

Para un transformador trifásico con dos devanados, se realiza un mínimo recomendado de nueve pruebas, como se muestra en la Figura 3.

• Mida las respuestas de las tres fases desde el lado de alta tensión (HV) con el lado de baja tensión (LV) en cortocircuito.
• Mida las respuestas de las tres fases desde el lado de alta tensión (HV) con el lado de baja tensión (LV) abierto.
• Mida las respuestas de las tres fases desde el lado de alta tensión (LV) con el lado de baja tensión (HV) abierto.

Figura 3: Resultado típico de SFRA de un transformador trifásico

El “abierto” mide la impedancia de excitación del transformador, mientras que el “corto” mide la impedancia de cortocircuito del transformador. 

Es importante señalar que para las mediciones “abiertas”, el trazado de fase B a menudo se desvía de los trazados de fase A y C a frecuencias bajas debido a la estructura central. 

Esto no debe tratarse como un defecto. A medida que aumenta la frecuencia, la inductancia introducida por el núcleo comienza a disminuir y, luego, desaparece. Las mediciones “abiertas” y “cortas” dan los mismos resultados a altas frecuencias.

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

• Comparación basada enel tiempo: los resultados de SFRA se comparan con los resultados anteriores para la misma unidad. Este es el método más fácil y eficaz mediante el cual se distingue un problema.
• Comparación basada en el tipo: el SFRA de un transformador se compara con un tipo similar de transformador. Se considera que un transformador homólogo es aquel que tiene los mismos datos de la placa de identificación y, generalmente, está hecho por el mismo fabricante.

Se pueden identificar diferentes fallas a partir del cambio de la curva de SFRA en ciertos rangos de frecuencia. La forma de la curva de baja frecuencia se determina mediante el circuito magnético de un transformador. Los problemas del núcleo, las espiras en cortocircuito y las hebras rotas cambian esta forma. 

La capacidad del devanado principal es de unos pocos nanofaradios y comienza a afectar la curva de SFRA a partir de unos pocos kHz. La capacitancia de disco de devanado es bastante pequeña y comienza a jugar un papel en el rango de frecuencia más alto. 

La Tabla 1 puede ayudar a los ingenieros de prueba a identificar el problema específico según las diferencias de curva en ciertos rangos de frecuencia.

Después de vaciar el tanque de un transformador, la deformación que se muestra en la Figura 4 arrojó la respuesta de frecuencia que se muestra en la Figura 5. 

Se puede observar que la curva de fase B cambia su patrón después de la falla. La desviación está entre 500 Hz y 500 kHz, y se podría concluir que el núcleo está bien, pero el devanado está deformado. La diferencia es más evidente de 1 a 10 kHz, mientras que la parte de baja frecuencia está bien. 

Según la Tabla 3, es muy probable que el problema se deba a una deformación del devanado principal.

Figura 4: Falla de deformación del devanado del transformador [2]

Figura 5: Respuestas de frecuencia de barrido del transformador que tiene la falla de deformación del devanado

Modelado del transformador

Para comprender por qué las pruebas de SFRA pueden detectar tantas fallas mecánicas que son difíciles de identificar con otros métodos, se debe analizar el modelo de circuito equivalente del transformador que se está probando. El modelo analizado en este artículo es válido para transformadores monofásicos.

A frecuencias bajas (<1000 Hz), el modelo de circuito equivalente de transformadores se muestra en la Figura 6. Se compone de un transformador ideal, además de la excitación de la impedancia e 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 en circuito abierto, en realidad se mide la impedancia de excitación. La impedancia aumenta linealmente con la frecuencia de prueba y, por lo tanto, se forma una línea recta en una escala logarítmica.

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

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

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

Las fallas 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 inspección visual.

Figura 6: Modelo de transformador monofásico a frecuencias bajas

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

Figura 8: Características de una curva de SFRA

Prácticas recomendadas en el análisis de SFRA

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

Aplicar tensión de prueba constante

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

Por lo general, se supone que la permeabilidad del material del núcleo magnético es constante, pero no lo es en la práctica. Varía con la tensión aplicada. La respuesta de frecuencia se mide a una tensión bastante baja, solo alrededor de 10 V. 

La permeabilidad del núcleo cambia rápidamente a este nivel de tensión.

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

La permeabilidad del núcleo varía con la tensión aplicada, lo que hace que las respuestas del SFRA a frecuencias bajas dependan de la tensión. Por lo tanto, la tensión constante es muy importante para las pruebas de SFRA. 

Se sugiere un instrumento de prueba con tensión de salida variable para que la prueba se pueda realizar con la misma tensión que la curva de referencia.

Figura 10: Resultados de SFRA con diferentes tensiones aplicadas

Manténgase atento a la posición del cambiador de toma

Las posiciones del cambiador de toma deben ser las mismas que las utilizadas para las pruebas de referencia; de lo contrario, las respuestas de frecuencia serán diferentes y no se podrán comparar. 

Si se selecciona la toma máxima, la prueba examina todo el cambiador de toma. Esto se aplica tanto para DETC como para OLTC. Típicamente, la prueba se realizará en la posición de devanado completo y neutral.

Desmagnetización primero

El flujo residual influye en los resultados de SFRA. Después de la prueba de resistencia de devanado, el punto de partida va desde el punto 0 al punto 1 o al punto 2 en la curva de histéresis (vea la Figura 11). 

Debido a que el flujo residual cambia significativamente la inductancia del núcleo, se recomienda realizar la prueba de SFRA antes de cualquier otra prueba 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

Siga las prácticas recomendadas de conexión a tierra

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

Un método ampliamente utilizado es el uso del cable coaxial. El conductor central del cable está conectado al terminal del transformador mientras el conductor exterior está conectado al chasis del instrumento, que debe estar conectado a tierra. 

Esta práctica evita que el conductor central detecte ruido.

Figura 12: Dos sistemas de conexión a tierra

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

En estos casos, la corriente y la tensión entre la conexión a tierra del transformador y la conexión a tierra del instrumento pueden afectar negativamente el resultado de la prueba. 

Para mejorar la repetibilidad, es necesario unir la conexión a tierra del cable (blindaje) y la conexión a tierra del transformador mediante las trenzas planas más cortas posibles, como se muestra en la Figura 1.

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

Conclusión

El SFRA es una técnica de prueba invaluable sensible a problemas que, de otra manera, serían difíciles de detectar sin desmontar el transformador, un ejercicio costoso y muy poco conveniente. 

Sin embargo, para obtener los resultados más representativos, se debe utilizar un conjunto de pruebas de alta calidad de rendimiento comprobado, se deben seguir prácticas recomendadas durante las pruebas y los resultados se deben interpretar con cuidado, de acuerdo con las directrices proporcionadas en este artículo.

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Referencias

• [1] J.C. Gonzales y 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 y 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 y S. Gubanski, “High-Frequency Modeling of Power Transformers for Use In Frequency Response Analysis”, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 23, N.º 4, 2008
• [4] Technical Manual of Baosteel GO silicon Steel Products, 2008