MOISES CAMPOS PIRELA
5 - May - 2013
Ingeniero Electricista Email: mcamposv1@gmail.com - CARACAS D. F. VENEZUELA
FALLAS Y DEFECTOS EN TRANSFORMADORES
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1. UBICACIÓN Y ANALISIS DE FALLAS EN LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIA. 1.1 Causales de falla. Varias son las causales de fallas en los transformadores, y las más frecuentes son: a) Especificaciones. 1. Nivel básico de aislamiento (BIL). 2. Impedancia de cortocircuito: demasiado alta, que afecta la regulación del sistema; o demasiado baja que da lugar a elevadas corrientes de corto circuito. 3. Ubicación de accesorios, por ejemplo exigir que el conmutador de derivaciones sea de accionamiento interno. 4. Tipos de herrajes. b) Defectos en fábrica: 1. Defectos de diseño. a) Trabajar a niveles de inducción demasiado altos que dan lugar a la magnetostricción o deformación del núcleo y efectos vibratorios en la parte activa. b) Reducción de las distancias internas a niveles críticos c) Selección de materiales que no satisfacen las normas y/o no satisfacen los valores exigidos para operar a determinados niveles de esfuerzos dieléctricos. d) Selección de láminas, pinturas, refuerzos, aisladores, herrajes, empaques de caucho, etc. que no soportan las condiciones del medio ambiente, esfuerzos internos originados en el transformador. 2. Defectos de construcción. a) Procesos de corte del núcleo inadecuados. b) Proceso de “recocido” del núcleo a temperatura y tiempo diferente al recomendado por el fabricante. c) Bobinas mal ajustadas, que al menor esfuerzo sufren corrimiento o malformación. d) Ensamble núcleo-bobinas defectuoso. e) Sujeción parte activa al tanque defectuosa. f) Defecto al sellado final del tanque. g) Maltrato de materiales en proceso de fabricación. h) Control de Calidad defectuoso. i) Etc. 3. Defectos en material de construcción. a) Material envejecido o maltratado en bodegas. b) Selección de materiales no autorizados por Ingeniería. c) Condiciones ambientales de bodegaje inadecuadas. d) Control de Calidad defectuoso. e) Etc.
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4. Pruebas de fábrica inadecuadas o insuficientes. a) Personal encargado de ensayos sin el nivel de preparación adecuada. b) Equipo no apto para la realización de ensayos, bien por: descalibración, uso de escalas inadecuadas, posición inadecuada de los equipos tal como recomienda el fabricante. c) Control de Calidad defectuoso. d) Otros. 5. Inadecuados sistemas de almacenaje, movilización, embalaje y embarque. a) Almacenaje por largos períodos a la intemperie. b) Sistemas inseguros de almacenaje: apilamiento excesivo de cajas. e) Bajo Control de Calidad. f) Otros. 6) Defectos de operación: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Inadecuado sistema de selección para su uso (Ingeniería) Inadecuados programas de mantenimiento (Ingeniería) Impropio sistema de movilización y almacenaje (Admón.) Montaje inadecuado. Sistema inadecuado de mantenimiento (Carencia de equipos, capacitación) Vandalismo Sobretensiones (Operaciones de maniobra) Sobretensiones (Directas o por rayos) Sobrecargas. Fallas en la red (Líneas a tierra, corto en la red, desbalanceos de carga)
10.2 Aceleradores de fallas en operación. Como aceleradores típicos en la degradación de los aceites tenemos: • • • • •
Calor. Originado por sobrecargas exageradas. Vibración. (vibraciones mecánicas a 120 ciclos debido a la frecuencia de trabajo a 60 hz, y originado además por les elevados niveles de inducción a que son diseñados) Choques de cargas. (Sobrecargas repentinas. Por ejemplo un transformador tipo distribución utilizado como tipo industrial con cargas cíclicas de picos) Voltajes de impulsión. Altos esfuerzos dieléctricos.
10.3 LOS MECANISMOS DE RUPTURA DEL AISLAMIENTO Desde 1900 se ha efectuado un enorme volumen de investigación sobre los mecanismos de ruptura del aislamiento y aún se siguen acumulando e interpretando datos. Lo que acá trataremos se hará en forma simple y concisa a fin de brindar la idea principal.
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a) PERFORACIÓN DEL AISLAMIENTO EN EL VOLTAJE DE UN SOLO SENTIDO O DE CD Será considerado primero el voltaje en un solo sentido, porque su efecto es menos complicado que el del voltaje alterno. También los voltajes de impulsión, que son de la mayor importancia, son esencialmente voltajes c. d. Al aumentar el voltaje, se establecen voltajes a través de los diversos elementos del dieléctrico. Cuando se llega a algún valor crítico de voltaje, empieza la ruptura. Hay dos mecanismos principales de ruptura en el voltaje directo (principalmente en los fluidos). 1. Formación de vena (principalmente en los fluidos). 2. Alud de electrones (principalmente en los sólidos). b) Formación de vena en un efluvio. La formación de vena en un fluido comienza cuando el voltaje alcanza un valor al cual cualesquiera iones libres o electrones que puedan existir en el fluido son acelerados por el campo eléctrico hasta adquirir una velocidad suficientemente alta para formar iones adicionales por colisión con moléculas del fluido. Este proceso comienza, como es esperarse, cerca de los electrodos, donde es más intenso el campo, con un electrón libre que forma otros iones y electrones, los cuales, a su vez, forman otros en forma acumulativa. Los iones de la misma polaridad del electrodo son repelidos fuera de éste, formando una vena que es, en efecto, una prolongación del electrodo. La vena tiende así a extenderse al otro electrodo y conducir corriente como un arco. Puesto que la intensidad del campo decrece generalmente a medida que la vena se aleja del electrodo, puede ésta resultar incapaz de continuar y extinguirse a favor de otra vena acabada de formar. Mientras tanto, los iones de carga opuesta estén llegando al electrodo en un grupo heterogéneo, provocando por cada vena una sobrecarga repentina de corriente. Los iones en el espacio, al formar una carga espacial, tienden a limitar la tensión del voltaje y, en consecuencia, la formación de venas. Si el voltaje llega a un máximo y comienza a decrecer, cesa la formación de nuevas venas. Estas venas se llaman también efecto de corona o efluvio. Las venas pueden existir en todas magnitudes y formas, lo que depende de las condiciones en que se formen. Tienen fulgor (generalmente azuloso) y si cerca de un electrodo se forman muchas de ellas aproximadamente al mismo tiempo, se combinan para dar un fulgor azul alrededor del electrodo. Esta área semiconductora tiene el efecto de aumentar la magnitud del electrodo y puede limitar la descarga. c) Efecto de las venas sobre el campo electrostático. Cuando se forman las venas y llegan cargas apreciables a las regiones hasta las cuales se extienden, o las reciben de éstas, cambia la forma efectiva del campo eléctrico. Las venas actúan como extensiones del electrodo. d) Retraso en la ruptura de fluidos. Cuando se aplica un voltaje de impulsión, se supone que las venas comienzan a formarse tan pronto como el voltaje llega al valor requerido para iniciar ionización por colisión. Si este voltaje se extingue, la vena se puede extinguir también. La formación de arco que estaba a punto de ocurrir puede no ocurrir jamás. e) Salto de chispa o corrimiento. La ruptura de un medio sobre una superficie aislante sólida interpuesta, es conocida como ruptura de salto de chispa. La naturaleza del material sólido tiene alguna influencia
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sobre la forma del campo electrostático, pero la ruptura es esencialmente determinada por el medio fluido más bien que por el material de la superficie aislante. Pueden acumularse depósitos semiconductores sobre la superficie de un aislamiento expuesto al aire en que pueden estar suspendidos, en grados variables de concentración, humo, hollín, fumarolas químicas, y niebla. Estos contaminantes se acumulan en varias formas sobre la superficie aislante, formas que dependen no sólo de la naturaleza de la superficie, de su tersura, dureza, resistencia a la humedad y del ángulo que haga la misma con la vertical, sino también de la temperatura de la superficie con relación al aire y de su potencial eléctrico con relación a las partículas de contaminante que flotan en el aire. Después de que comienza a acumularse el contaminante, su sola presencia sobre la superficie modifica el campo eléctrico que rodea las partes vivas, de modo que puede ser modificada la acumulación futura. Si el contaminante forma entre las partes vivas una capa suficientemente conductora para que puedan fluir cantidades significativas de corriente, el calor desarrollado, generalmente adyacente a las partes vivas donde la corriente está concentrada, puede ser suficiente para quemar el material a base de celulosa, con formación de carbón, lo que conducirá a una ruptura general. Una superficie de porcelana vitrificada es extremadamente resistente a la cremación y no forma estrías de carbón. Además, es fácilmente limpiada de contaminante y no absorbe humedad. f) Variables que afectan las pérdidas del dieléctrico en el aislamiento sólido. En la mayor parte de los materiales usados para aislamiento de transformadores, la pérdida del dieléctrico aumenta rápidamente con la temperatura. Puesto que la pérdida en el dieléctrico pude elevar la temperatura, la elevación de temperatura por pérdida en el dieléctrico puede aumentar sin límite hasta que finalmente quema agujeros en el aislamiento. Es difícil predecir la ruptura debida a pérdida en el dieléctrico puesto que generalmente ninguna de las curvas basadas en datos experimentales se conoce con grado alguno de exactitud. No obstante, la ruptura debida a la entrada de humedad en un transformador puede ser causada por el aumento inicial en la pérdida en el dieléctrico, causada por humedad en alguna parte del aislamiento. La humedad es una importante impureza en el aislamiento, puesto que promueve la formación de más iones, haciendo así mejores conductores a los compuestos iónicos. 10.4 Descubrimiento de fallas en el equipo de los transformadores. A pesar del penoso trabajo de diseño y construcción de los transformadores, del diseño sumamente cuidadoso del circuito y de las estaciones para obtener una adecuada protección contra descargas atmosféricas, de una conservación a fondo, de prácticas conservadoras de carga, ocurren fallas en los transformadores. Aparte de las causales de falla relacionadas anteriormente, estas también pueden clasificarse en dos clases generales: 1. 2.
Fallas en cualquier equipo general que es parte del transformador. Fallas en los devanados del transformador.
a)
Fallas en el equipo auxiliar. El descubrimiento de falla en el equipo auxiliar es necesario para evitar las que conducen a una falla definitiva de los devanados principales del transformador. Como equipo auxiliar se comprenden entre otros:
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Aceite del transformador (a su nivel adecuado) Cojín gaseoso (atmósfera inerte sobre el aceite) Ventiladores. Termómetros.
Sobre estos últimos, utilizados en los transformadores con refrigeración tipo ONAF, los motores están generalmente provistos de termo guardas o protección, mediante fusibles, de manera que la falla de un motor no cause una eliminación general del servicio del circuito de motores y los operadores recurren a una inspección periódica para descubrir ventiladores fuera de servicio. El termómetro de aceite caliente como indicador de flujo del aceite. Estos indicarán indirectamente si el flujo del aceite está seriamente estorbado por algún accidente. b) Fallas en el devanado principal del transformador. El problema más difícil de todos es el descubrimiento de fallas en el devanado, las cuales pueden dividirse en tres clases. 1. 2. 3.
Contactos flojos Fallas entre espiras adyacentes o parte de las bobinas. Fallas a tierra o a través de los devanados completos.
Estas fallas pueden ser descubiertas de dos modos: a) b) c)
Medición del gas formado por un arco, o severo calentamiento local. Medición del desequilibrio de la corriente (entrada contra salida) por relevadores diferenciales. Medición de las resistencias de los devanados.
Conexiones flojas. La conexión floja o falso contacto es un tipo de falla sumamente difícil de descubrir en sus primeras etapas, porque únicamente producen calentamiento local. Esta falla tiene dos efectos: 1. Produce depósitos de carbón en la conexión. 2. Ocasiona formación de gas. Falla de espira a espira. Un corto circuito entre espiras puede comenzar con el contacto mecánico resultante de fuerzas mecánicas en el transformador o por un severo deterioro del aislamiento, resultante de sobrecarga excesiva. Estas fallas pueden también originarse de la ruptura eléctrica del aislamiento del transformador por un voltaje de impulsión. Una combinación de lo anterior puede producir fallas de espira a espira.
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BIBLIOGRAFIA Bean R. L., Chackan N.,Moore H. R., Wentz E., Transformadores para la industria eléctrica., McGrawHill, 1966. Myers S. D., Kelly J. J., Parrish R. H., A guide to transformer maintenance, Transformer Maintenance Institute, 1981. Ras E., Transformadores de potencia, medida y protección, Marcombo Editores, 1969. The J. & P. Transformer Book, Stigant & Lacey, Johnson & Philips Ltda, 8ª Edition 1941. Escuela del Técnico Electricista, Teoría, Cálculo y Construcción de transformadores, Editorial Labor, Vol. VII, 5ª Edición, 1969. Transformer Engineering, L. F. Blume, G. Camilli., A. Boyanian, V. M. Montsinger, Edit. Wiley & Sons, 1946. E. E. Staff del M. I. T., Circuitos Magnéticos y transformadores, Editorial Reverté S. A. 1965. Transformers, Behl, Tata McGrawHill, New Delhi, 1987.