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Análisis de resistencia dinámica (DRM) en cambiadores de tomas en carga e interruptores de potencia

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Imagen del artículo Análisis de resistencia dinámica (DRM) en cambiadores de tomas en carga e interruptores de potencia

Victor LOZANO
Alexander HERRERA
Boris BATLLE

OMICRON Technologies

RESUMEN

Tras dos décadas considerado uno de los ensayos más complejos de realizar en campo, la medida de resistencia dinámica en interruptores de potencia, gracias a la tecnología actual, es desde hace unos años una prueba sencilla y rápida de ejecutar, ofreciendo además información muy valiosa sobre el estado del interruptor, ya que es capaz de detectar y/o confirmar problemas en los contactos de la cámara de corte.

En el ámbito de los cambiadores de tomas en carga (CTC u OLTC por sus siglas en inglés), es un método que también ha resultado muy interesante y por ello cada vez se encuentra más presente en las gamas de mantenimiento de los transformadores de potencia. Hoy en día es posible planificar un mantenimiento basado en la condición (CBM) de los CTC.

I. INTRODUCCIÓN

Los interruptores de potencia tienen una importante responsabilidad en el sistema eléctrico, ya que son los encargados de la desconexión de una parte del sistema de potencia cuando así es necesario. En concreto, el componente crítico es la cámara de corte, la cual debe soportar corrientes y temperaturas muy altas cuando actúa (Figura 1).

Figura 1. Contacto de arco durante una operación de apertura (Fuente: Siemens)

Para asegurar un corte rápido, efectivo y seguro del suministro, cada una de las partes que componen el interruptor deben encontrarse en perfecto estado para desempeñar correctamente su función. Por medio de un conjunto de pruebas definidas, es posible determinar la velocidad, el sincronismo, el movimiento y el buen contacto de los elementos implicados en la conexión y desconexión.

Una de las partes más delicadas dentro de la cámara son los contactos principales y el contacto de arco, siendo este último el que mayor estrés sufre en cada operación de apertura.

El ensayo más apropiado para analizar la integridad y el desgaste del contacto de arco es el de resistencia dinámica (DRM)

Durante cerca de 25 años, las medidas DRM han sido complejas y delicadas a la hora de llevarlas a cabo en campo. Afortunadamente, hoy en día gracias a la evolución electrónica, es posible realizarlas de una forma sencilla y aprovechando el cableado realizado para el resto de pruebas, simplemente implica un click de botón más.

Las medidas DRM consisten en monitorizar a una alta frecuencia de muestreo, el comportamiento de la medida de resistencia ohmica durante el proceso de apertura de los contactos (en el caso de interruptores) o de conmutación de posiciones (en el caso de cambiadores en carga). De esta forma, es posible analizar en detalle cada momento de la secuencia registrada.

Estas medidas son realizadas utilizando el mismo cableado empleado para la prueba de resistencia estática, es decir, el método Kelvin (a 4 hilos), donde por medio de dos hilos se inyecta una corriente y por medio de otros dos se recoge la medida de tensión instantánea, calculándose así la resistencia de acuerdo a la ley de Ohm.

En cambio, cuando hablamos de OLTC, se monitoriza la resistencia dinámica de todo el conjunto que compone el cambiador de tomas. Obteniendo así una huella de la condición de todos los componentes implicados en el proceso de conmutación.

Como se puede observar en la Figura 2, el cambiador de tomas acumula el 31,2% de los fallos registrados en transformadores de potencia.

Figura 2. Estadística de Cigré (Working Group A2.3, 2015, TB 642)

II. FUNDAMENTOS DE MEDIDA EN INTERRUPTORES

Hoy en día es posible realizar la medida de resistencia dinámica con el mismo equipamiento y cableado usado para el resto de medidas como sincronismo y resistencia estática, además, de forma simultánea en múltiples cámaras.

La medida de resistencia dinámica consiste en inyectar una corriente CC (normalmente 100 A) y medir la caída de tensión durante la maniobra de apertura o cierre del interruptor. De esta forma queda registrado el comportamiento de la resistencia, graficando así cada una de las fases implicadas en el proceso.

En el caso de los interruptores de potencia, normalmente se combinan las medidas de resistencia dinámica con las de recorrido (carrera) para determinar el estado del contacto de arco, lo cual evita la necesidad de desmontar la cámara del interruptor para una inspección.

Es necesario registrar esta secuencia con una alta frecuencia de muestreo para poder ver con claridad cualquier defecto que pudiese ocurrir en cualquier instante.

Como se puede observar en la Fig. 3, las medidas DRM en combinación con la curva de recorrido (carrera) permite conocer la longitud del contacto de arco. Adicionalmente, el análisis de gas (SF6) proporciona mayor información sobre la condición general de la cámara de corte.

Figura 3. Ejemplo de medidas DRM en un interruptor

III. FUNDAMENTOS DE MEDIDA EN TRANSFORMADORES

Existen tres formas de visualizar el comportamiento dinámico del OLTC: curva de corriente, curva de tensión y curva de resistencia, aunque normalmente se utiliza la gráfica de corriente.

Como se puede apreciar en la Fig. 4, el principio de medida es el mismo que el usado en interruptores, se inyecta una corriente en el devanado, la cual recorre el OLTC pasando por los distintos elementos que lo componen durante el proceso de conmutación, lo cual provoca un comportamiento distinto de la corriente en los instantes en los que intervienen las resistencias de conmutación implicadas en cada conmutación (Fig. 4).

Figura 4. Ejemplo del circuito de medida

Teniendo en cuenta que es el único elemento dinámico en el transformador, es también requerida una prueba dinámica para así asegurar un correcto funcionamiento de cada una de las partes implicadas en la conmutación. Los fabricantes de conmutadores en carga especifican el tiempo de la secuencia completa (40 – 60 ms), de tal forma que cualquier defecto o desgaste presente en los contactos, cables, muelles, resistencias de conmutación o incluso la influencia de la contaminación sobre los elementos de contacto, serán detectados en la representación gráfica registrada y en el tiempo total registrado.

Figura 5. Secuencia completa

El análisis DRM proporciona información complementaria a los ensayos convencionales y sin necesidad de ampliar los tiempos de ensayo, ya que es realizada al mismo tiempo que la prueba de resistencia de devanados.

El análisis se basa en la comparación de curvas de cada conmutación del cambiador de tomas y el patrón esperado según el fabricante y modelo implicado en la prueba.

Desde el punto de vista constructivo, el cambiador puede contener preselector, inversor u otros elementos que hay que tener en cuenta cuando se realiza el análisis de gráficas. Por ejemplo, en la Fig. 6 se pueden ver dos de los conmutadores (ruptores) más comunes.

Figura 6. Tipos de conmutadores: selector-ruptor (izquierda) y selector rotativo (derecha)

IV. MEDIDAS SOBRE UN INTERRUPTOR EN NORUEGA

Se realizaron pruebas para determinar la condición de un interruptor con las siguientes características:

  • Año de fabricación: 1986
    • Tensión nominal: 315 kV
    • Corriente nominal: 3,15 kA
    • Dos cámaras por fase
    • Mecanismo neumático
Figura 7. Interruptor en pruebas

En la Figura 8 se observan los resultados de resistencia estática obtenidos. En ellos se aprecia una pequeña desviación de valores entre cámaras, lo que hasta cierto grado podría parecer normal. Sin embargo, no es determinante para emitir un diagnóstico concluyente de la condición del interruptor, ya que con esta prueba solo se evalúan los contactos principales.

Figura 8. Resultados de las medidas de resistencia estática

En los registros de resistencia dinámica (Fig.9), en el lado izquierdo se observa la resistencia dinámica mientras que en el lado derecho se grafica la corriente inyectada a cada cámara (100 A CC).

Claramente se observa que la segunda cámara de la fase 3 abre el contacto unos 4 ms. antes que el resto de los contactos. De la misma manera, la corriente inyectada presenta una considerable discontinuidad en la región de transición entre el contacto principal y el contacto de arco. Por lo tanto, se confirma que existe un problema en esa cámara.

Figura 9. Resultados de las medidas DRM (OMICRON PTM-CIBANO 500)

Se decidió programar una inspección al interruptor para examinar con detalle los defectos y realizar las labores de reparación necesarias.

En la figura 10 se observa que el contacto principal ha estado sometido a fuertes arcos eléctricos, provocando un deterioro de estos contactos, los cuales no están diseñados para este nivel de estrés.

Figura 10. Contacto principal dañado
Figura 11. Después de la reparación

Se procedió a la reparación de las partes dañadas y se repitieron las pruebas en campo observando una clara mejoría en los resultados tanto de resistencia de contacto como en las gráficas de DRM, (Figs. 12 y 13)

Figuras 12 y 13. Resultados de las pruebas después de la reparación en taller (OMICRON PTM-CIBANO 500)

V. MEDIDAS SOBRE UN TRANSFORMADOR EN AUSTRIA

Transformador trifásico fabricado en 1966, 12MVA, 110/10kV y grupo de conexión YNd11 con OLTC del fabricante MR (Tipo D)

Figura 14. Transformador usado para las pruebas.
Figura 4. Cambiador de tomas

Con el objetivo de ver el comportamiento del ensayo de resistencia dinámica en distintas situaciones, se manipuló el cambiador de tomas en carga provocando tres escenarios distintos en las resistencias de conmutación de las tres fases (Fig. 15)

Figura 15. Fase A en condiciones normales (izquierda), Fase B con cortocircuito provocado (centro) y Fase C desconectando una de ellas (derecha)

Este cambiador de tomas dispone de dos bloques de 4 resistencias (8 resistencias) por fase, conectadas en serie como se puede ver en la Fig. 16

Figura 16. Esquema de conexiones

La figura 17 representa el comportamiento de las tres fases durante todo el proceso de conmutación (desde el punto A al punto B), donde se puede apreciar claramente que las firmas presentan diferentes comportamientos: distintas inclinaciones de corriente en la primera parte (correspondiente a distintos valores resistivos) y misma inclinación en la segunda parte, debido a que las tres fases presentan el mismo valor de resistencia de conmutación.

Figura 17. Curvas de DRM en las tres fases (5 -> 4)

Por el contrario, cuando se realiza la conmutación contraria (iniciando en el punto B y terminando en A), las tres fases presentan la misma forma en la primera parte de la gráfica, pero desde el momento que interviene el bloque de resistencias manipuladas, se observa un descenso drástico de la corriente en la fase C y una leve diferencia entre las fases A y B debido a la diferencia resistiva de las resistencias de conmutación (véase Figura 18).

También se puede apreciar una disminución en el tiempo total de conmutación de la fase C con respecto a las fases A y B.

Figura 18. Curvas de DRM en las tres fases (4 -> 3)

VI. CONCLUSIONES

El análisis de resistencia dinámica (DRM) ha demostrado ser un ensayo muy interesante y que aporta una valiosa información en campo, al ofrecer la posibilidad de diagnosticar elementos dinámicos simulando su comportamiento en condiciones reales. De esta forma es posible complementar a los ensayos convencionales, sin necesidad de extender el tiempo pruebas en campo y para una mejor detección de los defectos incipientes tanto en el interruptor de potencia como en el cambiador de tomas en carga, lo cual se traduce en una optimización de las labores de mantenimiento, reducción de costes de reparación y una mejor fiabilidad del sistema eléctrico.

RERERENCIAS

  • C. Plath, M. Pütter, 2017, PotM-2017-03-Article_Dynamic-Analysis-and-Testing-of-LTC-by-DRM_ENU- final (https://www.omicronenergy.com)
  • Transformer reliability survey‖, CIGRE Technical Brochure 642, December 2015.
  • Power-Transformer-Testing-Brochure-ESP.pdf  (https://www.omicronenergy.com)
  • IEEE Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution, Power and Regulating Transformers and IEEE Guide for Short-Circuit Testing of Distribution and Power Transformers, IEEE C57.12.90 – 2006
  • Michael Krüger ― Fault location on Power Transformers with electrical measuring methods” Klaus, Austria, 2007,

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