Cómo Diagnosticar Fallas en Transformadores y Reducir Ruido
Con el rápido desarrollo de la economía china, la industria eléctrica también ha ampliado gradualmente su escala, aumentando los requisitos tanto para la capacidad instalada como para la capacidad unitaria de los transformadores de potencia. Este artículo proporciona una breve introducción a cuatro aspectos: construcción del transformador, protección contra rayos del transformador, fallos del transformador y ruido del transformador.
Un transformador es un dispositivo eléctrico comúnmente utilizado capaz de convertir energía eléctrica alterna. Puede transformar una forma de energía eléctrica (corriente y voltaje alternos) en otra forma de energía eléctrica (con la misma frecuencia de corriente y voltaje alternos). En aplicaciones prácticas, la función principal del transformador es cambiar los niveles de voltaje, facilitando así la transmisión de energía.
Según la relación entre el voltaje de salida y el de entrada, los transformadores se clasifican como reductores o elevadores. Un transformador con una relación de voltaje menor que 1 se llama transformador reductor, cuya función principal es suministrar los voltajes necesarios para diversos dispositivos eléctricos, asegurando que los usuarios reciban el voltaje adecuado. Un transformador con una relación de voltaje mayor que 1 se llama transformador elevador, que principalmente funciona para reducir los costos de transmisión, minimizar las pérdidas de energía durante la transmisión y extender la distancia de transmisión.
Construcción del Transformador
En los transformadores de potencia de mediana y gran capacidad, se proporciona un tanque de aceite hermético, lleno de aceite de transformador. Los devanados y el núcleo del transformador están sumergidos en el aceite para lograr una mejor disipación de calor. Se utilizan embocaduras aislantes para sacar los devanados y conectarlos a los circuitos externos. Un transformador consta principalmente de los siguientes componentes: dispositivo regulador de voltaje, cuerpo principal, dispositivos terminales de salida, tanque de aceite, dispositivos protectores y dispositivos de refrigeración. El dispositivo regulador de voltaje se divide en cambios de toma bajo carga y sin carga, esencialmente un tipo de interruptor de toma; el cuerpo principal consiste en conductores, núcleo, estructura de aislamiento y devanados; los dispositivos terminales de salida incluyen embocaduras de baja y alta tensión; el tanque de aceite comprende accesorios (incluyendo válvulas de muestreo de aceite, placas de identificación, válvulas de drenaje, tornillos de tierra y ruedas) y el cuerpo principal del tanque (incluyendo fondo, paredes y tapa); los dispositivos protectores incluyen respiraderos desecantes, relés de gas, depósitos de conservación, relés flotadores de aceite, indicadores de nivel de aceite, sensores de temperatura y válvulas de seguridad; los dispositivos de refrigeración consisten en enfriadores y radiadores.
Ruido del Transformador y Medidas de Mitigación
Los transformadores a menudo producen sonido durante su operación, principalmente debido a las fuerzas electromagnéticas que causan vibración del cuerpo principal y la magnetostricción en las láminas de acero silicio bajo campos magnéticos, así como el ruido generado por los ventiladores y sopladores del sistema de refrigeración. El sistema auditivo humano puede percibir sonidos solo dentro de ciertas frecuencias de vibración; cuando la frecuencia está entre 16 Hz y 2000 Hz, puede ser oída. El ultrasonido por encima de este rango y el infrasonido por debajo no pueden ser percibidos. El ruido se propaga desde el núcleo al aire, a los devanados y a las estructuras de apriete—esta es la ruta de transmisión principal del ruido de los transformadores de potencia. El ruido puede reducirse disminuyendo la densidad de flujo magnético y minimizando la magnetostricción en las láminas de acero silicio del núcleo. Sin embargo, reducir la densidad de flujo aumenta el tamaño del núcleo y el número de láminas de acero silicio, elevando los costos. Para reducir el ruido sin aumentar los costos, es efectivo agregar componentes de amortiguación. Por ejemplo, colocar espaciadores de goma ajustados entre el devanado de baja tensión y el núcleo puede apretar el devanado y proporcionar amortiguación. Esta estructura de amortiguación ayuda a reducir el ruido durante su propagación.
Protección contra Rayos del Transformador
En China, cada año se dañan un gran número de transformadores debido a rayos. Según las autoridades pertinentes, entre los transformadores de distribución de 10 kV dañados, el 4%–10% se daña por rayos. Las conexiones inadecuadas de los conductores de tierra y la instalación incorrecta de pararrayos en los transformadores son las principales causas de daños relacionados con rayos. Los problemas clave incluyen: tierras separadas para los pararrayos de los lados de alta y baja tensión y el punto neutro del transformador; conductores de tierra demasiado largos y secciones transversales de conductores de tierra insuficientes; ausencia de pararrayos en el lado de baja tensión; uso de la estructura de soporte como conductor de tierra para los pararrayos del lado de alta tensión; y falta de realización de pruebas preventivas en los pararrayos.
Fallos del Transformador
Cuando ocurren cualquiera de los siguientes cambios en un transformador, se puede realizar un análisis de fallos basado en su condición operativa real: el transformador causa un corte de energía debido a un accidente o experimenta fenómenos como un cortocircuito en la salida, pero aún no se ha desmontado; ocurren fenómenos anormales durante la operación, forzando a los operadores a detener el transformador para inspección o prueba; durante las pruebas preventivas, la aceptación de mantenimiento o la puesta en marcha en condiciones normales de corte de energía, uno o más valores de parámetros superan los límites estándar. Si ocurre alguna de las situaciones anteriores durante el uso real, el transformador debe someterse inmediatamente a las inspecciones y pruebas pertinentes para asegurar que pueda operar normalmente.
Pasos para Determinar la Presencia de un Fallo:
Primero, determinar la posibilidad de un fallo, y si es un fallo evidente (visible) o oculto (latente).
Segundo, identificar la naturaleza del fallo—si es un fallo relacionado con el aceite o un fallo de aislamiento sólido, un fallo térmico o un fallo eléctrico.
Tercero, factores como la potencia del fallo, el tiempo hasta la activación del relé debido a la saturación, la gravedad, la tendencia de desarrollo, la temperatura del punto caliente y el nivel de saturación de gases en el aceite son indicadores comunes para determinar la presencia de un fallo.
Cuarto, encontrar un método apropiado para manejar el incidente. Si el transformador aún puede operar después del incidente, determinar durante la operación si se necesitan ajustar las medidas de seguridad y los métodos de monitoreo, y si se requiere una inspección interna o reparación.
Varias causas pueden llevar a fallos en los transformadores, que se pueden clasificar de varias maneras. Por ejemplo, por tipo de circuito, se pueden categorizar como fallos en el circuito de aceite, fallos en el circuito magnético y fallos en el circuito eléctrico. Actualmente, el fallo más frecuente y grave en los transformadores es el cortocircuito en la salida, que también puede desencadenar fallos de descarga. Los fallos de cortocircuito en los transformadores se refieren comúnmente a cortocircuitos entre fases dentro del transformador, fallos a tierra en los conductores o devanados, y cortocircuitos en la salida.
Muchos accidentes resultan de estos fallos. Por ejemplo, un cortocircuito en la salida de baja tensión de un transformador a menudo requiere el reemplazo del devanado afectado; en casos graves, todos los devanados pueden necesitar reemplazo, causando pérdidas económicas significativas y consecuencias. Los cortocircuitos en los transformadores merecen atención seria. Por ejemplo, un transformador (110 kV, 31.5 MVA, modelo SFS2E8-31500/110) experimentó un accidente de cortocircuito, acompañado de la desconexión de los interruptores de los tres lados del transformador principal y la activación de la protección de gas pesado.
Después de devolver el transformador a la fábrica para su reparación, la inspección durante el levantamiento de la cubierta reveló: óxido en la base y en la parte superior del núcleo (debido a la lluvia durante el accidente); deformación severa del devanado de media tensión en la fase C, colapso del devanado de alta tensión en la fase C, y cortocircuito entre los devanados de baja y media tensión causado por el desplazamiento de las placas de apriete; deformación severa de los devanados de media y baja tensión en la fase B; el devanado de baja tensión en la fase C se quemó en dos secciones; y numerosas partículas finas de cobre y cuentas de cobre entre los giros de los devanados. Las causas principales incluyeron: resistencia aislante insuficiente de la estructura aislante; tiras de apriete mal alineadas, almohadillas faltantes y desplazamiento suelto; y devanados sueltos.
La descarga daña principalmente el aislamiento del transformador, manifestándose en dos aspectos: Primero, los gases activos producidos por la descarga—como óxidos de cloro, ozono y calor—causan reacciones químicas bajo ciertas condiciones, llevando a la corrosión local del aislamiento, aumento de la pérdida dieléctrica y, en última instancia, ruptura térmica. Segundo, las partículas de descarga bombardean directamente el aislamiento, causando daño local del aislamiento que se expande gradualmente y finalmente se rompe.
Por ejemplo, un transformador (63 MVA, 220 kV) experimentó descargas a 1.5 veces el voltaje, acompañadas de sonidos audibles de descarga y niveles de descarga tan altos como 4000–5000 pC. Cuando el voltaje de prueba entre vueltas se redujo a 1.0 veces y el método de prueba de extremo de línea se cambió a 1.5 veces el voltaje de soporte, no ocurrió ningún sonido de descarga y el nivel de descarga disminuyó drásticamente a menos de 1000 pC. Al desarmarlo e inspeccionarlo, se encontraron trazas de descarga en forma de árbol a lo largo de los anillos de aislamiento de los extremos, principalmente debido a material aislante subestándar.
Una vez que ocurre una descarga parcial a lo largo de la superficie del aislamiento sólido, especialmente cuando están presentes tanto los componentes normales como tangenciales de la intensidad del campo eléctrico, el accidente resultante es el más grave. Los fallos de descarga parcial pueden ocurrir en cualquier ubicación con material aislante deficiente o campos eléctricos concentrados, como entre giros de devanados, en los conductores de los escudos electrostáticos de los devanados de alta tensión, entre barreras de fase y en los conductores de alta tensión.
Los transformadores son dispositivos eléctricos ampliamente utilizados en circuitos electrónicos y sistemas de potencia. Como equipo clave en la utilización, distribución y transmisión de potencia, los transformadores desempeñan un papel irremplazable. Por lo tanto, se debe prestar mayor atención a los transformadores en aplicaciones prácticas.
