DETERMINACIÓN DE VIDA ÚTIL DE AISLAMIENTO DE TRANSFORMADOR DE POTENCIADE 420 MVA DE CASA DE MAQUINAS 1 DE LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA “SIMÓN

BOLÍVAR” CVG EDELCA, APLICANDO EL MODELO DE ARRHENIUS.

T. Hernández * R. Hernández ** F. Cotua **CVG EDELCA*UNEXPO**

RESUMEN

En el siguiente trabajo se presenta la determinación de la expectativade vida útil del aislamiento de transformadores de potencia de grancapacidad aplicando el modelo de Arrhenius, mediante el desarrollo deldiagnóstico del estado actual considerando variables como potenciareal, temperatura en el aceite y temperatura ambiente, para determinarel valor de temperatura en los puntos calientes, y las curvas de vidaútil del aislamiento, así como, el factor de aceleración deenvejecimiento, se plantean diversos escenarios probables para definirla evaluación de vida útil en un período aproximado de cinco años.

Se muestran los resultados obtenidos del transformador de potencia dela unidad No. 7 de Casa de Máquinas 1 de la Central Hidroeléctrica“Simón Bolívar” CVG EDELCA, para considerar acciones planificadas quegaranticen de manera oportuna el desarrollo de proyectos de mejoras y/oreemplazo.

PALABRAS CLAVE

Transformador – Vida Útil – Aislamiento - Arrhenius

1. INTRODUCCIÓN

ramonedhc@yahoo.es1

Comité Nacional Venezolano

I CONGRESO VENEZOLANO DE REDES Y ENERGÍA ELÉCTRICA

Noviembre 2007

290

El tema de la pérdida de vida útil del aislamiento del transformador hasido objeto de un complejo análisis a través de los años, en general,el envejecimiento o la deterioración del aislamiento es una función deltiempo, la temperatura, el contenido de agua y oxígeno presentes en elmaterial aislante. Con los sistemas modernos de para purificación delaceite, se garantiza una reducción al mínimo de las contribuciones dela humedad y del oxígeno, dejando la temperatura del aislamiento comoel parámetro a controlar.

ramonedhc@yahoo.es2

Los estudios realizados para determinar la vida útil del aislamiento detransformadores se remontan a principios del ciclo pasado. En 1920,Montsinger, realizó pruebas al aislamiento de devanados detransformador obteniendo una reducción de la vida del aislamientobarnizado a la mitad por cada aumento de 8 ºC en la temperatura deforma continua. En una revisión posterior, se indicó que los datos delenvejecimiento no se deben utilizar para temperaturas muy altas y quela regla de 8 ºC era incorrecta para temperaturas bajas.Posteriormente, Dakin postuló que el aislamiento del transformador sedeteriora siguiendo una modificación de la teoría de la reacciónquímica de Arrhenius, desarrollando una curva de vida simple del"Aislamiento" al relacionarla con una temperatura de funcionamiento.

Actualmente, existe un gran número de transformadores envejecidos enlos sistemas de potencia alrededor del mundo, muchas compañías estáninteresadas en conocer el tiempo de vida útil y el estado delaislamiento sólido de su equipo, para tratar así de extender el tiempode vida útil o proceder a su reemplazo y de esta manera garantizar laconfiabilidad y la calidad del servicio. CVG EDELCA poseetransformadores de potencia en operación desde hace más de cuarenta(40) años, lo que obedece a que se tomen acciones planificadas y segaranticen de manera oportuna el desarrollo de proyectos de mejoras y/oreemplazo.

En este trabajo de investigación se presenta el estudio para laestimación de la vida útil del transformador de potencia de la unidadNo. 7 de Casa de Maquinas 1 de la Central Hidroeléctrica “SimónBolívar”, aplicando el modelo de Arrhenius descrito en la norma IEEEStd C57.91-1995(R2004). Dicho estudio es realizado a través de unprograma computacional desarrollado bajo el entorno de Visual Basic,que permite de una manera eficiente y eficaz obtener los valores deestimación de vida útil del aislamiento de transformadores de potenciade gran capacidad.

2. ESPECIFICACIONES DEL TRANSFORMADOR No. 7

En la Tabla Nº 1 se presentan las características eléctricas y dediseño del transformador de potencia de la de la unidad No. 7.

ParámetrosPotencia Nominal 420 MVAVoltaje Nominal 18/400 kVCorriente Nominal 564-606-

622Conexión Y-DTipo de enfriamiento FOAAumento de Temperatura del Devanado 65 ºC

Aumento de Temperatura Aceite Superior 65 ºC

Peso del Núcleo y Bobinas 15600 kgPeso del Tanque y Accesorios 48200 kg

Volumen de aceite en el tanque 55000litros

Volumen de aceite en los enfriadores

1700litros

Pérdidas sin carga para 75ºC 235 kW

Tabla Nº 1. Características eléctricas y de daño del Transformador.

3. MODELO DE ARRHENIUS

La evidencia experimental a través de investigaciones recientes usandotermocuplas y detectores de fibra óptica indica que el flujo dellíquido que circula en la bobina de un transformador durante elcalentamiento transitorio, puede ser descrito por ecuaciones simples.Donde, la relación de la deterioración del aislamiento con respecto altiempo y a la temperatura se basa en el modelo del régimen de reacciónde Arrhenius, como se muestra en la siguiente ecuación:

(pu)

DondeΘH es la temperatura del punto caliente de la bobina, ºCVU= Vida útil del aislamiento de devanados, por unidadA y B constantes Esta ecuación expresa la dependencia del envejecimiento del aislamientoúnicamente por temperatura, permitiendo de esta forma definir la vidaútil en por unidad en función del tiempo. Muchos investigadores han

medido tasas de envejecimiento de la celulosa bajo condicionescontroladas y han presentado sus resultados de acuerdo acaracterísticas mecánicas medidas, un cierto grado de polimerización(DP) medido y tasas medidas de la concentración del gas.

Para utilizar la constante del modelo de reacción de Arrhenius, esnecesario seleccionar un solo valor para la constante B, que seríarazonablemente exacto para todas las formas de celulosa. En estudiosrecientes un valor de B igual a 15.000 es apropiado y utilizado en lacurva de vida del aislamiento de transformadores de potencia según laguía de carga (IEEE Std C57.91-1995 (R2004))m y el valor de A sugeridopor esta norma es de 9.8x10-18.

El factor de aceleración del envejecimiento (FAA) se determina para unacarga y una temperatura dadas, o para una carga y un perfil detemperatura que varía sobre un período de 24 horas. La ecuación paracalcular el FAA, es la siguiente:

(horas)

El factor de aceleración del envejecimiento equivalente deltransformador (FEQA) representa el valor de vida útil equivalente entérminos de horas ó días de la temperatura de referencia que seráconsumida durante un ciclo de carga y temperatura dado, viene dado por:

(horas)

DondeFEQA es el factor equivalente de envejecimiento para el período totaln es el índice del intervalo del tiempo, tN es el número total de los intervalos del tiempoFAA,n es el factor de aceleración de envejecimiento para la temperaturadurante el intervalo de tiempo Δtn.Δtn es el intervalo del tiempo, horasEl porcentaje de perdida de vida útil representa el porcentaje deenvejecimiento del transformador con respecto a su período de vida útilnominal en horas.

% de pérdida de vida (pu)

4. ESTIMACIÓN DE VIDA ÚTIL DEL AISLAMIENTO

La determinación de la vida útil remanente de los transformadores depotencia representa un factor decisivo o de riesgo asociado a laconfiabilidad y calidad del sistema de potencia. La expectativa de vidatécnica de un transformador de potencia está determinada por variosfactores: diseño del equipo, historia, condiciones presentes, futurasde operación y el estado actual del aislamiento.

En el aislamiento de devanados del transformador se utiliza papelimpregnado con aceite, razón por la que en la industria rige la premisaque: la vida del transformador es la vida del papel. El DP (grado depolimerización, por sus siglas en inglés) representa el número demonómeros β de glucosa, C6H10O5, presentes en la molécula de la celulosadel papel, está críticamente relacionado con la rigidez mecánica delpapel.

Durante la fabricación de un transformador, el DP del papel presenta unvalor entre 1000 y 1300, durante el secado del transformador el DPllega a 950 y posteriormente con el tiempo de servicio este valordisminuye.

Para valores de DP entre 950 y 500, la rigidez mecánica es constante,pero en el margen de 500-200 la rigidez mecánica decrece en proporcióndirecta al DP.

Para un valor de DP de 150 la rigidez mecánica se reduce a 20% delvalor inicial y debajo de este valor el papel no tiene rigidezmecánica, siendo el valor mínimo igual a 200, debido a que pierde todassus propiedades mecánicas y el equipo es susceptible a daños.

Algunos valores de prueba presentados en la norma IEEE Std C57.91-1995(R2004) y tomados como patrón de vida normal del aislamiento paraun sistema bien seco, libre de oxígeno y con elevación de temperaturaen la bobina de 65ºC para una temperatura de referencia de 110ºC sepueden seleccionar de la Tabla Nº 2.

Bases Vida normal delHoras Años

50% de la fuerza extensible retenida delaislamiento (criterio anterior de IEEEStd C57.92-1981)

65000 7.42

25% de la fuerza extensible retenida delaislamiento 135000 15.41

200 grados retenidos de polimerizaciónen el aislamiento 150000 17.12

Interpretación de los datos de pruebafuncionales de la vida del transformadorde la distribución (criterio anterior deIEEE Std C57.91-1981)

180000 20.55

NOTA:Para la fuerza extensible o grado de la polimerización (DP),los valores de la retención fueron determinados por elenvejecimiento sellado del tubo en muestras del aislamientobien secas en aceite libre de oxígeno.

Tabla Nº 2. Vida normal del aislamiento.

5. RESULTADOS

Para estimar la vida útil del transformador de potencia de la unidadNo. 7 de Casa de Máquinas 1 de la Central hidroeléctrica “SimónBolívar” se realizó un programa en Visual Basic denominado VUATP (Vidaútil del aislamiento en transformadores de potencia) el cual permitecalcular la temperatura de punto caliente de los devanados deltransformador mediante carga y temperatura ambiente durante un ciclo decarga utilizando el modelo de Arrhenius.

El procedimiento que se utilizó para estimar la vida útil delaislamiento del transformador de potencia fue el siguiente:

1.- Entrada de Datos: Los valores y/o especificaciones técnicas deltransformador, tales como, tensión corriente, elevación de temperaturade los devanados, pérdidas, volumen de aceite, peso de las bobinas,etc. Son introducidos en el programa a través de la carpeta asociada adatos del transformador y datos de entrada como se muestra en lasiguiente Figura:

Figura Nº 1. Datos de entrada del programa VUAT (Características delTransformador)

2.- Registro de Carga: Los valores de carga son obtenidos en líneamediante instrumentación conectada a la salida del generador ypresentada en la Sala de Control de Planta Guri. En la Figura Nº 2 semuestra la curva para el ciclo de carga obtenida:

Figura Nº 2. Ciclo de carga de l transformador de la unidad No.7.

3.- Registro de Temperatura Ambiente: Los datos de temperatura ambienteen las cercanias del transformador de potencia fueron obtenidos através de un registrador de temperatura, para un ciclo de 24 horas. Enlas siguientes figuras se presenta el registrador de temperatura una

vez instalado en sitio y a la vez se muestra el ciclo de temperatura enel programa:

Figura Nº 3. Registrador de temperatura ambiente instalado en sitio.

Figura Nº 4. Ciclo de temperatura ambiente del transformador de launidad No.7.

4.- Cálculos: Posteriormente, con los datos de características deltransformador, ciclo de carga y temperatura ambiente, mediantealgoritmos de la norma IEEE Std C57.91-1995(R2004) Anexo G, el programaVUATP calcula la temperatura de punto caliente en los devanados y latemperatura del aceite, posteriormente, aplica las ecuaciones dereacción de Arrhenius para determinar vida útil (VU), aceleración deenvejecimiento (FAA) y aceleración de envejecimiento equivalente (FEQ),dando como resultado las curvas de VU y FAA, así como también elporcentaje de pérdida del aislamiento del transformador para el ciclode carga y temperatura introducido. En las siguientes figuras semuestran los resultados entregados por el programa para los datos deciclo de carga y temperatura del transformador de la unidad No. 7 dePlanta Guri.

Puntos donde se midió la

Registradorde temperatura

Figura Nº 5. Curvas de vida del aislamiento y factor de aceleración de

envejecimiento.

Figura Nº 6. Resultados entregados por el programa VUATP. (FAA, FEQ y %pérdida de vida).

Para la simulación del comportamiento de la vida útil en los próximosaños se asumieron las siguientes premisas:

- Se considera una modernización de la turbina de la unidad Nº 7,permitiendo un incremento del 20% de la capacidad de generación,por lo tanto se incrementa el ciclo de carga en 0.2 pu.

- Se simula el comportamiento de la temperatura ambiente con unfunción coseno variando entre 25ºC y 40ºC, con incrementosanuales de 1ºC.

De acuerdo a lo planteado anteriormente, los resultados son mostradosen la siguiente figura:

Por lo tanto, es importante considerar que con esta rata deenvejecimiento el transformador de la unidad Nº 7, para el año 2013presenta un 10 % de vida útil, por lo tanto, se recomienda realizaracciones de reemplazo y/o mejoras en el año 2010, debido al tiempoestimado de ejecución de proyectos.

6. CONCLUSIÓN

Mediante el modelo de arrhenius se realizó una estimación de vida útilde un transformador de potencia, lo cual permite establecer acciones demejoras y/o rehabilitación en dichos equipos.

Para condiciones cercanas a la capacidad nominal del transformador, lasvariaciones en la temperatura ambiente influyen incrementando el factorde envejecimiento del transformador.

Este método es aplicable en línea a transformadores, ya que solodepende de las variables de carga y temperatura ambiente,adicionalmente este valor puede ser corregido con otras técnicas dediagnostico.

7. REFERENCIAS

ESTIM ACIÓ N DE VIDA ÚTIL TRANSFO RM ADO R Nº 07 CM I G URI

y = 2E-05x4 - 0.1936x3 + 623.08x2 - 887265x + 5E+08R2 = 1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

AÑO S

% VIDA ÚT

IL

FAA = 0.89FAA = 1.214

FAA = 1.357FAA =

1.514

Año en que se realizó mantenimiento mayor al transformador

[1] IEEE Std. C57.91-1995(R2004) “IEEE Guide for Loading Mineral-Oil-Immersed Transformer” (American National Standards InstituteDecember 2004 pages 5-97)

[2] McNutt, W. J., “Insulation Thermal Life Considerations forTransformer Loading Guides,” (IEEE Transactionson Power Delivery, vol. 7,no. 1, Jan. 1992, pages. 392–401).

[3] Instrucciones para Explotación y Mantenimiento de ASEATransformadores de Generador Trifásico 420 MVA, (Ref ASEA,Suecia L-3529.1114-1).

[4] D. Fink, H. Wayne. Manual de Ingeniería Eléctrica. Edit. McGRAW-HILL México 1996(Tomo II, Sección 10, páginas 1021-1029).

[5] D. Fink, H. Wayne. Manual de Ingeniería Eléctrica. Edit. McGRAW-HILL México 1996(Tomo II, Sección 10, páginas 1021-1029).