By Estado del Arte 20101007042 gy uiviana1510pcz 16, 2016 | 16 pagos Universidad Distrital Francisco José de Caldas. López. Señales de vibración en los transformadores. Estado del arte de señales de vlbración en el núcleo del transformadores de potencia López Chaparro, Sandra Viviana. sorvivian@hotmail. s Universidad Distrital Francisco José de Caldas Resumen—En este artículo se pretende hacer un estado del arte acerca de las señales que produce la vibración en los núcleos de los transformadores de otencia se mostrarán los modelos matemático estrategias de correc Abstrac—these is a c ransformer vibratio índice de Términos— PACE 1 or16 to View nut*ge ct o Isis, funciones y ut core as, Tanque del Transformador, Transformador, Vibraciones. . INTRODUCCION los últimos años el análisis de las señales de vibración en el núcleo del transformador de potencia, han venido en incremento, este fenómeno es debido a que gracias a su temprana detencion, análisis y correccion, se ha permitido tener una mayor confiabilidad en el servicio eléctrico y mejorar por tanto la calidad de energía del sistema.
En este documento, se realiza un estado del arte acerca de los rincipales estudios, análisis matemáticos, formas de detección, y corrección de las señales de vibración en el núcleo del transformador, además encontrará una línea del tiempo, donde se describen los principales estudios realizados corrido de la historia se pueden resaltar diferentes estudios realizados sobre las señales de vibración de las señales del transformador, centrándose en el estudio de los ruidos producidos en el transformador de potencia y los métodos de estudios que se han dado para el análisis de los mlsmos. 10] Uno de los primeros estudios a resaltar es el que se dio urante los años de 1884 a 1963, en el que el Instituto americano de Ingenieros Eléctricos inició investigaciones acerca del ruido, estas tuvieron como objetivo identificar las principales fuentes de ruido en el transformador y las estrategias más idóneas para su corrección. [10]En el año de 1939 B. G. Churcher y J. King presentaron los resultados de sus pruebas donde se concluyó que el ruido se genera principalmente en el núcleo y en el embobinado de los transformadores. 10]En el año de 1942, J. Swaffield en conjunto con otros realiza una investigación en la que indican concluyen que el uido en transformadores se produce principalmente por tres razones: • El Flujo Interlaminar, que trae como consecuencia la vibración individual de las láminas. • La Magnetostricción, que es el efecto físico que causa vibraciones en el núcleo. • Las Fuerzas entre las bobinas producidas por las corriente que pasas por el devanado que dan lugar a la vibración en los conductores. [10]En el año de 1. 49, Murray y sus colaboradores, estudiaron el ruido que se producía en los transformadores cerca de las zonas residenciales de lo que concluyeron que egún la naturaleza del acero del núcleo, este al magnetizarse producía mayor vibración en el núcleo y po 2 OF naturaleza del acero del núcleo, este al magnetizarse produc(a mayor vibración en el núcleo y por tanto mayor ruido, ellos descubrieron que dichas vibraciones se transmiten a través de los tanques de aceite y ventilación del transformador produciendo un zumbido. 1 OlEn 1957 Edwards y otros muestran que la deformación es independiente de la dirección del flujo y que los armónicos son múltiplos de la frecuencia de la red. Pasado 1963 nacen nuevas técnicas de diseño a la par con ejoras en materiales de construcción para menos emisión de ruido. En 1966 [13] Los Polacos Lech y Tyminski proponen la aplicaclón del método de LVI para la detecclón de deformaciones de los devanados del transformador durante la prueba de cortocircuito. (Low Voltage Impulse).
Entre los anos de 1975 y 1976, Rogers Humbard y Giles describen las técnicas e instrumentación para la aplicación del método de impulso de bajo voltaje para la detección de deformaciones en transformadores[13]. En 1. 978, Dick y Erven proponen el FRA «Análisis de respuesta en frecuencia» como técnica de diagnóstico de eformaclones en transformadores. [13] En el año de 1. 988 Malewski y Poulin ,Douville y Lavallée Proponen la función de transferencia como método de estudio de las deformaciones del tranformador.
En 1. 992 Vaessen y Hanique Proponen IFRA método que utiliza una fuente especial de impulsos de bajo voltaje permitiendo así aumentar el rango de frecuencias y una reducción en ruido. [10]En 1. 996 A. Ilo y otros estudiaron como afectaban las propiedades geométricas los parámetros del núcelo del transformador de referencia. En el 2000 En el 2000,[13] DOBLE Engineering Company lanza al ercado el primer equipo especializado para la realización de la prueba del análisis de respuesta en frecuencia en transformadores.
En el 2005 [13] Satish y Sahoo realizan un modelo matemático de un transformador de dos devanados y a partir de simulaciones intentan determinar la Influencia de las respuestas individuales de los devanados. 2 En el 2012, [10] Yu Sheng Quan y Jiang Shan a partir del FEM re cálculan la fuerza mecánica y campo mag-nético de un modelo de transformador. Figura 1. Línea del tiempo, estudios realizados en acerca del rudo en el transformador [10] y desarrollo de algoritmos para su studio [131 III.
VIBRACION EN EL NUCLEO, DEVANADO DEL TRANSFORMADOR Y RAZONES QUE LO PRODUCEN A. Vibraciones [7]Las vibraciones se definen como el cambio de posición con cierta periodicidad en trayectorias que no siguen una circunferencia de un objeto respecto a una posicion de referencia. para que un cuerpo o sistema pueda vibrar, debe poseer tanto características potenciales como cinéticas. Se usan los términos de cuerpo y de sistema, ya que si un cuerpo no tiene la capacidad de vibrar por el solo puede unirse a un sistema y vibrar con este. urgir debido a la resisten vibración suelen cción interna del algún otro evento física que producto disipación de energía y por tanto limita las amplitudes de medición. B. Vibraciones en núcleo y devanados del transformador, causas. [15]Toda máquina, al entrar en operación, presenta vibraciones por las condiciones físicas que esta posee, el estudio de las vibraciones, se realiza con el fin de analizar y diagnosticar su buen desempeño, para determinar así las acciones a tomar, estos estudios, se hacen tomando como base los picos más altos que presenten las señales de vibración y comparándolos con los valores estándar.
Hacer un estudio de las vibraciones del transformador, permite hacer una estimación de las fallas, ya que las vibraciones cambian con anticipación a las fallas. Normalmente las vibraciones suelen ocurrir por dos fenómenos físicos, la magnetostricción y la presencia de fuerzas electrodinámicas. Fig. 2.
Diagrama de fuerzas radiales y axiales en el transformador La magnetostricción es un fenómeno que ocurre a nivel microscópco, este permite que los materiales ferromagnéticos modifiquen su estructura para magnetizarse, y de esta forma fluya en ellos el campo magnético, para que esto se pueda ealizar, debe existir un equilibrio entre las fuerzas eléctricas y magnéticas, de lo contrario se generaran cambios en las dimensiones del transformador produciendo así deformaciones mecánicas y magnéticas que causan vibraciones, este fenómeno produce vibraciones directas en el núcleo del transformador, es proporcional al cuadrado de la tensión ecuación (1) Tomada de La magnetostricción da lugar a las fuerzas electrodinámicas, s OF (l) Tomada de [4]. La magnetostricclón da lugar a las fuerzas electrodinámicas, estas producen vibraciones en el devanado del transformador e potencia; dichas fuerzas presentan componentes radiales, que generar compresión interna y expansión externa del devanado, además de componentes axiales, que causan compresión vertical del mismo, esto es debido como se puede apreciar en la figura 2 a la dirección contraria que tiene la corriente en cada uno de los bobinados. La fuerza electrodinámica es directamente proporcional al cuadrado de la corriente que fluye en el devanado y también tiene dirección axial y radial. Ecuación (1) tomada de [3] C.
Transformada de Paquetes Wavelet o paquetes de onda, (tren de pulsos) 14]Método matemático utilizado en el dominio tiempofrecuencia [3] se utiliza para descomponer la señal de vibración en un conjunto de banda estrecha para poder ser examinado y tener solamente la señal de mayor energía, además se utiliza para separar la señal de transformador de la de los ruidos de vibración dejando una señal que tiene información útil en términos de funciones de tren de ondas en diferentes escalas en el dominio del tiempo. V. FORMAS DE MEDIR LAS VIBRACIONES EN EL NUCLEO C. Formas de detectar vibr estos componentes, ya que esto obligaría a suspender el servicio, por esto se suele hacer la edida directa el tanque de aceite o refrigeración del mismo, midiendo las vibraciones y la velocidad que estas tienen en las paredes del tanque. IV. MÉTODOS MATEMATICOS PARA EL ANALISIS DE LAS SENALES A. Transformada Rápida de Fourier (FFT) [5]Método matemático utilizado en el dominio de la frecuencia compleja, que a partir de sumatorias analiza señales discretizadas o segmentadas en el tiempo, esta se usa con el fin de calcular Transformada discreta de Fourier. 3] Este método descompone la señal de vibración en vanas señales con diferente frecuencia y amplitud donde la señal de ibración en el dominio del tiempo se descompone en una función oscilatoria en el dominio de la frecuencia, esta transformación resultante muestra que la señal de vibración está formada en señales con diferentes frecuencias, pero con una señal dominante a una frecuencia que suele ser un múltiplo de la frecuencia del sistema, por ejemplo si se tiene una frecuencia de 50hz, entonces se genera una de 100hz. B. Trasnformada de Hllbert Huang (HHT) Método matemático [5] usado para descomponer una señal en las llamadas funciones del modo intrínsecas (FMI), y obtener la frecuencia instantánea de datos.
Está diseñado para trabajar con datos que no son ni lineales ni estacionarios, En contraste con otras transformadas comunes como la transformada de Fourier, la HHT tiene más cercanía a un algoritmo (un enfoque emp(rico) que se puede aplicar a un conjunto de datos[3] HHT se utiliza para mostrar los cambios instantáneos en aplicar a un instantáneos en la frecuencia y las correspondientes bandas de frecuencia de las señales de vibración de los transformadores como una señal característica en la estructura de los transformadores, HHT se puede utilizar también para ver el ambio de frecuencia instantánea y proporcionar un análisis y procesamiento de las señales de vibración del transformador más amplio. 7]Si bien la mayoría de formas para realizar la medición de dichas vibraciones se hacen a partir de pruebas al aire libre, estás deben realizarse tanto en condlciones de operación normales, como en falla, además como se dijo anteriormente se deben realizar de tal forma que no se retire el equipo de operación, algunas de estas son las siguientes: A. A partir de un monitoreo on line de las vibraciones en el tanque de aceite del transformador 4] Este modelo, se realiza a partir de un monitoreo «on line» de las vibraciones en el tanque de aceite del transformador con el objetivo de diagnosticar problemas de deformaclón en el devanado del transformador, previendo asi problemas inesperados.
Dicho análisis se hace a través de la instalación de sensores en el tanque del transformador, estos toman las señales que son enviadas posteriormente al laboratorio, donde se hace una relación y análisis exhaustivo de estas en función de los patrones de vibración tanto del núcleo como de los devanados, haciendo el procedimiento más seguro ya que es no invasivo, ero preciso. En la conferencia Internacional sobre condiclones, monitoreo y diagnostico realizada en I preciso. En la conferencia Internacional sobre condiciones, monitoreo y diagnostico realizada en Indonesia en Septiembre del año se presentan las gráficas 2, 3 y 4, resultantes de datos tomados en las paredes del tanque de un transformador de 30 MVA, 150/20 kV, el que por sus especificaciones permitió hacer un análisis de solo 3 fuentes que son los dos devanados y el núcleo. Fig. 3. Desplazamiento de la señal de vibración, en el dominio de la frecuencia, tomado de [1]
En la figura 3 podemos observar la señal resultante de los datos tomados el desplazamiento en micro metros respecto a la frecuencia en Hz, a partir de esta gráfica se pudo analizar que al estar en rangos por debajo de 20Hz, tiende a tener mayor influencia de los eventos externos, por lo que no es una buena señal de referencia para el estudio. 4 relacionado con el registro de las vibraciones mientras se enciende la unidad con los tornillos sueltos de la brida superior (primer grado de avería), la tercera fase de las mediciones se llevó a cabo durante un total aflojamiento de la rida superior y una presión mecánica simultánea en el prensado del paquete de hojas del circuito magnético (Segundo grado de avería). Fig 4. Señal de Velocidad e sobre segundos, con respecto a la frecuencia e pesar de tener frecuencias más altas que la de la posición, sigue siendo influenciado por los choques externos. or último en la figura 5, encontramos graficada la aceleración presentada por las vibraciones, en esta se puede observar que como el espectro de frecuencia es más alta, no es influenciado por el medio ambiente por tanto es óptima para el estudio de las vibraciones en las partes del transformador Figura 6. Diagrama ubicación de los acelerómetros en el núcleo del transformador, tomada de [6]. [6]El Tiempo total de registro de las señales vibroacústicas para el encendido del transformador a las condiciones de funcionamiento estable, sin carga se determinó como t = 10 s. La banda de frecuencias analizada de las vibraciones medidas se tomó en el rango de 5 a 6400 Hz. El análisis de las vibraciones se llevó a cabo en dominio de tiempo-frecuencia en el entorno de Matlab con el uso de Escalogramas CWT.
Como resultado del análisis de estas averías en CWT, se obtienen las gráficas 7 y 8, donde se analizan los resultados en n transformador sin averías en el núcleo, estos gráficos representan la amplitud de la onda con la escala de colores, que se encuentra bajo cada una de ellas, además cabe resaltar que se soltaron los tornillos solamente de la parte superior del núcleo. Fig. 5. Aceleración en la señal de vibración, tomada de [1]. B. A partir del análisis vibroacústico del transformador [6] El método propuesto por los autores, es llamado el «método vibroacústico modificado» este se basa en las medlciones y análisis tiempo-frecuencia de las wbraciones medidas en condiciones de fu
