¿Qué pruebas se deben realizar después de un cortocircuito repentino?

—Procedimiento operativo de la prueba de deformación del bobinado (método FRA)

Los transformadores son el equipo principal de los sistemas eléctricos, y su funcionamiento seguro y estable es crucial. Cuando un transformador sufre un cortocircuito repentino, sus devanados pueden sufrir deformaciones mecánicas imperceptibles a simple vista. Si estos posibles daños no se detectan a tiempo, pueden provocar una degradación del aislamiento, un aumento de las descargas parciales y, en última instancia, una falla catastrófica. Según las normas de la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) y las estadísticas de State Grid Corporation, la deformación de los devanados es una de las principales causas de fallas en los transformadores tras un cortocircuito. Este artículo detalla cómo evaluar científicamente las condiciones de los devanados mediante el método de Análisis de Respuesta en Frecuencia (FRA), una técnica de detección reconocida internacionalmente, para obtener datos fiables que permitan tomar decisiones de mantenimiento posteriores.

Contenido

1. El mecanismo de impacto de los cortocircuitos repentinos en los devanados de los transformadores

● Principios de las fuerzas electrodinámicas de cortocircuito

Durante un cortocircuito (especialmente un cortocircuito trifásico), los devanados soportan corrientes de cortocircuito instantáneas de 10 a 25 veces superiores a la corriente nominal. Según la ley de fuerza de Ampere (F = BIL), estas corrientes generan una enorme tensión mecánica bajo la influencia de campos magnéticos de fuga. Estas fuerzas se pueden clasificar en dos tipos:

(1) Fuerzas radiales:Comprima el devanado interior hacia adentro y expanda el devanado exterior hacia afuera.
(2)Fuerzas axiales: Provocar deformación por compresión o estiramiento en los extremos superior e inferior del devanado.

La fuerza máxima instantánea puede alcanzar decenas de toneladas, superando ampliamente la resistencia de diseño del devanado, lo que genera los siguientes patrones de deformación típicos:

● El proceso de desarrollo de la deformación del bobinado

La deformación del devanado después de un cortocircuito generalmente progresa a través de tres etapas:

(1)Deformación elástica instantánea:Deformación recuperable en el momento del cortocircuito, que puede no ser detectable en las pruebas.
(2)Etapa de deformación plástica: La deformación permanente se produce cuando se supera el límite elástico del material.
(3)Efecto de daño acumulativo:Los cortocircuitos repetidos hacen que la deformación se acumule, lo que eventualmente conduce a una falla del aislamiento.

Una investigación del Consejo Internacional de Grandes Sistemas Eléctricos (CIGRE) muestra que aproximadamente el 68% de los transformadores presentan una deformación medible del devanado después de cortocircuitos severos y que el 30% desarrolla fallas graves durante el funcionamiento posterior.

2. Principios técnicos de FRA para detectar la deformación del bobinado

● Conceptos básicos del análisis de respuesta de frecuencia

El método de Análisis de Respuesta en Frecuencia (FRA) evalúa el estado mecánico de los devanados del transformador midiendo los cambios en sus características de impedancia a diferentes frecuencias. La base teórica es:

Un devanado puede modelarse como una red distribuida de inductancia (L), capacitancia (C) y resistencia (R). Su función de respuesta en frecuencia, H(f), se expresa como:

H(f) = Vsalida(f)/Ventrada = Zw/[Zs+Zw]

Donde Zw es la impedancia del devanado y Zs es la impedancia de la fuente de señal.

Cuando se produce una deformación física, los parámetros distribuidos L y C cambian, lo que provoca desplazamientos en los puntos de frecuencia característicos de la curva de respuesta. Al comparar datos históricos y datos de fase a fase, se puede identificar con precisión la ubicación y la extensión de la deformación.

● Ventajas del método FRA

En comparación con los métodos tradicionales, FRA ofrece los siguientes beneficios clave:

(1)Alta sensibilidad:Detecta cambios de capacitancia menores de hasta 0.1%.
(2)No destructivo: El voltaje de prueba normalmente es <10 V, lo que garantiza que no haya daños en el aislamiento.
(3)Análisis de frecuencia completa: Cubre de 1 kHz a 1 MHz y refleja información a diferentes profundidades.
(4)Evaluación cuantitativa:Utiliza métricas como el coeficiente de correlación (CC) y el error cuadrático medio (MSE) para una evaluación objetiva.

Según la norma IEEE Std C57.156-2016, el método FRA logra una precisión de más del 95 % en la detección de la deformación del devanado y se ha convertido en un procedimiento de prueba obligatorio para las compañías eléctricas de Europa y EE. UU.

3. Procedimiento de prueba FRA estandarizado (conforme a IEC 60076-18)

● Preparaciones básicas

(1)Aislamiento de seguridad:Implemente procedimientos de bloqueo y etiquetado (LOTO) para garantizar que el transformador esté completamente desenergizado y conectado a tierra (voltaje residual <50 V).

(2)Retire todas las conexiones externas, especialmente los cables de derivación de los pasamuros, para evitar interferencias de señal. Este paso elimina el 90 % de los errores en las pruebas in situ.

Controles ambientales

(1)Temperatura:Registre la temperatura ambiente (consulte el estándar IEEE C57.152).
(2)Humedad:≤85% (la humedad alta aumenta la corriente de fuga de superficie).
(3)Interferencia electromagnetica:Realice pruebas 2 horas después del apagado (para evitar sobretensión del sistema).

● Opciones de configuración del cableado clave

Pasos clave:Priorice el método de extremo a extremo: conecte la fuente de señal al aislador de alta tensión y el terminal de medición al neutro de puesta a tierra (como se muestra en la Figura 1). La resistencia del cableado debe ser <0.5 Ω para evitar la distorsión de las curvas de baja frecuencia.

● Configuración de parámetros inteligentes

fmax = 150 / Clasificación MVA (MHz)

(1)Rango de frecuencia: 1 kHz – [valor calculado] MHz (por ejemplo, 1.5 MHz para un transformador de 100 MVA).
(2)Densidad de escaneo: ≥800 puntos (distribución logarítmica, automáticamente más densa en rangos de alta frecuencia).
(3)Voltaje de excitación: 10 V (equilibra la relación señal-ruido y la seguridad).
(4)Procesamiento de señales: aplicar ventana de Hanning + promedio de 32 tiempos (suprime el ruido aleatorio).

4. Análisis de datos y diagnóstico inteligente (basado en IEEE C57.156)

● Métricas de diagnóstico básicas

● Patrones típicos de firma de falla

En resumen

La prueba de deformación del devanado (método FRA) es el método de referencia para la evaluación del estado de los transformadores tras un cortocircuito. Su implementación científicamente estandarizada es crucial para garantizar la seguridad de los equipos. Este artículo ofrece una guía completa que abarca la preparación de la prueba, la ejecución in situ y el análisis de datos. Es importante destacar que la precisión de los resultados de FRA depende en gran medida del cumplimiento de los procedimientos y de la integridad de los datos de referencia. Se recomienda a las empresas establecer una base de datos de FRA de ciclo de vida completo y alinearse con las normas internacionales (p. ej., IEC 60076-18) para maximizar el valor de la tecnología. En subestaciones críticas, los sistemas de monitorización de FRA en línea permiten el seguimiento del estado del devanado en tiempo real, previniendo posibles fallos en una etapa temprana.

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