EN EL PAPEL DE UN TRANSFORMADOR DE POTENCIA SOMETIDO A SOBRECARGA T DIAGNÓSTICO DEL TIEMPO SEGURO DE OPERACIÓN EN EL

MISMO, Y PROCESO

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se ubica en el campo de la electrónica. Específicamente, la presente invención se refiere a un dispositivo electrónico diseñado para monitorear y determinar en linea, la humedad en el papel de un transformador de potencia, preferentemente tipo columnas, y diagnosticar el tiempo seguro de operación, en el cual el transformador puede ser sometido a una sobrecarga , sin que se presente el riesgo de generación de burbujas de vapor de agua en el interior del transformador; asimismo el dispositivo electrónico cuenta con dos microcontroladores en donde están implementados dos modelos matemáticos para determinar el porcentaje de humedad en el papel y la temperatura de generación de burbujas, además de un tercer modelo con el que se estima el porcentaje de perdida de vida del transformador y la temperatura máxima de Hot Spot alcanzada durante la aplicación de la sobrecarga. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La problemática más importante que genera desgaste y reduce la vida de los transformadores de potencia tipo columnas está relacionada con su proceso de envejecimiento. El sistema aislante (papel y aceite) se degrada a través del tiempo, este proceso depende de las condiciones térmicas y eléctricas a las cuales es sometido, asi como factores tales como agua u oxigeno que puedan introducirse al sistema acelerando su proceso de envejecimiento.

La presencia de humedad en el interior del transformador influye en el deterioro de las propiedades dieléctricas del sistema aislante (papel/aceite) , además produce el envejecimiento acelerado del papel, y la emisión de burbujas de vapor de agua a elevadas temperaturas. Durante la operación del transformador, los cambios en la temperatura provocan la migración de humedad entre el papel y el aceite. Cuando se incrementa la temperatura dentro del transformador, la humedad migra del papel hacia el aceite y cuando la temperatura desciende, la humedad regresa al papel.

Este fenómeno modifica las propiedades dieléctricas del papel aislante y produce el envejecimiento acelerado del papel, aumentando el riesgo de condiciones de falla en el transformador.

Cuando un trasformador es sometido a una sobrecarga, se produce un incremento en la temperatura del sistema aislante papel/aceite en un corto periodo de tiempo, la presencia de humedad en el papel provoca migración súbita de la humedad desde el papel hacia el aceite, con lo que la posibilidad de que se presente el fenómeno de generación de burbujas a causa de esta migración de humedad es muy alta.

La humedad del ambiente entra en los transformadores por fallas en los empaques o fugas. Un pequeño aumento en el porcentaje de humedad, reduce en gran medida la expectativa de vida del aislamiento, ya que al elevarse la temperatura y la presión durante una sobrecarga, esta humedad puede convertirse en burbujas de vapor de agua en el interior del transformador, debido a que la rigidez dieléctrica de los gases es mucho menor que la resistencia dieléctrica del aceite o el aislamiento de celulosa puede producirse una falla en el equipo y una reducción de vida de este. Por lo tanto, evaluar el contenido de humedad en el aislamiento y la temperatura de formación de burbujas es un factor fundamental para garantizar la fiabilidad y longevidad del transformador.

Actualmente los dispositivos desarrollados para determinar el contenido de la humedad en el papel aislante de las bobinas en trasformadores de potencia, están basados en métodos y técnicas de diagnóstico que solo permiten realizar esta estimación cuando el transformador esta fuera de operación (fuera de linea) .

De la misma manera/ si bien existen algunos dispositivos electrónicos capaces de determinar en linea el contenido de humedad en el papel y la temperatura de generación de burbujas en transformadores de potencia, dichos dispositivos utilizan modelos matemáticos que fueron desarrollados asumiendo que la humedad es uniforme en todo el transformador, lo cual no es representativo de la condición real de operación, ya que el fenómeno de migración de humedad es dependiente del perfil térmico axial.

En este sentido la patente US 8, 149, 003 describe un sistema que permite determinar el contenido de humedad de un transformador, dicho sistema comprende las etapas de medir las propiedades dieléctricas y la temperatura de aislamiento dependiendo de la frecuencia de un voltaje el cual es aplicado al transformador; aplicar diferentes respuestas dieléctricas; y aplicar una fórmula mediante la cual se determinan respuestas dieléctricas y/o propiedades dieléctricas, no obstante está medición se realiza fuera de linea.

La patente US 7, 516, 651 se refiere a un método para determinar el contenido de agua de un aislante sólido en un lugar especifico dentro de un transformador, dicho método comprende determinar la temperatura de un aislante sólido, calcular la saturación de humedad relativa del aceite, calcular el último contenido de agua y calcular el contenido de agua reciente, dicha medición se realiza en linea.

La patente OS 6, 779, 385 muestra un dispositivo para monitorear el contenido de humedad de un material dieléctrico sólido dentro de un recinto, dicho material sumergido en un fluido dieléctrico; el dispositivo comprende medios para medir la humedad, medios para medir la temperatura y medios de circuito electrónico para capturar los datos respecto al nivel de humedad, en este caso el cálculo se realiza con base a la variación de la solubilidad del agua respecto a la temperatura, la humedad en el aceite y la temperatura del aceite.

La solicitud internacional WO/2007/038845 describe un sistema para medir y monitorear la cantidad de humedad de aceite aislante en transformadores, dicho sistema comprende un módulo sensor que está en contacto con el aceite y una interfaz del módulo, ios cuales permiten la medición y monitoreo de humedad en el aceite, el sistema permite programar valores limites de manera que cuando estos son rebasados se active una serie de alarmas, la medición se realiza en linea.

La patente EP 2, 348, 307 se refiere a un dispositivo y método para diagnósticos en línea y el control del comportamiento dieléctrico de transformadores utilizando un lector en línea de la humedad relativa del aceite y su temperatura, lo cual determina la fuerza dieléctrica del aceite lo que permite un cambio del régimen operacionai de un transformador para prevenir efectivamente cualquier decremento de la fuerza dieléctrica del aceite por debajo de los límites requeridos por la norma.

SUMARIO DE LE INVENCIÓN

Por lo tanto, un objetivo de la presente invención es brindar un dispositivo electrónico para determinar la capacidad de sostener con seguridad las condiciones de sobrecarga temporal y su tiempo de aplicación en un transformador de potencia, además de un diagnóstico oportuno para la prevención de fallas ya que determina el contenido de humedad en papel aislante de las bobinas, sin necesidad de sacar el trasformador de operación, así como la temperatura de generación de burbujas, lo que minimiza el riesgo de un posible daño catastrófico del equipo.

Es un objetivo más de la presente invención, brindar un dispositivo electrónico con la capacidad de estimar en tiempo real, el contenido de humedad en el papel aislante y la distribución axial de la humedad en el papel, en 4 zonas térmicas distribuidas equidistantemente en la altura del devanado, esto es realizado con base a un modelo matemático desarrollado experimentalmente en función de un perfil térmico, parámetros de diseño y condiciones de operación en linea, además el modelo también toma en consideración el envejecimiento del sistema aislante papel-aceite, por lo que la estimación de dinámica de la migración de humedad es más precisa que las curvas de equilibrio estático que utilizan los modelos convencionales.

Asimismo, un objetivo más de la presente invención es brindar un dispositivo electrónico que utiliza un segundo modelo matemático mediante el cual, con el resultado del porcentaje de humedad determinado por el modelo anterior, puede estimar el limite de tiempo en el que un transformador puede ser sometido a una sobrecarga antes de que éste sobrepase el umbral de temperatura de generación de burbujas de vapor de agua.

De igual forma, es un objetivo más de la presente invención brindar un dispositivo electrónico que utiliza un tercer modelo matemático basado en la norma C.57.91-1995 con el cual es posible estimar la temperatura máxima del Hot spot que será alcanzada durante el tiempo de aplicación de la sobrecarga y el porcentaje de pérdida de vida que sufrirá el equipo, debido al incremento de la temperatura durante este periodo.

Es además un objetivo de la presente invención, brindar un dispositivo electrónico el cual comprende 2 microcontroladores principales, en donde uno de ellos realiza la función de unidad de procesamiento en el cual se encuentran implementados los modelos matemáticos con los que se realizan los cálculos para la estimación del porcentaje del contenido de humedad en el papel asi como la distribución de humedad en la altura axial de las bobinas, además del cálculo de la temperatura de generación de burbujas y la estimación de la pérdida de vida gracias a la máxima temperatura de Hot Spot la cual también se calcula en la unidad de procesamiento; el otro, lleva a cabo exclusivamente procesos de comunicación, protocolos y almacenamiento en memoria.

Más aún, un objetivo de la presente invención es brindar un dispositivo electrónico que utiliza una interfaz gráfica en donde se puede evaluar el tiempo máximo de sobrecarga aplicada a un transformador de potencia, sin que éste exceda la temperatura donde iniciará la generación de burbujas de vapor de agua a causa del contenido de humedad en el papel aislante de las bobinas, asi como estimar el porcentaje de perdida de vida y la temperatura máxima de hot spot alcanzada en la sobrecarga.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS DE LA INVENCION

La Figura 1 se refiere a las variables introducidas en tiempo real al microcontrolador a través de señales analógicas. La Figura 2 muestra un diagrama a bloques del diseño conceptual electrónico del dispositivo

La Figura 3 muestra un diagrama de bloques que indica la secuencia lógica que sigue el microcontrolador para ejecutar los algoritmos matemáticos de los modelos. La Figura 4 muestra un diagrama de bloques respecto a las variables de entrada que utiliza el modelo matemático para calcular la temperatura máxima de hot spot y el porcentaje de perdida de vida del transformador.

La Figura 5 muestra un diagrama de bloques respecto a las variables de entrada al algoritmo matemático y el diagrama de flujo que ejecuta el microcontrolador para calcular el porcentaje de humedad en el papel de las bobinas y la humedad en el papel en 4 zonas térmicas distribuidas equidistantemente en la altura del devanado.

La Figura 6 muestra las variables de entrada del modelo matemático que estima la temperatura de generación de burbujas asi como el diagrama a bloques del proceso de ejecución de las instrucciones programadas en el microcontrolador

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION

La presente invención se refiere a un dispositivo electrónico diseñado para determinar en linea, el contenido de humedad en el papel del devanado y la distribución de humedad en el papel en 4 zonas térmicas distribuidas equidistantemente en la altura del devanado de un transformador de potencia tipo columnas. Además el dispositivo tiene la capacidad de estimar en linea, la temperatura de generación de burbujas de vapor de agua, la temperatura máxima de hot spot y el porcentaje de pérdida de vida en las condiciones a las cuales este está operando el transformador.

El dispositivo electrónico de la presente invención utiliza una interfaz gráfica que permite evaluar el tiempo seguro de operación, en el cual un transformador de potencia, preferentemente tipo columnas, puede ser sometido a una sobrecarga, sin que se presente el riesgo de generación de burbujas de vapor de agua en el interior del transformador.

En el contexto de la presente invención, el dispositivo se limita a transformadores tipo columnas. De acuerdo con la presente invención, el dispositivo electrónico adquiere cuatro señales analógicas de entrada las cuales son enviadas a un módulo de acondicionamiento para ser procesadas para su conversión digital; la primera señal es para la temperatura del aceite, que es tomada por un indicador de temperatura (1) instalado en la parte superior del transformador, el cual envia la medición al módulo de entrada del dispositivo a través de una señal de 4-20 mA; la segunda entrada se utiliza para medir el contenido de humedad del aceite utilizando un dispositivo especializado para determinar la humedad (2) en el aceite en ppm, el resultado de la medición es enviado al módulo de entrada por una señal de 4-20 mA; la tercera entrada analógica es utilizada para recopilar los valores de la corriente de carga del transformador, para lo que se usa un transformador de corriente tipo core (3), con el que se mide la corriente en la linea de uno de los transformadores de corriente instalados en el transformador, esta medición es enviada a través de una señal analógica de 4-20 mA al módulo de entrada; la cuarta entrada del módulo analógico es utilizada para la adquisición del valor de temperatura ambiente, la cual es medida con un detector de temperatura resistivo (RTD) (4). La Figura 1 muestra los sensores instalados en el transformador para realizar la medición en linea.

Una vez recolectadas las señales analógicas en el módulo de entrada estas son enviadas al módulo de acondicionamiento para ser acondicionadas y posteriormente transmitidas al módulo de conversión en donde se realizara el cambio de señales analógicas a digitales, estas son enviadas de forma digital a un microcontrolador el cual funciona como unidad de procesamiento, en donde se encuentran implementados los tres modelos matemáticos que realizan el diagnostico en linea, el microcontrolador es el encargado de ejecutar los algoritmos de los modelos e interpretar las instrucciones contenidas en el programa y procesar los datos, asimismo el dispositivo cuenta con otro raicrocontrolador que cumple funciones exclusivamente de procesos de comunicación, manejo de protocolos y almacenamiento en memoria, el dispositivo electrónico también tiene una unidad dedicada al almacenamiento de la información, la Figura 2 muestra el diseño electrónico conceptual de la presente invención.

El microcontrolador de la unidad de procesamiento utiliza variables medidas en tiempo real y enviadas al dispositivo electrónico de manera analógica, la Figura 1 muestra la instalación de los instrumentos que realizan la medición en linea de las variables analógicas utilizadas por los algoritmos matemáticos programados en el microcontrolador principal.

De esta forma, las señales analógicas son convertidas de manera digital para ser utilizadas por el algoritmo matemático programado en el microcontrolador, la ejecución de los modelos se realiza en tres etapas, la Figura 3 muestra la secuencia que sigue el microcontrolador para correr los modelos, primero se ejecuta el modelo térmico que estima la temperatura máxima de hot spot que será alcanzada durante un determinado periodo de tiempo, después se corre el modelo para determinar el contenido de humedad en el papel, los resultados de este cálculo de humedad son utilizados por el modelo de temperatura de generación de burbujas, que es el último modelo en ejecutarse, una vez ejecutados los tres modelos, el microcontrolador tiene implementada la programación necesaria para realizar la evaluación de la temperatura de hot spot máxima y la temperatura de generación de burbujas con lo que evaluara el periodo de tiempo en el cual no existirá riesgo de generación de burbujas y el porcentaje de perdida de vida del transformador.

El primer modelo que se corre está basado en el estándar de IEEE C57.91-1995 éste calcula la temperatura de hot spot máxima que se alcanzará en una sobrecarga y el porcentaje de perdida de vida del transformador debido a la temperatura, el microcontrolador utiliza los parámetros de diseño mecánico, eléctrico y térmico programados previamente en el dispositivo y los datos acondicionados y convertidos de forma digital que fueron tomados por los sensores instalados en el transformador para realizar el diagnostico en linea, la Figura 4 muestra un diagrama de bloques del proceso que sigue el microcontrolador para realizar la ejecución del modelo de cálculo de hot spot y porcentaje de perdida de vida, después de ejecutar el modelo anterior el microcontrolador corre el algoritmo para estimar el porcentaje de humedad contenida en el papel de las bobinas, para efectuar este cálculo el modelo utiliza el parámetro programado fuera de linea de la acidez en el aceite y los valores digitales de las variables medidas en linea del contenido de humedad en el aceite y la temperatura del aceitería Figura 5 muestra las variables que utiliza el microcontrolador para ejecutar el modelo matemático que determina el porcentaje de contenido de humedad en el papel y la distribución de humedad a lo largo del devanado, cabe destacar que el algoritmo matemático para determinar la humedad en el papel fue desarrollado recreando el fenómeno de migración de humedad que ocurre en el interior del transformador, utilizando un set experimental en el cual se reprodujo el perfil térmico axial de las bobinas.

Después realizar el cálculo del porcentaje de humedad en el papel por el segundo modelo, este resultado será utilizado como dato de entrada del tercer modelo matemático para estimar la temperatura de generación de burbujas de vapor de agua, el algoritmo también utiliza los valores digitales tomados en linea del sensor de temperatura del aceite (1) , la temperatura ambiente (4) y el porcentaje de carga (3), asi como los datos programados en el microcontrolador de la presión atmosférica y el grado de polimerización, la Figura 6 muestra el diagrama a bloques del proceso de ejecución del modelo y las variables de entrada para realizar la estimación de la temperatura de generación de burbujas. Una vez que son ejecutados los modelos de diagnóstico en la unidad de procesamiento central estos son enviados al microcontrolador dedicado a la transmisión de información. El almacenamiento de la información se realiza en primer estancia en la computadora que tiene instalada la interfaz, adicionalmente el dispositivo cuenta con una unidad de almacenamiento de información hasta 3 meses .

De acuerdo con la presente invención, la interfaz gráfica permitirá al usuario evaluar en linea si el transformador está en condiciones de aceptar una sobrecarga, La interfaz gráfica utiliza tres tipos de datos de entrada para poder ejecutar los algoritmos matemáticos, los primeros son los valores fijos, que son los parámetros del diseño mecánico, eléctrico y térmico especificos del transformador, estos valores no cambiaran una vez programados en el software, los segundos son ios valores reprogramables que son los parámetros de la condición del sistema aislante papel-aceite, estos valores son obtenidos a través de pruebas fisicoquímicas del aceite y deben ser actualizados en la programación periódicamente, los terceros son los valores en linea, estos parámetros determinan la condición actual de operación del transformador, y son obtenidos mediante los sensores instalados en el transformador que miden en tiempo real los parámetros de temperatura del aceite, temperatura ambiente, carga del transformador y el porcentaje de humedad en el aceite, estos valores estarán cambiando en el tiempo de acuerdo a la operación del transformador.

La interfaz utiliza todos los parámetros de entrada para estimar en linea; el contenido de humedad en el papel de las bobinas, la distribución de humedad en el papel a lo largo de la altura axial del devanado, la temperatura de generación de burbujas de vapor de agua, la temperatura máxima de hot spot y la pérdida de vida en las condiciones actuales a cuales esta operado el transformador. Adicionalmente la interfaz gráfica cuenta con un módulo para estimar fuera de linea la evolución de la generación de burbujas de vapor de agua cuando un transformador de potencia es sometido a una sobrecarga temporal, el software utiliza como valores de entrada, el nivel de sobrecarga, el tiempo de aplicación de la sobrecarga, la humedad en el papel, la temperatura del aceite, la temperatura ambiente y la presión atmosférica, con estos parámetros la interfaz gráfica puede estimar el tiempo máximo al cual podrá ser sometido un transformador a una sobrecarga, sin que se presente el riesgo de generación de burbujas de vapor de agua en el interior, además el software permitirá conocer la temperatura máxima de hot spot a la cual estará sometido el transformador durante la sobrecarga temporal y su consecuente pérdida de vida por la temperatura de hot spot alcanzada durante la sobrecarga. La interfaz también puede estimar fuera de linea el contenido de humedad en el devanado del transformador, para realizar el cálculo deberán ser introducidas las variables de entrada de humedad en el aceite, acidez en al aceite y temperatura del aceite, con estos tres parámetros de entrada el software determina el porcentaje de humedad en el papel de las bobinas y la distribución axial de la humedad en el papel, en 4 zonas térmicas distribuidas equidistantemente en la altura del devanado. El software permite conocer en linea las condiciones de humedad del papel aislante sin necesidad de sacar el transformador de operación.

Adicionalmente la interfaz gráfica cuenta con indicadores numéricos y gráficos de las salidas del dispositivo, indicadores numéricos y gráficos de valores históricos de las salidas del dispositivo, configuración operando en modo de comunicación Ethernet TCP/IP y RS-232, sin embargo es posible utilizar un adaptador para una comunicación Modbus o DNP.3. El software fue desarrollado para monitoreo de hasta 32 dispositivos conectados a la misma red Ethernet donde está operando el equipo, el software cuenta con una módulo donde se asigna la dirección IP a la cual está conectado otro dispositivo electrónico, una vez programada la dirección IP del otro dispositivo el software automáticamente puede mostrar en la pantalla principal los resultados del diagnóstico en línea de los transformadores agregados. El software tiene dos modos de operación una para permitir al usuario monitorear y otro para configurar (Hardware) . El modo de monitoreo trae la información almacenada en el dispositivo electrónico a la PC de usuario y despliega los resultados del cálculo de ios modelos y el modo de configuración envía la información de configuración al dispositivo y los parámetros fuera de linea que serán programados en la unidad de procesamiento central del dispositivo para efectuar los cálculos de los algoritmos matemáticos.

La herramienta computacional cuenta con un módulo adicional que permite realizar estimaciones del porcentaje de sobrecarga y el tiempo aplicación, al que puede ser sometido a un transformador en operación, sin que éste presente riesgo de generación de burbujas de vapor de agua, la interfaz también determina la temperatura máxima de hot spot que se presentara a causa de la sobrecarga y el porcentaje de perdida de vida del transformador a consecuencia de la misma.