Los cambiadores de tomas bajo carga (OLTC), además del aceite de transformador, son la única parte móvil en un transformador de potencia típico, esto los hace especialmente vulnerables. El análisis estadístico de los problemas de los transformadores muestra que las fallas localizadas en los OLTC representan un número significativo del total de fallas del transformador y que, en promedio, 1 de cada 20 fallas del cambiador de tomas conducen a la falla del tanque principal del transformador. Los problemas ocurren por diversas razones, como mal diseño, desgaste de los contactos, falla del mecanismo, etc. Dado que el sistema mecánico del OLTC es muy complejo, una cantidad importante de fallas pueden deberse a un mantenimiento incorrecto o un mal montaje. Además, un estudio ha demostrado que el 12% de los OLTC requieren mantenimiento antes del período sugerido por el fabricante. Esto plantea la necesidad de mejorar las pruebas y el mantenimiento.

Existen varios métodos de diagnóstico que se utilizan para evaluar el estado del OLTC. El método más utilizado es el análisis de gases disueltos (DGA). Este método proporciona una muy buena indicación de los problemas en sus primeras etapas. Sin embargo, la principal desventaja del método DGA es que no puede localizar qué parte del cambiador de tomas está causando los resultados críticos de DGA. Es necesario desmontar el OLTC e inspeccionar visualmente todos los contactos. Este puede ser un proceso largo y difícil. Si se utiliza el mismo aceite tanto para el transformador de potencia como para el OLTC, resulta difícil localizar la fuente del problema. Para superar esto, se puede aplicar un método de prueba eléctrica no intrusivo, DVtest (también llamado DRM – Medición de Resistencia Dinámica), complementario al DGA. Esta prueba es muy útil ya que puede identificar la ubicación de la falla. Con esta prueba se pueden detectar numerosos problemas de OLTC, como desalineación del mecanismo, contactos del selector desgastados, defectos del interruptor desviador, resortes rotos y circuitos abiertos durante la transición del cambiador de tomas.

Este artículo explicará los conceptos básicos del método DVtest y mostrará dos estudios de casos en los que se han detectado malos contactos en el selector utilizando este método.

Conceptos básicos de la prueba DVT (DRM)

DVtest es una prueba no destructiva fuera de línea que se utiliza para la evaluación del estado del cambiador de tomas en carga (OLTC). La prueba se realiza inyectando una corriente continua a través del devanado del transformador y el OLTC. Una vez que se inyecta la corriente de prueba deseada, se fija el voltaje de la fuente de CC. De esta manera, todos los cambios en la resistencia se reflejan en la corriente de prueba. Como la corriente es inversamente proporcional a la resistencia total del circuito (resistencia del devanado + resistencia de los contactos OLTC + resistencia de los cables de prueba), la corriente de prueba caerá cada vez que aumente la resistencia, y viceversa.

La corriente inyectada, también llamada corriente DVtest, se registra unos segundos antes, durante y unos segundos después de un proceso de cambio de tomas. El resultado de la prueba es un gráfico de DVtest actual en el tiempo. El gráfico revela lo que sucede durante el proceso de cambio de tomas, lo que ayuda a determinar cualquier problema que pueda ocurrir. La Figura 1 muestra el gráfico típico de DVtest de una transición de un OLTC de tipo resistor. El cursor vertical rojo representa el inicio de la transición, es decir, el momento en que se introduce la primera resistencia de transición en el circuito. El cursor vertical azul es el final de la transición; es un momento en el que la corriente de prueba deja de fluir a través de la segunda resistencia de transición y comienza a fluir a través del contacto portador de corriente principal.

Figura 1. Gráfico típico de prueba DV de una transición de un OLTC de tipo resistor

Hay dos parámetros principales que se pueden observar en el gráfico de DVtest: ondulación y tiempo de transición. La ondulación representa la caída máxima de corriente durante una transición y se expresa en porcentajes de la corriente de prueba inicial. El tiempo de transición es el tiempo entre el principio y el final de la transición (el tiempo entre el cursor rojo y el azul), y representa el tiempo durante el cual las resistencias de transición están en el circuito, se expresa en ms, ya que el proceso de cambio de tomas es muy rápido (suele durar menos de 100 ms para los OLTC de tipo resistivo). Por esa razón, DVtest debe grabarse con una frecuencia de muestreo alta, en el rango de unos pocos kHz. Cuanto mayor sea la frecuencia de muestreo, mejor será la resolución del gráfico DVtest, más fácil será el análisis del gráfico y se obtendrá un tiempo de transición más preciso.

Junto con DVtest, también es posible registrar la corriente y la vibración del motor OLTC y trazarlas en el mismo gráfico. Estos dos parámetros son útiles para detectar problemas relacionados con el mecanismo OLTC. La Figura 2 muestra el ejemplo del gráfico DVtest con señales de vibración y corriente del motor.

Figura 2. Gráfico de prueba DV que incluye la señal de vibración y corriente del motor OLTC

Detección de mal contacto del selector utilizando DVtest

Como la corriente DVtest se registra incluso antes de que comience el proceso de transición, es posible evaluar el estado de los contactos del interruptor desviador y del selector de tomas en posiciones estacionarias. La parte del gráfico DVtest antes del comienzo de la transición (a la izquierda del cursor rojo en la Figura 1) es en realidad la corriente de prueba que fluye a través del devanado del transformador y los contactos OLTC, tanto del desviador como del selector, mientras el cambiador de tomas está en posición estacionaria. Cuando todos los contactos estén claros y firmemente apretados, esta corriente debería ser perfectamente plana. La corriente inestable antes de la transición puede indicar un problema de contacto, ya sea debido a una conexión débil entre los contactos móviles y estacionarios, o debido a capas de aislamiento que pueden formarse en los contactos del selector. La conexión débil entre los contactos móviles y estacionarios generalmente es causada por resortes rotos que empujan el contacto móvil hacia los contactos estacionarios, o por pernos flojos que mantienen los contactos estacionarios en una posición firme. La formación de capas aislantes, como depósitos de sulfuro de plata en contactos selectores estacionarios hechos de plata, es un problema común, especialmente en aquellos contactos estacionarios que tienden a no utilizarse durante un período prolongado.

Caso 1

El objeto de prueba fue un transformador trifásico de 50 MVA, 72,5 kV / 11,3 kV con cambiador de tomas en carga MR tipo M. Esta fue una prueba de campo de rutina y DVtest se realizó como una de las pruebas estándar.

Al analizar los gráficos de DVtest, se observó fácilmente que la corriente es inestable antes de cada transición, en cada fase (Figura 3, Figura 4 y Figura 5). En esta parte, la corriente fluye a través del contacto desviador, el contacto selector y el selector de cambio.

Figura 3. Corriente de prueba DV en la fase A

Figura 4. Corriente de prueba DV en la fase B

Figura 5. Corriente de prueba DV en la fase C

Como los malos contactos pueden ser consecuencia de capas de aislamiento (polvo, suciedad o algún otro material aislante creado por reacciones químicas) sobre los contactos, se recomienda operar el cambiador de tomas bajo carga varias veces hacia arriba y hacia abajo en todas las posiciones de las tomas. De esta manera se pueden limpiar los contactos. Para obtener una mejor limpieza, se debe inyectar una corriente DVtest durante estas múltiples operaciones de OLTC. Los arcos que se producen durante el proceso de cambio de toma quemarán las capas de aislamiento. Por lo tanto, es bueno inyectar la mayor corriente posible.

Después de realizar la “limpieza” recomendada, se volvió a grabar DVtest. Esta vez, la corriente era significativamente más estable en la llamada parte estática del gráfico, antes de que se introdujeran las resistencias de transición. Esto es claramente visible en la Figura 6, Figura 7 y Figura 8.

Figura 6. Corriente de prueba DV en la fase A después de la “limpieza” de los contactos

Figura 7. Corriente de DVtest en la fase B después de la “limpieza” de los contactos

Figura 8. Corriente de prueba DV en la fase C después de la “limpieza” de los contactos

Es importante enfatizar que las resistencias de los devanados se midieron en las 25 tomas del lado de alto voltaje donde se coloca el OLTC. Los valores de resistencia de diferentes fases fueron similares y dentro del rango de desviación aceptable. La desviación de resistencia entre fases fue del 0,2% al 0,39%, lo cual es aceptable según la Guía IEEE para pruebas de campo de diagnóstico de transformadores, reguladores y reactores de potencia llenos de fluido, norma IEEE C57.152TM. Este nivel de degradación de los contactos no se detectó mediante la prueba de resistencia del devanado. El problema probablemente empeorará con el tiempo y, en cierto momento, podría detectarse mediante una prueba de resistencia del devanado. Pero la pregunta es si el transformador fallaría antes de que se detecte el problema. Por ese motivo, es importante realizar la prueba DVtest.

Caso 2

El objeto de prueba fue un transformador trifásico de 40 MVA, 132 kV / 11,5 kV con cambiador de tomas en carga MR tipo M. Todas las pruebas eléctricas estándar, como la resistencia del devanado, la relación de espiras, la corriente de excitación, la reactancia de fuga, etc., arrojaron buenos resultados. Pero los resultados de la DGA mostraron un aumento de los gases de “baja temperatura”, particularmente metano y etano. Los resultados se dan en la TABLA I.

TABLA I

El propietario del transformador decidió realizar DVtest para verificar si revelará algún problema relacionado con el OLTC. El gráfico de la tercera fase mostró una corriente inestable antes del comienzo de casi todas las transiciones. Esto se muestra en la Figura 9. La corriente inestable de DVtest está marcada con círculos negros.

Figura 9. Corriente DVtest inestable en la fase C

Esto indica un contacto defectuoso e inestable en el circuito eléctrico de la fase C. Se supone que los contactos del selector están desgastados o contienen capas de aislamiento (polvo, suciedad o algún otro material aislante creado por reacciones químicas). Los contactos selectores están ubicados dentro del compartimiento de aceite del tanque principal del transformador, lo que significa que comparten el mismo aceite con el tanque principal del transformador. Por lo tanto, es posible que el aumento de gases sea consecuencia de malos contactos del selector. Otra posibilidad es que la corriente inestable del DVtest sea causada por contactos defectuosos del interruptor desviador. Pero dado que los contactos del interruptor desviador están ubicados en un compartimiento de aceite separado, esta opción es menos probable.

Las gráficas de las fases A y B se muestran en la Figura 10 y Figura 11, respectivamente. No indican malos contactos. Esto es claramente visible cuando se comparan directamente dos fases, como se presenta en la Figura 12, donde se muestran los gráficos de la fase A (roja) y la fase C (azul).

Figura 10. Corriente de prueba DV en la fase A

Figura 11. Corriente de prueba DV en la fase B

Figura 12. Comparación de corrientes de DVtest en la fase A (roja) y la fase C (azul)

Las pruebas DGA se repitieron dos veces más, en dos y tres meses. Los niveles de metano y etano todavía estaban por encima del umbral de precaución, pero no aumentaron gradualmente, por lo que la decisión final fue dejar el transformador en línea, sin ninguna otra acción.

La recomendación para la próxima vez es operar el OLTC varias veces a través de todas las tomas hacia arriba y hacia abajo, con una alta corriente de prueba inyectada, para limpiar los contactos, antes de grabar la prueba DVtest.