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Smart Solutions for Smart Grids

Resumen

Este trabajo analiza los resultados prácticos de la implantación y operación de un moderno sistema de monitoreo predictivo en transformadores de alta tensión de las subestaciones de las unidades de Braskem en SP (PE8 Cubatão y PP4 ABC). Ese proyecto alcanzó el objetivo de garantizar mayor confiabilidad y rentabilidad a la empresa con acciones correctas en el tiempo exacto y con el costo adecuado, al tratarse de los transformadores de entrada de las subestaciones de 88 kV.

La gestión eficiente de los activos eléctricos de subestaciones demanda herramientas capaces de proveer el estado actual y los escenarios futuros de las máquinas, permitiendo, de esa manera, que sean tomadas las mejores decisiones técnicas y financieras sobre cómo mantener el parque íntegro y disponible. Dentro de las industrias, la energía eléctrica es un insumo insubstituible, y su falta puede traer grandes perjuicios a la organización. Al buscar excelencia en el mantenimiento y continuidad de su sistema eléctrico, Braskem implementó en 2011 el monitoreo en línea de manera a evitar fallas catastróficas en los transformadores de potencias en las subestaciones de 88 kV.

Este artículo muestra la experiencia exitosa de Braskem al aplicar esa tecnología y al practicar el mantenimiento predictivo para aumentar la confiabilidad. Formado por un conjunto de sensores inteligentes (IEDs) y un software especialista para generar diagnósticos y pronósticos, el sistema ya está funcionando plenamente hace más de tres años. El software cuenta con modelos matemáticos de ingeniería, basados en inteligencia artificial, para auxiliar la toma de decisión.

Autores

Braskem João Luiz Gonçalves Neto
Braskem José Rafael dos Santos
Braskem Silas Sampietri Costa
Treetech Sistemas Digitais Ltda. Gilberto Amorim Moura
Treetech Sistemas Digitais Ltda. Daniel Pedrosa Santos
Treetech Sistemas Digitais Ltda. Lucas Pavan Fritoli

1.0 - INTRODUCCIÓN

A cada tres años las plantas industriales de Braskem en Mauá y Cubatão interrumpen sus actividades para inspección y mantenimiento general de sus instalaciones. Son inspeccionadas máquinas y estructuras, además de las condiciones del sistema eléctrico, que recibe atención especial con actividades específicas, principalmente en la subestación de energía.

Como la energía eléctrica es un insumo fundamental para la producción fabril, es necesario que todos los activos de la subestación estén en perfecto estado de funcionamiento. De esa manera, cada detalle del sistema es chequeado, como los equipos de maniobra (disyuntores y seccionadores), los aislantes (TCs y TPs) y, en destaque, el transformador de energía.

Ambas subestaciones poseen cada una apenas un transformador, los cuales no pueden presentar ninguna inconsistencia, pues eso puede representar grandes perjuicios a la empresa.

Las acciones del personal de los equipos técnicos y de mantenimiento de Braskem tienen el objetivo de mantener la seguridad de los colaboradores, lograr el mayor desempeño de los activos, además de no permitir que el suministro de electricidad sea ininterrumpido para atender el constante crecimiento productivo.

Así, a partir de 2011, las dos unidades pasaron a operar con el monitoreo en línea de los transformadores, de forma a realizar análisis predictivas y aumentar la confiabilidad energética.

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Fig. 1.  SE Braskem Cubatão/SP – Transformador 88 / 13,8 kV, 15 MVA

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Fig. 2.  SE Braskem Mauá/SP – Transformador 88 / 13,8 kV, 35 MVA

2.0 - ESTADÍSTICAS DE FALLAS EN TRANSFORMADORES

Una encuesta internacional de desempeño de transformadores de potencia en servicio [1], realizada por Cigré con datos de fallas ocurridas entre 1968 y 1978 involucrando más de 1.000 fallas, reveló, para diversos tipos y aplicaciones de transformadores, las principales causas de retirada de servicio, tanto forzadas cuanto planeadas.

La figura 3 muestra esos datos para transformadores con conmutador bajo carga en usinas. En esa estadística, el OLTC es configurado como el principal origen de fallas en transformadores, seguido por la parte activa y los bushings.

Con esta base y la necesidad de aumentar la confiabilidad en la operación de los activos fueron seleccionadas las variables a monitorear, además de las funciones de tratamiento de datos necesarias de forma a transformar las variables medidas en informaciones útiles para diagnóstico y pronóstico de los transformadores.

Con eso se buscó cubrir los principales subsistemas del transformador y reducir, así, el riesgo de fallas e indisponibilidad de planta.

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Fig. 3. Estadística de las causas para retirada de servicio de transformadores con OLTC [1].

3.0 - SENSORES PARA MONITOREO DE LOS TRANSFORMADORES

Las variables medidas en los transformadores elevadores de las plantas de Mauá y Cubatão son mostradas en la tabla 1, agrupadas por subsistema.

Variables monitoreadas en los transformadores elevadores agrupadas por subsistemas

SistemaSensorVariable
OLTCRegulador de tensiónRegulación automática de la tensión
Calidad de energía
Monitor de torqueEsfuerzo del mecanismo de accionamiento
BushingsMonitor de BushingsCapacitancia
Tangente delta
Corrientes de fuga
Tensiones fase-tierra y fase-fase
Tendencias de evolución
PArte ActivaMonitor de TemperaturaTemperatura del aceite
Temperatura de los devanados (hot spot)
Temperatura ambiente
Porcentajes de carga
Monitor de GasHidrógeno en el aceite
Tendencias de evolución
Tanque y AceiteMonitor de HumedadContenido de agua en el aceite(ppm)
Saturación relativa de agua en el aceite%
Saturación relativa a la temperatura ambiente
Saturación relativa a la temperatura de referencia
Tendencia de evolución del contenido de agua
Relé de RupturaRuptura de la bolsa del tanque de expansión
OtrosContactos de alarma:
- Relé Buchholz,
- Válvula de alivio de presión,
- Nivel de aceite, etc.

Todos los datos generados por los sensores instalados directamente en el transformador son enviados al servidor localizado en la propia planta de Braskem, y después de procesados son habilitados en línea en la pantalla de la computadora. Por medio de la red intranet, de cualquier terminal autorizado es posible acceder al sistema.

4.0 - TRATAMIENTO DE DATOS PARA DIAGNÓSTICOS Y PRONÓSTICOS

Para el tratamiento de los datos obtenidos a partir de los sensores citados arriba, el sistema de monitoreo instalado posee en su software un Módulo de Ingeniería, que incluye los modelos de ingeniería mostrados en la tabla 2.

De esa forma, los datos brutos de los sensores permiten obtener informaciones útiles para diagnósticos y pronósticos del estado de los transformadores [2], [3].

Modelos de Ingeniería para diagnóstico y pronóstico del estado de los transformadores

Modelo de IngenieríaDiagnósticos y Pronósticos
Vida útil del aislamientoVida útil restante del aislamiento (%)
Tendencia de pérdida de vida del aislamiento (%/día)
Tiempo de vida restante del aislamiento (años)
Previsión de gradiente final de temperaturaTemperatura futura del hot spot después de estabilizado
Tiempo para alcanzar temperatura de alarma
Tiempo para alcanzar temperatura de desconexión
Gases en el aceiteTendencia de evolución del gas en el aceite (principalmente H2)
Alarmas por tendencia de evolución y concentraciones de gas altas o muy altas
Cromatografía / Físicos y químicosGas chromatography test offline reports
Laudo de ensayos de gas-cromatografía fuera de línea
Humedad en el aceite y en el papelLaudo de ensayos físicos y químicos fuera de línea
Contenido de agua en el aceite (ppm)
Tendencia de evolución del contenido de agua (ppm/día)
Contenido de agua en el papel (% de la masa seca)
Factor de aceleración de la pérdida de vida del aislamiento por hidrólisis
Temperatura de formación de burbujasTemperatura de formación de burbujas
Temperatura de formación de agua libre
Eficiencia del enfriamientoTemperatura del tope del aceite calculada
Diferencia entre temperaturas medida y calculada
Eficiencia del sistema de enfriamiento
Torque y tiempo de operación del motor del conmutadorTorque máximo del motor en cada región de la conmutación
Tiempo de operación del mecanismo del conmutador
Alarmas por valores de torque y tiempo de operación fuera de los padrones
Asistente de mantenimiento del conmutadorNúmero de operaciones del conmutador
Suma de la corriente conmutada
Tiempo de servicio del conmutador
Previsión de tiempo restante para mantenimiento del conmutador
Avisos con antecedencia para mantenimiento del conmutador
Asistente de mantenimiento de la ventilación forzadaTiempo de operación de los grupos de ventilación, total y después del último mantenimiento
Previsión de tiempo restante para mantenimiento de la ventilación
Avisos con antecedencia para mantenimiento de la ventilación

5.0 - ARQUITECTURA DEL SISTEMA DE MONITOREO

La arquitectura del sistema de monitoreo de los transformadores de Braskem es mostrada en la figura 4.

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Fig. 4. Arquitectura del sistema de monitoreo de los transformadores

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Fig. 5. Pt100 para medir la temperatura del aceite

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Fig. 6. Monitor de Gas y Humedad disueltos en aceite aislante

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Fig. 7. Monitores de Temperatura, Torque, Bushing y Relé 90

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Fig. 8. Servidor con el software de monitoreo en línea en la sala de control

6.0 - RESULTADOS OBTENIDOS

Diversos resultados fueron obtenidos con la instalación y operación del sistema de monitoreo descrito, alcanzando los siguientes objetivos:

  • Diagnóstico en línea del estado del transformador.
  • Disponibilidad de planta.
  • Visualización de alarmas y alertas y actuar según normas y procedimiento aplicables a las condiciones de operación normales y de contingencias.
  • Acciones predictivas de mantenimiento, operación y planificación.
  • Estandarización de las acciones y de la comunicación en el área de mantenimiento.
  • Identificación de oportunidades de optimización de la eficiencia de los activos.
  • Gestión efectiva del mantenimiento por medio de informes periódicos de desempeño y del estado de los activos.
  • Reducción del riesgo de fallas catastróficas al detectar los defectos en etapa inicial [4], [5] – de 30% a 72% de las fallas detectadas predictivamente.
  • En consecuencia, aumento de la seguridad para el personal de la usina, para los equipos y para la instalación.
  • Extensión de la vida útil de los equipos al detectar rápidamente condiciones de envejecimiento acelerado.
  • Preservación de la imagen corporativa al reducir la chance de accidentes.
  • Preparación de los equipos para aplicación de la filosofía del Mantenimiento Centrado en la Confiabilidad (MCC).
  • Mejores premios de seguros.

Desde el inicio del funcionamiento del sistema las plantas de Braskem ya se beneficiaron de los diagnósticos y pronósticos, garantizando que la producción de plástico nunca fuera interrumpida desnecesariamente.

2011 – Detección de falla incipiente después de mantenimiento preventivo

Tras la parada general de las actividades de la planta fue hecha una revisión completa preventiva del OLTC. En seguida, por medio del seguimiento del torque del motor a cada operación de comando de TAP, fue detectado un defecto: del TAP 06 para el 07, en la SE Mauá/SP el mecanismo precisaba de dos comandos para efectuar la operación.

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Fig. 9. Oscilografía del motor durante cambio de TAP

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Fig. 10. Proyecto eléctrico de funcionamiento del OLTC

El número excesivo de operaciones y consecuente desgaste del OLTC pode causar su ruptura e incluso su explosión.

El técnico responsable por el OLTC volvió a la planta e identificó que una de las piezas en los puntos 3 y 4 estaba dañada. La falla fue detectada aún de forma incipiente y no le causó mayores complicaciones operacionales a Braskem.

2012 – Disponibilidad de planta aunque con falla

Durante una inspección visual de rutina en la SE Mauá/SP fue detectada una fuga de aceite en uno de los bushings condensivos de 88 kV del transformador principal. Toda la producción de polipropileno de Braskem estaba concentrada en la planta, y no era posible desconectarla para corregir el defecto.

Con la pérdida de aceite aislante ocurre también la pérdida de aislamiento dieléctrico del bushing.

Por medio del monitoreo en línea de capacitancia y tangente delta de este bushing en particular, Braskem pudo seguir la evolución de criticidad y riesgo del transformador en operación.

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Fig. 11. Gráfico del comportamiento del bushing durante la pérdida

La producción continuó normalmente, pues las lecturas no presentaban indicios de explosión aparente, y Braskem operó normalmente por casi 2 meses hasta el momento ideal de parada de la subestación para arreglo del bushing.

2013 – Secado del aceite en el momento exacto

El exceso de agua en el aceite aislante del transformador produce efectos negativos ampliamente conocidos, como la disminución de la rigidez dieléctrica y la migración de agua para el papel aislante, con riesgo de formación de burbujas y envejecimiento acelerado ante la presencia altas temperaturas, comprometiendo la vida útil y la integridad del equipo [6].

El sistema de monitoreo acusó la presencia de agua fuera de los padrones de norma establecidos y le dejó claro al equipo de mantenimiento de Braskem Cubatão/SP que ellos tenían obligatoriamente que secar el aceite.

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Fig. 12. Gráfico de la humedad a lo largo del tiempo – límite alcanzado de 13 ppm

Aprovechando la ocasión, Braskem contrató el servicio especializado y trató el aceite aislante para que no hubiera cualquier restricción operativa.

Las acciones fueron tomadas en el momento exacto, de forma planeada y gastando menos recursos. Por medio del software también se corroboró la calidad del servicio prestado.

7.0 - CONCLUSIÓN

Considerando la importancia de la energía eléctrica para la producción de Braskem, la implantación de un sistema de monitoreo en línea para sus transformadores de potencia es una medida indispensable para el aumento de la confiabilidad y disponibilidad de la planta.

Poner en práctica el concepto predictivo también transforma la planificación de las acciones de mantenimiento, tornándolas más eficaces y eficientes, respetando las demandas del grupo Braskem y causando el menor disturbio operacional y financiero posible.

Los beneficios ya alcanzados justificaron financieramente la aplicación del sistema y está en estudio su ampliación para las demás unidades de Braskem y para nuevos activos eléctricos, como disyuntores, seccionadores y trafo secos.

8.0 - REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

  1. ELECTRA, “An International Survey on Failures in Large Power Transformers in Service”, Paris, CIGRE, Ref. no. 88, 1983.
  2. Amom, Jorge, Alves, Marcos, Vita, André, Kastrup Filho, Oscar, Ribeiro, Adolfo, et. al., “Sistema de Diagnósticos para o Monitoramento de Subestações de Alta Tensão e o Gerenciamento das Atividades de Manutenção: Integração e Aplicações”, X ERLAC – Encontro Regional Latinoamericano do CIGRÉ, Puerto Iguazu, Argentina, 2003.
  3. Alves, Marcos, “Sistema de Monitoração On-Line de Transformadores de Potência”, Revista Eletricidade Moderna, Maio/2004.
  4. Melo, Marcos A. C., Alves, Marcos, “Experiência com Monitoração On-Line de Capacitância e Tangente Delta de Buchas Condensivas”, XIX SNPTEE – Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica. Rio de Janeiro, Brasil, 2007.
  5. Alves, Marcos, Silva, Gilson, “Experiência de Campo com Monitoração On-Line de um Transformador 343MVA 230kV com 2 Comutadores sob Carga”, IV Workspot – Workshop on Power Transformers, Recife, Brasil, 2005.
  6. Alves, Marcos, Vasconcellos, Vagner, “Monitoramento da Umidade no Óleo Isolante de Transformadores de Potência Visando o Aumento da Confiabilidade Operativa”, V Workspot – Workshop on Power Transformers, Belém, Brasil, 2008.
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