Saltear al contenido principal
Smart Solutions for Smart Grids

Resumen

La importancia de la SE Convertidora de Ibiúna para el suministro de energía eléctrica para Sao Paulo llevó a que Furnas optara por el monitoreo online de los transformadores convertidores, inicialmente con la substitución de los sistemas mecánicos de medición de temperatura por monitores electrónicos y posteriormente con el monitoreo completo de uno de los transformadores convertidores. Este trabajo presenta los detalles de la instalación y las experiencias en campo con el monitoreo online, incluyendo la transmisión de datos de los sensores en los transformadores a través de una red sin cable con tecnología Wi-fi.

Autores

Furnas Centrais Elétricas S.A. E. G. Peres
Furnas Centrais Elétricas S.A. W. R. Duso
Furnas Centrais Elétricas S.A. J. S. Latenek
Treetech Sistemas Digitais Ltda. M. E. G. Alves

1.0 - INTRODUCCIÓN

Ibiúna es la subestación donde está localizado el terminal convertidor del sistema de transmisión en corriente continua (HVDC) de Itaipú, o sea, la subestación de Ibiúna es el terminal donde la corriente continua es transformada en corriente alternada (345kV 60Hz) para el suministro de la Grande Sao Paulo.

Ese sistema, que transmite en ±600kVcc mitad de la capacidad generadora de Itaipú (6.300MW), es constituido de 8 convertidores, siendo que cada 2 convertidores forman un polo y cada 2 polos forman un bipolo. La subestación posee 24 transformadores convertidores en operación, con capacidad instalada de 7200MVA.

Los transformadores convertidores de Ibiúna son unidades monofásicas, cada una con dos devanados primarios y uno secundario. Como se trata de convertidores de 12 pulsos, los primarios de los transformadores deben ser alimentados por dos sistemas trifásicos defasados de 30º eléctricos entre si. Para eso, cada banco tiene uno de los devanados primarios de las unidades monofásicas conectado en estrella, mientras el otro primario es conectado en delta. El diagrama trifilar de la Figura 1 presenta esta topología para el polo 2 del bipolo 1, conteniendo los convertidores 2 y 4, el cual es alimentado en +600kVdc. El polo 1 de este mismo bipolo presenta configuración idéntica, excepto que es alimentado en -600kVdc.

Cada transformador posee dos conmutadores de derivación en carga (OLTC), que son accionados por un mecanismo motorizado común, visto que debe haber simultaneidad de operación. El sistema de control automático actúa en el OLTC cuando el ángulo de disparo de las válvulas sale del rango de operación nominal. La Figura 2 muestra una visión general de uno de los transformadores convertidores monofásicos.

eriac_furnas_imagem1

Fig. 1 – Diagrama Trifilar de un Polo Convertidor

eriac_furnas_imagem2

Fig. 2 – Vista general de un transformador convertidor monofásico

2.0 - MONITOREO ONLINE DE LOS TRANSFORMADORES CONVERTIDORES

La elevada importancia de esos transformadores para el sistema eléctrico brasileño, asociada a las condiciones de trabajo peculiares y severas a la que están sometidos, como, por ejemplo, el elevado contenido de harmónicos en las tensiones, llevó a Furnas a la implantación del monitoreo online de esas máquinas, ejecutada en dos etapas principales, como descrito a seguir.

2.1 - Modernización del Monitoreo de Temperaturas

En la primer etapa de implantación del monitoreo online fueron modernizados los sistemas de supervisión de temperatura de todos los 24 transformadores convertidores, con la substitución de todos los termómetros de aceite y devanados originales, mecánicos, por monitores de temperatura digitales, como ilustra la Figura 3.

eriac_furnas_imagem3
eriac_furnas_imagem3-2

Fig. 3 – Modernización del monitoreo de temperatura de los transformadores convertidores. (a) Inicio de la substitución de los termómetros mecánicos originales; (b) Monitores de temperatura digitales instalados.

Uno de los objetivos de esa etapa fue reducir el índice de fallas del sistema de medición de temperaturas del aceite y devanados, ya obsoletos, y eliminar la necesidad de calibraciones periódicas en ellos. Adicionalmente, la modernización del sistema de supervisión de temperaturas proporcionó diversas nuevas funcionalidades:

  • Medición redundante de la temperatura del tope del aceite, permitiendo mayor seguridad en la medición y continuidad de operación en el caso de defecto en uno de los sensores;
  • Temperatura del devanado calculada por modelo matemático – mayor precisión sin el uso de resistencias de calentamiento para simulación;
  • Posibilidad de medición de temperaturas adicionales, tales como ambiente y conmutador bajo carga;
  • Autocalibración de las mediciones;
  • Contactos de salida para alarmas, desconexiones y comandos del enfriamiento con temporizaciones;
  • Salidas de corriente para indicaciones remotas de temperatura integradas – se eliminan transductores;
  • Comando del enfriamiento en el modo manual o automático;
  • Alternancia automática de los grupos de enfriamiento forzado;
  • Preenfriamiento del transformador en el caso de aumento de la corriente de carga;
  • Ejercicio diario automático de los grupos de enfriamiento;
  • Memoria de masa para mediciones y eventos;
  • Opcionalmente, monitoreo del diferencial de temperatura del OLTC para diagnóstico de defectos;
  • Puertos de comunicación serial para integración a sistemas remotos.

Esta última funcionalidad en especial – puertas de comunicación serial – abre la posibilidad de integración de los monitores de temperatura a un software de Monitoreo Online, de forma que las mediciones efectuadas por el equipo pueden ser utilizadas por algoritmos matemáticos para diagnósticos del estado del transformador. Esa aplicación es ilustrada en la Figura 4, que indica los algoritmos que pueden ser implementados en el software de monitoreo a partir de las informaciones enviadas por el Monitor de Temperatura.

eriac_furnas_imagem4

Fig. 4 – Integración del puerto de comunicación serial del Monitor de Temperatura a un software de Monitoreo Online del transformador y los algoritmos de diagnóstico posibles.

Para ejecución del software de Monitoreo Online fue instalado un servidor en la sala de control de la subestación, que se interconecta a los puertos seriales de los Monitores de Temperatura en los transformadores. El medio físico utilizado para esa interconexión fueron inicialmente cables tipo par trenzado blindado. Posteriormente, para facilitar la instalación de la red y reducir sus costos, fue utilizada una comunicación sin cables tipo Wi-Fi, que se encuentra en operación con resultados plenamente satisfactorios, a despecho del elevado nivel de interferencia electromagnética en esa subestación. La Figura 5 muestra los componentes para la comunicación sin cable.

eriac_furnas_imagem5
eriac_furnas_imagem5-2
eriac_furnas_imagem5-3

Fig. 5 – Componentes de Comunicación del Sistema de Monitoreo. (a) Módulo de comunicación Wi-fi instalado al lado de los monitores de temperatura y demás sensores, en el cuerpo del transformador; (b) Torre próxima a la sala de control donde fue instalado el Access Point para comunicación con los sensores en los transformadores; (c) Detalle del Access Point con antena y su vista para la subestación.

Para seguridad de acceso a la red Wi-fi fue adoptado el filtrado de direcciones MAC en el Access Point, de tal forma que solamente equipos con MAC previamente catastrado logran conectarse. Como medida adicional, fue utilizada la criptografía de datos WEP.

2.2 - Monitoreo Online de los Transformadores del Convertidor 4

Una de las principales características del sistema de monitoreo implantado en la SE Ibiúna es su modularidad, lo que permite el fácil incremento de nuevas funciones de monitoreo o hasta de nuevos equipos. Aprovechando esa característica, la segunda etapa de implantación del monitoreo online para los transformadores consistió en el incremento de diversos sensores en el Convertidor 4, así como sus respectivos módulos de software de monitoreo. La Tabla I a seguir relaciona los sensores instalados y sus respectivas funciones, incluyendo el Monitor de Temperatura que ya existía en ese transformador.

Sensores instalados en el transformador convertidor 4, sus respectivas mediciones y funcionalidades autónomas locales

SensorMediciones EfectuadasFunciones Locales Autónomas
Monitores de Temperaturas TM1 y TM2- Temperatura del Aceite
- Temperatura del punto más caliente de los Devanados
- Corriente de carga
- Alarma y desconexión por temperatura del Aceite
- Alarma y desconexión por temperatura de los Devanados
- Control automático y manual del Enfriamiento Forzado
- Preenfriamiento del Transformador por aumento de la carga
- Ejercicio diario de los ventiladores
- Diferencial de temperatura del Conmutador Bajo Carga
Monitor de Bushings BM- Capacitancia de los bushings
- Tangente delta de los bushings
- Tendencia de evolución de la Capacitancia
- Tendencia de evolución de la Tangente Delta
- Tiempo para alarmas por Capacitancias Altas/Muy Altas
- Tiempo para alarmas por Tangentes Delta Altas/Muy Altas
Monitor de Gas disuelto en el Aceite - Cantidad de hidrógeno disuelto en el aceite del transformador (ppm)
- Temperatura del aceite en el punto de medición de hidrógeno
- Tendencia de evolución del Contenido de hidrógeno en el aceite
- Alarmas por hidrógeno en el aceite Alto o Muy Alto
- Alarmas por tendencia de evolución de H2 en el aceite Alta
Módulos de Digitalización de señales DM1/DM2 - Medición de estado de contactos secos de alarma
- Medición de nivel de aceite del transformador
Monitor de Humedad en el Aceite del OLTC - Saturación relativa (%) de agua en el aceite
- Contenido de agua en el aceite (ppm)
- Temperatura del aceite
- Tendencia de evolución del Contenido de agua en el aceite
- Alarmas saturación (%) de agua en el aceite Alta o Muy Alta
- Alarmas por Contenido de agua en el aceite Alto o Muy Alto
- Alarmas por tendencia de evolución del Contenido de agua Alta
Monitor de Humedad en el Aceite del Transformador - Saturación relativa (%) de agua en el aceite
- Contenido de agua en el aceite (ppm)
- Temperatura ambiente
- Temperatura del aceite
- Tendencia de evolución del Contenido de agua en el aceite
- Alarmas saturación (%) de agua en el aceite Alta o Muy Alta
- Alarmas por Contenido de agua en el aceite Alto o Muy Alto
- Alarmas por tendencia de evolución del Contenido de agua Alta
Relé de Ruptura de la Bolsa - Ruptura de la bolsa del tanque de expansión - Alarma por ruptura de la bolsa
Monitor de Temperaturas DTM - Temperatura del Aceite en las entradas de los cambiadores de calor
- Temperatura del Aceite en las salidas de los cambiadores de calor
Indicador de Posición PI - Posición de tap del Conmutador Bajo Carga

Basado en las mediciones de los sensores arriba, el software monitorea los siguientes Módulos de Ingeniería mostrados en la Tabla II para tratamiento de los datos, con el objetivo de proveer al usuario los diagnósticos y pronósticos del estado del transformador.

Módulos de ingeniería para diagnósticos y pronósticos de estado del transformador

Módulos de ingeniería para diagnósticos y pronósticos de estado del transformadorDiagnósticos y Pronósticos Efectuados
Envejecimiento del Aislamiento- Pérdida de Vida Útil del Aislamiento
- Tasa de pérdida de vida útil
- Extrapolación del tiempo de vida restante, en años
Previsión de Temperatura Futura- Temperatura del devanado después de la estabilización térmica
- Previsión de ocurrencia de alarmas o desconexiones
- Cálculo del tiempo restante para alarmas y desconexiones
Eficiencia del Enfriamiento- Cálculo de temperatura esperada para el aceite en función de la carga, temperatura ambiente y grupo de enfriamiento en operación
- Comparación con la temperatura real medida y alarma en el caso de baja eficiencia del enfriamiento – temperatura medida muy arriba de la esperada
Manutención de los Grupos de Enfriamiento - Horas de operación de los grupos de enfriamiento desde el inicio de la operación
- Horas de operación de los grupos de enfriamiento desde el último mantenimiento
- Promedio de horas de operación diaria del enfriamiento
- Extrapolación de tiempo restante para inspección o mantenimiento
- Avisos con antecedencia para inspección o mantenimiento
Agua en el Aceite y en el Papel - Contenido de agua en el Aceite
- Contenido de agua en el Papel
- Aceleración de la pérdida de vida del aislamiento por exceso de agua
- Temperatura de Formación de Ampollas por exceso de agua en el papel
- Temperatura de Formación de Agua Libre por exceso de agua en el aceite
Diferencial de Temperatura del OLTC - Diferencial de temperatura instantáneo de los conmutadores
- Diferencial de temperatura filtrado de los conmutadores
Cromatografía - Medición online de hidrógeno disuelto en el aceite
- Alarmas por contenido de H2 alto, muy alto o tendencia de aumento
- Banco de datos de análisis gascromatográficas offline
- Cálculo de las tasas de aumento de gases
- Laudos para los análisis gascromatográficos conforme IEC60599 y Duval
Fisicoquímico - Banco de datos de ensayos fisicoquímicos offline en el aceite
- Laudos automáticos conforme NBR10576

3.0 - EXPERIENCIA DE CAMPO CON EL MONITOREO ONLINE

La primer etapa de instalación del sistema de monitoreo de los transformadores convertidores, que abarcó la sustitución de los termómetros mecánicos por Monitores de Temperatura, fue efectuada en el período de 2006 a 2007. La segunda etapa de la instalación, en la que fueron adicionados los demás sensores para el monitoreo completo del Convertidor 4, fue efectuada en Julio/2008.

La Figura 6 presenta algunos detalles de la instalación de los sensores y adaptaciones necesarias, una vez que los transformadores fueron fabricados en la década de 1980 y no poseían las previsiones para tal. La instalación como un todo fue bien sucedida, con los sensores operando conforme lo esperado después de su puesta en servicio.

eriac_furnas_imagem6

Fig. 6 – Instalación en campo de los sensores de Monitoreo. (a) Panel con equipos de monitoreo y sensor de temperatura ambiente; (b) Sensores de temperatura del aceite en la entrada y salida de los cambiadores de calor; (c) Sensores de gas y humedad en el aceite del trafo; (d) Conexiones a los taps de los bushings; (e) Sensores de humedad y de temperatura del aceite del OLTC; (f) Sensores de temperatura redundantes para el tope del aceite; (g) Sensor de ruptura de bolsa; (h) Relé de ruptura de bolsa.

Una vez comisionado, el sistema de monitoreo inició la grabación de las mediciones en banco de datos, como puede ser visto en el ejemplo de la Figura 7, en el que se muestra un gráfico de temperaturas del aceite y devanado y contenidos de agua en el aceite del transformador y del conmutador bajo carga.

eriac_furnas_imagem7

Fig. 7 – Ejemplo de mediciones grabadas en banco de datos histórico

Debido a la gran área geográfica atendida por Furnas, además del gran número de transformadores utilizados, uno de los principales requisitos necesarios a un sistema de monitoreo es el acceso remoto a las informaciones. Para permitir ese acceso desde cualquier de sus instalaciones, el medio de comunicación escogido fue la red Intranet ya existente en la empresa.

Para eso, el servidor de monitoreo localizado en la sala de control es conectado a la Intranet, con el acceso a los datos, informaciones, diagnósticos y pronósticos realizados desde cualquier computador en la red de la empresa.

Además, con los transformadores en condiciones normales de operación, lo que se espera que ocurra en la mayor parte del tiempo, el sistema de monitoreo permanecerá en condición estática, emitiendo algún diagnóstico de defecto apenas eventualmente.

Para evitar la necesidad de un seguimiento continuo del sistema, lo que acarrearía una gran pérdida de tiempo del equipo de mantenimiento, el sistema de monitoreo fue equipado con un mecanismo de envío automático de emails en caso de cualquier anormalidad. Para eso deben ser previamente catastradas en el sistema las direcciones de email de las personas a ser alertadas.

La Figura 8 a seguir presenta algunos ejemplos de pantallas típicas con mediciones y diagnósticos online del sistema de monitoreo.

eriac_furnas_imagem8

Fig. 8 – Pantalla típica de diagnóstico del sistema de monitoreo

4.0 - CONCLUSIONES

Las experiencias con la implantación del monitoreo online y sus resultados prácticos obtenidos en transformadores Convertidores HVDC han permitido evaluar los beneficios y la efectividad de la arquitectura descentralizada de los sensores, de los medios de comunicación y de la solución de software empleados, bien como la robustez de los equipos electrónicos instalados en la SE Ibiúna, que viene mostrando buenos resultados.

 

De entre los beneficios proporcionados por el sistema de monitoreo instalado podemos citar:

  • Eliminación de los caros y demorados procedimientos anuales de calibración de termómetros;
  • Extensión de la vida útil de los transformadores al detectar rápidamente condiciones que podrían llevar a la degradación acelerada, como, por ejemplo, la ruptura de la bolsa del tanque conservador;
  • Reducción del riesgo de fallas catastróficas a través, por ejemplo, del monitoreo online del hidrógeno en el aceite;
  • Aumento de la disponibilidad del equipo para el sistema eléctrico, debido a la reducción de las paradas para mantenimiento preventivo, por ejemplo, para ensayos en bushings;
  • Consecuentemente, reducción de los costos de mantenimiento y, eventualmente, de contratación de seguros, de entre otros.

 

Considerando que se encuentra en estudio en Brasil la aplicación de la tecnología HVDC para la transmisión de energía de nuevos emprendimientos hidroeléctricos en el norte del país, la experiencia con el monitoreo online de transformadores convertidores en la SE Ibiúna podrá ser de gran valía para el aumento de la confiabilidad y máximo desempeño de esas nuevas aplicaciones.

5.0 - REFERENCIAS

[1]   Albuquerque, Roberto, Alves, Marcos, “Monitoração On-Line de um Banco de Autotransformadores 345-138/13,8kV 150MVA com Comutação Sob Carga”, XIX SNPTEE – Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica. Rio de Janeiro, Brasil, 2007.

[2]   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.

[3]   Alves, Marcos, Araújo, Daniel C. P., Martins, Alvaro J. A. L., Costa, Marcelo A., “Monitoração e Diagnóstico On-Line de Transformador de Potência com Óleo Vegetal”, V Workspot – Workshop on Power Transformers, Belém, Brasil, 2008.

[4]       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.

Volver arriba