Guía para monitorear transitorios en transformadores

administracion
26 may
14 Min. de lectura

Actualizado: hace 7 días

¿Sabías que los transitorios eléctricos pueden causar hasta el 80 % de las interrupciones eléctricas y millones en pérdidas?

El monitoreo de transitorios en transformadores es clave para evitar daños, garantizar un suministro estable y reducir costes. Aquí te contamos lo esencial:

¿Qué son los transitorios? Cambios rápidos en tensión o corriente, como picos o sobretensiones, que duran microsegundos pero pueden superar los 1.000 voltios.
¿Por qué monitorizarlos? Detectan riesgos que aceleran el desgaste del aislamiento, principal causa de fallos en transformadores.
Causas comunes: Desde rayos y conmutación de bancos de condensadores hasta equipos internos como fotocopiadoras o fuentes de PC.
Equipos necesarios: Osciloscopios de alta resolución, sensores de tensión/corriente y sistemas de monitoreo integrales como el MS 3000.
Beneficios: Prolongan la vida útil del transformador, reducen interrupciones y optimizan el mantenimiento.

¿Cómo empezar? Instala sensores estratégicamente, configura parámetros adecuados y conecta el sistema a tus dispositivos de protección actuales.

¡Descubre cómo proteger tus transformadores y ahorrar tiempo y dinero a largo plazo!

Equipos necesarios para el monitoreo de transitorios

El monitoreo de transitorios en transformadores requiere equipos especializados capaces de capturar y analizar eventos de alta velocidad. Elegir las herramientas adecuadas es clave para obtener diagnósticos precisos y evitar fallos costosos.

Osciloscopios de alta resolución

Los osciloscopios de alta resolución son esenciales para registrar las formas de onda de los transitorios con el detalle necesario. Estos dispositivos necesitan velocidades de muestreo extremadamente altas, ya que los transitorios pueden durar solo unos microsegundos.

Modelos como el DLM3000HD ofrecen una resolución de 16 bits, lo que permite identificar pequeñas variaciones en las señales que podrían indicar problemas iniciales en el aislamiento. Además, su capacidad para pasar del estado apagado a la visualización de formas de onda en solo 12 segundos resulta especialmente útil en emergencias.

Para capturas continuas, los osciloscopios de la serie RIGOL MHO/DHO5000 destacan con una capacidad de registrar hasta 1.000.000 de formas de onda por segundo en modo de grabación rápida. Esto los hace ideales para detectar transitorios intermitentes que podrían pasar desapercibidos con equipos menos avanzados.

Sin embargo, para que los osciloscopios funcionen correctamente, dependen de sensores precisos que alimenten las señales de entrada.

Sensores de tensión y corriente

Los sensores especializados son fundamentales para detectar los transitorios y proporcionar señales que los osciloscopios puedan analizar. Entre ellos, los sensores capacitivos de transitorios rápidos, instalados directamente en los bushings de los transformadores, son especialmente eficaces para identificar eventos de alta frecuencia.

Un caso práctico ilustra su efectividad: en un transformador de 500 kV, un sensor capacitivo integrado en el bushing demostró alta sensibilidad al medir formas de onda transitorias con interferencias mínimas. Este sensor detectó con precisión oscilaciones de alta frecuencia y sobretensiones transitorias durante pruebas de campo.

Por otro lado, los sensores de tensión no convencionales son útiles en instalaciones donde se requiere aislamiento galvánico y un amplio rango de frecuencias. Estos dispositivos pueden captar tanto transitorios de baja como de alta frecuencia, superando las limitaciones de los sensores tradicionales.

Estos sensores suelen integrarse en sistemas de monitoreo completos para ofrecer una supervisión más amplia y detallada.

Sistemas de monitoreo completos

Los sistemas de monitoreo integral combinan diversas tecnologías para garantizar una supervisión continua y automatizada. Desde monitores básicos de temperatura hasta plataformas avanzadas, estos sistemas abarcan múltiples parámetros críticos.

Un ejemplo destacado es el sistema MS 3000, que proporciona una solución "todo en uno" para el monitoreo de transformadores críticos. Este sistema centraliza la supervisión de componentes clave como el sistema de refrigeración, el cambiador de tomas en carga, gases disueltos, factor de potencia, capacitancia de bushings, descargas parciales, niveles de aceite, presión y temperatura.

Además, las interfaces flexibles permiten integrar nuevas aplicaciones, mientras que las funciones avanzadas registran eventos con marcas de tiempo precisas al milisegundo. Esto es especialmente útil para rastrear eventos que generan estrés mecánico y térmico. Por otro lado, los analizadores de gases disueltos detectan fallos incipientes al monitorear aumentos en los niveles de estos gases.

Las estadísticas subrayan la importancia de estos sistemas: uno de cada 200 transformadores falla cada año, y las fallas mayores pueden generar pérdidas de hasta 14.000 € por MVA en daños materiales. Además, el 50% de las fallas en bushings terminan en incendios. Estas cifras refuerzan la necesidad de un monitoreo constante y preciso.

Para soluciones avanzadas, empresas como Hidrosolta ofrecen sistemas personalizados que se adaptan a las necesidades específicas de cada instalación.

"El MS 3000 es una solución de monitoreo 'todo en uno' idealmente adecuada para transformadores críticos, cuando se requiere una cobertura mejorada de las posibles causas de fallo para proporcionar tranquilidad."– GE Vernova

Cómo instalar un sistema de monitoreo

Instalar correctamente un sistema de monitoreo de transitorios es clave para obtener datos fiables y realizar diagnósticos precisos. Una instalación adecuada no solo asegura un monitoreo eficaz, sino que también protege el transformador, evitando falsas alarmas que puedan sobrecargar el sistema.

Instalación y ubicación de sensores

La ubicación estratégica de los sensores es esencial para optimizar su rendimiento y minimizar interferencias.

Monitoreo del núcleo: Las galgas extensométricas triaxiales se colocan en la estructura del núcleo para detectar deformaciones magnetostrictivas. Estas deformaciones pueden indicar sobrecargas o problemas en el material magnético.
Sensores capacitivos: Utilizados para medir tensiones transitorias en los devanados, deben instalarse en los terminales del transformador. Esto facilita el acceso para mantenimiento sin comprometer la seguridad eléctrica.
Monitoreo de vibraciones: Los sensores de fibra óptica, gracias a su alta inmunidad electromagnética, se colocan en puntos estratégicos de la carcasa para captar vibraciones en entornos de alta tensión.
Sensores de temperatura: Dependiendo de su tecnología, se instalan en contacto directo con el aceite o los devanados (como RTD y termopares) o permiten mediciones sin contacto mediante sensores infrarrojos.

Una vez instalados, es fundamental ajustar los parámetros para garantizar la captura precisa de los transitorios.

Configuración de parámetros de detección

Configurar correctamente los parámetros de detección evita tanto la omisión de eventos críticos como la generación de falsas alarmas.

Umbrales de tensión: Establece valores basados en las condiciones operativas para minimizar falsas alarmas y no perder transitorios importantes.
Frecuencia de muestreo: Ajusta esta configuración según la naturaleza del fenómeno que se desea observar. Los instrumentos deben registrar datos a alta velocidad para capturar transitorios rápidos.
Análisis tiempo-frecuencia: Este enfoque permite identificar cómo evolucionan los componentes asociados a fallas, mejorando el diagnóstico tanto en análisis en línea como offline.
Calibración posterior al procesamiento: Compensa los efectos de acoplamiento entre sensores y conexiones de alta tensión, mejorando la precisión de las mediciones. Además, combinar datos de múltiples sensores permite obtener diagnósticos más detallados.

Con estos ajustes, el sistema estará listo para integrarse con los sistemas de protección existentes.

Conexión a sistemas de protección existentes

La integración con los sistemas de protección actuales mejora la respuesta ante eventos críticos, permitiendo acciones automáticas y coordinadas.

Relés de protección: La conexión se realiza a través de interfaces compatibles que permiten el intercambio de datos en tiempo real, empleando protocolos como IEC 61850.
Sistemas SCADA: Estos centralizan la información de varios transformadores, ofreciendo datos históricos y en tiempo real para análisis de tendencias y correlaciones.

Un ejemplo destacable es el sistema TransGuardian de FJINNO, que logró reducir interrupciones en un 75%, extender la vida útil de los equipos y disminuir los costes de mantenimiento en un 27%.

Además, incorporar módulos de interpretación que generen advertencias de anomalías y ofrezcan acceso a datos mediante interfaces web simplifica la toma de decisiones operativas. Por último, un enfoque integral que abarque desde la evaluación inicial hasta la operación continua del sistema maximiza su efectividad.

En el caso del sistema de transmisión en Croacia, los sistemas de monitoreo de sobretensiones transitorias en reactores shunt y bushings de transformadores se integraron con herramientas como sistemas de localización de rayos y simulaciones numéricas, lo que permitió evaluar con mayor precisión el estado del aislamiento.

Cómo interpretar los datos de transitorios

El análisis de datos de transitorios en transformadores es clave para identificar problemas y planificar un mantenimiento eficaz. Comprender estos datos permite anticiparse a fallos y tomar decisiones informadas.

Identificación de fuentes de transitorios

El primer paso es determinar de dónde provienen los transitorios, ya que esto influye directamente en las medidas correctivas. Se estima que entre el 60 % y el 80 % de las sobretensiones se generan dentro de las instalaciones. Por tanto, una identificación precisa es esencial.

La polaridad inicial y la comparación de las formas de onda de tensión y corriente son herramientas fundamentales para localizar la fuente del transitorio.

Para un análisis en tiempo real, consulta la sección de causas comunes. Los siguientes indicadores ofrecen pistas clave:

Fuentes internas	Fuentes externas
Conmutación de condensadores	Rayos
Operación de semiconductores	Desconexión o conexión de cargas externas
Fallos internos	Apertura o cierre de interruptores energizados
Arcos eléctricos	Fallos externos

Una vez identificada la fuente, es crucial evaluar el estado del aislamiento para prevenir fallos futuros.

Detección de daños en el aislamiento

Los daños en el aislamiento suelen ser la causa principal de fallos eléctricos en transformadores. Los datos de transitorios pueden revelar señales tempranas de deterioro, ayudando a prevenir interrupciones costosas.

Por ejemplo, los transitorios asociados con descargas parciales apuntan a una erosión progresiva del aislamiento. Además, factores como la alta humedad reducen la resistencia dieléctrica del aceite, aumentando el riesgo de fallos.

Los sistemas de monitoreo en línea permiten obtener información en tiempo real sobre el estado del transformador, facilitando la planificación de reparaciones basadas en datos fiables. Herramientas avanzadas como las redes de confianza recursiva profunda (DRBN) han alcanzado más del 95 % de precisión en la predicción de fallos.

Análisis de frecuencia para detectar resonancias

Después de identificar la fuente del transitorio y evaluar el aislamiento, el análisis de frecuencia puede revelar resonancias que comprometen la integridad del transformador.

El análisis de respuesta en frecuencia (FRA) es crucial para verificar la integridad mecánica y eléctrica de los transformadores de potencia. Esta técnica permite detectar problemas como deformaciones en los devanados o movimientos del núcleo, que pueden surgir durante el transporte o tras cortocircuitos.

Joseph Aguirre, Ingeniero Principal de Megger, señala:

"El análisis de respuesta en frecuencia de barrido (SFRA) es una técnica diagnóstica indispensable en las pruebas de transformadores, ofreciendo identificación precisa de fallos, habilitando estrategias de mantenimiento proactivo y evitando fallos catastróficos."

El SFRA implica aplicar un rango de frecuencias, típicamente de 10 Hz a 2 MHz, a los devanados del transformador. La respuesta varía según la frecuencia:

Hasta 2 kHz: Influencia del núcleo, con una pendiente de –20 dB por década.
De 2 kHz a 20 kHz: Interacción entre devanados.
20 kHz a 1 MHz: Determinada por inductancias de fuga y capacitancias.

La duración de la resonancia es crítica, ya que periodos prolongados liberan más energía que excitaciones breves. La sobretensión máxima depende tanto de la duración como de la frecuencia de la excitación.

Aguirre añade:

"SFRA proporciona señales de alerta temprana de problemas potenciales en transformadores. Los equipos de mantenimiento pueden entonces tomar acciones correctivas oportunas para abordar estos problemas antes de que escalen a mal funcionamientos más severos."

Cómo reducir los transitorios en transformadores

Para minimizar los riesgos asociados a los transitorios en transformadores, es fundamental combinar equipos de protección adecuados, prácticas operativas bien definidas y un mantenimiento basado en el análisis de datos. A continuación, se explican las principales estrategias en estas áreas.

Soluciones de equipos de protección

Los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) son esenciales para disipar la energía transitoria, mientras que los snubbers R-C ayudan a filtrar frecuencias altas. Para que los snubbers sean efectivos, deben instalarse entre el interruptor de vacío (VCB) y los terminales primarios del transformador.

Un detalle técnico importante: la longitud del cable entre la fase y el PE no debe superar los 0,5 metros. Esto se debe a que, en un conductor de 1 metro, una corriente de pulso de 10 kA (10/350 µs) puede generar una caída de tensión de hasta 1 kV.

Tony Parsons, PhD., Ingeniero Senior de Sistemas de Potencia en Schneider Electric, destaca:

"La protección para transformadores de potencia, por tanto, debe abordar la frecuencia transitoria así como la magnitud transitoria."

Un caso práctico ilustra su importancia: un transformador de 4.000 kVA sufrió daños por transitorios inducidos por conmutación debido a un interruptor de vacío conectado con 15 metros de cable de 15 kV. La instalación de una red snubber RC resolvió el problema.

Es crucial elegir el equipo adecuado según el tipo de amenaza. Por ejemplo, los pararrayos son ideales para proteger contra picos de alta tensión por rayos, mientras que los snubbers son más efectivos frente a transitorios generados por conmutación de interruptores.

Categoría de sobretensión	Tipo de equipo
IV	Contadores de electricidad, receptores de control de ondulación
III	Cuadros de distribución, interruptores, enchufes
II	Electrodomésticos, herramientas
I	Dispositivos electrónicos sensibles

Mejores prácticas operativas

Adoptar prácticas operativas adecuadas es clave para evitar transitorios. Según el análisis de datos, las principales causas incluyen la conmutación de bancos de condensadores, energización de transformadores, fallos monofásicos, operaciones de reconectadores y fallos de interruptores.

Por ejemplo, durante la energización no controlada de un banco de condensadores de 600 kVAr montado en poste, se registró un pico de tensión transitoria de 1,09 por unidad. Además, la conmutación de bancos de condensadores conectados en paralelo generó corrientes pico de hasta 600 A. Para mitigar estos problemas, se recomienda desconectar los bancos de condensadores al energizar transformadores grandes y emplear esquemas de control adaptativos que ajusten el cierre sincronizado de los bancos según las condiciones ambientales.

Los interruptores de media tensión modernos, que usan vacío o gas, también pueden generar transitorios de alta frecuencia debido a la interrupción abrupta de la corriente.

Rex Power Magnetics subraya:

"Los snubbers son un medio de bajo coste para proteger un transformador contra una reparación costosa y el tiempo de inactividad relacionado. Al diseñar sistemas de potencia de media tensión, es una buena práctica al menos dejar espacio para la instalación futura de una red snubber."

Mantenimiento basado en tendencias de datos

El mantenimiento predictivo (PdM) es una herramienta poderosa para prevenir fallos en transformadores. Este enfoque utiliza el análisis de datos para evaluar el estado del equipo y programar reparaciones antes de que ocurran problemas. Según estudios, los fallos en transformadores pueden costar a las empresas de servicios públicos hasta 10 millones de euros por incidente, y uno de cada 200 transformadores falla anualmente .

Tyler Willis, de Dynamic Ratings, explica:

"El DGA transforma la gestión de la salud del transformador de la lucha reactiva contra incendios a la optimización proactiva."

El análisis de gases disueltos (DGA) es una herramienta clave en este proceso. Métodos como el Triángulo de Duval y el Análisis de Gas Clave permiten interpretar las firmas de gas en el aceite del transformador, proporcionando información valiosa sobre el estado del aislamiento y la progresión de posibles fallos.

La industria se está moviendo hacia soluciones de monitoreo en línea que ofrecen datos en tiempo real sobre la salud del transformador. Algunas de las tendencias actuales incluyen la integración de monitores de boquillas con sistemas DGA, el monitoreo de descargas parciales y el uso de análisis basados únicamente en hidrógeno para simplificar el monitoreo. Estas tecnologías no solo permiten detectar problemas a tiempo, sino que también favorecen reparaciones en lugar de reemplazos, ahorrando tiempo y recursos.

Aunque los sistemas de monitoreo en línea son una gran herramienta, deben complementarse con programas de muestreo manual. Una instalación adecuada, junto con un mantenimiento y gestión de datos eficaces, es esencial para garantizar su rendimiento.

Para implementar estas estrategias de manera efectiva, puede contar con la experiencia de Hidrosolta, que ofrece soluciones diseñadas para mejorar la seguridad y la fiabilidad de los transformadores.

Resumen y puntos clave

El monitoreo de transitorios no solo protege activos críticos, sino que también optimiza las operaciones eléctricas, transformando el mantenimiento de reactivo a proactivo y reduciendo los riesgos de fallos costosos.

Beneficios del monitoreo de transitorios

La monitorización continua de transitorios aporta mejoras claras en seguridad y tiempo de operación. Los sistemas de protección contra tensiones transitorias (TVP) son un ejemplo probado de esta tecnología. Hitachi Energy, por ejemplo, ha instalado 2.500 unidades de transformadores de tipo seco con tecnología TVP® en los últimos 7 años, sin registrar fallos en campo.

Este tipo de soluciones es especialmente útil en sectores críticos como centros de datos, energía solar, ferrocarriles, industria y energía eólica, donde los transitorios de conmutación son una amenaza constante.

Allan Evora, presidente de Affinity Energy, destaca la importancia de abordar estos problemas de manera proactiva:

"Si sus problemas de calidad de energía pueden acortar las estadísticas publicadas de tiempo medio entre fallos (MTBF), ¿no querría mitigar esos eventos para asegurar que su equipo dure tanto como indicó el fabricante?"

El análisis de datos permite evaluar métricas clave como el estado del aislamiento, el índice de salud y la probabilidad de fallo . Este nivel de visibilidad no solo prolonga la vida útil del equipo, sino que también reduce los costes de mantenimiento.

Estos beneficios respaldan un enfoque preventivo que puede guiar las acciones futuras.

Próximos pasos para su sistema

Con estos beneficios en mente, es hora de adoptar un enfoque de mantenimiento basado en condiciones. Los sistemas modernos permiten un análisis continuo de datos y notificaciones inteligentes que alertan sobre problemas antes de que se conviertan en fallos.

Evalúe el estado actual de sus transformadores, especialmente aquellos en la mitad de su ciclo de vida, para identificar condiciones que puedan estar acelerando su deterioro.
Utilice analizadores digitales de alta frecuencia, capaces de detectar y registrar transitorios con precisión.
Implemente medidas de protección que prolonguen la vida útil de motores y equipos, reduciendo al mínimo el tiempo de inactividad.
Incorpore inteligencia artificial para optimizar los programas de mantenimiento y la asignación de recursos.

Área de acción	Estrategia
Evaluación inicial	Análisis del estado de aislamiento e índice de salud
Tecnología	Analizadores digitales con alta frecuencia de muestreo
Mantenimiento	Enfoque basado en condiciones con soporte de IA
Priorización	Clasificación de riesgos para optimizar OpEx y CapEx

El mantenimiento predictivo no solo mejora la seguridad al abordar riesgos potenciales de manera temprana, sino que también ayuda a clasificar y priorizar tareas como mantenimiento, reparaciones y reemplazos, optimizando los gastos operativos y de capital.

Integre estas estrategias de forma integral con el respaldo de Hidrosolta, que ofrece soluciones diseñadas específicamente para mejorar la seguridad y fiabilidad de sus sistemas eléctricos.

FAQs

¿Cuáles son los principales indicios de que un transformador podría estar enfrentando transitorios peligrosos?

Señales de transitorios peligrosos en transformadores

Los transformadores sometidos a transitorios peligrosos suelen mostrar señales evidentes que no deben ignorarse. Entre las más habituales están:

Aumento repentino de la temperatura: Esto puede ser un indicio de sobrecarga o problemas internos en el equipo.
Ruidos inusuales: Zumbidos, chasquidos u otros sonidos inesperados pueden señalar estrés físico o eléctrico.
Gases disueltos en el aceite: La presencia de estos gases puede ser un signo de degradación del aislamiento interno.
Descargas parciales visibles: Estas pueden manifestarse como chispas o marcas en el equipo, indicando fallos en el aislamiento.

Identificar estas señales a tiempo es clave para evitar fallos graves. Un monitoreo constante, combinado con herramientas especializadas, no solo ayuda a garantizar la seguridad, sino que también puede extender la vida útil del transformador.

¿Cómo identificar si los transitorios en un transformador son internos o externos?

Identificar el origen de los transitorios en un transformador

Distinguir si los transitorios en un transformador provienen de causas internas o externas es crucial para entender su comportamiento y proteger el sistema eléctrico. Los transitorios internos suelen originarse dentro del propio sistema, a menudo debido al funcionamiento de componentes como motores o interruptores. Estas activaciones o desactivaciones generan picos de tensión que afectan al transformador.

Por otro lado, los transitorios externos generalmente se deben a factores externos, como descargas atmosféricas o maniobras en la red eléctrica, que impactan al transformador desde fuera.

El análisis de los patrones de tensión es esencial. Comparar estos patrones con las operaciones del transformador y las condiciones externas, como tormentas o variaciones en la red, puede proporcionar pistas clave. Además, el uso de equipos avanzados de monitoreo permite detectar estas anomalías con mayor precisión, ayudando a prevenir daños y a mantener la estabilidad del sistema eléctrico.

¿Cómo puedo integrar un sistema de monitoreo de transitorios en los sistemas de protección de mi instalación?

Cómo integrar un sistema de monitoreo de transitorios en los sistemas de protección

Para incorporar un sistema de monitoreo de transitorios en los sistemas de protección de tu instalación, sigue estos pasos fundamentales:

Elige un sistema de monitoreo compatible: Asegúrate de que el sistema seleccionado funcione bien con tus transformadores y permita supervisión continua. También es importante que sea flexible para integrarse con otros dispositivos de diagnóstico y sistemas de gestión de activos.
Establece la comunicación con los dispositivos de protección: Configura la conexión entre el sistema de monitoreo y los dispositivos de protección existentes, como relés o sensores. Incluye la instalación de sensores para medir parámetros clave, como temperatura o niveles de aceite, y configura alarmas para detectar anomalías.
Forma a tu equipo técnico: Capacita al personal para que puedan interpretar los datos generados por el sistema y actuar rápidamente ante cualquier alerta. Esto asegura una respuesta eficiente y previene posibles fallos.

Siguiendo estos pasos, podrás reforzar la seguridad y mejorar el rendimiento de tus transformadores, garantizando una protección más eficaz para tu instalación.