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Procedimiento de modelado basado en el análisis de la respuesta en frecuencia y aplicación en transformadores trifásicos de potencia para su caracterización y diagnóstico

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2012-01
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2012-01-09
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El Análisis de la Respuesta en Frecuencia es una técnica de diagnóstico contrastada para la detección de defectos en el transformador de potencia. Sin embargo hasta el momento no se dispone de un procedimiento de análisis de resultados que permita la toma de decisiones para el mantenimiento de forma concluyente. El uso de un modelo del transformador como herramienta de análisis constituye una de las alternativas más prometedoras para la obtención de un diagnóstico conciso y objetivo. Existen numerosos trabajos en este ámbito, pero ninguno ha conseguido cumplir con los requisitos necesarios para constituir una alternativa definitiva. Motivado por esta carencia, el trabajo de investigación desarrolla en primer lugar un Procedimiento de Modelado general para el transformador trifásico. En segundo lugar, la aplicación del Procedimiento sobre el transformador de núcleo trifásico tipo columna de dos arrollamientos genera un Modelo que es validado con las medidas experimentales de un transformador prototipo (véase descripción en anexo A.V) y 5 transformadores reales. Por último, el análisis del modelo obtenido permite la interpretación de las medidas del ensayo de la Respuesta en Frecuencia y la obtención de criterios generales de diagnóstico. El proceso de investigación comienza con la identificación de objetivos, establecidos en el Capítulo 1 y el diseño de la metodología a seguir. Continúa con una revisión del estado de la técnica, contenida en el Capítulo 2 donde se analizan las diversas alternativas de modelado, los modelos existentes y las dificultades a solventar. En el Capítulo 3 se expone la solución particular para el diseño del Procedimiento de Modelado y el punto de partida, basado en el Modelo de Pleite. En el Capítulo 4 se desarrolla la Estructura del Modelo, basada en un circuito equivalente modular de parámetros concentrados y obtenida a partir del Principio de Dualidad. En el Capítulo 5 se desarrolla el Procedimiento de Cálculo de Parámetros mediante el cual se obtiene el valor de los parámetros eléctricos que constituyen el circuito del modelo y que serán los encargados de ajustar su respuesta a la medida real del transformador. El algoritmo de cálculo de valores está basado en un proceso de optimización mediante el cual se busca el menor error de ajuste entre la respuesta simulada del modelo y la medida del transformador. En el Capítulo 6 se finaliza la aplicación del Procedimiento de Modelado mediante la validación del modelo obtenido a partir de la comparación de resultados experimentales en el transformador prototipo y 5 transformadores utilizados en la industria. El proceso de investigación finaliza con la obtención de unos criterios generales de interpretación de la respuesta y diagnóstico mediante el uso del modelo, expuestos en el Capítulo 7. El Capítulo 8 resume las principales conclusiones y las aportaciones originales de la Tesis, enumeradas en los siguientes puntos:  Se establece un procedimiento general de modelado en pequeña señal de transformadores que tiene en cuenta, analiza y representa satisfactoriamente los principales fenómenos electromagnéticos presentes en la medida FRA, lo que le confiere la capacidad de interpretar la realidad física en el interior del transformador esencial para detectar y cuantificar el defecto. Este procedimiento es aplicable con independencia del diseño constructivo, del número de fases, del número de tensiones y del grupo de conexión del transformador.  Se desarrolla un nuevo modelo para transformador trifásico de dos arrollamientos que avanza significativamente respecto a las soluciones actuales particularmente en los siguientes aspectos: o Permite obtener un solo modelo global del transformador considerando todas las medidas del ensayo FRA en lugar de implementar un modelo independiente para cada medida. o El modelo global permite tener en cuenta el acoplamiento magnético entre arrollamientos de distintas fases y arrollamientos concentricos de la misma fase. o A pesar del comportamiento global, el modelo está constituido por submodelos conectados que se pueden analizar independientemente, discretizando el efecto de cada una de las fases del transformador por separado a pesar de que en la medida FRA el acoplamiento magnético mezcla la influencia de las tres fases de forma conjunta. o La topología modular de submodelos facilita la identificación del fallo y dota al modelo de una mayor versatilidad ya que permite su ampliación a casos de tres arrollamientos sin más que añadir módulos o distintas configuraciones del grupo de conexión sin más que conectar módulos entre si y sin necesidad de cambios en la topología. o Considera de forma novedosa en el ensayo FRA el parámetro de inductancia de dispersión como el elemento que representa el flujo magnético por la interfase núcleo-dieléctrico de forma global (a lo largo de todo el arrollamiento) y parcial (en cada grupo de espiras que conforma el arrollamiento).  Se relaciona de forma clara y concisa la forma y rangos de la respuesta en frecuencia con distintos parámetros físicos del transformador tales como elementos constitutivos (núcleo, arrollamientos y dieléctrico), grupos de conexión, tamaño y potencia, etc., avanzando significativamente en la obtención de los criterios de interpretación de las curvas FRA para su posterior estandarización en la normativa de aplicación FRA. Junto con el presente documento, durante la realización de la Tesis Doctoral el autor ha publicado como autor o coautor 3 artículos en revistas internacionales, [165], [166], [168] y 19 artículos a congreso [169] a [188] de los cuales 14 están directamente relacionados con los resultados de la investigación. Además ha dirigido o codirigido 3 Proyectos Fin de Carrera [189], [190], [191] y ha realizado dos estancias de 4 meses de duración en la Universidad del Valle, Cali, Colombia donde ha participado activamente en el Grupo de Alta Tensión GRALTA y ha desarrollado parte del trabajo experimental expuesto en la Tesis en el marco de colaboración de este grupo con diversas empresas del sector eléctrico. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
The Frequency Response Analysis FRA is a well-known and established measurement technique used for the detection of failures in power transformers. In spite of its advantages, a definitive diagnosis procedure only based on the FRA methodology is not completely developed at date. The majority of the research community agree on considering the model of the transformer as one of the most useful tools to analyze and interpret the FRA traces, and therefore, leading to an accurate and definitive diagnosis of the transformer condition. Plenty of research has been focus on transformer modeling, but no one has complied with the requirements of the FRA oriented models. That is the motivation of the doctoral research, starting with a General Modeling Procedure for 3 phase transformer. Once the procedure has been developed, it is applied to a two winding 3 phase transformer. The resulting model is checked by experimental validation using the measurements of a prototype distribution transformer and five real transformers used by Spanish utilities. Finally, the model is used for the interpretation of the FRA measurements and the obtention of general criteria for transformer diagnosis. In Capítulo 1 (Chapter 1) the objectives are identified and the research methodology is established. The review of the research state of the art about the FRA technique specially focused at the available modeling procedures and is contained in Capítulo 2 (Chapter 2). The proposed solution to establish the modeling procedure is schematized in Capítulo 3 (Chapter 3) where the 3 main stages are introduced. The first stage consists on designing the equivalent circuit structure of the model, developed in Capítulo 4 (Chapter 4), using the Magnetic-Electric Duality Principle Principle after a detailed magnetic analysis in the trasnformer. The second stage, consisting on developing the procedure for the calculus of the parameters is explained in Capítulo 5 (Chapter 5). Finally, the modeling procedure is applied to a prototype transformer. The simulation of the resulting model is contrasted with the actual measurements. Additionally, five real transformers are measured and modeled. The experimental results confirm the accuracy of the model, complying with the verification stage of the modeling procedure in Capítulo 6 (Chapter 6). In Capítulo 7 (Chapter 7) the model is used as a tool to interpret the FRA traces and to obtain a general criteria for power transformer diagnosis. Conclusions of the research are summed up in Capítulo 8 (Chapter 8). The developed research has concluded with 3 papers published in different journals , [165], [166], [168], 19 papers published in conferences, [169] to [188] and a four months collaboration with GRALTA, Universidad del Valle, Cali, Colombia where part of the experimental research has been developed.
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Transformadores de potencia
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