MX2011000686A - Un dispositivo sensor de falla incipiente en linea mejorado para deteccion de falla incipiente en un aparato electrico lleno de aceite tal como un transformador. - Google Patents

Abstract

La invención se relaciona con un dispositivo sensor de falla incipiente en línea mejorado para detección de falla incipiente en aparatos eléctricos llenos de aceite tal como un transformador, el dispositivo comprende una cabeza de sensor (1) montada directamente en una lumbrera de ventilación de aire de un relé de Buchholz (3); y unidad de control con visualización (2) conectada operativamente a la cabeza de sensor (1) mediante un cable protegido (12), la cabeza de sensor (1) detecta el gas hidrógeno y transmite a la unidad de control con visualización (2) una señal eléctrica equivalente a la concentración del hidrógeno libre acumulado en el relé de Buchholz (3), la unidad de control con visualización (2) compara el valor de señal con un valor preestablecido almacenado, y envía una primera alarma visual cuando el valor de señal recibido excede un valor preestablecido, una alarma de audio se genera adicionalmente por la unidad (2) en caso de que la falla continúe y el operador no observe la primera alarma visual. La cabeza de sensor (1) comprende una membrana (10, 11) formada de una combinación de dos tipos de materiales, el primer tipo es un material cerámico (10) para aislar los gases libres de la fase líquida a la fase gaseosa, y el segundo tipo es un material polimérico (11) para aislar el hidrógeno de la fase gaseosa mezclada.

Description

UN DISPOSITIVO SENSOR DE FALLA INCIPIENTE EN LÍNEA MEJORADO PARA DETECCIÓN DE FALLA INCIPIENTE EN UN APARATO ELÉCTRICO LLENO DE ACEITE TAL COMO UN TRANSFORMADOR DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere generalmente a detección de una falla incipiente desarrollada en equipo eléctrico. Más particularmente la invención se refiere a un dispositivo sensor de falla incipiente en línea mejorado para detección de falla incipiente en una aparato eléctrico lleno de aceite tal como transformadores de energía durante su operació .

En una red eléctrica de generación, transmisión y utilización, un transformador es uno de los equipos principales y más costoso. Para un suministro de energía confiable y económico, es esencial que funcione al nivel óptimo a través de la duración de vida diseñada y por lo tanto atrae una atención especial para monitorear su buen funcionamiento durante el servicio. La importancia del transformador de energía costoso se vuelve más significativa debido a que es costoso proporcionar un transformador de reserva. Para proteger al transformador y por consiguiente a todo el sistema contra falla prematura, se proporcionan diferentes dispositivos. La condición de falla se supone que se detecta por el sistema de protección y aisla al transformador de la corriente principal tan pronto como es posible para evitar daño adicional al transformador así como al sistema. Una desconexión forzada de la red de energía resulta en una inmensa pérdida de ingresos, lo cual no es deseable y asequible.

El monitoreo de condición es una necesidad para el equipo principal como el transformador en una red eléctrica para una conflabilidad mejorada. Detectar una falla en su fase inicial ayuda al servicio público a tomar una medida correctiva bien en tiempo para evitar cualquier falla prematura. En sistemas eléctricos, un transformador es uno del equipo principal y por lo tanto se protege a través de varios dispositivos protectores. Por encima de estos dispositivos, varias técnicas de monitoreo de condición como factor de Disipación Dieléctrica, medida de Descarga Parcial, Análisis de Gas de Disolución (DGA) , etc., se adaptan para detectar el desarrollo de cualquier falla incipiente en el transformador durante el servicio.

Entre estos sistemas de protección, el DGA es una técnica confiable y bien probada. En el DGA, a intervalos regulares, es decir anualmente, una pequeña cantidad (200 mi) del aceite del transformador se recolecta del tanque principal del transformador y se lleva a un laboratorio para su análisis. Las concentraciones de diferentes gases disueltos se determinan con la ayuda de cromatografía de gas;. Al evaluar el índice de elevación en la concentración de gas entre los DGA sucesivos, así como la concentración de gases individuales; la presencia de falla, su tipo y severidad se evalúan. Existen varios casos donde el DGA jugó una función principal al evitar que el transformador tuviera una falla catastrófica .

El DGA aunque es confiable es una técnica FUERA DE LÍNEA. El estado de falla desarrollado entre dos análisis sucesivos no puede detectarse. Además, un muestreo inadecuado puede llevar a resultados erróneos.

Un relé de Buchholz convencional; el cual se volvió parte integral del transformador desde los últimos años, es en línea y es más económico también. Opera en ambos tipos de falla, es decir, térmica y eléctrica. Aunque se ha experimentado que es lento, detecta la falla en una fase posterior y no es sensible a falla de baja intensidad. El relé de Buchholz se monta en la parte superior del tanque principal entre el conservador y el tanque principal. De este modo, en caso de cualquier falla térmica/eléctrica, se desarrollaban y recolectaban gases en el relé de Buchholz. Cuando los gases acumulados en el relé de Buchholz cruzan un valor preestablecido, el relé opera y proporciona una alarma. Se encuentra con frecuencia que para el momento en que el relé de Buchholz opera, un daño considerable en el transformador ya ha ocurrido. Por consiguiente, es deseable aislar el transformador con falla del sistema principal tan pronto como sea posible para evitar que cualquier daño adicional al transformador se aisle también al sistema.

La patente India No. 204691 concedida a la invención la cual se incorpora en la presente por medio de referencia la cual describe un sensor de falla incipiente en línea para el transformador lleno de aceite. La presente invención constituye una mejora que logra una mayor precisión y proporciona una detección más rápida.

Por lo tanto es un objeto de la invención proponer un dispositivo sensor de falla incipiente en línea mejorado para detección de falla incipiente en un aparato eléctrico lleno de aceite.

Otro objeto de la invención es proponer un dispositivo sensor de falla incipiente en línea mejorado para detección de falla incipiente en aparatos eléctricos llenos de aceite, el cual es capaz de detectar falla térmica y eléctrica en la fase inicial para permitir una medida correctiva inmediata que proteja a los aparatos eléctricos de cualquier daño mayor.

Un objeto adicional de la invención es proponer un dispositivo sensor de falla incipiente en línea mejorado para detección, el cual sea confiable, sensible y rápido para detectar las fallas incipientes en el aparato eléctrico.

Un objeto adicional de la invención es proponer un dispositivo sensor de falla incipiente en línea mejorado para detección de falla incipiente en aparatos eléctricos, el cual actúe adicionalmente como una herramienta de monitoreo de condición para los aparatos eléctricos.

Aún otro objeto de la invención es proponer un dispositivo sensor de falla incipiente en linea mejorado para detección de falla incipiente en aparatos eléctricos, al cual se adapta una membrana que consiste de materiales dobles particularmente cerámicos y poliméricos, el primer tipo de material aisla los gases libres de la fase liquida a la fase de gas, y el último tipo de material aisla el hidrógeno de la fase gaseosa mezclada, mejorando así la precisión de detección .

Otro objeto adicional de la invención es proponer ?? dispositivo sensor de falla incipiente en línea mejorado para detección de fallas incipientes en aparatos eléctricos, el cual sea de costo efectivo, fácil de instalar y proporcione resultados precisos.

Un estudio detallado llevado a cabo por la invención revela que la concentración de hidrógeno desarrollado (libre) acumulado en el relé de Buchholz es comparativamente más elevado que el hidrógeno disuelto. De acuerdo con estos hallazgos, un nuevo concepto de detección éh línea de hidrógeno desarrollado se ha concebido y un dispositivo se ha diseñado, fabricado y probado completamente. Se observará que el gas hidrógeno se produce en caso de fallas eléctricas y térmicas en el transformador. Este factor acoplado con la menor solubilidad del gas hidrógeno en el aceite de transformador hace al dispositivo inventivo eficiente y técnicamente ventajoso.

El DISPOSITIVO SENSOR DE FALLA EN LÍNEA de la invención detecta la falla incipiente en aparatos eléctricos llenos de aceite tales como un transformador de energía durante el servicio. Esto ayuda al usuario a tomar una medida correctiva necesaria a tiempo en la fase inicial de desarrollo de la falla para evitar que el transformador tenga un daño mayor, y por consiguiente evitar que el sistema de la red de energía tenga un daño mayor. Este dispositivo de la invención es en línea, simple, económico y proporciona indicación de desarrollo de falla incipiente en su fase temprana.

El principio de trabajo básico del dispositivo es detectar el gas hidrógeno libre desarrollado debido a la fálla. En caso de cualquier tipo de falla particularmente térmica y eléctrica, desarrollada en cualquier lugar dentro del tanque del transformador, el hidrógeno - un gas principal, se desarrolla muy rápido. El sensor de falla detecta la presencia de una concentración de hidrógeno y por consiguiente proporciona una alarma, es decir, una luz Verde (en caso de trabajo normal) , luz Amarilla (en caso de desarrollo en el nivel de falla inicial) , y luz Roja (en el caso de desarrollo de nivel de falla mayor) .

El sensor de falla contiene dos partes particularmente una cabeza de sensor y una unidad de yisualización con control. La cabeza de sensor puede montarse directamente en una lumbrera de ventilación de aire del relé de Buchholz sin ninguna modificación en el transformador, mientras la unidad de visualización con control puede montarse en una caja de arreglo cerca del transformador. La cabeza de sensor detecta la presencia de hidrógeno y envía señales a la unidad de control donde la señal se analiza y se proporciona la alarma correspondiente. El dispositivo es ligero (aproximadamente 0.5 kg para cada cabeza de sensor y unidad de visualización) , fácil y rápido de instalar (< dos horas) , y tiene un requerimiento de energía mínimo y económico (en mW) .

En este dispositivo de detección, el gas hidrógeno desarrollado se separa del aceite del transformador al utilizar una membrana que tiene una porosidad deseada y es capaz de soportar ambientes de trabajo (una presión de hasta 10 kg/cm2) y una temperatura (de hasta 200°C) . También es compatible con el aceite. El hidrógeno separado cuando entra en contacto con el elemento de detección, una absorción superficial tiene lugar y la resistencia eléctrica cambia por consiguiente. El cambio en la resistencia eléctrica se convierte en señales equivalentes de mV y se transporta a la unidad de visualización a través de un cable protegido. La salida de señal es lineal en el margen deseado. La respuesta del sensor es rápida (< un minuto) . La adsorción superficial es un fenómeno reversible y por lo tanto en ausencia de gas hidrógeno, el sensor vuelve a obtener su valor de resistencia eléctrica inicial. La duración del elemento de detección del dispositivo es de más de cinco años.

De acuerdo con el estudio de falla simulada, los niveles de alarma se establecen para condiciones normal (Verde) , de advertencia (Amarillo) y de falla (Rojo) .

De acuerdo con el dispositivo inventivo, el hidrógeno desarrollado se detecta lo cual se vuelve ventajoso debido a que el hidrógeno es un gas más ligero que trata de moverse hacia arriba, por lo tanto la concentración de g s desarrollado es mayor que el disuelto. Detectar una gran cantidad de gas es más fácil y precisa.

VENTAJAS SOBRE OTRAS ALTERNATIVAS CONOCIDAS (i) Instalación de medición en línea, (ii) Más barato (iii) Protección del transformador costoso con un gasto de una pequeña cantidad, (iv) Sensible y confiable (v) Instalación fácil y rápida (vi) Es posible un fácil reemplazo, r' (vii) Proporciona una alarma de audio/visual, (viii) Tiempo de respuesta: Menos De 2 minutos, (ix) Margen de visualización: 0 - 1999, (x) Precisión: + 10% (xi) Repetibilidad: + 2% (xii) Tamaño/Peso : (a) - Cabeza de sensor - 50 mm de diámetro, 50 mm de longitud (0.3 kg) (b) - Unidad de visualización con control - 95 x 100 mm (0.8 kg) (xiii) Potencia de entrada: 220V de AC, < 100 mA, (xiv) Alarma: Baja (Visual) y Alta (Audio) (xv) Ninguna modificación se requiere en el transformador existente para instalar el sensor de falla en línea. El dispositivo puede montarse directamente en la lumbrera de ventilación de aire del relé de Buchholz en menos de una hora de tiempo .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 muestra un diagrama esquemático de un dispositivo sensor de falla incipiente en línea mejorado de acuerdo con la invención.

La Figura 2 es una vista pictográfica de la cabeza de sensor montada en un relé de Buchholz de acuerdo con la invención .

La Figura 3 muestra una vista pictográfica de la Unidad de control con visualización del dispositivo inventivo.

La Figura 4 muestra una representación gráfica del dispositivo inventivo para varias fallas posibles.

La Figura 5 muestra detalles de construcción del dispositivo de la invención.

La Figura 6 muestra un circuito electrónico para detectar la presión de hidrógeno y la presentación.

Como se muestra en las Figuras 1, 5 y 6, el dispositivo básicamente tiene dos componentes particularmente una Cabeza de Sensor. (1) y una Unidad de control con visualización (2) . La cabeza de sensor consiste de un elemento de detección (8), una membrana cerámica-polimérica (10, 11) para aislar el gas hidrógeno libre del aceite del transformador. La cabeza de sensor (1) se monta directamente en una lumbrera de ventilación de aire de un relé de Buchholz (3) .

Cuando el gas hidrógeno alcanza la cabeza de sensor ¦¦(i) , detecta y proporciona una señal eléctrica equivalente, la cual se transmite a través de un cable protegido (12) hacia la unidad de control con visualización (2) . La unidad de control con visualización (2) , puede montarse en la caja de arreglo (no mostrada) cerca del transformador (T) o cuarto de control de la subestación. La unidad de control con visualización (2) requiere un suministro de energía de 220 V, 50 Hz . Esta unidad (2) proporciona una visualización de concentración relativa de hidrógeno libre en el relé de Büchholz (3) . Cuando la señal cruza un valor presente, la unidad de visualización (2) proporciona una primera alarma visual para alertar al operador. En caso de que la primera alarma no se note y si la falla continúa, la unidad dé 0 visualización (2) proporciona una alarma de audio.

La Figura 5 muestra detalles de construcción de una cabeza de sensor (1) . Un elemento de detección (8)' es una parte sensible del dispositivo y por lo tanto para protegerla '"¦ de los peligros atmosféricos como el agua, polvo, 5 vibraciones, interferencias electromagnéticas, etc.; se mantiene en una carcasa metálica (4) . En un extremo a través de la rosca estándar, la cabeza de sensor (1) puede montarse fácilmente en la lumbrera de ventilación de aire del relé de Büchholz (3) . En caso de desarrollo de otro tipo de falla 0 eléctrica o térmica, el aceite se descompone y el hidrógeno con los otros gases se desarrolla. Con la ayuda de una membrana cerámica (10) , el gas se aisla del aceite y con la ayuda de una membrana polimérica (11) ; sólo el hidrógeno se deja pasar a través del elemento de detección (8) . Los 5 "anillos Tóricos" (9) y la junta (6) necesaria se proporcionan para evitar cualquier fuga y se proporciona un relleno blando (7) para resistir cualquier vibración.

La Figura 6 muestra una circuitería equivalente para detectar la presencia de hidrógeno y la visualización por consiguiente, Rs representa la resistencia superficial del elementó de detección (8) y Rt representa la resistencia de carga a través de la cual la caída de voltaje equivalente se mide. El cambio en la Rs, reflejado en el cambio equivalente en el voltaje a través de ¾.

La RL se conecta en serie con la Rs y un voltaje constante regulado se aplica a través de la Rs+RL. En condición normal, la Rs tiene su valor de resistencia de superficie inicial. Cuando el hidrógeno entra en contacto con la Rs, un fenómeno superficial tiene lugar y la resistencia superficial disminuye. Esto disminuye la caída de voltaje a través de la Rs . Cuando la. Rs + RL se suministran como fuente de voltaje constante, cualquier disminución del voltaje a través de la Rs incrementa el voltaje a través de la RL por consiguiente. Esto es similar en un fenómeno inverso. 1 La salida de mVolt de la RL se transfiere a la unidad de control con visualización (2) a través de un cable protegido (12) . La unidad de visualización (2) se proporciona con una circuitería electrónica para convertidor de señales de análogo a digital para desplegar la caída de mV desde la RL en 0 a 3000 unidades. El estado actual del hidrógeno también se despliega a través del LED, es decir, Verde para la condición normal, Amarillo para la alarma 1 o alarma baja o alarma visual y Rojo para alarma 2 o alarma alta o alarma de audio. El valor de la alarma 1 y la alarma 2 puede preestablecerse y cuando el valor de señal incrementa más allá del valor establecido, la visualización mostrará la alarma equivalente .

Para evaluar el rendimiento del dispositivo sensor, se ha llevado a cabo un estudio en condiciones de falla térmica y eléctrica simuladas. Una cámara metálica rectangular se fabricó. Un relé de Buchholz estándar de 25 mm se montó a través de una tubería en la parte superior de la cámara. En la lumbrera de ventilación de aire del relé de Buchholz, el dispositivo sensor de falla inventivo se montó.

La zona de mayor calor como falla térmica de tres diferentes magnitudes y similarmente una falla eléctrica de tres diferentes magnitudes se desarrollaron en la cámara al utilizar electrodos. Durante la falla, la concentración de gas desarrollado, la cantidad de gas libre acumulado en el relé de Buchholz y la lectura del sensor con tiempo se midieron. La concentración de hidrógeno libre se midió utilizando una cromatografía de gas.

La Tabla 1 muestra el tiempo de respuesta del sensor dé Falla en comparación con el relé de Buchholz convencional, el cual se presenta gráficamente en la Figura 3.

Falla de Alta Tenperatura Falla de Descarga de Alta Energía 600°C 275°C 190°C 18 kV 15 kV 12kV 20 mins. 30 mins. 540 mins. 25 mins. 30 mins. 180 mins. 25 mins. 35 mins. 600 mins. 30 mins. 35 mins. 240 mins. 60 mins. 165 mins. 840 mins. 180 mins. 240 mins. 1040 mins.

Claims (2)

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo sensor de falla incipiente en línea mejorado para la detección de falla incipiente en aparatos eléctricos llenos de aceite tales como un transformador, el dispositivo comprende: una cabeza de sensor directamente montada en una lumbrera de ventilación de aire de un relé de Buchholz; y unidad de control con visualización conectada operativamente a la cabeza de sensor mediante un cable protegido, - la cabeza de sensor que detecta el gas hidrógeno y transmite a la unidad de control con visualización una señal eléctrica equivalente a la concentración del hidrógeno libre acumulado en el relé de Buchholz, la unidad de control con visualización compara el valor de señal con uñ valor preestablecido almacenado, y envía una primera alarma visual cuando el valor de señal recibido excede un valor preestablecido, una alarma de audio se genera adicionalmente por la unidad en caso de que la falla continúe y/o el operador no observe la primera alarma visual, caracterizado porque la cabeza de sensor comprende una membrana formada de una combinación de dos tipos de materiales, el primer tipo es un material cerámico para aislar los gases libres de la fase líquida a la fase gaseosa, y el segundo tipo es un material polimérico para aislar el hidrógeno de la fase gaseosa mezclada.

2. Un dispositivo sensor de falla incipiente en línea mejorado para detección de falla incipiente de aparatos eléctricos llenos de aceite tales como un transformador como se describe sustancialmente e ilustra en la presente con referencia a los dibujos anexos.