Métodos para la detección de devanados en cortocircuito
Este documento describe los métodos utilizados por los probadores de la serie AT para encontrar devanados en cortocircuito.
1. Introducción a la detección y prueba de giros en cortocircuito
Los inductores están formados por un trozo de cable, generalmente enrollado alrededor de un núcleo.
El núcleo suele ser algún tipo de material magnético como hierro o ferrita, aunque a veces también se utilizan núcleos de aire.
El cable se denomina "devanado" y este devanado se compone de varias vueltas.
Generalmente, los inductores son de un solo devanado y los transformadores en su mayoría tienen múltiples devanados (hay casos especiales, como los "autotransformadores" donde solo existe un único devanado) y en muchos transformadores se pueden usar diferentes diámetros de cable en los distintos devanados.
Los inductores y/o transformadores que se bobinan utilizando un gran número de espiras y/o utilizando alambre muy fino, requieren de un método de detección de la existencia de espiras en cortocircuito, así como la capacidad de tensionar el devanado para detectar imperfecciones o potenciales debilidades en el aislamiento del devanado que podría ser un punto débil con el tiempo.
Las imperfecciones del devanado normalmente pueden atribuirse a esmalte dañado causado por daños físicos durante la fabricación del transformador, o imperfecciones durante la fabricación del propio cable sin procesar.
Estas imperfecciones pueden provocar un cortocircuito en las vueltas durante el funcionamiento normal si no se detectan en el punto de fabricación.
Las altas temperaturas resultantes del aumento de corriente en el cortocircuito provocarán con bastante rapidez que el cobre se derrita y crearán una soldadura por puntos de baja resistencia.
Este cortocircuito de baja resistencia provocará un cortocircuito completo en una vuelta, afectando el rendimiento del devanado y, por tanto, de todo el transformador.
2. Detección de giros en cortocircuito
Los probadores AT de Voltechs pueden detectar giros en cortocircuito y posibles áreas débiles mediante dos métodos de prueba:
Prueba de SOBRETENSIÓN o de impulso (SURG): adecuada para cables finos o devanados de alto voltaje.
Prueba de VATIOS DE ESTRÉS. (STRW / STRX): adecuado para devanados de tensión de línea.
En los dos casos siguientes, analizaremos los efectos de estresar el primario, pero recuerde que mediante la inducción básica de voltajes en todos los devanados, probará la longevidad de TODOS los devanados del transformador.
Como tal, siempre debe realizar una prueba de esfuerzo en el devanado con el mayor número de vueltas, ya que esto garantizará que no esté induciendo más voltaje que el generado en ningún devanado y, por lo tanto, protegerá el probador UUT y AT.
2.1 Prueba de SOBRETENSIÓN o impulso (100 V - 5 kV DC)
Como no existe un método o parámetro de medición universalmente definido para este tipo de prueba, se requiere un componente de ejemplo perfecto para las pruebas de comparación.
El componente perfecto servirá como punto de referencia y el resultado medido se utilizará como valor de comparación.
El nivel de voltaje y la cantidad de pulsos necesarios dependen de la cantidad total de tensión necesaria en el devanado del componente.
Como ejemplo, en el caso de un rayo, un transformador accionado por la red eléctrica podría experimentar picos de hasta 2 kV desde el suministro principal, por lo tanto, tres pulsos a un nivel de voltaje de 3 kV deberían probar y tensar adecuadamente los devanados para Imperfecciones del aislamiento entre vueltas.
Cada pulso de alto voltaje inyectado producirá un tiempo de caída característico definido del voltaje transitorio.
Un aislamiento deficiente y/o espiras en cortocircuito disiparán parte de la energía, lo que dará como resultado tiempos de descomposición más cortos.
FIGURA 1 (caída versus tiempo de un pulso de una prueba de sobretensión, Izquierda = Parte buena, Derecha = Parte mala).
La prueba “SURGE” de la serie AT proporciona una prueba de sobretensión de alto voltaje de 100 V a 5 kV y una opción de 1 a 99 impulsos.
La señal de prueba se genera descargando un capacitor en el devanado de la pieza bajo prueba y luego midiendo la longitud de la relación resonante entre el capacitor (en el AT) y el inductor (UUT).
Si el programa de prueba solicita múltiples pulsos, una vez que el AT detecta que el pulso resonante ha llegado a cero, recargará el capacitor y lo descargará nuevamente para el siguiente pulso.
Esto toma alrededor de 100-200 ms entre el final de la caída de un pulso y el comienzo de la siguiente caída del pulso.
No existe un parámetro de tiempo definido por el usuario para el impulso y la medición posterior, ya que la tasa de caída depende de la relación entre el generador AT Surge y la pieza bajo prueba.
Los resultados arrojados por el AT se presentan como una medición voltio-segundo (es decir, el área bajo el gráfico de desintegración).
Si el transformador está defectuoso, el resultado medido será un valor menor que el del transformador perfecto, ya que las pérdidas provocarán un tiempo de caída más corto y darán como resultado un área más pequeña bajo el gráfico.
El método SURGE es preferible al método posterior STRESS WATT, ya que los voltajes de tensión más altos disponibles dan una mejor sensibilidad a una falla de un solo devanado adyacente.
Por supuesto, el uso de SURGE también requiere que el diseño de la pieza pueda soportar pulsos tan altos incluso cuando se fabrica correctamente.
Resumen de AUGE
Cuando se utiliza esta prueba como métrica caracterizante del diseño de un transformador, las piezas que probablemente sufran una falla temprana se pueden detectar evaluando la duración de la resonancia frente a la de la pieza de referencia perfecta utilizada para definir los límites de la prueba.
Cualquier pieza con cortocircuitos duros entretejidos o áreas débiles (por ejemplo, en el revestimiento de esmalte) se desintegrará bajo la tensión del pulso de voltaje, por lo que puede detectarse y retirarse de la producción para ser reelaborada o desguazada.
2.2 Prueba de VATIOS DE TENSIÓN (1-270 V CA)
Un transformador seguirá consumiendo algo de corriente y energía cuando se pruebe un transformador sin carga con el circuito secundario abierto.
Este consumo de energía se mide en vatios y es la potencia absorbida por una bobina sometida a una corriente alterna.
Normalmente, el consumo de corriente debido a la pérdida del núcleo (corrientes parásitas e histéresis) es sólo un pequeño porcentaje de la carga normal, por lo que suele ser insignificante.
La prueba de Watts (WATT) generalmente se realiza con el voltaje de línea completo y la frecuencia de operación del transformador.
FIGURA 2 - Prueba de VATIOS primario 220 V a 50 Hz, TR 5:1, secundario es 44 V a 50 Hz
Sin embargo, también es muy común y deseable “estresar” el transformador por encima de su voltaje de operación normal para brindar cierto margen de garantía de calidad.
Esta prueba de estrés (a diferencia de la prueba WATT normal) también debe realizarse durante un período prolongado y fijo, ya que es posible que las debilidades no se muestren en condiciones instantáneas.
Durante este período de estrés, cualquier aumento dramático instantáneo en la potencia medida indicaría que había una falla en el devanado de aislamiento entre espiras o una espira en cortocircuito, ya que se consumiría una mayor cantidad de corriente a través del defecto.
FIGURA 3 - Prueba de VATIOS DE TENSIÓN primaria 440 V a 100 Hz, TR 5:1, secundaria es 88 V a 100 Hz
La ley de Faraday muestra que si el voltaje y la frecuencia aumentan proporcionalmente, la pérdida del núcleo debería permanecer aproximadamente igual. Por lo tanto, se puede realizar una prueba de tensión en vatios (STRW) al doble de la tensión nominal y al doble de la frecuencia nominal del transformador.
Como hemos aumentado proporcionalmente el voltaje y la frecuencia de la figura 2 a la figura 3, la pérdida del núcleo seguirá siendo la misma, lo que permitirá que los devanados se esfuercen a un voltaje mayor que el utilizado en el funcionamiento normal.
La densidad de flujo (B) en el núcleo seguirá siendo la misma
B~V/(f*A*N)
N = El número de vueltas
A = El área de la sección transversal del núcleo.
V = Tensión aplicada.
f = Frecuencia aplicada
Notas practicas
En realidad, encontrará que las pérdidas del núcleo aumentan con la frecuencia (las pérdidas del núcleo son una función de la densidad de flujo Y de la frecuencia) aunque hayamos mantenido la misma densidad de flujo, por lo tanto, el STRW puede leerse más alto, pero el resultado seguirá siendo repetible. y característico. Puede mitigar las pérdidas del núcleo duplicando la F nuevamente, por lo que para un transformador de 100 V, 50 Hz, puede encontrar que 200 V, 200 Hz es más adecuado que 110 V/100 Hz.
Los transformadores de suministro de línea suelen tener un devanado de 240 V, con una derivación para generar 2 devanados de 120 V.
Para duplicar el voltaje en el devanado de 240 V se necesitarían 480 V, lo que supera la capacidad de 270 V de la prueba STRW.
Aquí sugerimos cualquiera de los dos;
a) Probar el devanado de 120 V (si tiene uno) individualmente a 120 V (WATT) para funcionamiento normal y luego a 240 V para la prueba de esfuerzo (STRW). Esto a su vez inducirá 480 V a través del devanado de 240 V, sin necesidad de suministrar los 480 V.
o
b) Probar un secundario de menor tensión, al doble de su tensión de funcionamiento. De manera similar, esto induciría 480 V en el primario, pero como los nodos primarios no se usarían en la prueba, el aislamiento de 5 kV en los nodos de prueba abiertos protegerá el probador AT.
Resumen de STRW
El AT5600 y el AT3600 proporcionan una prueba de tensión en vatios (STRW) de 1 V a 270 V a 20 Hz a 1500 Hz para detectar fallas potenciales en el aislamiento entre espiras de un devanado.
El usuario también debe especificar un tiempo de permanencia para la prueba de 0,5 sa 180 s, durante el cual se monitorea continuamente la potencia.
Los resultados de la prueba se presentan en Watts.
Cuando los niveles de voltaje y corriente requieran ampliación, utilice el dispositivo de interfaz de CA de Voltech con el AT.
Esto permite el uso de un transformador elevador externo o una fuente de alimentación de CA para generar voltaje (hasta 600 V) y corriente (hasta 10 A) más altos.
Las señales de prueba, la medición y los criterios de aprobación-rechazo aún están controlados automáticamente por el AT mediante las pruebas 4 X; MAGX, WATX, STRX y VOCX.