Análisis de respuesta en frecuencia (SFRA)

El SFRA es una prueba que ofrece información variada sobre el transformador, como movimientos del núcleo, deformaciones en los devanados y conexiones defectuosas.

Para realizar la prueba, se necesita un equipo especializado que aplique una señal de voltaje a diferentes frecuencias y mida la respuesta del transformador. (Generalmente estamos hablando de 10V-20V y la frecuencia desde los Hz hasta varios MHz).

La técnica SFRA (Sweep Frequency Response Analysis) se basa en el análisis de la respuesta en frecuencia del transformador. Cuando se aplica una señal de voltaje variable en frecuencia a los terminales de un transformador, éste responde de manera diferente según la frecuencia de la señal. La respuesta en frecuencia del transformador está relacionada con su construcción interna, especialmente el núcleo, los devanados y los aislamientos.

En un ensayo SFRA, se inyecta una señal de voltaje de baja amplitud y se varía la frecuencia de esta señal en un amplio rango, típicamente desde algunos Hz hasta varios MHz. La corriente que fluye a través del transformador también varía en función de la frecuencia de la señal de entrada. El SFRA mide la relación entre el voltaje de entrada y la corriente de salida a diferentes frecuencias. Esta relación se denomina “respuesta en frecuencia” del transformador.

La respuesta en frecuencia es única para cada transformador debido a sus características constructivas y su estado. Si hay cambios en la configuración interna del transformador, como una deformación del núcleo, desplazamiento del devanado o alteraciones en los aislamientos, la respuesta en frecuencia también cambiará. Al comparar la respuesta en frecuencia medida con los datos de referencia (mediciones previas del mismo transformador o mediciones de transformadores similares), es posible identificar diferencias que puedan indicar problemas o cambios en el transformador.

La técnica SFRA, utiliza la respuesta en frecuencia del transformador como una “huella digital” para evaluar su estado y detectar posibles problemas. Los fundamentos teóricos de esta técnica se basan en el análisis de la relación entre el voltaje de entrada y la corriente de salida a diferentes frecuencias, lo que permite obtener información valiosa sobre la condición del transformador y sus componentes internos.

Existen cuatro tipos principales de pruebas en SFRA (son los más estudiados a la fecha):

1. Prueba de circuito abierto de extremo a extremo (Núcleo): Ensayo en terminales de alta y baja tensión (HV-LV): Este ensayo se realiza aplicando la señal de entrada en las terminales de alta tensión (HV) y midiendo la respuesta en las terminales de baja tensión (LV). Es una configuración básica que permite evaluar el estado general del transformador y sus devanados.
2. Prueba de cortocircuito de extremo a extremo (Reactancia): Ensayo en terminales de baja y alta tensión (LV-HV): Similar al ensayo HV-LV, pero se aplica la señal en las terminales de baja tensión (LV) y se mide la respuesta en las terminales de alta tensión (HV). Esta configuración también proporciona información sobre el estado general del transformador y sus devanados.
3. Prueba de interdevanado capacitivo (Aislamiento interdevanado): Ensayo en terminales de alta tensión y tierra (HV-E): Este ensayo se realiza aplicando la señal de entrada en las terminales de alta tensión (HV) y midiendo la respuesta en las terminales de tierra (E). Esta configuración permite evaluar la integridad del aislamiento entre los devanados y la tierra.
4. Prueba de interdevanado inductivo (Relación de espiras): Ensayo en terminales de baja tensión y tierra (LV-E): Similar al ensayo HV-E, pero se aplica la señal en las terminales de baja tensión (LV) y se mide la respuesta en las terminales de tierra (E). Esta configuración también proporciona información sobre la integridad del aislamiento entre los devanados y la tierra.

Cada una de estas pruebas proporciona información específica sobre el transformador, y juntas ayudan a formar una imagen completa de su estado de salud. En general, las frecuencias bajas están relacionadas con el núcleo del transformador, las frecuencias medias con los devanados y las frecuencias altas con las conexiones y derivaciones. Todavía se tiene en estudio el SFRA eso es de tenerlo como nota! se sigue aprendiendo de él.

El SFRA es una herramienta útil y versátil para evaluar el estado de los transformadores y contribuye a un mejor mantenimiento y mayor vida útil de estos equipos críticos en la industria eléctrica.

Similitudes con otros ensayos

Los cuatro tipos básicos de pruebas que he mencionado, sus configuraciones son similares a pruebas que hemos hecho con otros equipos de prueba antes. Si lo analizamos, podemos preguntarnos acerca de nuestra prueba de admitancia de circuito abierto donde estamos energizando un lado del devanado y midiendo la respuesta en el otro lado del devanado,si lo piensas, esto es similar a la prueba de de excitación que harías con un conjunto de equipo de prueba de factor de potencia, donde solo estás viendo cuánta corriente se necesita para excitar ese devanado. Pero ahora, en lugar de hacerlo a un voltaje alto en una frecuencia de 50-60 Hz, lo hacemos a un voltaje bajo en un amplio rango de frecuencias.

Luego, lo siguiente es la prueba de admitancia de cortocircuito: una vez más, mira el devanado, porque si piensas que el cortocircuito anula los efectos del núcleo de la respuesta, esto es básicamente tu prueba de reactancia de fuga. Y luego, la siguiente es la prueba de interconexión capacitiva, donde nuevamente estamos energizando un lado de un devanado en el primario y luego medimos la fase correspondiente en esa parte del devanado en el secundario. Y realmente, esto está buscando la capacitancia entre los devanados.

La cuarta prueba de interconexión inductiva, una vez más, es similar a la interconexión capacitiva, pero ahora estamos conectando a tierra la parte opuesta de ese devanado. Y luego, examina la inductancia de ambos devanados.

Entonces, hay cuatro tipos de pruebas, pero la diferencia aquí en comparación con algunas de las otras, como en el factor de potencia, es que en realidad estamos haciendo cada una de las pruebas en cada devanado. Al final, obtendremos algo como una “huella digital” de un transformador típico de dos devanados.

¿Cuándo debemos realizar los ensayos SFRA?

Hay tres momentos donde es importante pero también podemos ver la norma IEEE C57.157 y IEEE C57.149 (Esta norma, titulada “IEEE Guide for the Application and Interpretation of Frequency Response Analysis for Oil-Immersed Transformer) para obtener todas las sugerencia normadas, pero en resumen puedo proponer ver:

1- Durante una prueba de aceptación o puesta en marcha.

2- Si el transformador ha estado inactivo por un tiempo y no se tienen mediciones previas. De esta manera, se obtiene una referencia o una “huella digital” asumiendo que el transformador está en buenas condiciones.

3- Cuando el transformador tiene desplazamientos físicos dentro del montaje o cambio de unidad por otra.

Al realizar y comparar las mediciones a lo largo del tiempo o con transformadores similares, se puede identificar si hay cambios mecánicos o físicos en el transformador que puedan afectar su rendimiento. Lo que nos lleva a otra pregunta.

¿Cómo se puede contar con ensayos confiables para las mediciones SFRA?

1. Comparación basada en tiempo: se compara el mismo transformador en dos momentos diferentes. Es importante mantener las mismas condiciones en ambas pruebas para obtener resultados precisos. Cualquier cambio en el transformador, como cambiar el aceite o las conexiones, puede afectar los resultados.
2. Comparación basada en tipo: se comparan dos transformadores similares con números de serie consecutivos. Los transformadores deben tener las mismas especificaciones técnicas y ser fabricados por el mismo fabricante para obtener resultados precisos, eso sería lo esperado pero seria lo mejor no hacerlo de esta manera de tener más opciones, ya que cada transformador comúnmente puede tener muchas variables en el momento de construirlo.
3. Comparación basada en diseño: se comparan las diferentes fases (A, B y C) dentro de un transformador trifásico. Se pueden ver pequeñas diferencias debido a variaciones en el diseño o en el proceso de fabricación. Si se encuentran grandes diferencias, es posible que haya un problema en el transformador.

¿Precisión y repetibilidad del ensayo?

• Si, hay veces que debemos realizarlo a la misma tensión que se realizo el ensayo anterior y con la misma configuración, dede de haber repetibilidad del ensayo.
• Es importante que el software pueda realizar convolución de curvas y que pueda importar datos de otros equipos.
• Se debe tener un patrón para verificar que el equipo está funcionando muy bien, ese ensayo debe ser guardado junto a las pruebas.
• Utilizar un equipo de alta calidad y precisión, en ocasiones dejamos un activo tan caro en manos de fabricantes que no cumplen con la calidad en sus cables y software del equipo.
• Los cables deben de ser de alta calidad y estar en buena calidad
• La calibración vigente del equipo

SFRA es una prueba muy sensible que permite detectar problemas dentro del transformador. Sin embargo, debido a su sensibilidad, los resultados pueden verse influenciados por diversos factores, como las conexiones y las posiciones del cambiador de taps.

Es importante asegurarse de que las conexiones sean sólidas y de que se utilicen buenas prácticas de conexión a tierra. También es esencial anotar las posiciones del cambiador de taps y realizar pruebas en las mismas posiciones cada vez. La comparación es el mejor método para evaluar los resultados de las pruebas de SFRA.

SFRA ayuda a diagnosticar problemas en transformadores, pero no se puede identificar un problema específico solo con los datos de frecuencia. Los estándares IEEE e IEC proporcionan métodos y documentos para interpretar los resultados de las pruebas SFRA. Las pruebas de circuito abierto y cortocircuito pueden ayudar a analizar los datos obtenidos en el campo. La frecuencia en las trazas de cortocircuito se ve principalmente en las frecuencias medias y altas. Los programas de software para analizar los resultados de las pruebas SFRA pueden variar según el fabricante del equipo de prueba. Realizar pruebas en diferentes posiciones de los cambiadores de tomas puede proporcionar información útil sobre el estado del transformador.

Pueden haber distintos tipos de fallas en el devanado y es importante analizar las pruebas realizadas para identificarlas. Si se detecta algún problema, es útil validar los resultados con otras pruebas (las mencionadas arriba, según cada configuración).

La temperatura afecta los componentes resistivos, inductivos y capacitivos del transformador. Al realizar pruebas de respuesta en frecuencia, es importante tener en cuenta la temperatura, ya que puede influir en los resultados, en Centroamérica estamos hablando de ambientes tropicales con altas temperaturas en ambientes con humedad relativa alta, estos elementos pueden afectar nuestras mediciones.