Desarrolla una metodología del análisis y diagnóstico del estado del aislamiento sólido de los transformadores de potencia mediante el análisis de grado de polimerización, lo cual será una herramienta importante para la toma de decisiones. Además aporta de manera significativa en el área de transformadores de potencia, en específico en el área de mantenimiento preventivo y proactivo de transformadores, ya que con la implementación de la metodología se mostrarán criterios claros y precisos a seguir, a fin de analizar y diagnosticar el estado del aislamiento sólido de los transformadores de potencia. Además esta metodología del análisis y diagnóstico permitirá programar de manera oportuna el mantenimiento cambio o reparación del transformador. / Tesis

El control adecuado de la temperatura del medio en el que funcionan los transformadores de potencia implica la protección del equipo para evitar fallas imprevistas, de modo tal que prolongue su vida útil. Existen sistemas de medición y control de dicha temperatura que se mantienen vigentes por mucho tiempo; sin embargo, el desarrollo de la tecnología permite encontrar nuevas formas de adquisición de valores y monitoreo de dicho parámetro. En este caso las propiedades que tiene la fibra óptica de plástico van más allá del aprovechamiento en el área de las comunicaciones. Sus propiedades específicas hacen que podamos medir y monitorear la temperatura de una manera confiable. Por tal motivo, en el presente trabajo de tesis se propone el diseño de un equipo aplicado a la medición y monitoreo de la temperatura interna de transformadores, usando un sensor óptico. / Tesis

Ingeniero Civil Electricista / El Microformer (MF) es un transformador de poder desarrollado por un grupo de estudiantes de postgrado de la Universidad de Wisconsin-Madison EEUU, entre ellos el académico joven de la U. de Chile Patricio Mendoza, como una alternativa de bajo costo para la transmisión de energía en sectores rurales. A partir de hornos microondas descompuestos se rescatan los equipos transformadores de razón de tensión 220/2200V y capacidad de 1kVA aproximadamente, modificándolos para adecuarlos al objetivo de distribución eléctrica. Para ello se extraen las barras magnéticas de los transformadores, disminuyendo la impedancia serie; se añaden espiras al enrollado primario, reduciendo la alta corriente de excitación; y se sumerge el equipo en aceite. En investigaciones previas se han estudiado los parámetros del circuito equivalente básico. Asimismo, se ha construido proyectos demostrativos del MF, los que se han aplicado en proyectos piloto en la materia. En el presente trabajo de título se construyen seis prototipos de MF, los que se someten a las pruebas eléctricas y térmicas comprendidas en los estándares internacionales del IEEE con respecto a transformadores de poder inmersos en aceite. Los resultados son comparados con los requerimientos generales propuestos en la literatura y, adicionalmente, con los elementos que exige la normativa en Chile. Se discuten las limitaciones, ventajas y desventajas de las modificaciones realizadas a los transformadores seleccionados, en función del cumplimiento de la normativa internacional y nacional. Asimismo, se desarrolla un método más preciso para determinar el número de espiras adicionales para el enrollado primario, considerando una razón de transformación objetivo. Se determinan además los parámetros del circuito equivalente eléctrico a partir de las pruebas realizadas, se implementa este circuito en el software Simulink y se simula una prueba de carga resistiva para comprobar el modelo. La precisión alcanzada es de un 2% en promedio. Por otra parte, se utiliza un modelo térmico de circuito equivalente tradicional para determinar la respuesta de temperatura del equipo. La determinación de parámetros se realiza a partir de pruebas de calentamiento y se simula una prueba adicional que considera escalones de corriente de alimentación, obteniéndose una precisión del 5,5% en promedio. Por último, considerando la relación resistencia-temperatura, se crea un modelo híbrido uniendo los circuitos eléctrico y térmico, el cual muestra una precisión promedio del 3,5%, en la prueba de escalones de corriente. Se concluye que existen limitaciones del MF para satisfacer los estándares internacionales y la norma nacional, en particular respecto de su desempeño térmico. En respuesta a lo anterior, se proponen 3 escenarios: primero, reducir la corriente nominal del equipo tal que se cumpla con los límites térmicos establecidos; segundo, instalar un MF sólo si las condiciones de operación son menos exigentes que la prueba de calentamiento en cortocircuito e incluir un interruptor térmico; tercero, situar los MF sólo en zonas aisladas, sin acceso de personas garantizando su seguridad. Como trabajo futuro se propone disminuir la temperatura alcanzada por el MF modificando el contenedor y encontrando el líquido más adecuado para su refrigeración. Adicionalmente, con el objetivo de minimizar las pérdidas, se plantea calcular un punto óptimo entre las vueltas añadidas al enrollado primario y la eficiencia asociada. Finalmente, valiéndose del estudio del MF en diferentes universidades, se sugiere la construcción de una base de datos de prueba centralizada, cuyo ingreso de resultados se realice por Internet, formando una biblioteca de fichas de diferentes transformadores.

Ingeniero Civil Electricista / Para el diseño y fabricación de transformadores eléctricos de distribución, el acero al silicio de grano orientado en los núcleos magnéticos es el más ampliamente utilizado, dadas sus características de gran permeabilidad a altas densidades de flujo, bajas pérdidas en vacío y ventajas económicas. No obstante, han surgido alternativas a este material que ofrecen beneficios únicos y novedosos. Éste es el caso de los núcleos fabricados con láminas de metal amorfo, los cuales entraron en circulación a comienzos de los 80, teniendo muy buena recepción en países como EEUU, Japón, China e India. El objetivo principal de este tema de memoria es validar el uso de núcleos fabricados con acero amorfo, con respecto a aquellos elaborados con aceros tradicionales, tanto en el aspecto técnico (teórico), así como económico. Para ello, se propone el desarrollo en dos ejes principales; el primero, una etapa de investigación, donde se establecen características básicas del metal amorfo, tanto físicas como químicas; y la segunda, el diseño teórico del transformador de distribución con este tipo de núcleo, respetando las normativas vigentes y estableciendo patrones básicos para la confección de este tipo de equipos. Se propone un diseño de núcleo enrollado con láminas de metal amorfo para transformadores de distribución monofásico, basado en las características de la aleación Metglas 2605SA1, realizando dos simulaciones de cálculo de parte activa: un transformador de 15 kVA, 23000/231 V y transformador de 25 kVA, 13200/231 V. En ambos casos los diseños simulados cumplen con los estándares normativos mundiales y revelan las ventajas de este tipo de material con respecto al acero al silicio de grano orientado, tan ampliamente tratados en la literatura técnica: reducción de pérdidas en vacío del orden de 75 85%; reducción de corriente de excitación en torno al 75 85%; confiabilidad del transformador similar a los casos convencionales (vida útil estimada de 30 años); entre otros. El análisis se complementa con una evaluación económica mediante el TOC (Total Ownership Cost) que incluye el costo inicial del equipo (costos por materias primas y mano de obra) más un costo de operación (valorización en el tiempo de las pérdidas en vacío y en carga). En el caso de las simulaciones de los transformadores con núcleo amorfo, se realizan dos ensayos para cada equipo considerando dos valorizaciones de pérdidas distintas obtenidas de la literatura y del propio fabricante de la cinta amorfa. En ambas situaciones se obtiene un TOC del transformador amorfo más bajo que el acero tradicional, en porcentajes que varían entre 0,5% y 6% aproximadamente. Estos valores crecen aún más cuando el factor de carga disminuye, acercándose a cero.

Ingeniero Civil Electricista / En este trabajo se presenta un estudio de la protección diferencial de transformadores de poder. Se comienza con el estudio y cálculo de ajuste de parámetros para la protección de un transformador de potencia típico de las instalaciones de Chilectra; estudio y cálculos extensibles a equipos e instalaciones de cualquier empresa de distribución. Se presentan algunas discusiones, principalmente respecto del grupo de construcción y conexión que se encuentra en las instalaciones de la compañía ya citada. El ajuste de parámetros se realiza para relés electromecánicos y digitales. El estudio y desarrollo aquí presentado, se centra en particular en el relé modelo SEL587 del fabricante Schweitzer Electric Laboratories. Este relé corresponde a tecnología digital, tecnología que se emplea actualmente en la industria y constituye un estándar en nuevas instalaciones, desde esta perspectiva este trabajo es generalizable a cualquier modelo y fabricante. A partir de información entregada por el fabricante en sus manuales de operación, además de información recopilada en diversos papers, se estudia el método numérico a través del cual el relé obtiene los valores de corriente de operación(Iop) y corriente de retención(Irst). Este algoritmo se replica en una planilla de cálculo, en la que se limitan las variables de entrada, ya que se proyecta como herramienta de testeo, incluso en terreno por su sencillez. Se desarrolla entonces una planilla capaz de entregar valores de de corriente de operación(Iop) y corriente de retención(Irst), recibiendo como parámetro básicamente sólo la corriente de entrada al relé, es decir, la corriente de salida de los transformadores de corriente. De forma paralela al desarrollo descrito, se realizan pruebas de rutina al relé, con el auxilio de una maleta hexafásica, obteniendo una completa colección de registros entregados por el relé en las diversas situaciones planteadas. En particular se estudia los valores de de corriente de operación(Iop) y corriente de retención(Irst) entregados ante ingresos de corrientes equilibradas en condiciones de operación normal o estable, también en condiciones cercanas a la frontera de operación, y ante condiciones de falla. Se reportan también pruebas con ingresos monofásicos. De la comparación de los valores de corriente de operación(Iop) y corriente de retención(Irst) registrados en las pruebas descritas anteriormente, con los valores entregados por el algoritmo desarrollado en la planilla, se comprueba cuán ajustados son los resultados entregados por esta última, lo que permite utilizarla como herramienta de simulación o testeo. Se realiza finalmente trabajo en laboratorio, simulando las fallas más frecuentes en el comisionamiento y operación de relés diferenciales de transformadores de poder, proponiendo un protocolo de lectura e interpretación de los registros de corriente de operación y retención; y verificación del relé, con el apoyo de la planilla desarrollada durante este trabajo.

El transformador monofásico al ser una máquina eléctrica con funcionamiento continuo está propensa a fallas que se pueden producir por el envejecimiento de los materiales aislantes de la bobina o por la pérdida de las propiedades dieléctricas del aceite que actúa como refrigerante y aislante de las bobinas del transformador. Asimismo, puede darse el caso también de que por el mal funcionamiento de la máquina puedan generarse sobretensiones inadecuadas para el sistema o que por un aumento de carga se sobrecargue al transformador, que como consecuencia van disminuyendo el tiempo de vida del equipo y en el peor de los casos cuando se genera un cortocircuito externo puede provocar un colapso en el transformador dejando fuera de servicio y sin posibilidades de reparación. En este trabajo de tesis se propone el diseño de un sistema de diagnóstico de fallas basado en observadores de estado que permita supervisar el correcto funcionamiento de los transformadores monofásicos y detectar una falla o mal funcionamiento antes de que ocurra un colapso en la máquina. Para el diseño del sistema de diagnóstico de fallas basado en observadores de estado se plantea considerar un comportamiento dinámico complejo debido a la presencia de no linealidades que son difíciles de medir, lo cual implica emplear técnicas de control utilizando modelos matemáticos lineales del transformador monofásico. Para poder evaluar el desempeño del Sistema de Detección de Fallas basado en Observadores se cuenta con un prototipo para realizar pruebas con diversas fallas, donde se compararon diversos observadores resultando el Observador de orden completo el que mejor estima las variables de estado debido a que es menos sensible a la presencia del ruido. / Tesis

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica / Las estrategias de mantenimiento, ya sean correctivas, preventivas o predictivas, son fundamentales para extender el tiempo de vida de los equipos y maquinas en la industria. En particular, la monitorización y mantenimiento de la calidad de aceites en los transformadores está asociado al desarrollo de una serie de métodos tanto teóricos como aplicados. El más usado, tanto por costos como por los tiempos involucrados, es el tratamiento por regeneración de características químicas y dieléctricas. La mayoría de estos métodos requieren una monitorización en línea para estimar el tiempo exacto en que un aceite se regenera y logra una calidad adecuada para asegurar una larga duración. Sin embargo, en muchos casos este tipo de enfoques no se aplica, dependiendo el análisis de resultados que son obtenidos en pruebas de laboratorio; con la consiguiente extensión de los tiempos y costos asociados a esquemas de mantenimiento plani cado. El presente trabajo plantea el diseño e implementación de un sistema para la estimación y pronóstico del proceso de regeneración del aceite en transformadores de media potencia. Dicho sistema se basa en una caracterización del estado del aceite calculada a través de un ltro de partículas (clase de algoritmos Bayesianos de procesamiento secuencial de información), debido a la capacidad que exhibe este algoritmo en el manejo de modelos no-lineales con fuentes de incertidumbre no-Gaussianas. Con el n de obtener los valores óptimos a utilizar en el proceso de pronóstico, se consideran datos de muestras de aceite tomadas en un período de tiempo bien establecido. Las condiciones iniciales se determinan por medio de algoritmos de enjambre de partículas (PSO por sus siglas en inglés). El resultado son los valores más apropiados para el número de partículas y realizaciones del ltro a ser utilizadas en una implementación general. La validación del este trabajo se efectúa con datos obtenidos aplicados a otro transformador con similares características de potencia y voltaje. Los resultados de nidos demuestran que mejoran notablemente el pronóstico de regeneraci ón de aceites en términos de exactitud y precisión, mostrando un margen de error de 0;0521 en los valores pronosticados, este valor se obtiene, debido a mejores condiciones iniciales para el vector de estados que se usa en la implementación del ltro de partículas, permitiendo una plani cación más efectiva en el mantenimiento

Chilectra es la principal empresa distribuidora de energía eléctrica de Chile. Provee electricidad a 33 comunas de la Región Metropolitana superando el 1,5 millones de clientes, siendo la más grande en términos de venta de energía eléctrica. Al 31 de Diciembre del 2007 registra un 5,9% en el indicador de pérdidas de energía, lo que implica un incremento de 0,5 puntos porcentuales respecto al 2006. Sin perjuicio de lo anterior, el nivel de pérdidas de la compañía continúa siendo uno de los más bajos a nivel latinoamericano. Estas pérdidas se clasifican en las pérdidas técnicas y las no técnicas. Las pérdidas técnicas, son mermas propias del negocio y no serán tratadas en este trabajo, ya que están relacionadas con las tecnologías usadas en las redes de alta tensión para el transporte de la energía, desde las generadoras hasta las empresas distribuidoras. Las pérdidas no técnicas se refieren al mal uso del servicio, así como también a errores administrativos propios del negocio, las cuales corresponden al 1,9% del total de la compra de energía a las generadoras, que suma alrededor de $15.200 millones al año. El presente trabajo tiene como objetivo desarrollar e implementar un plan sistemático que permita identificar con el mayor detalle posible a los clientes hurtadores con el fin de disminuir las pérdidas no técnicas de energía asociadas a un Transformador de Distribución, en adelante TD, a un 1% en el largo plazo, ocupando a este último como ente gestionador de dichas pérdidas. Se trabajó con la metodología de mejora de procesos “Seis Sigma” porque ofrece la posibilidad de generar una mejora continua en los procesos y por su enfoque en la satisfacción de los clientes, todo lo cual se encuentra alineado con los objetivos de Chilectra. Como resultados destacamos la obtención de estimaciones específicas en la cantidad de energía eléctrica perdida sectorizada por la posición geográfica de cada TD, logrando así un mayor nivel de gestión de dichas pérdidas, diseño de redes eléctricas más eficientes, mayor control sobre el grupo de clientes asociados al TD, entre otros. Como consecuencia se obtuvo una fidelización de los clientes de Chilectra. Finalmente, se tiene que el proyecto permitió detectar las pérdidas no técnicas de energía para la muestra del 0,02% de TD´s, demostrando que es posible reducir considerablemente las pérdidas de energía dentro del largo plazo, ya que en el estudio se detectaron pérdidas por $736.599.000, con un costo de $352.299.500 para el período Noviembre 2008 – Febrero 2009. Se recomienda continuar gestionando y controlando los procesos de la Compañía, abarcando nuevas áreas no cubiertas en este proyecto con la metodología Seis Sigma, de manera de fortalecer la orientación al cliente y la mejora continua de procesos críticos de negocio, buscando elevar la satisfacción de los clientes. Además, dada la complejidad del proceso de Reducción de Pérdidas la metodología entregará herramientas y técnicas necesarias para medir, analizar e implementar mejoras en el proceso, como por ejemplo, el diseño de un Data Mart y aplicación de un Datamining en la detección de pérdidas de energía.

Ingeniero Civil Eléctrico / El proyecto The Microformer , presentado el año 2010 en una competencia local en la Universidad de Wisconsin-Madison, consiste en la propuesta de un sistema de electrificación basado en transformadores de bajo costo. Estos transformadores están construidos con componentes reciclados de basura electrónica, específicamente obtenidos de hornos de microondas, que facilitan la electrificación de zonas de baja densidad de población (por ejemplo, zonas rurales) mejorando la eficiencia del sistema de transmisión/distribución eléctrica. A pesar de que existe un buen conocimiento sobre el comportamiento del Microformer como unidad, no existen estudios a nivel de sistema que involucren uno o más Microformers dentro de una red. Además, el Microformer nunca ha sido modelado en un ambiente de generación distribuida con múltiples puntos de inyección. Desde el punto de vista del sistema, el Microformer debiera comportarse como cualquier otro transformador. Sin embargo, sus características eléctricas son bastante diferentes comparado con transformadores de distribución comerciales. En el presente trabajo de título se pretende estudiar el comportamiento del Microformer a nivel de sistema. Para ello se presentan tres casos globales de estudio con el fin de observar y mejorar el comportamiento del Microformer en redes compuestas por los mismos. Primero se construye una red trifásica de laboratorio con ocho Microformers reproduciendo una topología rural, luego se implementa dicha red en el software de cálculo DigSILENT PowerFactory para cubrir casos que son imposibles recrear en la red experimental. Finalmente, se inserta el Microformer en una red modelo de la IEEE teniendo en cuenta las consideraciones y conclusiones obtenidas de los casos de estudios previos. A diferencia de trabajos anteriores, los transformadores de microondas son modificados según la función que cumplan en una red de distribución. Para los Microformers de subida se mantiene una razón de transformación de 9,1 con tal de obtener 2 kV en alta tensión. Por otro lado, debido a la mala regulación de los Microformers de bajada, es imperante modificar su razón de transformación al mínimo posible mediante la adición de espiras para compensar así la caída de tensión debido a los flujos de fuga y las pérdidas Joule en sus enrollados. Además, para mejorar aún más la regulación se aprovechan los condensadores de alta tensión que vienen en los hornos microondas. En este trabajo se dan una serie de recomendaciones para futuras redes que se construyan con Microformers a partir de los resultados obtenidos en las simulaciones realizadas, entre ellas se encuentran el descarte previo de transformadores de microondas que no cumplan con los resultados mínimos esperados en las pruebas típicas; reducción de la potencia nominal de los Microformers a 660 VA; modificación de los Microformers según su función en la red; largos mínimos y máximos de líneas para que el uso de Microformers sea justificado y que se encuentre dentro de la norma. Como trabajo futuro se propone hacer un estudio estadístico de transformadores de microondas analizando qué tanto varían los parámetros eléctricos entre hornos de microondas de una misma marca o modelo, esto con el fin de determinar si es posible construir bancos trifásicos de transformadores con más de tres Microformers en paralelo. También se propone mejorar los niveles de armónicos de tensión y corriente implementando filtros de armónicos u otros métodos similares. Finalmente se deja construida una red experimental con fines pedagógicos en el Laboratorio de Máquinas del Departamento de Ingeniería Eléctrica, por lo que se propone realizar una guía de laboratorio para que los alumnos estudien los casos abarcados en este trabajo.

En la actualidad el transformador es uno de los equipos principales con los que se cuentan para transmitir y distribuir la energía eléctrica en una red. Este equipo tiene la necesidad de refrigerarse y aislar eléctricamente sus devanados, para esto, existen diversos líquidos que poseen características que perjudican el bienestar de la persona y al medio ambiente. Durante la evolución y desarrollo técnico-tecnológico de estos líquidos, se han creado aceites sintéticos (minerales) que son perjudiciales para medio ambiente y a su vez no son biodegradables. Inclusive los efectos de estos aceites, tengan repercusión en generaciones futuras [1]. El aceite dieléctrico en los transformadores de distribución es fundamental en su proceso de refrigeración, el estrés eléctrico, o la contaminación química, pueden producir fallas y reducir la vida útil en los equipos. Cuando estos aceites están contaminados con bifenilos policlorados (PCB, por sus siglas en inglés), pueden contaminar los sistemas naturales y reducir la calidad de sus bienes y servicios ambientales [2]. Los PCB son elementos contaminantes, que son persistentes, este elemento no se encuentra en la naturaleza, han sido creados por el hombre, fueron usados desde 1930 hasta 1983 que se prohibió su producción por ser altamente dañinos para la salud. [3] Ante la presencia de transformadores de distribución contaminados (PCB) en la Ciudad de Chiclayo se propone el diseño una máquina de bajo volumen para el tratamiento y reutilización del aceite dieléctrico contaminado (PCB). La máquina será diseñada para realizar 3 procesos, el primero es el proceso de declorinación, el cual consiste en la eliminación selectiva de los átomos de cloro de las moléculas de PCB, luego pasará al proceso de tratamiento o regeneración, operación donde se extrae la humedad, la desgasificación y filtración de partículas y finalmente por el proceso de recuperación en donde el aceite recupera sus propiedades dieléctricas.