INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
LABORATORIO DE DISEÑO 1: MÁQUINAS ELÉCTRICAS
PRÁCTICA 7
“PRUEBA DE ANÁLISIS DE RESPUESTA EN
BARRIDO DE FRECUENCIA (SFRA).”
NOMBRE:
Hernández Muñoz Andrea
Ariza Anzures Brian Alexis
García Díaz Gustavo Adolfo
Morales Urquiza Ulises
BOLETA:
2020303190
2020303146
2014031493
2020303268
GRUPO: 8EM3
FECHA: 13 de diciembre del 2023
PROFESORES:
Dr. ESPINO CORTES FERMIN PASCUAL
CALIFICACIÓN: _______________
ÍNDICE DE CONTENIDO
I. OBJETIVO .....................................................................................................................................1
II. INTRODUCCION TEÓRICA.......................................................................................................2
III. PROCEDIMIENTO: ....................................................................................................................7
IV.CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES: ................................................................................ 21
V. BIBLIOGRAFIAS Y REFERENCIAS ....................................................................................... 22
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I. OBJETIVOS
ƛ
Identificar fallas en las diferentes partes que conforman a un transformador ya sean fallas
eléctricas, magnéticas o mecánicas como podrían ser:
• Desplazamiento y deformación en devanados y núcleo.
• Estructuras rotas.
• Espiras cortocircuitadas o abiertas.
• Fallas de tierra al núcleo.
• Conexiones erróneas.
• Daño en aislamientos.
Esta prueba a diferencia de la mayoría de los ensayos que se enfoca solamente a partes
específicas del transformador, el SFRA brinda una evaluación global del estado actual del
transformador.
1
II. INTRODUCCION TEÓRICA
El método de análisis de respuesta por
barrido de frecuencia SFRA (SweepFrequency Response Analysis), es una técnica de diagnóstico
para detectar deformaciones y desplazamientos (entre otras fallas eléctricas y mecánicas) sobre los
devanados en transformadores. La detección del problema se traduce directamente en el tipo de
mantenimiento que se debe realizar.
Las ventajas principales del SFRA, son su sensibilidad a las distintas fallas que se pueden presentar
en arrollamientos y obtención del estado del transformador de manera no invasiva, permitiendo la
evaluación de la integridad de los transformadores de potencia sin aplicar altas tensiones, reduciendo
costos y tiempo.
El objetivo es conocer la situación de transformadores que han sido sometidos a esfuerzos
electrodinámicos, con funcionamiento anómalos, con fallas no detectables por métodos tradicionales
(aislación, relación de transformación, corriente vacío) para proceder a su reparación previa a su
posible destrucción por cortocircuito interno. Interpretar y aplicar los nuevos resultados de las curvas
de respuesta en frecuencia de la función de transferencia del transformador, con este ensayo [1].
La realización de la prueba SFRA consiste en la obtención y comparación de la respuesta en
frecuencia, al aplicar una señal senoidal de baja amplitud (0.1 V – 10 V) y frecuencia variable (5 Hz
– 20 MHz) en uno de los devanados del transformador y registrar una respuesta en el extremo opuesto
del mismo devanado o en el otro devanado.
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Con la ayuda del método del SFRA se puede detectar fallas eléctricas, y mecánicas dependiendo del
intervalo de frecuencia, en las que estas presenten cambios, al comparar la respuesta actual con la de
referencia.
La inyección de la señal y obtención de la respuesta se hará con un analizador de red vectorial (Vector
Network Analyzer VNA) el cual podrá dar la respuesta en amplitud (dB) o en fase (°E).
Esta prueba se basa en la medición de la respuesta asociada a las interacciones entre los elementos de
inductancia, capacitancia y resistencia comprendidos en el modelo circuital de los devanados del
transformador, parámetros que son producto distribución de distancias entre espiras, capas,
devanados y núcleo.[2]
La respuesta de los parámetros R, L y C del devanado del transformador pueden verse alterados ante
la presencia de fallas debidas a diferentes causas, lo cual se verá reflejado en un cambio en la respuesta
en barrido de frecuencia con respecto a una referencia (respuesta del transformador en buen estado).
Función de Transferencia.
Como es conocido, la función de transferencia es la relación que existe entre la señalde respuesta y
la señal entrada:
Donde VENT es la tensión de frecuencia variable en la terminal de entrada mientrasque VRES es la
tensión medida en la terminal de salida y H(S) la función detransferencia.
Respuesta en Frecuencia.
El tipo de respuesta obtenida puede ser en amplitud y generalmente se expresa en dB dada por la
expresión:
O en fase cuando muestra el desfase del ángulo de la respuesta respecto a la señal de entrada:
El ensayo de SFRA consta de 4 pruebas principales las cuales son:
1. La prueba de Admitancia de circuito abierto (ACA).
2. La prueba de Admitancia de cortocircuito (ACC).
3. La prueba de Interdevanado Capacitivo (IC).
4. La prueba de Interdevanado Inductivo (II).
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Los diagramas eléctricos de la tabla 1 son para la elaboración de las pruebas anteriormente
mencionadas:
Tabla 1.Diagramas eléctricos para transformadores trifásicos de las pruebas SFRA
Figura 1Características principales de una respuesta de frecuencia típica.
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Análisis de los intervalos de frecuencia a lo largo de la respuesta de frecuencia completa
El análisis de los datos para el diagnóstico del transformador a menudo se ve favorecido por tener
una imagen clara de la física detrás de la medición. Las pruebas que se basan en una sola frecuencia
generalmente permiten una fácil comprensión de los procesos que toman parte durante la medición.
En el SFRA, la medición se realiza en un amplio intervalo de frecuencias por lo que el proceso
electromagnético involucra múltiples componentes del transformador. Cada uno de estos
componentes puede manifestarse y convertirse en el factor dominante de varios intervalos de
frecuencia lo cual no siempre es fácil de interpretar. Tener una idea visual del proceso
electromagnético detrás de los puntos clave de resonancia puede ser instructivo para la interpretación
de la respuesta de frecuencia. En un transformador de potencia, nos enfrentamos a una red equivalente
extremadamente complicada de elementos de resistencia (R), inductancia (L) y capacitancia (C)
distribuidos, no lineales y dependientes de la frecuencia. A medida que cambia la frecuencia de la
señal inyectada, varias combinaciones de C y L intercambian energía entre sí, lo que da como
resultado los extremos locales de la impedancia. Por lo tanto, se observan numerosas frecuencias
resonantes, cada una asociada con un par diferente de C y L. En rangos de frecuencia entre los puntos
resonantes, el circuito será predominantemente inductivo o capacitivo.
Sin embargo, aunque la red se considere como inductiva, se debe reconocer que C siempre está
presente y tendrá una contribución y, a la inversa, cuando la red es capacitiva, L también influye. Para
interpretar la respuesta de frecuencia, es necesario identificar los intervalos de frecuencia asociados
con los componentes principales del transformador. El principio y el final de cada intervalo de
frecuencia están influenciados por las características y el diseño del transformador, es decir, para
diferentes transformadores, el mismo componente puede manifestarse con diferentes frecuencias
límite para estos intervalos. Por lo tanto, confiar demasiado en rangos de frecuencia fijos puede
conducir a conclusiones erróneas. A pesar de la complejidad de una red RLC de un transformador, se
han hecho intentos para sugerir los intervalos de frecuencia que pueden funcionar como una buena
regla general para muchas unidades, así como también se han desarrollado algoritmos para la
identificación automática los intervalos de frecuencia. Existe experiencia con la identificación de la
primera frecuencia natural que se manifiesta al inicio del intervalo de frecuencia asociado con la
respuesta del devanado. Para la determinación de los rangos en frecuencia por influencia de flujo de
dispersión, flujo de magnetización y devanados se realizaron las dos pruebas básicas del SFRA:
1. La prueba de Admitancia de circuito abierto (ACA).
2. La prueba de Admitancia de cortocircuito (ACC).
Las respuestas obtenidas en las pruebas se sobrepondrán y se determinarán los rangos de influencia
por flujo de dispersión, respuesta en núcleo y devanados.
Criterios de aceptación o de rechazo.
Como ya se ha mencionado la técnica de SFRA consiste en la comparación de respuestas del circuito
R, L y C del transformador en un barrido de frecuencia con la finalidad de detectar diferencias entre
las respuestas.
La aplicación de la medición del FRA tiene dos categorías basadas en la motivación para llevar a
cabo las pruebas, las cuales son:
1. Medición de curva base FRA:
Esta medición puede hacerse en fábrica o campo con el motivo de proporcionar información de la
condición actual (preferentemente inicial) del equipo para necesidades futuras.
2. Aplicación de diagnóstico FRA:
Cuando los datos de medición de curva base FRA no se tienen o simplemente no existen, entonces
pueden utilizarse como datos base los de los transformadores hermanos en buen estado o bien la
comparación entre las fases geométricamente idénticas del mismo transformador.
Se pueden considerar algunos indicadores que presentan cambios en las respuestas, como pueden ser
presencia de nuevos picos de resonancias, pérdida de un pico de resonancia existente que podrían
traducirse como deformación en el devanado. Aumento de magnitud y misma forma de trazo con
respecto a la referencia conforme aumenta la frecuencia como se puede observar en la Figura 2:
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Figura 2Ejemplo de diferencia en la respuesta por falla de cortocircuito en el devanado
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III. PROCEDIMIENTO:
Después de haber entendido y analizado la teoría sobre el funcionamiento de la prueba de SFRA, se
procede con las conexiones correspondientes para capturar las graficas que requerimos:
Admitancia en circuito abierto
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Figura 4
Figura 3
Barrido de baja frecuencia, tiempo lago, periodo largo al principio
Figura 5
Se corto circuita el secundario (x0 y x2)
Figura 6
8
Admitancia en corto circuito
Figura 8
Figura 7
Línea abierta con simulación de falla
Figura 9
9
Corto circuito entre espiras
Figura 10
Figura 11
Figura 12
RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN
Conexión del devanado primario contra salida del secundario
A bajas frecuencias relación de transformación constante, a altas frecuencias se modifica la relación
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Figura 14
Figura 13
Figura 15
Inter devanando Capacitivo
Cuando los decibles caen 3 decibles se encuentra la frecuencia de corte
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Figura 16
Corto circuito primario y secundario, medición de interdevanado capacitivo
Comportamiento interdevanado a baja frecuencia circuito abierto, alta frecuencia corto circuito
Reactancia capacitiva incrementa con la frecuencia
Figura 18
Figura 17
RESPUESTAS OBTENIDAS EN EL OSCILOSCOPIO:
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Figura 19 CIRCUITO ABIERTO; ESPIRAS CORTOCIRCUITADAS
Figura 20. INTERDEVANADO INDUCTIVO
Figura 21. CIRCUITO ABIERTO; CORTO CIRCUITO
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Figura 22. LAMINACIONES CORTOCIRCUITADAS
Figura 23. INTERDEVANADO CAPACITIVO
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IV.CUESTIONARIO
1. ¿Por qué se considera que la prueba de SFRA puede dar una evaluación global del estado
actual del transformador?
Esta prueba a diferencia de la mayoría de los ensayos que se enfoca solamente a partes específicas
del transformador brinda una evaluación global del estado actual del transformador. Se utiliza para
evaluar la integridad mecánica y eléctrica de los transformadores. Esta prueba se realiza aplicando
una señal de frecuencia variable al transformador y midiendo la respuesta del sistema en términos
de amplitud y fase.
La prueba de SFRA se considera valiosa para proporcionar una evaluación global del estado actual
del transformador por varias razones:
Sensibilidad a cambios mecánicos: La prueba de SFRA es sensible a los cambios en la geometría
interna del transformador, como deformaciones en el núcleo, desplazamientos en las bobinas o
problemas en los materiales aislantes. Esto significa que puede detectar problemas mecánicos antes
de que se manifiesten como fallas eléctricas.
Capacidad para detectar problemas internos: La SFRA puede identificar problemas internos, como
cortocircuitos entre espiras o entre vueltas de la bobina. Estos problemas pueden tener un impacto
significativo en la operación del transformador y pueden llevar a fallas catastróficas si no se
detectan y corrigen a tiempo.
Evaluación de la respuesta en diferentes frecuencias: La prueba de SFRA se realiza a lo largo de un
rango de frecuencias, lo que permite evaluar la respuesta del transformador en diferentes
condiciones. Esto proporciona información sobre la uniformidad de la respuesta a lo largo del
espectro de frecuencias y ayuda a identificar posibles problemas en diferentes componentes del
transformador.
Comparación con datos de referencia: Los resultados de la prueba de SFRA se comparan con datos
de referencia del transformador cuando estaba en condiciones óptimas. Cualquier desviación
significativa en la respuesta puede indicar un cambio en el estado del transformador.
Diagnóstico temprano de problemas: Dado que la SFRA puede detectar problemas antes de que se
manifiesten como fallas importantes, permite tomar medidas preventivas para evitar costosas
interrupciones en la operación y posiblemente la necesidad de reemplazar el transformador.
En resumen, la prueba de SFRA se considera valiosa porque ofrece una evaluación integral y
sensible del estado del transformador, permitiendo a los ingenieros y operadores tomar medidas
proactivas para mantener la confiabilidad y la eficiencia del equipo.
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2. Dibuje los diagramas eléctricos para las distintas pruebas durante un ensayo de SFRA en un
transformador monofásico.
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3. ¿Qué tipo de fallas puede detectar la prueba del SFRA?
Puede detectar una variedad de fallas, tanto mecánicas como eléctricas, y proporcionar información
valiosa sobre el estado general del transformador. Algunas de las fallas que la SFRA puede detectar
incluyen:
Deformaciones mecánicas en el núcleo:
〆 Desplazamientos: Cambios en la posición de las laminaciones del núcleo que pueden
deberse a impactos, vibraciones u otros eventos mecánicos. La SFRA puede detectar
cambios en la geometría del núcleo.
〆 Problemas en las bobinas o devanados:
Deformaciones o desplazamientos en las bobinas: Problemas que afectan la estructura física de
las bobinas, como deformaciones causadas por sobrecalentamiento o impactos.
Cortocircuitos internos: La SFRA puede identificar cortocircuitos entre espiras o vueltas de la
bobina.
〆 Problemas en el aislamiento:
Degradación del aislamiento: Detecta cambios en la calidad del aislamiento eléctrico, lo que
puede indicar envejecimiento, contaminación o daño.
〆 Problemas en el núcleo magnético:
Fallas en las uniones del núcleo: Problemas como grietas o desplazamientos en las uniones del
núcleo que pueden afectar la eficiencia magnética del transformador.
〆 Cambio en las características magnéticas:
Variaciones en la permeabilidad magnética: La SFRA puede identificar cambios en las
características magnéticas del transformador que podrían indicar problemas en el núcleo.
〆 Problemas en los accesorios y conexiones:
Fallas en los terminales y conexiones: Problemas en los puntos de conexión que podrían afectar
la transferencia eficiente de energía.
〆 Fallas estructurales:
Grietas en el aislamiento o soporte: La SFRA puede detectar daños estructurales en el
transformador que podrían afectar su rendimiento y confiabilidad.
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4. Describa la función de transferencia que se mide en la prueba del SFRA y explique ¿Cuál es
la razón de reportar en decibeles la magnitud de las lecturas?
Como es conocido, la función de transferencia es la relación que existe entre la señal de respuesta y
la señal entrada:
Donde VENT es la tensión de frecuencia variable en la terminal de entrada mientras que VRES es la
tensión medida en la terminal de salida y H(S) la función de transferencia.
Respuesta en Frecuencia.
El tipo de respuesta obtenida puede ser en amplitud y generalmente se expresa en dB dada por la
expresión:
O en fase cuando muestra el desfase del ángulo de la respuesta respecto a la señal de entrada:
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La razón de reportar las magnitudes en decibeles (dB) en lugar de utilizar valores lineales tiene que
ver con la conveniencia práctica en la presentación de los resultados. La escala logarítmica en
decibeles proporciona varias ventajas:
Amplitud relativa: La magnitud en dB permite visualizar cambios relativos en la amplitud de manera
más intuitiva. Un cambio de 20 dB representa un cambio en la magnitud de 10 veces.
Manejo de rangos amplios: Los transformadores pueden tener respuestas en un amplio rango de
frecuencias. La escala logarítmica ayuda a manejar estos rangos sin que los detalles importantes se
pierdan en la representación gráfica.
Identificación de desviaciones: Las desviaciones significativas en la magnitud, que podrían indicar
problemas en el transformador, son más fáciles de identificar en una escala logarítmica.
En resumen, utilizar decibeles en la presentación de la magnitud de la función de transferencia en la
prueba de SFRA facilita la interpretación de los resultados y la detección de posibles problemas en el
transformador.
5. ¿Cuál es el intervalo de frecuencias recomendado para realizar el ensayo del SFRA?
El intervalo de frecuencias recomendado para realizar la prueba de Análisis de Respuesta en
Frecuencia del Sistema (SFRA) varía según las especificaciones del equipo y las recomendaciones
del fabricante. Sin embargo, en general, el rango de frecuencias utilizado en la mayoría de las pruebas
de SFRA oscila entre 1 kHz y 1 MHz.
Durante esta práctica, al aplicar una señal senoidal de baja amplitud (0.1 V – 10 V) se utiliza una
frecuencia variable (5 Hz – 20 MHz) en uno de los devanados del transformador y registrar una
respuesta en el extremo opuesto del mismo devanado o en el otro devanado.
6. ¿Cuáles son las dos motivaciones u objetivos de realizar la prueba del SFRA a un
transformador?
La aplicación de la medición del FRA tiene dos categorías basadas en la motivación para llevar a
cabo las pruebas, las cuales son:
1. Medición de curva base FRA:
Esta medición puede hacerse en fábrica o campo con el motivo de proporcionar información de la
condición actual (preferentemente inicial) del equipo para necesidades futuras.
2. Aplicación de diagnóstico FRA:
Cuando los datos de medición de curva base FRA no se tienen o simplemente no existen, entonces
pueden utilizarse como datos base los de los transformadores hermanos en buen estado o bien la
comparación entre las fases geométricamente idénticas del mismo transformador.
7. Revise en la norma mexicana NMX J 169 la prueba del SFRA:
¿Cuáles son las pruebas que se deben realizar a un transformador trifásico de dos devanados?
¿Cuáles son las características mínimas de los instrumentos para realizar la prueba?
Para realizar la prueba se necesita el siguiente instrumento:
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Si existe la posibilidad de tener el núcleo magnetizado al momento de la prueba, ¿Qué se debe
realizar?
En la IEEE C57. 152 - 2013, sección 7.2. 11. 1.2 Métodos para desmagnetización describe dos
procedimientos propuestos para Desmagnetizar el núcleo.
El primer método consiste en aplicar una corriente alterna decreciente a uno de los devanados. Para
la mayoría de los transformadores, debido a las clasificaciones de alto voltaje involucradas. Este
método no es práctico e implica riesgos para la seguridad.
Un método más conveniente es usar corriente continua. El principio de este método es neutralizar la
alineación magnética del núcleo de hierro mediante la aplicación de un voltaje continuo de
polaridades al devanado del transformador para intervalos decrecientes.
El proceso continúa hasta que el nivel actual es cero. En transformadores trifásicos, la práctica
habitual es realizar el procedimiento en la fase con la corriente de excitación más alta lectura.
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IV. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES:
ARIZA ANZURES BRIAN ALEXIS
Se cumplió el objetivo al realizar la práctica, ya que se pudo analizar de manera general el estado del
transformador, con la prueba del SFRA se pueden identificar el desplazamiento de deformación de
devanados, si hay estructuras rotas, daño en los aislamientos, también si hay conexiones mal hechas
e inclusive hasta fallas de tierra al núcleo.
GARCÍA DÍAZ GUSTAVO ADOLFO
Gracias al desarrollo experimental de la práctica se realizó la prueba de SFRA a un transformador
trifásico de 4160/127 V, en donde se buscó identificar fallas en las diferentes partes que lo conforman,
tales como desplazamiento y deformación en sus devanados y núcleo, espiras cortocircuitadas o
abiertas, fallas de tierra al núcleo, conexiones erróneas, entre otras.
Dicha prueba fue realizada, bajo el método de admitancia en circuito abierto y el método de Inter
devanado capacitivo mediante un analizador de redes incorporado a un osciloscopio el cual realiza
un barrido de frecuencias desde 5Hz hasta 20 MHz para identificar dichas fallas.
La respuesta a la frecuencia es visualizada mediante un oscilograma proporcionado por el analizador
de redes, en donde un pico en las diversas regiones de la gráfica proporcionada, indica posibles fallas
en el transformador. Dichas regiones representan un tipo de falla particular, las cuales, en caso de
existir, deberán ser corroboradas mediante otras pruebas, para asegurar un correcto diagnóstico.
HERNÁNDEZ MUÑOZ ANDREA
Se cumplieron con los objetivos de esta práctica, se realizaron las conexiones requeridas y en
conclusión, la prueba de SFRA es una herramienta esencial en la evaluación del estado de
transformadores, brindando información detallada sobre problemas mecánicos y eléctricos. Su
aplicación regular como parte de un programa de mantenimiento predictivo contribuye a la
confiabilidad operativa y a la prolongación de la vida útil de los transformadores.
MORALES URQUIZA ULISES
Después de realizar la prueba de SFRA podemos concluir que esta prueba sirve para evaluar los
transformadores y también las máquinas eléctricas. Esta aplicación sirve para tener información
sobre el estado de los transformadores. Para esta práctica se realizaron las correspondientes
conexiones y así poder llevar a cabo la prueba SFRA.
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V. BIBLIOGRAFIAS Y REFERENCIAS
[1] DIAGNÓSTICO DE TRANSFORMADORES MEDIANTE EL ANÁLISIS... SÁENZ PÉREZ,
J. M. melisamierez,+Gestor_a+de+la+revista,+2992-9367-1-CE.pdf
[2] PRÁCTICA_SFRA2022.pdf
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