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Manual de Pruebas y Mantenimiento – Transformador Combinado SZW-35

Versión: 2.1
Aplicable a: Transformador Combinado SZW-35 (11 kV / sistema nominal 10 kV)
Normativa de referencia: IEC 61869-3:2011, IEC 60060-1:2010, IEEE C57.12.90-2010, IEEE 43-2020, UNE-EN 61869-3:2012
Elaborado por: Departamento de Ingeniería Eléctrica – División de Equipos de Medición y Protección

1. Introducción al Programa de Mantenimiento

El transformador combinado SZW-35 es un equipo crítico en redes de distribución eléctrica media tensión (10/11 kV), integrando funciones de transformación de tensión (VT) y corriente (CT) en una única carcasa sellada de resina epoxi reforzada con fibra de vidrio (FRP). Diseñado específicamente para aplicaciones en subestaciones compactas y sistemas de medición de facturación, su arquitectura monobloque elimina riesgos de desajuste entre VT y CT, garantizando coherencia fasorial y precisión metrológica incluso bajo condiciones de armónicos o transitorios.

Dado su rol fundamental en la operación segura y eficiente del sistema eléctrico, se requiere un programa estructurado de pruebas y mantenimiento preventivo basado en las recomendaciones de la norma internacional IEC 61869-3:2011, especialmente la parte 3 referida a transformadores inductivos para instrumentación. Este manual establece los procedimientos técnicos necesarios para verificar el estado operativo del equipo, detectar deterioros tempranos y asegurar la continuidad del servicio con niveles aceptables de incertidumbre metrológica (≤0.2% para clase 0.2S).

El mantenimiento del SZW-35 debe considerarse como una actividad cíclica, no reactiva. Se recomienda realizar inspecciones visuales cada 6 meses y pruebas eléctricas completas al menos una vez cada 24 meses, o tras eventos anormales (sobretensiones >1.8 p.u., cortocircuitos con I_k >25 kA, vibraciones mecánicas severas >5 mm/s RMS). La frecuencia puede ajustarse según factores como:

• Condiciones ambientales (humedad relativa >80%, presencia de contaminantes químicos, polvo conductor, salinidad costera)
• Historial de fallas del equipo o de la subestación
• Importancia crítica del punto de medición (facturación comercial, protección principal, control de calidad de energía)
• Requisitos contractuales o regulatorios locales (ej. normativas de CFE, ENDESA, o entidades reguladoras nacionales)

Este documento cubre exclusivamente la primera mitad del ciclo completo de mantenimiento: desde la inspección inicial hasta la interpretación de resultados de pruebas eléctricas básicas. La segunda mitad —que incluye calibración metrológica trazable a BIPM, pruebas de precisión bajo carga no sinusoidal, verificación de clases de exactitud (0.2S, 0.5, 3P), y análisis de descargas parciales mediante IEC 60270— será abordada en una sección complementaria.

2. Inspección Visual y Limpieza

Antes de realizar cualquier prueba eléctrica, se debe llevar a cabo una inspección visual exhaustiva del transformador combinado SZW-35. Esta etapa permite identificar anomalías evidentes que podrían comprometer la seguridad del personal o la validez de las mediciones posteriores.

2.1. Elementos a inspeccionar

• Carcasa y sellos: Verificar la integridad de la envolvente de resina epoxi FRP (grado UL 94 V-0). No deben existir grietas estructurales (>0.5 mm), fisuras superficiales, burbujas de curado, ni signos de envejecimiento térmico (descoloración amarillenta, fragilidad por UV). La resistencia al tracking superficial debe cumplir con IEC 60587 (nivel ≥4.5 kV/60 min).
• Bornes y terminales: Confirmar que todos los bornes primarios (HV) y secundarios (LV) estén firmemente conectados con torque especificado (ver Tabla 1). No debe haber oxidación excesiva (resistencia de contacto >50 µΩ), corrosión electrolítica (especialmente en uniones Cu-Al), o marcas de arco eléctrico (>2 mm de carbonización).
• Placa de características: Asegurar que la placa de datos esté legible y fijada correctamente mediante remaches inoxidables. Debe contener información mínima conforme a IEC 61869-3: relación nominal (ej. 11000/√3 V / 100/√3 V para VT; 400/5 A para CT), clase de exactitud (0.2S/3P), factor de sobrecorriente térmico (FS = 5), polaridad marcada (•), código IP (IP54), y año de fabricación.
• Sistema de puesta a tierra: El borne de tierra M8 del chasis debe estar conectado a la malla de tierra de la subestación con resistencia ≤0.5 Ω (medida con método caída de tensión a 10 A AC). El cable de cobre desnudo debe tener sección mínima de 25 mm².
• Presencia de humedad o condensación: En equipos instalados en ambientes húmedos, revisar si hay rastros de agua en los orificios de drenaje (diseño hermético con respiradero molecular). La humedad interna se infiere mediante termografía infrarroja (diferencia >3 °C entre zonas superiores e inferiores).

2.2. Procedimiento de limpieza

La acumulación de polvo, salinidad o partículas conductoras en la superficie externa puede crear trayectorias de fuga y provocar descargas parciales. El procedimiento de limpieza debe seguir estas pautas:

1. Desconectar completamente el equipo del sistema (abrir interruptores, aislar, verificar ausencia de tensión con detector HV certificado).
2. Utilizar aire seco comprimido (presión ≤ 3 bar, punto de rocío ≤ -40 °C) para eliminar partículas sueltas de la superficie aislante, manteniendo boquilla a ≥15 cm de distancia.
3. Limpiar con paño suave ligeramente humedecido con agua destilada o alcohol isopropílico (máx. 70%). Nunca usar solventes agresivos (acetona, tricloroetileno) que puedan dañar los compuestos poliméricos o disolver marcas de polaridad.
4. Secar completamente con aire caliente (≤60 °C) antes de reenergizar.
5. Documentar cualquier anomalía observada (fotos georreferenciadas, descripción detallada) en el informe de mantenimiento digitalizado.

Nota: En transformadores combinados sellados tipo “dry-type” como el SZW-35, no se debe intentar abrir la carcasa. Cualquier sospecha de fallo interno (ruido anómalo, asimetría de tensiones) debe derivarse a un laboratorio especializado con capacidad de ensayo bajo IEC 60060-1.

3. Pruebas Eléctricas Periódicas

Una vez completada la inspección visual y la limpieza, se procede con las pruebas eléctricas básicas. Estas pruebas permiten evaluar el estado del aislamiento, la integridad de los devanados y la conformidad con las especificaciones de diseño. Todas las mediciones deben realizarse con equipos calibrados trazables a estándares nacionales (ej. CENAM, PTB) o internacionales (BIPM), con incertidumbre expandida ≤0.5% (k=2).

3.1. Prueba de Relación de Transformación (Turns Ratio Test)

Esta prueba verifica que la relación entre tensiones (VT) o corrientes (CT) primarias y secundarias coincida con la nominal declarada en placa, dentro de las tolerancias de la clase de exactitud.

1. Preparación: Aislar todos los devanados no involucrados. Conectar el analizador TTR (ej. Omicron TTR300C o Megger MIT485) según diagrama de conexión del SZW-35.
2. Para el VT: Aplicar una tensión reducida (10–30% de la nominal, ej. 635 V entre fases) en el devanado primario y medir simultáneamente la tensión en el secundario (57.7 V). Calcular la relación medida y compararla con la nominal (11000/√3 : 100/√3 = 110:1). La desviación máxima admisible es ±0.5% para clase 0.5, o ±0.2% para clase 0.2S, según IEC 61869-3, Tabla 4.
3. Para el CT: Inyectar una corriente conocida (entre 10% y 100% de I_n, ej. 40 A a 400 A) en el primario y medir la corriente secundaria (0.5 A a 5 A). La relación medida debe estar dentro de la tolerancia de la clase de exactitud (ej. ±1% para clase 1, ±0.2% para clase 0.2S).
4. Evaluación: Registrar error de relación y fase (ángulo de fase ≤5 min para clase 0.2S). Comparar con valores de fábrica y tendencia histórica.

Equipo recomendado: Analizador de relación de transformación (TTR) con precisión ≥ 0.1% y resolución de ángulo de fase ≤0.1 min. La prueba debe realizarse en todas las tomas disponibles (si el equipo las tiene, ej. VT con taps 100/√3 V y 110/√3 V).

3.2. Verificación de Polaridad

La polaridad correcta es esencial para el correcto funcionamiento de los relés de protección diferencial y los medidores de energía activa/reactiva. El SZW-35 utiliza marcación sustractiva estándar conforme a IEC 61869-3 (marcas “•” o “P1/K1”).

1. Conectar un voltímetro DC de alta impedancia (≥10 MΩ) entre el borne P1 del primario y K1 del secundario.
2. Aplicar una tensión CC momentánea (≤ 12 V, duración ≤1 s) entre P1 y P2 del primario mediante batería o fuente controlada.
3. Observar la deflexión del voltímetro: si es positiva al conectar y negativa al desconectar, la polaridad es correcta (sustractiva).
4. Alternativamente, usar función automática de verificación de polaridad en analizadores TTR mediante inyección de señal AC de baja frecuencia (1–5 Hz) y análisis fasorial.

Falla común: inversión de polaridad en campo debido a errores de cableado en bornes secundarios. Esto provoca errores sistemáticos en medición de potencia (±200%) y mal operación de relés diferenciales.

3.3. Factor de Potencia del Aislamiento (Dissipation Factor – tan δ)

Esta prueba evalúa las pérdidas dieléctricas en el aislamiento principal (entre devanados y tierra). Un aumento significativo del factor de potencia indica absorción de humedad, contaminación iónica o envejecimiento del material aislante epoxi.

Condiciones de prueba (IEC 60270):

• Temperatura ambiente: 20 ± 5 °C (corregir resultados con factor 1.5× por cada 10 °C de desviación)
• Tensión de prueba: 10 kV RMS (para el lado primario del VT); 2.5 kV RMS (para CT y circuitos secundarios)
• Frecuencia: 50 Hz (o 60 Hz según red local), forma de onda senoidal (THD <3%)
• Tiempo de aplicación: 60 segundos, registrando valor estable

Límites de aceptación (referencia IEC 60270 y experiencia de campo en equipos dry-type):

• Nuevo equipo (fábrica): tan δ < 0.3%
• En servicio: tan δ < 0.8% (aceptable); tan δ 0.8–1.5% (monitoreo intensivo); tan δ > 1.5% (requiere investigación adicional)

Nota: En transformadores combinados de tipo seco (resina epoxi), los valores típicos son más bajos que en equipos con aceite. Comparar siempre con valores históricos del mismo equipo. Un incremento del 50% respecto al valor base indica deterioro incipiente.

4. Pruebas de Aislamiento y Resistencia

4.1. Resistencia de Aislamiento (Prueba de Megger)

Se mide con un megóhmetro de 2500 V DC durante 1 minuto (IEEE 43-2020, Sección 9.2). Las mediciones se realizan entre:

• Primario – Secundario + Tierra
• Secundario – Primario + Tierra
• Cada devanado secundario – Tierra (individualmente, incluyendo neutro si aplica)

Valores mínimos aceptables (según IEEE 43-2020 y práctica industrial en equipos dry-type):

• Resistencia de aislamiento ≥ 1000 MΩ (ideal, nuevo equipo)
• Aceptable si ≥ 200 MΩ y estable en el tiempo (variación <10% anual)
• Alerta si < 100 MΩ o caída >30% respecto a lecturas anteriores

Corregir los valores a 20 °C usando factores de corrección estándar si la temperatura difiere significativamente (ej. multiplicar por 1.5 si T = 30 °C).

4.2. Índice de Polarización (PI) y Razón de Absorción Dieléctrica (DAR)

Estas pruebas adicionales ayudan a distinguir entre aislamiento limpio/seco y aislamiento húmedo/contaminado, aunque su utilidad es limitada en materiales no porosos.

• DAR (Dielectric Absorption Ratio): Relación R(30s)/R(60s). DAR < 1.4 indica posible humedad superficial o contaminación conductiva.
• PI (Polarization Index): Relación R(10 min)/R(1 min). PI < 2.0 sugiere deterioro del aislamiento; PI > 4.0 indica excelente condición.

En equipos de resina epoxi (como el SZW-35), los valores de PI pueden ser menos representativos debido a la naturaleza no porosa del aislamiento. En estos casos, el valor absoluto de resistencia y la tendencia histórica son más relevantes. Se recomienda complementar con termografía y análisis de descargas parciales si PI < 2.0.

5. Interpretación de Resultados

La interpretación no debe basarse en valores absolutos aislados, sino en un enfoque multivariado:

1. Comparación con valores de fábrica: Si están disponibles (certificado de pruebas de tipo), son la referencia ideal. Desviaciones >10% en tan δ o >20% en resistencia de aislamiento justifican investigación.
2. Tendencia histórica: Un cambio gradual en el factor de potencia o resistencia de aislamiento es más significativo que un valor puntual. Usar gráficos de control estadístico (SPC) para detectar deriva.
3. Condiciones ambientales: Humedad relativa >70%, temperatura >40 °C o contaminación salina afectan directamente las mediciones. Normalizar todos los datos a condiciones base (20 °C, 50% HR).
4. Consistencia entre pruebas: Por ejemplo, una baja resistencia de aislamiento debería correlacionarse con un alto tan δ y bajo PI. Inconsistencias indican error de medición o fallo localizado.

Criterios de acción (matriz de decisión):

• Verde (Continuar operación): Todos los parámetros dentro de límites, sin cambios significativos respecto a historial. Próxima prueba en 24 meses.
• Amarillo (Monitoreo intensivo): Uno o más parámetros cercanos al límite (ej. tan δ = 1.2%), o variación >20% respecto a última prueba. Programar nueva inspección en 3–6 meses y análisis de descargas parciales.
• Rojo (Retirar de servicio): Parámetros fuera de especificación (tan δ >2.0%, resistencia <50 MΩ), pérdida de polaridad, relación incorrecta (>1% error), o indicios de descargas internas (ruido crepitante, manchas de carbono). Requiere reparación en taller autorizado o reemplazo.

Todo resultado debe registrarse en formato digital (software CMMS) y físico, incluyendo fecha, condiciones ambientales (T, HR), equipo utilizado (modelo, número de serie, fecha de calibración), operador certificado y firma de supervisión técnica.

Diagnóstico de Fallas Comunes en el Transformador Combinado SZW-35

El transformador combinado SZW-35, diseñado para operar en sistemas de distribución con tensión nominal de 11 kV (sistema base de 10 kV), es un equipo robusto pero no exento de fallos. Un diagnóstico preciso y oportuno es fundamental para garantizar su continuidad operativa y prolongar su vida útil. Las fallas más comunes se agrupan en tres categorías: térmicas, dieléctricas y mecánicas, con patrones específicos para su diseño dry-type monobloque.

Fallas térmicas: Estas suelen originarse por sobrecargas prolongadas (>1.2×I_n por >2 horas), mala ventilación en gabinetes cerrados o deterioro del sistema de disipación térmica por acumulación de polvo en aletas. Los síntomas incluyen aumento anormal de la temperatura superficial (>85 °C medido por termografía), descomposición acelerada del aislamiento epoxi (olor a quemado, decoloración marrón) y generación de gases volátiles (CO, CO₂) detectables mediante sensores electroquímicos. Aunque el SZW-35 no contiene aceite, el análisis de gases en el espacio libre (headspace) mediante cromatografía de gases miniaturizada (GC-MS portátil) es una herramienta diagnóstica emergente para detectar estas condiciones antes de que evolucionen a fallas catastróficas.

Fallas dieléctricas: Se manifiestan como descargas parciales (>100 pC a 1.2×U_n), arcos internos o perforación del aislamiento. Pueden ser causadas por humedad absorbida en microfisuras, contaminación iónica por sales higroscópicas, envejecimiento UV del polímero o defectos de fabricación (inclusiones, burbujas). La medición de la rigidez dieléctrica superficial (mediante electrodo de rodillo según IEC 60587), la prueba de factor de potencia (tan δ) y la detección de descargas parciales mediante sensores UHF (300 MHz–1.5 GHz) o acústicos (40–200 kHz) permiten identificar estas anomalías con alta sensibilidad. En el SZW-35, las descargas suelen concentrarse en la interfaz resina-bushing o en zonas de alto gradiente cerca de los bornes HV.

Fallas mecánicas: Incluyen aflojamiento de conexiones por ciclos térmicos, corrosión galvánica en uniones Cu-Al, vibraciones excesivas por resonancia magnetoestrictiva (>100 µm pico-pico) o daño en la carcasa por impacto externo durante instalación. Estas fallas suelen generar puntos calientes locales (>10 °C sobre fondo), incremento de la resistencia de contacto (>100 µΩ) y riesgo de incendio. La termografía infrarroja (resolución térmica ≤0.1 °C) y la medición de resistencia óhmica de devanados (precisión ±0.2%) son técnicas efectivas para su diagnóstico. Un hallazgo común en campo es la fractura del bushing cerámico por torsión excesiva durante el apriete.

Mantenimiento de Contactos y Terminales

Los contactos y terminales del SZW-35 están sometidos a corrientes elevadas (hasta 630 A en versión estándar) y condiciones ambientales adversas, lo que los convierte en puntos críticos de mantenimiento. Un mal contacto puede provocar pérdidas por efecto Joule (P = I²R), calentamiento localizado y eventual fusión del conductor.

Procedimiento recomendado:

1. Inspección visual: Verificar signos de oxidación (capa verde en cobre, blanco en aluminio), arco eléctrico (cráteres >1 mm), deformación plástica o corrosión galvánica en uniones heterogéneas.
2. Limpieza: Utilizar lija fina no metálica (grano 400) o estropajo de bronce para eliminar capas de óxido sin dañar la superficie conductora. Nunca emplear herramientas abrasivas ferrosas que puedan dejar partículas magnéticas (riesgo de sobrecalentamiento por histéresis).
3. Apriete controlado: Ajustar los pernos de conexión con torque especificado por el fabricante (ver Tabla 1). Un apriete insuficiente genera resistencia de contacto elevada; uno excesivo puede deformar el terminal o romper el aislador cerámico.
4. Protección contra corrosión: Aplicar grasa dieléctrica antioxidante (ej. NO-OX-ID A-Special) en las superficies limpias antes del ensamblaje. Esta grasa debe ser compatible con el material del conductor (cobre o aluminio) y no contener compuestos ácidos (pH 6–8).
5. Verificación post-mantenimiento: Realizar medición de caída de tensión en los terminales bajo carga nominal (ΔV ≤ 10 mV) o usar termografía para confirmar ausencia de puntos calientes (ΔT ≤ 3 °C vs. ambiente).

Este mantenimiento debe realizarse al menos una vez al año en ambientes industriales o costeros (ISO 9223 categoría C4/C5), y cada dos años en zonas rurales con baja contaminación (categoría C2).

Tabla 1: Especificaciones de torque para terminales SZW-35

Tipo de Terminal	Material	Tamaño Perno	Torque Nominal (N·m)	Tolerancia	Norma Referencia
Primario HV	Cobre estañado	M12	30	±2 N·m	IEC 61238-1
Secundario VT	Cobre	M6	10	±1 N·m	IEC 61238-1
Secundario CT	Cobre	M8	18	±1.5 N·m	IEC 61238-1
Tierra Chasis	Acero inox. A2	M8	20	±2 N·m	UNE-EN ISO 4014

Tratamiento de Humedad y Contaminación

Aunque el SZW-35 es un transformador seco sellado, la humedad puede penetrar por microfisuras en juntas o por difusión a través del polímero en ambientes extremos (>90% HR, 40 °C). La presencia de humedad reduce drásticamente la rigidez dieléctrica superficial y acelera la hidrólisis del epoxi. Asimismo, la contaminación por partículas sólidas (polvo, fibras, residuos metálicos) actúa como núcleos de ionización que facilitan descargas parciales.

Detección: El contenido de humedad en la superficie se mide mediante sensor capacitivo de polímero (precisión ±2% HR). En transformadores sellados como el SZW-35, el límite aceptable es ≤60% HR en la interfaz aislante. Valores superiores indican fallo en el sistema de sellado. Alternativamente, la prueba de absorción de humedad según IEC 60068-2-78 (40 °C, 93% HR, 21 días) puede usarse en laboratorio para evaluar la integridad del sellado.

Solución:

• Secado superficial: Circulación de aire caliente seco (60–70 °C, punto de rocío ≤ -20 °C) sobre la superficie durante 12–24 horas, con monitoreo continuo de HR.
• Limpieza profunda: Lavado con solución desionizante (agua purificada + 0.1% tensioactivo no iónico) seguido de enjuague con agua destilada y secado forzado.
• Reacondicionamiento del sellado: Inspeccionar juntas de silicona VMQ (resistencia térmica -60/+200 °C). Reapretar bridas según secuencia cruzada y torque de Tabla 1. Aplicar sellador de silicona neutro (RTV-1) en juntas si es necesario, evitando obstruir canales de drenaje.
• Recuperación dieléctrica: Tratamiento con plasma atmosférico (Ar/O₂) para regenerar la capa superficial del polímero y restaurar la resistencia al tracking.

Es crucial realizar pruebas post-tratamiento: rigidez dieléctrica superficial >20 kV (electrodo de rodillo, IEC 60587), factor de potencia <0.5% a 20 °C y ausencia de descargas parciales (<50 pC a 1.2×U_n).

Reemplazo de Componentes Críticos

Con el tiempo, ciertos componentes del SZW-35 alcanzan su límite de vida útil y deben reemplazarse preventivamente para evitar fallas imprevistas. Los elementos críticos incluyen:

Bushings de media tensión: Fabricados en porcelana Al₂O₃ (95%) o compuesto polimérico HTV-SiR, están expuestos a estrés eléctrico (gradiente >5 kV/cm), térmico (ΔT >50 K) y ambiental (UV, lluvia ácida). Indicadores de reemplazo: grietas visibles (>0.2 mm), fuga en la base (sellado fallido), factor de potencia elevado (>1%) o descargas en la superficie durante lluvia (tracking severo, IEC 60587 nivel <3.0 kV).

Relé Buchholz (si aplica): Aunque el SZW-35 suele ser sellado, algunas versiones incluyen protección gaseosa para detectar descomposición térmica. Verificar funcionamiento mecánico, limpieza de cámaras y calibración del flotador. Reemplazar si presenta falsas alarmas o no responde a inyección simulada de gas (N₂ a 50 mL/min).

Termómetro y sensores de temperatura: Los sensores RTD Pt100 clase A integrados en devanados deben validarse contra patrones trazables (incertidumbre ≤0.1 °C). Desviaciones >±2 °C justifican su sustitución. Verificar también la integridad del pozo termométrico (sin obstrucciones).

Válvulas de alivio de presión: Inspeccionar diafragma de acero inoxidable y resorte de Inconel. Probar su apertura a la presión nominal (generalmente 10 psi ±1 psi). Si hay corrosión o deformación plástica, reemplazar el conjunto completo con repuesto OEM.

Procedimiento general de reemplazo:

1. Desenergizar completamente el transformador y aplicar bloqueos (LOTO según OSHA 1910.147).
2. Retirar el componente con herramientas no ferrosas (latón, aluminio) para evitar contaminación magnética.
3. Limpiar la zona de montaje con alcohol is