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Tesis:

Frequency Response Analysis (FRA) technique to perform corrective and predictive diagnoses on salient poles of large synchronous machines

  • Autor: MUGARRA FLORES, Asier Bernardo

  • Título: Frequency Response Analysis (FRA) technique to perform corrective and predictive diagnoses on salient poles of large synchronous machines

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

  • Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/76520/

  • Director/a 1º: PLATERO GAONA, Carlos Antonio

  • Resumen: Nowadays diagnostic methods are consistently being improved and extended due to high cost that represent having an electrical machine out of production; as well growing requirements for reliability of power systems is something vital for the industry and domestic life, therefore it is important to monitor these devices in order to avoid any power failures or damages on these expensive equipment. In order to have a power plant in optimal conditions regular maintenance is mandatory, for that reason maintenance is an investment, which generates great benefits, among which we can list the following: accidents prevention at work, thus increasing safety for the people involved in the production process and reduction on losses due to production stops. The work presented in this Doctoral Thesis aims to use the Frequency Response Analysis (FRA) technique with a different approach of what it has been used since its inception. FRA technique has been traditionally used on power transformers, on top of that this technique is used just to tell if the transformer windings are damage or not, so it can be said that the technique is used just as a corrective diagnosis method. The novelty of this Thesis is the use of FRA to diagnose other types of windings specifically salient poles of large synchronous machines, not just as a corrective method also as a predictive method in order to be able to study the periodic insulation degradation, in this way a proper intervention can be schedule in function on production improving the power plant profits and reliability. This document is organized as follows. Chapter 1 presents the objectives of the Doctoral Thesis. Chapter 2 is a general introduction of this research where the basic topics are treated so the reader gets into context, in this way next chapters will have a proper clarity environment. Firstly, it is shown what a large salient pole is, its features and its function inside the generator. Secondly, there is a tour through the different diagnostic techniques for poles, so the current limitations and constrains are exposed. Afterwards, the FRA technique is defined as how it was conceived and its new applications for large salient poles all this with its respective distributed model (classic model). The chapter finalizes with an explanation of corrective and predictive maintenance, this is since this research explores the novelty of the use of FRA as a full maintenance procedure technique. Chapter 3 is a walkthrough to the feasibility of using FRA on large salient poles. When it is understood how this technique works, it is easy to transfer the FRA technique and apply it to any coil. Afterwards, is explained the experiment set up and then the results are shown for inter-turn faults and ground faults with their respective analysis. It is settled the difference between performing a FRA test inside and outside the generator with their corresponding tests and analysis. The chapter finalizes with simulations using the classical model to calculate the impact of the tests performed in and out the generator. This chapter encompass FRA as a corrective technique of diagnosis. In chapter 4 is exposed a new-fangled FRA methodology for increasing the sensibility on the inter-turn faults. This new methodology is related to the ground connection that has the classical FRA test and the influence of the shunt parameters in the distributed model. In addition, the experiment set up is explained which were performed upon several spare poles belonging to 106 MVA and 40 MVA synchronous hydro-generators, two different poles technologies in order to corroborate the results. At last, two simulation models with both types of connections were carried out using the classical distributed model explained in the previous chapters. This chapter means to extend the FRA as an improve corrective technique for diagnosing inter-turn faults. Chapter 5 presents the first novel approach of the used of FRA as a predictive maintenance technique on poles through a mathematical model called “fault diagram” which is based on the paradigm that states that a healthy machine is a machine with infinite impedance fault. The model is conceptualized and calculated through two different methods; both of them are explained and calculated over the results obtained on a 40 MVA synchronous hydro-generator. Chapter 6 expose an extension of the fault diagram addressed specifically on inter-turn faults and using as an input the ungrounded FRA test explained in chapter 4. The fault diagram is calculated using one of the methods exposed in the previous chapter and their results are discussed with very compelling results. RESUMEN Hoy en día los métodos de Diagnóstico están siendo constantemente mejorados y ampliados debido al alto costo que representa tener una máquina eléctrica fuera de producción; Además, los crecientes requisitos de confiabilidad de los sistemas de energía son algo vital para la industria y la vida doméstica, por lo tanto, es importante monitorear estos dispositivos de forma planificada para evitar fallas de energía o daños a este costoso equipo. Para tener una central eléctrica en óptimas condiciones es obligatorio el mantenimiento periódico, por lo que el mantenimiento es una inversión, lo que genera grandes beneficios, entre los que podemos enumerar los siguientes: prevención de accidentes de trabajo, aumentando así la seguridad de las personas involucradas y reduciendo pérdidas por paradas no planificadas. El trabajo que se presenta en esta tesis tiene como objetivo utilizar la técnica de Análisis de Respuesta en Frecuencia (FRA) con un enfoque diferente al que se viene utilizando desde sus inicios. La técnica FRA se ha utilizado tradicionalmente en transformadores de potencia, además de que esta técnica se usa solo para saber si los devanados del transformador están dañados o no, por lo que se puede decir que la técnica se usa solo como un método de diagnóstico correctivo. La novedad de este doctorado es el uso de FRA para diagnosticar otros tipos de devanados específicamente grandes polos salientes, no solo como un método correctivo sino también como un método predictivo para poder estudiar la degradación periódica del aislamiento, de esta manera un se puede programar una intervención adecuada en función de la producción mejorando los beneficios y la fiabilidad de la central. Este trabajo está organizado de la siguiente manera. El Capítulo 1 presenta los objetivos de la Tesis Doctoral. El capítulo 2 es una introducción general de esta investigación donde se tratan los temas básicos para que el lector este en contexto, de esta manera los próximos capítulos tendrán un ambiente de claridad adecuado. En primer lugar, se muestra qué es un gran polo saliente, sus características y su función en el interior del generador. En segundo lugar, se hace un recorrido por las diferentes técnicas de diagnóstico de polos para exponer las limitaciones y condicionantes actuales. Posteriormente se define como fue concebida la técnica FRA y sus nuevas aplicaciones para grandes polos salientes, todo esto con su respectivo modelo distribuido (modelo clásico). El capítulo finaliza con una explicación del mantenimiento correctivo y predictivo, esto se debe a que esta investigación explora la novedad del uso de FRA como técnica de procedimiento de mantenimiento completo. El Capítulo 3 es un recorrido por la viabilidad de usar FRA en polos salientes. Cuando se entiende cómo funciona esta técnica, es fácil transferir la técnica FRA y aplicarla a cualquier bobina. Posteriormente se explica el montaje del experimento y luego se muestran los resultados para fallas entre espiras y fallas a tierra con su respectivo análisis. Se establece la diferencia entre realizar una prueba FRA dentro y fuera del generador con sus correspondientes pruebas y análisis. El capítulo finaliza con simulaciones utilizando el modelo clásico para calcular el impacto de las pruebas realizadas dentro y fuera del generador. Este capítulo engloba la FRA como técnica correctiva de diagnóstico. En el capítulo 4 se expone una metodología FRA novedosa para aumentar la sensibilidad en las fallas entre espiras. Esta nueva metodología está relacionada con la puesta a tierra que tiene el ensayo clásico del FRA y la influencia de los parámetros de shunt en el modelo distribuido. Además se explica el montaje del experimento que se realizó sobre varios polos de repuesto pertenecientes a hidrogeneradores síncronos de 106 MVA y 40 MVA, dos tecnologías de polos para corroborar los resultados. Por último se realizaron simulaciones con ambos tipos de conexiones utilizando el modelo distribuido clásico explicado en los capítulos anteriores. Este capítulo pretende extender la FRA como una técnica correctiva mejorada para diagnosticar faltas entre espiras. El Capítulo 5 presenta el primer enfoque novedoso del uso de FRA como técnica de mantenimiento predictivo a través de un modelo matemático llamado “diagrama de fallas” el cual se basa en un paradigma que establece que una máquina sana es una máquina con fallas de impedancia infinita. El modelo se conceptualiza y calcula a través de dos métodos diferentes; ambos se explican y calculan sobre los resultados obtenidos en un hidrogenerador síncrono de 40 MVA. El capítulo 6 expone una extensión del diagrama de fallas abordado específicamente en faltas entre espiras y los resultados de la prueba FRA sin conexión a tierra explicada en el capítulo 4. El diagrama de faltas se calcula usando uno de los métodos expuestos en el capítulo anterior y se discuten sus resultados con resultados muy convincentes.