Diseño de un sistema de monitoreo de modos de falla para transformadores de tipo poste, empleados en la red de distribución de la Región Huetar (Caribe) del ICE (Cóncavas)

Proyecto de Graduación (Licenciatura en Mantenimiento Industrial) Instituto Tecnológico de Costa Rica, Escuela de Ingeniería Electromecánica, 2021La red de distribución eléctrica conforma una parte medular en lo que concierne al negocio de producción y transmisión eléctrica, principalmente para el Instituto Costarricense de Electricidad que se encarga de abastecer a un 77.5% del territorio nacional de Costa Rica. Con el fin de evaluar los distintos componentes de la red de distribución se realiza un análisis de modo de falla, efectos y criticidad, con datos de averías brindados por el ICE de los últimos 5 años. En este análisis se evidencia que el elemento con mayor número de criticidad es el transformador y la principal causa de falla corresponde a las sobrecargas del elemento. El proyecto se enfoca en el desarrollo de un sistema de monitoreo de la condición de sobrecarga del transformador, por medio del desarrollo de un sistema electrónico capaz de sensar y procesar las respectivas variables eléctricas por medio de un microcontrolador, el cual se encarga de evaluarlas con mecanismos de lógica difusa programados con los parámetros establecidos en la norma IEC 60076-2. Las alertas de condición se activan en el momento que la carga supere los valores permisibles según dicha norma. El funcionamiento tanto del sistema de lógica difusa como del dispositivo son puestos a prueba. Primeramente, los valores sensados son comparados con las mediciones registradas por instrumentos de laboratorio, una vez calibrados y verificados los parámetros captados, se establecen distintos valores de entrada simulando varias condiciones de sobrecarga aleatorias con el fin de evaluar y comparar con el algoritmo de lógica difusa programado en Fuzzy Logic Desing de Matlab que permiten corroborar el adecuado funcionamiento del procesamiento del microcontrolador. A su vez las mismas variables aleatorias son evaluadas de forma manual en el gráfico propuesto por la norma IEC 60076-2, dando como resultado que el sistema proporciona una condición fiel a los modelos propuesto por esta norma. Ya corroborado el funcionamiento del dispositivo es instalado en un transformador en operación en la red de distribución del ICE durante un periodo de 7 días, almacenando los datos en la memoria SD. A partir de estos datos se elaboraron gráficas del comportamiento del transformador y se captaron tres eventos de sobrecarga los cuales se mantuvieron dentro de los límites permitidos. Una vez conformado el sistema, se analiza financieramente su viabilidad, contemplando la disminución de costos correspondientes a fallas relacionadas con la sobrecarga en transformadores, resultando un proyecto viable para la institución, recuperando la inversión en tres años y medio.The electric power distribution forms a core part of the electricity production and transmission business, mainly for the Instituto Costarricense de Electricidad (ICE), which is in charge for supplying electricity to 77,5 % of the Costa Rican territory. To evaluate the different components of the distribution system, an analysis of failure mode, effects and criticality is carried out, with failure data provided by ICE in the last 5 years. This analysis shows that the most critically element is the distribution transformer, and the main cause of failure are overloads. The project focuses on the development for a transformer overload condition monitoring system, through the development of an electronic device capable of sensing and processing electrical variables by a microcontroller, which oversees evaluating them with fuzzy logic mechanisms that are programmed with parameters established in the standard IEC 60076-2. The condition alerts are activated when the transformer’s load exceeds allowable values according to this standard. The functioning of both the fuzzy logic system and the device are put to test. First, the sensed values are compared with measurements obtained by laboratory instruments, and once the parameters are calibrated and verified, different input values are established simulating random overload conditions with the purpose of evaluating and compare with a fuzzy logic algorithm programmed in MatLab’s Fuzzy Logic Design the proper functioning of the microcontroller processing. In other hand, the same random variables are evaluated manually based on the graph proposed by the IEC 60076-2. As a result, the system provides a faithful model based on the standard. Once the operation of the device has been confirmed, it is installed in an operating transformer in ICE’s electric power distribution for 7 days, storing data in a SD memory. Based on the data, graphs of the behavior of the transformer were elaborated and three overload events were capture, which were kept in the allowed limits. To conclude the project, the device viability is financially analyzed, considering the reduction of the failures related with transformer’s overload. As a result, the project is viable for the institution, recovering the investment in three and a half years