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• Javier Alvarez

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DIAGNÓSTICO Y MANTENIMIENTO DE TRANSFORMADORES EN CAMPO

ING. ERNESTO GALLO MARTÍNEZ

TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1 - EL ACEITE MINERAL AISLANTE DE BASE NAFTÉNICA. 1.1.

COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS ACEITES MINERALES DE BASE NAFTÉNICA. 1.1.1

HIDROCARBUROS ISOPARAFÍNICOS.

1.1.2

HIDROCARBUROS NAFTÉNICOS.

1.1.3

HIDROCARBUROS AROMÁTICOS.

1.1.4

INHIBIDORES SINTÉTICOS CONTRA LA OXIDACIÓN.

1.2.

PROCESO DE AISLANTES.

1.3.

VIDA ÚTIL DE UN ACEITE AISLANTE.

CAPITULO 2 -

DEGRADACIÓN

QUÍMICA

DE

LOS

ACEITES

MINERALES

EL PAPEL AISLANTE Y LA EXPECTATIVA DE VIDA ÚTIL DE UN TRANSFORMADOR.

2.1

EL PAPEL AISLANTE Y SU FUNCIÓN DENTRO DEL TRANSFORMADOR.

2.2

COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL PAPEL AISLANTE Y SUS CARACTERÍSTICAS. 2.2.1

FORMULACIÓN QUÍMICA DE LA CELULOSA.

2.2.2

POR QUÉ EL PAPEL KRAFT?

2.2.3

AISLAMIENTO PAPEL - ACEITE.

2.3

CUANTO PAPEL HAY EN UN TRANSFORMADOR?

2.4

EFECTOS DE LOS FACTORES QUE INCIDEN EN LA VIDA ÚTIL DEL PAPEL AISLANTE: (4). 2.4.1

SUSTANCIAS POLARES, ÁCIDOS Y LODOS.

2.4.2

EL AGUA.

2.4.3

LOS ESFUERZOS ELÉCTRICOS.

2.4.4

EFECTO DE LA TEMPERATURA.

2.4.5

ELECTRIZACIÓN ESTÁTICA DEL SISTEMA DE AISLAMIENTO PAPEL-ACEITE.

CAPITULO 3 - DIAGNÓSTICO 3.1

PRUEBAS ASTM PARA ACEITES AISLANTES EN OPERACIÓN. 3.1.1

RIGIDEZ DIELÉCTRICA - NORMA ASTM D 877.

3.1.2

CONTENIDO DE AGUA - NORMA ASTM D-1533.

3.1.3

NUMERO DE NEUTRALIZACIÓN - NORMA ASTM D-974.

3.1.4

TENSIÓN INTERFACIAL - NORMA ASTM D-971.

3.1.4.1 ÍNDICE DE CALIDAD. 3.1.4.2 TENSIÓN INTERFACIAL Y NUMERO DE NEUTRALIZACIÓN vs. TIEMPO.

3.2

3,1.5

COLOR - NORMA ASTM D-1500.

3.1.6

GRAVEDAD ESPECÍFICA - NORMA ASTM D-1298.

3.1.7

FACTOR DE POTENCIA - NORMA ASTM-924.

3.1.8

CONTENIDO DE INHIBIDOR - NORMA ASTM D- 4768.

MEDIDAS ELÉCTRICAS DE CAMPO. 3.2.1

PRUEBAS QUE MIDEN LA CALIDAD DEL AISLAMIENTO: 3.2.1.1 MEDICIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA DEL AISLAMIENTO. 3.2.1.2 MEDICIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA DEL ACEITE. 3.2.1.3 MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA DEL AISLAMIENTO.

3.2.2

PRUEBAS QUE MIDEN EL COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO. 3.2.2.1 MEDICIÓN DE LA CORRIENTE DE EXCITACIÓN. 3.2.2.2 MEDICIÓN DE LA RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN. 3.2.2.3 MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA A LA CORRIENTE CONTINUA DE LOS DEVANADOS.

3.3

DIAGNÓSTICO PREDICTIVO POR CROMATOGRAFÍA DE GASES DISUELTOS EN EL ACEITE. 3.3.1

GENERALIDADES.

3.3.2

OBJETIVOS DE UNA CROMATOGRAFÍA DE GASES DISUELTOS.

3.3.3

GASES A ANALIZAR.

3.3.4

NIVELES DE SEGURIDAD ACEPTABLES.

3.3.5

VELOCIDAD DE GENERACIÓN DE GASES DE FALLA.

3.3.6

DEFINICIÓN DEL TIPO DE FALLA. 3.3.6.1 MÉTODO DEL GAS CARACTERÍSTICO (15). 3.3.6.2 MÉTODO DE LAS RELACIONES DE DORNEMBURG. 3.3.6.3 MÉTODO DE LAS RELACIONES DE ROGERS. 3.3.6.4 CRITERIOS DE LA CEGB (Central Electricity Generating Board of Great Britain).

3.4

3.5

3.3.7

RUTINA DE SEGUIMIENTO AL COMPORTAMIENTO DE LA GENERACIÓN DE GASES EN UN TRANSFORMADOR:

3.3.8

CONSIDERACIONES SOBRE EL NITRÓGENO Y EL OXÍGENO.

ANÁLISIS DE FURANOS: (16). 3.4.1

NIVELES DE ACEPTACIÓN.

3.4.2

REMOCIÓN DE FURANOS.

CHEQUEOS PERIÓDICOS PREVENTIVOS. 3.5.1

CHEQUEOS PERIÓDICOS AL ACEITE.

CAPITULO 4 - MANTENIMIENTO DE TRANSFORMADORES EN CAMPO 4.1

CONCEPTOS TERMODINÁMICOS TRANSFORMADORES EN CAMPO.

ÚTILES,

4.1.1

ECUACIÓN DE ESTADO.

4.1.2

CONCEPTOS SOBRE EL VACÍO: 4.1.2.1 MEDICIÓN DEL VACÍO:

4.1.3

CONDUCTANCIA.

APLICABLES

EN

SECADO

DE

4.1.4 4.2.

TIEMPO DE EVACUACIÓN DE UNA CÁMARA.

MEDICIÓN DEL ESTADO DE HUMEDAD DE LOS AISLAMIENTOS. 4.2.1

MEDICIONES CUALITATIVAS DEL AGUA EN LA CELULOSA: 4.2.1.1 POR MEDIDAS ELÉCTRICAS. 4.2.1.2 MEDIANTE LA APLICACIÓN DE LOS MULTIPLICADORES DE MYERS:

4.2.2 4.3.

MEDICIÓN CUANTITATIVA.

FORMULACIONES DE MANTENIMIENTO. 4.3.1

TRATAMIENTO AL ACEITE POR TERMOVACÍO Y ADICIÓN DE INHIBIDOR.

4.3.2

SECADO DE TRANSFORMADORES EN CAMPO. 4.3.2.1 CALENTAMIENTO POR CORTOCIRCUITO, RECIRCULACIÓN DE ACEITE Y APLICACIÓN DE VACÍO. 4.3.2.2 CIRCULACIÓN DE ACEITE CALIENTE. 4.3.2.3 CIRCULACIÓN DE AIRE CALIENTE. 4.3.2.4 APLICACIÓN DE VACÍO ÚNICAMENTE. 4.3.2.5 MÉTODO DE ASPERSIÓN DE ACEITE CALIENTE (HOT SPRAY). 4.3.2.6 MÉTODO CRIOGÉNICO (Cold Trap).

4.3.3

REGENERACIÓN DE LOS AISLAMIENTOS.

APÉNDICE BIBLIOGRAFÍA

1

INTRODUCCIÓN

Tradicionalmente se ha definido el transformador como una máquina estática y como tal, no tiene partes en movimiento. Este concepto definitivamente está revaluado en la actualidad, pues ya hay consenso en afirmar que el transformador es la única pieza, entre todos los equipos eléctricos, que se mueve continuamente mientras está energizado. Se sabe que el sistema de aislamiento está compuesto de aislamiento líquido (aceite mineral aislante), y aislamiento sólido (papel a base de celulosa obtenido mediante el proceso KRAFT) El concepto moderno, actualizado y sobre el cual se fundamentan los procedimientos acertados y eficaces en cuanto a mantenimiento de transformadores inmersos en aceite mineral aislante de base nafténica, definitivamente está basado, sin lugar a dudas, en la siguiente aseveración: LA VIDA ÚTIL DEL TRANSFORMADOR ES LA VIDA ÚTIL DEL PAPEL AISLANTE Dada la anterior premisa y puesto que la parte activa del transformador, incluido obviamente el papel, está inmersa en el aceite mineral aislante nos interesa estudiar a profundidad la interrelación AISLAMIENTO LÍQUIDO - AISLAMIENTO SÓLIDO. Por tanto, cualquier técnica de mantenimiento preventivo es acertada en la medida en que esté orientada hacia cuidar la vida del papel y por lo tanto la del transformador. Hay dos agentes que inciden directamente en la reducción de la vida útil del papel, disminuyendo su resistencia mecánica a la tracción y contaminando su estructura fibrosa, afectando también sus propiedades aislantes y dieléctricas: Ellos son EL AGUA Y LOS PRODUCTOS DE OXIDACIÓN DEL ACEITE. Entonces, un buen sistema de mantenimiento preventivo debe estar dirigido hacia extraer el agua y los productos de oxidación generados por el aceite y depositados especialmente en el sistema de aislamiento sólido, es decir, en el papel aislante a base de celulosa, impregnando de tales productos indeseables los intersticios del tejido fibroso de que está constituido dicho papel.

2

Un filtroprensado del aceite no constituye, por tanto, una solución de fondo a la necesidad de mantenimiento requerida por un transformador, puesto que no soluciona ni el secamiento del papel ni mucho menos la limpieza de éste de los productos de oxidación generados por el aceite en su proceso de degradación y depositados, como se dijo antes, en los espacios intersticiales del papel aislante. Cuando se hace un “filtroprensado” al aceite o cuando a lo sumo se cambia este por nuevo, debido a su avanzado estado de degradación, lo que estamos haciendo es un pésimo “mantenimiento al aceite” dañando incluso un aceite nuevo y lejos estamos de llegar al fondo del problema, es decir CUIDAR LA VIDA ÚTIL DEL TRANSFORMADOR LIBERANDO AL PAPEL AISLANTE DE LOS DOS AGENTES ANTES MENCIONADOS, ES DECIR, EL AGUA Y LOS PRODUCTOS DE OXIDACIÓN DEL ACEITE. 1)

EL AGUA

Más del 90% del agua se encuentra en el papel y sólo menos del 10% se encuentra en el aceite. Es por tanto inútil efectuar secamiento al aceite solamente. No en vano la cantidad de agua en el aceite se mide en partes por millón (10-6), mientras que en el papel se mide en porcentaje (10-2), órdenes de magnitudes significativamente diferentes. SOLUCIÓN: REACONDICIONAMIENTO DEL SISTEMA TOTAL DE AISLAMIENTO MEDIANTE EFECTIVOS SISTEMAS DE VACÍO REFORZADO CON CRIOGENIA, CUANDO DE TRATE DE TRANSFORMADORES DE MEDIA POTENCIA Y POTENCIA CUYO TANQUE SOPORTE VACÍO; Y EN CASO CONTRARIO, POR OTROS SISTEMAS COMO SECADO AL HORNO, AIRE CALIENTE ETC., DEPENDIENDO DE LAS CONDICIONES Y RECURSOS DISPONIBLES. 2)

LOS PRODUCTOS DE OXIDACIÓN DEL ACEITE

Se depositan en bobinas, núcleo y radiadores y lógicamente de manera especial en las capas internas de los devanados y por tanto en los intersticios de las fibras de la celulosa afectando la vida útil del papel, desmejorando sus propiedades mecánicas y dieléctricas. SOLUCIÓN: REGENERACIÓN DEL SISTEMA TOTAL DE AISLAMIENTO UTILIZANDO EL MISMO ACEITE COMO SOLVENTE RECUPERÁNDOLO PREVIAMENTE MEDIANTE EFECTIVOS SISTEMAS DE ADSORCIÓN CON TIERRAS FULLER.

3

EFECTOS ADVERSOS GENERADOS POR LA PRESENCIA DE AGUA Y PRODUCTOS DE OXIDACIÓN DEL ACEITE IMPREGNADOS EN EL PAPEL : a) AUMENTO DEL FACTOR DE POTENCIA: Debido a que el agua y los productos de oxidación son sustancias polares que facilitan el camino a las corrientes de fuga en el aislamiento. b) AUMENTO DE LA TEMPERATURA DE OPERACIÓN DEL TRANSFORMADOR c) DISMINUCIÓN DE LA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO ELÉCTRICO d) DISMINUCIÓN DE LA RESISTENCIA MECÁNICA A LA TRACCIÓN POR CRISTALIZACIÓN DEL PAPEL, DEBILITANDO LA FORTALEZA DEL TRANSFORMADOR A LOS ESFUERZOS TELESCÓPICOS DE CORTOCIRCUITO EN LAS BOBINAS. e) DISMINUCIÓN DE LA RIGIDEZ DIELÉCTRICA DEL PAPEL f) EN CONDICIÓN CRITICA : FALLA DEL TRANSFORMADOR Por lo anterior, es recomendable que antes de iniciar cualquier acción de mantenimiento en campo a un transformador se conozca el estado dieléctrico y físico-químico del aceite aislante en operación y a partir de esta información concluir, basados en investigaciones serias de especialistas en la materia, cómo se encuentra el papel aislante en cuanto a los dos agentes adversos antes mencionados. Complementariamente, se requiere chequear el estado del aislamiento como también el comportamiento eléctrico y magnético del transformador con la ayuda de instrumentos apropiados, con el fin de confirmar que el espécimen se encuentra apto para ejecutar la operación de mantenimiento que, con base en los diagnósticos, se ha programado con anterioridad. El conocer toda esta información al igual que la historia del transformador, define la acción concreta a seguir y el procedimiento adecuado para efectuar un mantenimiento técnicamente apropiado y bien programado, con el fin de dejar la unidad en las mejores condiciones posibles para una correcta operación en lo sucesivo de su vida útil. Las propiedades aislantes se pueden mejorar, no así sus propiedades mecánicas especialmente la resistencia a la tracción. Recordemos que con el mantenimiento, por especializado que sea, no se pretende recuperar la vida útil perdida del papel aislante, sino que el objetivo es disminuir la pendiente de envejecimiento, y de esta manera, en cierta forma, alargar lo que queda de su vida útil. Para tal efecto, se recomienda realizar periódicamente las siguientes acciones de DIAGNÓSTICO:

4

1. Efectuar las PRUEBAS ASTM al aceite aislante, que nos den una información completa y suficiente sobre las condiciones de degradación en que se encuentra éste y concluir en qué estado se puede encontrar el papel aislante. 2. Conocer el CONTENIDO DE AGUA de los aislamientos sólidos, mediciones cualitativas y cuantitativas.

mediante

3. Efectuar MEDICIONES ELÉCTRICAS de campo. 4. Para el caso de transformadores que son vitales, efectuar anualmente un análisis CROMATOGRÁFICO DE GASES disueltos en el aceite y así, predecir o descartar eventuales fallas incipientes o avanzadas. 5. Efectuar una inspección ocular completa a todo el transformador, chequeando cuidadosamente todos los instrumentos y tener en cuenta toda la información que ellos nos estén dando. 6. Efectuar periódicamente un chequeo de TERMOMETRÍA a todo el exterior del transformador, con el fin de detectar zonas o puntos anormalmente calientes. 7. Conocer la HISTORIA del transformador.

5

CAPÍTULO

1

EL ACEITE MINERAL AISLANTE DE BASE NAFTÉNICA

1.1. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS ACEITES MINERALES DE BASE NAFTÉNICA Antes de entrar a estudiar las PRUEBAS ASTM DE DEGRADACIÓN es bueno conocer de manera general la composición química de los aceites aislantes con BASE NAFTÉNICA: El aceite aislante es una mezcla ADECUADA de hidrocarburos isoparafínicos, nafténicos y aromáticos con moléculas entre 16 y 22 átomos de carbono, lograda a través de procesos especializados de destilación y refinación, aportando cada una de estas bases su cuota de propiedades deseables y mediante proporciones adecuadas de cada una de ellas limitar lo indeseable que cada una pueda tener, con el fin de que el producto final cumpla las tres funciones básicas que un buen aceite aislante debe poseer es decir ser REFRIGERANTE, AISLANTE ELÉCTRICO Y PROTECTOR de las partes internas del transformador teniendo a la vez una buena estabilidad a la oxidación y una aceptable tendencia a la gasificación. Cuando el aceite no cumple con alguna de estas tres funciones, la unidad debe ser sometida a servicio de mantenimiento para asegurar la máxima vida útil del transformador.

1.1.1. HIDROCARBUROS ISOPARAFÍNICOS: Son compuestos de la familia de los alcanos (hidrocarburos saturados) con fórmula general CnH2n+2 formados por cadenas abiertas como las parafinas normales, pero con ramificaciones laterales en su estructura. Tienen un punto de fluidez menor que las parafinas facilitando más que éstas los movimientos de convección. Tienen además menor tendencia a la gasificación y son a la vez más resistentes a la oxidación. (Ver figura 1.1.1).

6

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

Octano, Parafina normal.

CH3-CH2-CH2-CH-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

4, Propil Nonano (Isoparafina) (Parafina Ramificada)

CH2 CH2 CH3

PROPORCIÓN EN ACEITE AISLANTE : 35 A 40% Figura 1.1.1. Parafinas normales e isoparafinas (entre 16 y 22 átomos de Carbono, para aceites aislantes).

1.1.2. HIDROCARBUROS NAFTÉNICOS: También llamados CICLOPARAFINAS. Son compuestos de la familia de los alcanos con fórmula general CnH2n, que poseen en su estructura grupos anulares de alrededor de 6 átomos de Carbono. Poseen características similares a los isoparafínicos, pero más estables a la oxidación, con menor tendencia a la formación de gases y carbones ante descargas eléctricas, con bajo punto de fluidez y un aceptable coeficiente de expansión (Ver figura 1.1.2). CH3-CH2 - CH — CH2--CH2--CH2--CH2--CH3 C

H

H2C

C H2

3, Ciclohexil-Octano

H2C

C H2

Cicloparafina o Nafteno

c H2

PROPORCIÓN EN ACEITE AISLANTE : ENTRE 50% Y 60% Figura 1.1.2

7

1.1.3. HIDROCARBUROS AROMÁTICOS: Son compuestos muy particulares dentro de los Hidrocarburos. Están formados por estructuras anulares en donde una valencia de un átomo de carbono está insaturada. Los aromáticos presentes en el aceite aislante presentan ramificaciones que los hacen relativamente estables a la oxidación. Cumplen la importante función de ser los INHIBIDORES NATURALES del aceite contra la oxidación, y cuando se agotan se acelera el proceso de acidificación del aceite. (Ver Figura 1.1.3.).

H

c H-C

C - CH2 - CH3

H-C

C-H

C CH2--CH2--CH2--CH3

2 ETIL- 4 BUTIL-BENCENO. (Aromático Ramificado) PROPORCIÓN EN EL ACEITE AISLANTE : ENTRE 4% Y 8%

Figura 1.1.3. En general podemos decir que los hidrocarburos aromáticos ramificados poseen las siguientes propiedades: • Bajo coeficiente de expansión • Baja estabilidad a la oxidación, pero con la ventaja de que forman compuestos químicos estables impidiendo subsiguientes reacciones de oxidación, comportándose así como INHIBIDORES NATURALES contra el

8

proceso de acidificación del aceite impidiendo la formación acelerada de lodos. • Alto poder solvente de lacas y resinas. • Baja tendencia a emitir átomos de Hidrógeno en presencia de altos campos electromagnéticos. • Alta tendencia a mantener agua en solución y en suspensión. • Alto poder de solvencia de lodos. Su concentración en el aceite aislante se limita generalmente a una proporción entre 4% y 10% para evitar que sus propiedades indeseables afecten notablemente el comportamiento adecuado del aceite aislante. Sin embargo, algunas marcas de aceites llegan a tener contenidos hasta del 18% de aromáticos sin que en la actualidad exista una Norma que limite su contenido en el aceite aislante.

1.1.4. INHIBIDORES SINTÉTICOS CONTRA LA OXIDACIÓN: Cuando se desea un aceite aislante más resistente al proceso de oxidación, se recomienda reforzar la acción de los aromáticos mediante la adición de INHIBIDORES ARTIFICIALES. Son compuestos químicos sintéticos que como los aromáticos, reaccionan con facilidad con el oxígeno disuelto en el aceite, oxidándose primero que éste formando compuestos estables y solubles en el mismo aceite aislante, protegiendo las bases de hidrocarburos contra la acidificación, retardando de manera notable la aceleración exponencial del proceso de formación de lodos, es decir que le aportan al aceite el beneficio de aumentar el Período de Inducción (Tiempo que transcurre entre el momento del inicio de la utilización del aceite y el momento en que se inicia la oxidación acelerada). Existen dos tipos de compuestos de esta naturaleza, cuya estructura molecular es similar a la de los aromáticos: a)

EL 2,6 DITERTBUTIL PARACRESOL (DBPC) (Ver Figura 1.1.4)

b)

EL 2,6 DITERTBUTIL FENOL (DBP)

La ASTM en la Norma 3487, Tabla 3.1, establece que estos compuestos no deben estar en proporción mayor al 0.08% para aceites tipo 1 (NO INHIBIDOS), ó al 0.3% para aceites tipo 2 (INHIBIDOS). Esta limitación para los aceites tipo 2 se basa en que los inhibidores sintéticos poseen cierta polaridad (desfase entre el centro de gravedad de la molécula y su centro electroquímico), lo que hace que el Factor de Potencia y la Rigidez Dieléctrica se afecten si no se limita el contenido de dichos compuestos.

9

OH H3C

OH

C

H3 C

C

H3 C

HC

C

CH3 C CH

C

C

H3C

CH3

C

CH3

H3C- C - C

CH3

H3C

PROPORCIÓN SEGÚN ASTM 3487

C - C - CH3

HC

CH

CH3

C

0.08 % ACEITE TIPO 1

H a)

CH3

0.3 % ACEITE TIPO 2

2,6 DITERTBUTIL FENOL

b)

2,6 DITERTBUTIL PARACRESOL

(DBP)

(DBPC) Figura 1.1.4

COMPUESTOS ISOPARAFÍNICOS

: DE 35% A 40%

COMPUESTOS NAFTÉNICOS

: DE 50% A 60%

COMPUESTOS AROMÁTICOS

: DE 4% A 8%

INHIBIDOR ( DBPC o DBP)

BASES FUNDAMENTALES

: 0,08% para aceites tipo 1 0.3% Para aceites tipo 2. (Norma ASTM D- 3487)

Figura 1.1.5. Proporciones de las bases con que actualmente se fabrican los aceites aislantes de tipo nafténico

10

1.2

PROCESO DE DEGRADACIÓN QUÍMICA DE LOS ACEITES MINERALES AISLANTES.

Debido a varios agentes y catalizadores que acompañan al aceite aislante dentro del transformador, se desarrolla un proceso químico de oxidación o acidificación. Estos agentes (hierro, cobre, celulosa, oxígeno, barnices, lacas, pinturas, agua, temperatura, sobretensiones eléctricas, sobrecargas, rayos solares etc.) se comportan como catalizadores y acelerantes del proceso contribuyendo al desarrollo de reacciones químicas en cadena, formando en principio distintos productos intermedios de oxidación, altamente contaminantes, siendo los alcoholes y aldehídos las primeras sustancias polares que aparecen, para a su vez entre ellos lateralmente generar cetonas y posteriormente en el proceso obtener ácidos orgánicos que también reaccionan fácilmente entre sí formando ESTERES, los cuales a su vez se activan y polimerizan aglomerándose y formando complejos moleculares de alto peso en forma de LODOS, que se depositan en los intersticios de las fibras de la celulosa, los devanados, el núcleo y radiadores del transformador, formando en casos de avanzada degradación, capas endurecidas, afectando notablemente las condiciones de operación del equipo, poniéndolo en grave riesgo de falla. (Ver Figura I.2.1.).

11

ETAPAS DE LA FORMACIÓN DE LODO EN LOS TRANSFORMADORES Por oxidación natural de los hidrocarburos se forman ácidos orgánicos y ésteres con un diámetro medio menor de 0.03 micrones. Esos ácidos y ésteres se unen para formar complejos moleculares de 0.03 a 0.05 micrones de diámetro medio. Posteriormente, esos complejos moleculares se aglomeran para formar partículas de 0.05 a 1.5 micrones de diámetro medio Dichas partículas precipitan sobre las paredes componentes el transformador.

de los

Figura I.2.1. (1) Las reacciones químicas que se desarrollan, se pueden resumir de la siguiente manera:

1) 2 R.CH3 + 02 2) 2 R.CH2OH + 02

2 R.CH2OH 2 R.COH + 2H2O

ALCOHOLES (1) ALDEHIDOS (2)

Un aldehido reacciona con alcohol (reacción lateral) formando cetonas :

O //

O //

R.C-H + R .CH2OH

R.C-R (Cetonas) + H2O

La cetona se oxida formando 2 moléculas ácidas de menor número de carbones:

O // 3)

R.C-R + 1.5 02

2R.COOH

2 R.COH + 02

2 R.COOH

ÁCIDOS

(3)

12

4)

(1) ( 3) R.CH2 OH + R.COOH

5)

R.COO.R + O2

6)

R.COO.R CH2 OH + R.COOH

R.COO.R + H2O R.COO.R CH2 OH R.COO.R.COO.R

ESTERES

(4)

ÉSTER ACTIVADO (5) POLIESTER (LODO) (6)

El proceso anterior se denomina REACCIÓN NO INHIBIDA. En presencia de INHIBIDOR ARTIFICIAL, el proceso de oxidación ataca primero a éste degradándose en ácidos ESTABLES, liberando cadenas cortas de hidrocarburos alifáticos: (Ver figura I.2.2.).

OH H3C

OH

C

H3C-C- C

CH3 C - C-CH3+302

C HOOC - C

C-COOH+CH3-CH2-CH2-CH2-CH2 CH3

H3C

HC

CH C H

CH3

HC

CH

+ 2H2O

C H

Este proceso se denomina REACCIÓN INHIBIDA. Figura I.2.2.

13

1.3

VIDA ÚTIL DE UN ACEITE AISLANTE

Actualmente ya se tiene un consenso para que la vida útil de un aceite aislante se defina como el tiempo durante el cual el aceite alcanza un Número de Neutralización de 3,0 mg KOH/g, (2) y este valor se alcanza con más o menos velocidad, dependiendo de la cantidad de aire disuelto en el aceite, la hidrólisis del agua presente en el transformador, la descomposición de la celulosa, y de una manera significativa y directa la temperatura del transformador.

Life Expectancy Of Transformer Oil

Life Expectancy Of Transformer Oil

•1: New Oil •2a, 2b: Oil when inhibitor is just depleted •3a, 3b: Oil after Oxidation by-products begin to form •4a, 4b: Oil after significant Oxidation by-product formation •2a, 3a, 4a: Reclaim & Re-Inhibit •2b, 3b, 4b: Just add more inhibitor Figura 1.3 Tomado de S. D. Myers página web de Internet octubre de 1998.

14

CAPÍTULO

2 2.1

EL PAPEL AISLANTE Y SU DENTRO DEL TRANSFORMADOR

EL PAPEL AISLANTE TRANSFORMADOR

Y

SU

FUNCIÓN

FUNCIÓN

DENTRO

DEL

Cuatro son las funciones básicas que debe cumplir un buen papel aislante dentro del transformador: 1. Resistencia Eléctrica: Debe tener buena capacidad de soportar altos voltajes incluidos esfuerzos de impulso y transientes. 2. Resistencia Mecánica a la Tracción: la unidad debe soportar con creces los esfuerzos axiales originados en corto circuitos. 3. Resistencia Térmica y buena transferencia de calor. 4. Capacidad para mantener sus características deseables: El período de su vida útil debe ser de duración razonable, contando con un apropiado mantenimiento.

2.2

COMPOSICIÓN QUÍMICA CARACTERÍSTICAS

DEL

PAPEL

AISLANTE

Y

SUS

Como es bien sabido, la solución al problema básico de mantenimiento, la debe orientar el Ingeniero responsable teniendo como base considerar la preservación del sistema de aislamiento del transformador. El objetivo de este trabajo está orientado hacia los transformadores que tienen como aislamiento líquido aceite mineral aislante, y como aislamiento sólido el Papel Kraft. Aunque se está avanzando en la actualidad en la utilización de nuevos materiales, como papeles de características mejoradas, utilizando compuestos nitrogenados, un conocimiento básico del sistema de aislamiento Papel - Aceite, puede sernos de gran utilidad.

2.2.1. FORMULACIÓN QUÍMICA DE LA CELULOSA. La celulosa es una de las varias sustancia vegetales formada por cadenas repetidas de anillos glucosa según se observa en la figura 2.1.1.

15

Figura 2.1.1. Estructura química de la celulosa. (3)

La fórmula molecular general aceptada para la celulosa es (C6H10O5)n. El grado de polimerización varía ampliamente dependiendo de la fuente del material y del método usado para su formulación. Las moléculas de la mayoría de los aislamientos están compuestas de muchos átomos agrupados en complejos conjuntos. Su peso molecular puede llegar hasta 1.500. Actualmente se considera que el GRADO DE POLIMERIZACIÓN, es un parámetro que debe ser tenido en cuenta muy en serio dado que es, sin duda, un indicativo del deterioro térmico del papel y por tanto de su cristalización, manifestándose en una disminución sensible de la resistencia a la tracción mecánica.

16

Investigadores como SHROFF y STANETT han observado que un GRADO DE POLIMERIZACION menor que 250 se presenta precisamente cuando la resistencia mecánica a la tracción ha llegado a valores por debajo del 50% de su condición inicial.

2.2.2. ¿POR QUÉ EL PAPEL KRAFT? Los materiales de celulosa usados para el papel aislante son normalmente manufacturados de las pulpas de madera mediante el proceso KRAFT. Este proceso consiste en la cocción de troncos de madera con una solución alcalina de sulfato de sodio e hidróxido de sodio, usando el primero como solución catalizadora de la cual el proceso toma su nombre. Se le denomina también procedimiento al sulfato. La palabra Kraft viene del alemán y significa fuerza, y así también se denominaba al papel de envolver, de color oscuro y de alta resistencia. Los papeles dieléctricos de pulpa de madera grado KRAFT son los de más amplio uso para todos los materiales de aislamiento sólido especialmente por su gran resistencia mecánica y eléctrica, e impregnados de un buen aceite aislante limpio de agua y de productos de oxidación que genera el aceite resultan ser uno de los mejores sistemas de aislamiento conocidos. También han demostrado tener la mayor estabilidad térmica, y un buen comportamiento de la resistencia a la tracción mostrando una mejor característica por el efecto del envejecimiento y el agua en comparación con otros papeles como el papel manila por ejemplo. Lo anterior se ilustra con la figura 2.1.2.

17

20 18

RESISTENCIA A LA TRACCION

PAPEL MANILA SECO 16 14

PAPEL KRAFT SECO

12 10 8

PAPEL KRAFT - 3% AGUA 6

PAPEL MANILA - 3% AGUA

4 2 0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

PERIODO DE ENVEJECIMIENTO - SEMANAS

Figura 2.1.2 (3)

Sin embargo, también se están usando en la actualidad papeles nitrogenados que han resultado tener muy buenas propiedades. El papel KRAFT tiene tres características que es necesario entender: 1. Tiene una aceptable resistencia a la tracción mecánica con un buen comportamiento en el tiempo. 2. El papel KRAFT es extremadamente poroso, y por lo tanto se comporta como adsorbente de los productos de degradación del aceite desde las etapas iniciales, y entonces podemos decir que tenemos dentro del transformador en cierta forma un regenerador de aceite. 3. Tiene una altísima afinidad con el agua especialmente en la zona inferior de las bobinas donde se tienen las temperaturas más bajas. Dicha afinidad según algunos autores puede estar entre 600 y 800 veces más que la del aceite. Por lo

18

tanto en cierta forma el papel aislante dentro del transformador se comporta como un filtroprensa. 4. El papel KRAFT se comporta como catalizador en el proceso de oxidación de los hidrocarburos del aceite aislante.

2.2.3. AISLAMIENTO PAPEL - ACEITE La resistencia dieléctrica del sistema Papel - Aceite se aumenta en un 23% en relación con la suma de las resistencias individuales de sus componentes. El aceite es un comodity renovable. Puede ser regenerado por métodos adsorbentes, y varios fabricantes no dudan en afirmar que un aceite apropiadamente regenerado e inhibido resulta ser mejor que nuevo. No así el papel aislante, sabemos que la vida que haya perdido es irrecuperable, lo que se logra con el mantenimiento es bajar la rata de envejecimiento, y obtener que la unidad cumpla con un período razonablemente económico de vida útil, puesto que la vida del papel aislante es la vida del transformador.

2.3. CUANTO PAPEL HAY EN UN TRANSFORMADOR? Se reconoce que cualquier transformador cuyo sistema de aislamiento sea Papelaceite, tiene suficiente papel para retener hasta el 10% del total del aceite. Utilizando este valor como tope máximo, podemos calcular el peso del papel partiendo del total de galones aceite indicados en la placa de características del transformador, así: (4)

W = VOL x 10% x 231 x 62.5 x 1.4 1728 Donde: W

: Peso del papel en libras

VOL

: Galones de aceite según placa

10%

: Porcentaje de aceite que puede retener el papel.

231

: Pulgadas cúbicas en un galón de aceite

1728

: Pulgas cúbicas en un pie cúbico.

62.5

: Peso en libras de un pie cúbico de agua

1.4

: Gravedad específica del papel.

W = 1,17 VOLGALS.

19

2.4. EFECTOS DE LOS FACTORES QUE INCIDEN EN LA VIDA ÚTIL DEL PAPEL AISLANTE: (4) 2.4.1. SUSTANCIAS POLARES, ÁCIDOS Y LODOS Aunque a diferencia del aceite parafínico que empezaba a formar lodo cuando el Número de Neutralización llegaba a 1.0 por lo que se consideraba un buen límite de prevención el valor de 0,7, el aceite Nafténico, por su parte, empieza la formación de lodo cuando NN llega entre 0,11 y 0,14, se prefiere este último por las grandes ventajas de diseño, punto de fusión y otras. 1. Los lodos de las bases nafténicas en sus primeras etapas son suaves y solubles. El proceso de degradación continúa desarrollándose, y es precisamente el Oxígeno con el cual el aceite tiene una gran afinidad, quien se encarga de degradar los hidrocarburos formando ácidos más pesados, poliésteres, los cuales afectan seriamente la resistencia a la tracción, propiedad que en definitiva define la vida útil del papel, y por supuesto la del transformador como ya se ha dicho. Cuando esta propiedad llega a estar por debajo del 50% de su valor inicial, se puede decir que la vida útil del papel y por tanto la del transformador se ha extinguido. (4). La IEEE por su parte define que el fin de la vida útil del transformador se determina cuando el papel aislante ha perdido el 75% de la resistencia mecánica a la tracción. En estas condiciones el transformador no soporta el siguiente aumento de carga o un corto circuito. La siguiente tabla nos muestra como afecta la acidez a la Resistencia a la Tracción del papel: (4). Número de Neutralización (mg KOH / g) 0,01 0,10 0,20 0,30 0,40

RESISTENCIA A LA TRACCIÓN (PSI) 17 X 103 11X103 9X103 8X103 7X103

Es importante anotar que el daño en el papel lo causan la acidez y el tiempo. Un transformador que alcanza una acidez de 0,4 mg KOH/g en un año, está en mejor condición que otro que alcanzó 0,15 en 20 años. El lodo que es una combinación de productos de degradación de base asfalténica, tiene las siguientes características:

20

1. Se acumula en las zonas de mayor solicitación eléctrica (devanados) 2. Se acumula en las partes más frías del transformador. (Aletas de refrigeración y en el fondo del transformador). Esto se explica en parte porque los lodos son disueltos fácilmente por el aceite nafténico y especialmente los compuestos aromáticos a temperatura de punto de anilina. 3. En estos dos puntos estratégicos, queda atrapada la mayor cantidad de agua posible, por su gran higroscopicidad. 4. Obstruye los ductos de enfriamiento por convección que tienen las bobinas, obligando al transformador a trabajar a temperaturas más altas. Estas obstrucciones pueden llegar a espesores de más de 1/8”, y en muchos casos el transformador llega a trabajar a más de 20 ºC., por encima de la temperatura normal. 5. Crea puentes de camino de electrones que en un momento dado pueden ser fatales. La figura 2.4.1. explica de manera clara el efecto del Índice de Calidad sobre la expectativa de vida del transformador.

INDICE DE CALIDAD DEL ACEITE

500 450 400 350 VO = 6 AÑOS (5+1)

5

5

300 250

1 VO = 15 AÑOS (10+5)

200

10

150

TI F 30.0 24.0 18.0 14.0 9.0

IC 300 160 45 22 6

AP 0-1 5 15 20 20

10

NOTA : VIDA OPERACIONAL ES IGUAL A VIDA DE OPERACION EN AÑOS MAS AÑOS PERDIDOS DEBIDO SOLAMENTE A LOS PRODUCTOS DE OXIDACION DEL ACEITE.

5

100

NN 0.10 0.15 0.40 0.65 1.50

VO = 35 AÑOS (20+15)

50

20

VO = 50 AÑOS

30

0 0

5

10

15

20

25

30

PERDIDA DE LA VIDA DEL TRANSFORMADOR EXPRESADA EN AÑOS

Figura 2.4.1(4) Expectativa de vida en años del transformador dependiendo del Índice de Calidad.

No. DE AÑOS DE OPERACION HASTA DEGRADACION SEGUN I.C.

PERDIDA DE LA VIDA UTIL DEL TRANSFORMADOR VS INDICE DE CALIDAD DEL ACEITE

21

A continuación tenemos la lista de los agentes indeseables en el transformador generados por la oxidación del aceite los cuales toman posesión del papel aislante afectando su vida útil: ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾

Ácidos solubles en agua Ácidos de bajo peso molecular Ácidos grasos Agua libre Humedad (agua disuelta o en emulsión) Lodos visibles de asfalteno Lodos disueltos de asfalteno Gas peróxido Alcoholes Jabones metálicos Aldehídos Cetonas Lacas y pinturas Pigmentos

EL PAPEL COMO FILTRO

NUMERO DE NEUTRALIZACION =0,05

NUMERO DE NEUTRALIZACION =0,20

NUMERO DE NEUTRALIZACION =0,10

NUMERO DE NEUTRALIZACION =0,30

Figura 2.1.3.

El papel aislante en aceite con diferentes grados de acidez Tomado de página web de S.D.Myers Octubre de 1998

22

2.4.2. EL AGUA. El agua es otro de los más serios enemigos del transformador. Consideremos algunas de sus características: 1. Es un compuesto polar y reacciona según la Ley de Murfy ante la presencia de un campo eléctrico. 2. Es el solvente universal. 3. Está presente en casi todas las reacciones químicas y en la mayoría de los casos es de naturaleza catalítica no propiamente porque esté presente en el transformador en gran cantidad, sino por estar en pequeñas cantidades. 4. Es importante tener en cuenta que el papel aislante puede tener entre 600 y 800 veces más agua que el aceite, y dicha cantidad es cuantificable en condiciones de equilibrio para las temperaturas en las diferentes zonas de las bobinas de acuerdo a los Multiplicadores de Myers. (Ver numeral 3.1.2.) 5. Sin embargo es importante que cierto porcentaje moderado de agua esté presente en el papel (entre 0,5% a máximo 2% en transformadores en operación), para mantener las propiedades mecánicas del papel. Consideremos otro factor. La tabla 2.4.2.1 nos muestra cómo varía el factor de envejecimiento del papel (aceleración del envejecimiento con relación a 0,3% de agua en el papel) con el contenido de agua. Dicho de otra manera el envejecimiento de un papel no es más que la pérdida de resistencia a la tracción mecánica:

EFECTO DEL AGUA EN EL ENVEJECIMIENTO DEL PAPEL AISLANTE

% DE AGUA POR PESO SECO DEL PAPEL 0,3% 2,0% 4,0%

FACTOR DE ENVEJECIMIENTO 1,0 6 A 10X 12 A 45X

23

Tabla 2.4.2.1

Por tanto el excesivo contenido de agua en el papel causará los siguientes efectos negativos: • • • • •

Aceleración del envejecimiento del aislamiento sólido. Disminución sensible de la resistencia mecánica a la tracción. Aumento del riesgo de formación de burbujas. Deterioro de las propiedades dieléctricas del aislamiento principal. Con un porcentaje de agua del 3.3% el papel empezará a liberar fibras al aceite.

Figura 2.4.2.(25) Efecto del agua en la resistencia mecánica a la tracción en papel kraft.

2.4.3. LOS ESFUERZOS ELÉCTRICOS Los dos agentes causantes del envejecimiento del papel como son el agua y los productos ácidos del aceite, tienen ahora un acelerador que son los esfuerzos eléctricos. Por ejemplo, en un transformador ligeramente sometido a esfuerzo eléctrico, por ejemplo 50 KV/cm, la experiencia ha mostrado que el efecto de incremento de sustancias indeseables es el siguiente:

PRODUCTO

PORCENTAJE DE INCREMENTO DE

24

ÁCIDOS, AGUA Y SOLUBLES ÁCIDOS LIVIANOS AGUA ABORSOCIÓN DE O2 LODOS

SUSTANCIAS INDESEABLES 153% 130% 566% 170% 120%

Se sabe que 50 KV/cm es un nivel moderado de esfuerzo eléctrico, si se trata de niveles más altos, por ejemplo entre 150 y 200 KV/cm, la situación es todavía más crítica. La constante en la actualidad es optimizar los diseños, lo cual redunda en una optimización del uso de los materiales siendo estos más exigidos y como consecuencia de ello, con mayor razón se debe estar atento a la necesidad de mantenimiento.

2.4.4. EFECTO DE LA TEMPERATURA La manifestación directa, e incluso cuantificable del efecto de los agentes adversos al papel aislante en la disminución de la vida útil de un transformador definitivamente es el aumento de la Temperatura de operación. Un transformador con diseño normal estará en capacidad de llegar hasta una temperatura del punto más caliente de 110 °C, según las siguientes consideraciones:

Temperatura ambiente: Aumento(rise) de temperatura (100% de carga): Temperatura máxima del aceite: Punto caliente: Temperatura del punto más caliente:

30°C 65°C 95°C 15°C 110°C

Si miramos la expectativa de vida con base en la condiciones de diseño que se muestran en la tabla anterior, la verdad es que el transformador solo va a durar 7,5 años. La expectativa de vida, en la práctica, para un diseño standard de un transformador está en promedio entre 20 y 30 años. Sin embargo un transformador apropiadamente mantenido teóricamente según los autores de “A Guide to Transformer Maintenance” tiene una vida de 412 años. Pero en la práctica, los mismos autores afirman con convicción que un transformador puede durar 50 o

25

más años si “el aislamiento de Papel Kraft es apropiadamente protegido”. Si un transformador es cargado al 100% de su capacidad nominal, por supuesto que a un rise de 65°C, con una temperatura ambiente de 30°C, y con un incremento de 15°C por encima de la temperatura máxima del aceite, el papel aislante sólo tiene una expectativa de vida de 7.42 años. El efecto directo de la temperatura sobre el papel se cuantifica por la disminución de manera directa su resistencia a la tracción, y cuando ésta ha perdido más del 50% de su valor inicial se puede afirmar que ya se ha extinguido su vida útil. La figura 2.4.2., muestra el efecto directo de la temperatura del punto más caliente sobre la vida esperada del papel aislante.

106

105

104

103 8 6

4

2

102

180

ESPECTATIVA DE VIDA 85°C HS=40 + AÑOS

ESPECTATIVA DE VIDA 110 °C = 7,5 AÑOS

CRITERIOS DE DISEÑO =

120

110 °C PUNTO CALIENTE

85 °C PUNTO CALIENTE

140

CRITERIOS DE OPERACION EN USO

160 100 80

TEMPERATURA DE OPERACION EN °CELSIUS

ESPECTATIVA NORMAL DE VIDA EN HORAS

1000000 40

20

2

10 ò 6 4

1

ESPECTATIVA NORMAL DE VIDA EN AÑOS

Figura 2.4.2 (4) Efecto de la temperatura sobre la vida esperada del papel.

La tabla que a continuación se presenta, nos muestra algunos puntos seleccionados para mayor ampliación:

Temperatura del punto más caliente (°C) 180° 160° 140° 120° 110°

Expectativa de vida útil DÍAS

% de Vida ganada (perdida)

AÑOS

4 25 250 3 7.5

(99.9) (99.1) (90.8) (58.6) 100

26

100° 85° 75°

22 102 152

293 1360 2027

Tabla 2.4.4.1.

Reduciendo en 10°C la temperatura del punto más caliente (por ejemplo a 100°C) estamos triplicando la vida útil del transformador. Es increíble observar cómo, si la temperatura mas alta del aceite es de 60°C, el punto más caliente llegando a 75°C, la vida útil del transformador puede llegar a 152 años con un incremento del 2027% sobre la expectativa de vida de la temperatura máxima de diseño. La base que determina los criterios de cargabilidad de un transformador, está en la ecuación de Arrhenius, así:

LOG10 VIDA (Horas) = B - A T Para Transformadores de Potencia

Para transformadores de distribución

55°C Aumento de T 65°C Aumento de T 55°C Aumento de T 65°C Aumento de T (Rise) (Rise) (Rise) (Rise) A = 14,133

A = 13,391

A = 11,968

A = 11,269

B = 6972,15

B = 6972,15

B = 6328,8

B = 6328,8

2.4.5. ELECTRIZACIÓN ESTÁTICA DEL SISTEMA DE AISLAMIENTO PAPEL-ACEITE Cuando se presenta un flujo de aceite que fricciona al aislamiento sólido, se presenta el fenómeno de ELECTRIZACIÓN ESTÁTICA que debe ser tenido en cuenta pues en determinadas condiciones puede ocasionar una falla catastrófica al transformador. Aunque el fenómeno se puede presentar normalmente con mayor probabilidad en un transformador de potencia, con enfriamiento por circulación forzada, no podemos sustraernos a que también se presente como consecuencia del tratamiento de aceite, especialmente cuando se utilizan equipos de alta velocidad.

27

El aceite adquiere carga positiva, mientras que el papel adquiere carga negativa. Dentro del transformador pueden presentarse dos tipos de descargas, una en el aceite en el flujo inferior del ducto, ocasionado por las descargas positivas del aceite, y el otro en los ductos de los devanados, de carácter negativo situados en la superficie del papel. (27) Esta acumulación de cargas produce campos DC que se sobreponen al campo de energización AC, Ya se han desarrollado modelos de simulación matemática que pueden ser de utilidad (25).

28

El fenómeno, de todas maneras, según investigadores japoneses puede ser función de: • La química de absorción iónica de la superficie del papel. • La tendencia del aceite a la carga estática, en µC/m3 (microcoulombios / metro cúbico). Algunos investigadores han desarrollado modelos de equipos de prueba, y se está tramitando actualmente ante la ASTM la adopción de alguno de tales métodos, para exigir dicho parámetro como una prueba de caracterización de un aceite. • Gases disueltos en el aceite. Se puede afirmar que la actividad de la descarga estática es muy similar a la actividad de descargas parciales, y puede suceder que hasta el 75% del Hidrógeno, el 15% del Monóxido de Carbono, el 10% del Metano, y el 5% del Etileno se puede deber al fenómeno de descarga estática. • Temperatura del aceite. La tendencia de la carga estática del aceite aumenta con la temperatura. (Entre 30 ºC y 60 ºC.) • Contenido de Agua. La tendencia de carga estática aumenta cuando disminuye el contenido de agua. • Flujo. La carga estática aumenta especialmente en presencia de flujo turbulento. • Contaminantes y sustancias polares presentes, normalmente aumentan la tendencia del aceite a la Energización Estática. Es de anotar que cuando un transformador es sometido al proceso de regeneración o deslodificación de aislamientos con tierras fuller, se obtiene el beneficio de la disminución de las cargas estáticas, que eventualmente se puedan presentar en el sistema papel - aceite.

29

CAPÍTULO

3 3.1

DIAGNÓSTICO

PRUEBAS ASTM PARA ACEITES AISLANTES EN OPERACIÓN

ASTM: American Society for Testing and Materials. En la norma ASTM D-117 (5) se relacionan 33 propiedades de los aceites aislantes minerales con base en hidrocarburos y 55 métodos de prueba. Pero en la práctica, según consenso internacional, solamente 8 nos interesan para medir la degradación y contaminación de los aceites, las cuales se relacionan en la Tabla 3.2, que nos presenta unos criterios prácticos con base en la experiencia para tomar decisiones acertadas desde el punto de vista de la necesidad de efectuar EL MANTENIMIENTO PREVENTIVO QUE EXACTAMENTE NECESITA EL TRANSFORMADOR. Estas pruebas son útiles como ¨monitoras¨ para aceites en operación, con una ventaja muy grande, que permiten determinar el porcentaje de agua en el papel, y el estado de degradación del aceite, estimando por tanto el grado de impregnación de productos ácidos también en el papel aislante que es lo que nos interesa Ninguna prueba por sí sola se debe tomar como un indicador aisladamente confiable para tomar cualquier decisión en materia de mantenimiento. Es necesario tener en cuenta el paquete de las 8 pruebas. De todas maneras la ASTM tiene establecida la norma D-3487 (5) que fija los REQUERIMIENTOS DE LAS PROPIEDADES para los aceites aislantes nuevos en sus dos clasificaciones: Aceites tipo I y aceites tipo II. (Ver Tabla 3.1). Teniendo en cuenta lo anterior, pues es apenas natural que se requiera estar monitoreando cómo va el proceso de oxidación del aceite aislante y para esto se requiere realizar periódicamente las pruebas ASTM de DEGRADACIÓN.

30

NORMA ASTM D-3487 REQUERIMIENTOS DE PROPIEDADES TIPO 1

TIPO 2

MÉTODO DE ENSAYO ASTM

FÍSICAS: Punto de anilina, °C Color Punto de inflamación, min, °C Tensión interfacial a 25 °C, min, dinas/cm. Punto de fluidez, máx, °C Gravedad especifica, 15 °C/15 °C máx Viscosidad máx, cSt (SUS) a:0 100°C 40°C 0°C Examen Visual

(63-84) 0.5

(63-84) 145

40 40 0.91

D 611 0.5 145

40 40 0.91 3.0

12.0 76.0 Claro

y

D 1500 D 92 D 971 D 97 D 1298

3.0

D445 ó D 88

12.0 76.0 Brillante

ELÉCTRICAS : Rigidez dieléctrica a 60 Hz: Electrodo de disco, min, KV

30

30

D 877

28 56

28 56

D 1816

Electrodos VDE, min, galga: 0,40¨ (1,02 mm) 0,80¨ (2.03 mm) Rigidez dieléctrica condiciones de impulso 25 °C, min, KV, aguja negativa a esfera aterrizada. galga de 1¨ (25,4 mm) Tendencia a la gasificación, máx ul/min

145

145

+15 +30

+15 +30

Factor de disipación (o factor de potencia), a 60 Hz máx, % 25 °C 0.05 100 °C 0.30

0.05 0.30

D 3300 D 2300 (met A) (met B) D 924

QUÍMICAS : Estabilidad a la oxidación (Prueba ácido - lodo) D 2440 72 h : % de lodo, máx. por masa Numero total ácido, mg KOH/g 164 h : % de lodo, máx. por masa Número total ácido, mg KOH/g Estabilidad oxidación (bomba rot) mi, minutos Contenido de inhibidor, % máx por masa Azufre corrosivo Contenido de agua, máx, ppm Numero Neutralización, número total ácido máx, mg KOH/g Contenido de PCB

0.15 0.5

0.1 0.3

0.3 0.6

0.2 0.4

---0.08

0.03

195 0.30 No corrosivo 35 0.03 No Detectable

TABLA 3.1

35

D 2112 D 1473 D 2668 D 1275 D 1533 D 974 D 4059

31

Pero la sola Norma ASTM D-3487 no nos alcanza a dar los criterios prácticos para tomar decisiones con respecto al tipo de mantenimiento que debemos ejecutar dado que dicha Norma está concebida para definir las características de aceites nuevos y no aplica para aceites en operación, toda vez que algunos parámetros se quedan por fuera de Norma al poco tiempo de iniciar su trabajo dentro del transformador como es el caso de la Tensión Interfacial. Por otro lado esta Norma requiere una revisión, dado que en la actualidad se están produciendo aceites con características que superan las de la Norma. Vale mencionar que actualmente se puede exigir a cualquier fabricante de aceite que el Número de Neutralización de su aceite nuevo esté por debajo de 0,01 mgKOH/g, mientras la Norma apenas exige 0,03 máximo. Mediante modernos procesos de producción de aceite aislante, hoy en día no es raro encontrar aceites nuevos con Número de Neutralización por debajo de 0,005 mgKOH/g. Para aceites en operación solamente la experiencia nos puede dar una orientación práctica sobre los rangos de calificación de cada uno de los parámetros de degradación, razón por la cual a continuación se presenta la tabla 3.2, sugerida por la Compañía S.D. Myers, que se considera de mucha utilidad práctica para la toma de decisiones acertadas y corroborados sus beneficios con experiencia de muchas Empresas dedicadas al mantenimiento de transformadores inmersos en aceite mineral aislante como especialidad.

32

LAS PRUEBAS ASTM MAS IMPORTANTES PARA ACEITES AISLANTES EN OPERACIÓN MÉTODO DE PRUEBA ASTM

1. RIGIDEZ DIELÉCTRICA

CRITERIOS* PARA EVALUAR CONDICIÓN DE ACEITE EN OPERACIÓN

INFORMACIÓN QUE NOS SUMINISTRA LA PRUEBA

ACEPT > = 30, CUEST = 25-30 INACEPTABLE < 25

CONT. CONDUCTORES

2. NUMERO DE NEUTRALIZACIÓN D-974 (mg KOH/g)

ACT< = 0.05, CUEST = 0.06 0.1 INACEPTABLE > 0.10

ÁCIDOS PRESENTES LODOS

3. TENSIÓN INTERFACIAL

ACEPT> = 32, CUEST = 2831.9 INACEPTABLE < 27.9

COMP. HIDROFÍLICOS O CONT. POL. ÁCIDOS

4. COLOR

ACEPTABLE < = 3.5

D-1500

INACEPTABLE > 3.5

UN MARCADO CAMBIO EN UN AÑO INDICA ANOMALÍA

D-877 (KV)

D-971 (Dinas/cm)

5. CONTENIDO DE AGUA D-1533 (PPM) 6. GRAVEDAD ESPECÍFICA D-1298 7. CONTENIDO DE INHIBIDOR D-4768 8. FACTOR DE POTENCIA A 25ºC - D-924

IMPUREZAS - AGUA

ACEP < 30, CUEST = 30-34.9 INACEPTABLE > = 35

INDICA CONTENIDO TOTAL DE AGUA EN EL ACEITE

ACEPTABLE : 0.84 - 0.91

REPORTA UN RÁPIDO

CUEST < 0.84, INAC > 0.91

CHEQUEO DE CONT.

0,08% PARA ACEITE TIPO 1

NIVEL DEFENSAS CONTRA

0.3 % PARA ACEITE TIPO 2

PRODUCTOS DE OXIDACIÓN

0.05 % MÁXIMO ACEITE NUEVO

INDICA AGUA, CONT., ÁCIDOS O CONT. EXTRAÑOS

Tabla 3.2 •

Criterios de la compañía S. D. Myers de USA, que tiene una base de datos de investigación en más de un millón de transformadores durante treinta años y prueba más de 200.000 muestras por año.

33

OIL TEST CLASSIFICATION**

TEST

ASTM

AC*

QU*

UN*

D974 D971 D877 D1500 D1298 D1524 D2668 D924 25° C 100° C D1533 345kV

0.10 >32 28.0-31.9 30 25-29 = 32, CUESTIONABLE 2831,9 NORMA ASTM D-971 CUESTIONABLE INACEPTABLE < 27,9 27 6. COLOR =30, CUESTIONABLE 25-30 INACEPTABLE = 35 ACEPTABLE 0,10 ACEPTABLE 0,84 - 0,91, CUESTIONABLE < 0,84 INACEPTABLE > 0,91 ACEPTABLE >= 32, CUESTIONABLE 2831,9 INACEPTABLE < 27,9 ACEPTABLE 3,5

ACEPTABLE =30, CUESTIONABLE 25-30 ACEPTABLE INACEPTABLE = 35 mgKOH/g. 0,09216 ACEPTABLE 0,10 0,877 ACEPTABLE 0,84 - 0,91, CUESTIONABLE < 0,84 ACEPTABLE INACEPTABLE > 0,91 DIN/cm. 17,41 ACEPTABLE >= 32, CUESTIONABLE 28-31,9 INACEPTABLE INACEPTABLE < 27,9 17,5 =30, CUESTIONABLE 25-30 ACEPTABLE INACEPTABLE = 35 mgKOH/g. 0,1524 ACEPTABLE 0,10 0,868 ACEPTABLE 0,84 - 0,91, CUESTIONABLE < 0,84 ACEPTABLE INACEPTABLE > 0,91 DIN/cm. 21,83 ACEPTABLE >= 32, CUESTIONABLE 28-31,9 INACEPTABLE INACEPTABLE < 27,9 21,6 =30, CUESTIONABLE 25-30 INACEPTABLE = 35 ACEPTABLE 0,10 ACEPTABLE 0,84 - 0,91, CUESTIONABLE < 0,84 INACEPTABLE > 0,91

53

5.TENSION INTERFACIAL NORMA ASTM D-971

DIN/cm.

6. COLOR NORMA ASTM D-1500

34,79 ACEPTABLE >= 32, CUESTIONABLE 28-31,9 ACEPTABLE INACEPTABLE < 27,9 32,7 1.0

0.40

>0.30

Descargas eléctricas

>0.10

(Excepto Corona)

0.75

>0.40

>0.30

CORONA

>0.10

No Significativo

>0.40

0.1