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CALCULO Y DISEÑO DE MAQUINAS ELECTRICAS
APENDICE 12 (anexo) - UTILIZACION Y MANTENIMIENTO DE LOS TRANSFORMADORES
Guía para la interpretación de gases generados en transformadores inmersos en aceite
Se trata de una breve descripción de algunos aspectos importantes indicados en la norma americana IEEE Std C57104-1991 que describe distintos procedimiento para el análisis de gases, intentando suministrar al usuario de transformadores una información útil acerca de los controles que se deben hacer en servicio. También incluye una extensa bibliografía acerca de la evolución de los gases, su detección e interpretación.
Descomposición del aceite
Los aceites minerales son mezcla de diferentes tipos de moléculas de hidrocarburos, y el proceso de descomposición debido a fallas térmicas o eléctricas es complejo.
Estos procesos dependen de la distribución de energía y de la temperatura en la zona de falla, y del tiempo durante el cual el aceite es sometido a un estrés térmico o eléctrico.
Estas reacciones presentan características estequiométricas (relaciones ponderales); en consecuencia no se puede pronosticar mediante reacciones químicas cinéticas, el degradamiento específico del total de hidrocarburos del aceite de un transformador y las condiciones de fallas.
Aplicación al equipo
A las temperaturas normales de funcionamiento todos los transformadores generan gases en cierta cantidad. Ocasionalmente los gases anormales generados pueden presentarse en un transformador que está funcionando con calentamientos locales, problemas dieléctricos, o una combinación de ambos. En los equipos eléctricos, estas anormalidades se las denomina "fallas". Fallas de calentamiento, corona y arcos se describen en 3.1, 3.2, y 3.3. Fallas internas en el aceite producen subproductos gaseosos (H2), metano (CH4), acetileno (C2H2), etileno (C2H4), y etano (C2H6). Cuando la celulosa está involucrada, las fallas producen metano (CH4), hidrógeno (H2), monóxido de carbono (CO), y dióxido de carbono (CO2). Cada uno de estos tipos de fallas produce ciertos gases que son generalmente combustibles. El total de todos los gases combustibles puede indicar la existencia de una, o la combinación de fallas térmicas, eléctricas o corona. Ciertas combinaciones de cada uno o de los gases separados determinados por medio de la cromatografía son únicas para diferentes temperaturas de fallas. También, puede sugerir tipos de fallas la relación encontrada de ciertos gases. La interpretación por medio de los gases, utilizados para una determinación cualitativa de fallas individuales, puede resultar difícil cuando existe más de una falla, o cuando un tipo de falla progresa a otro tipo, tal como un problema eléctrico que se convierte en uno térmico.
Interpretación del análisis de gases
Fallas térmicas
La descomposición del aceite mineral entre 150 y 500 ºC produce relativamente gran cantidad de gases de bajo peso molecular, tales como hidrógeno (H2) y metano (CH4), y aluna cantidad de gases de alto pero molecular como etileno (C2H4) y etano (C2H6). Cuando la temperatura del aceite mineral se incrementa, la concentración de hidrógeno excede la del metano, pero ahora las temperaturas están acompañadas por importantes cantidades de gases de alto peso molecular, primero etano y después etileno. En la parte superior del rango de temperatura de falla, se incrementan las cantidades de hidrógeno y etileno y se pueden producir trazas de acetileno (C2H2).
En contraste con la descomposición térmica del aceite, la descomposición térmica de la celulosa y otros aislantes sólidos producen monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), y vapor de agua a una temperatura mucho menor que para la descomposición del aceite y crecen exponencialmente con la temperatura.
Debido a que el papel comienza a degradase a menores temperaturas que el aceite, sus subproductos gaseosos se encuentran a temperaturas normales de funcionamiento del transformador.
Por ejemplo un transformador de máquina, que funciona siempre cerca de su potencia nominal producirá normalmente varios cientos de partes por millón (ppm) de CO y varios miles de partes por millón de CO2 sin excesivos puntos calientes.
La relación de CO2/CO es algunas veces utilizada como indicador de la descomposición térmica de la celulosa. Esta relación es resulta normalmente mayor de 7. Para la relación CO2/CO, los respectivos valores de CO2 y CO pueden exceder 5000 ppm y 500 ppm pudiendo superar un factor de seguridad, por ejemplo, las relaciones son sensibles a los valores mínimos. Cuando la magnitud de CO se incrementa, la relación de CO2/CO disminuye. Esto puede indicar una anormalidad que consiste en el degradamiento de la aislación celulósica.
Fallas eléctricas
Descargas de baja densidad como por ejemplo las descargas parciales y arcos intermitentes de bajo nivel producen principalmente hidrógeno, con cantidades decrecientes de metano y algunas trazas de acetileno. Cuando la intensidad de las descargas se incrementa, la concentración de acetileno y etileno pueden alcanzar concentraciones significativas.
Cuando se presentan arcos o descargas continuas de alta densidad que producen temperaturas de 700 ºC a 1800 ºC, la cantidad de acetileno alcanza niveles importantes.
Evaluación del estado de un transformador mediante la concentración individual y total de gases combustibles.
Es muy difícil determinar cuando un transformador se encuentra en condiciones normales si no se dispone de una historia previa de gases disueltos.
Cabe destacar que hay diferente opiniones acerca de cuando se considera un "transformador normal" con una aceptable concentración de gases.
Se han adoptado cuatro criterios para clasificar los riesgos de un transformador, cuando no se dispone de una historia previa, para funcionamiento continuo con distintos niveles de gases combustibles. El criterio que se utiliza consiste en evaluar la concentración individual y total de todos los gases combustibles como se indica en la Tabla 1, que muestra la concentración de gases combustibles en forma individual y total de acuerdo con cuatro condiciones.
Condición 1: si la totalidad de gases combustibles se encuentra por debajo se considera que el transformador está funcionando en condiciones satisfactorias. Si cualquier gas combustible individual supera los niveles indicados se debe realizar una investigación adicional.
Condición 2: si la totalidad de gases combustibles se encuentra dentro del rango significa que el nivel de gases combustibles es superior al normal. Cualquier gas combustible individual que supere los niveles especificados se debe realizar una investigación adicional.
Condición 3: si la totalidad de gases combustibles se encuentra dentro del rango significa un alto nivel de descomposición. Cualquier gas combustible individual que exceda los límites especificados se debe realizar una investigación adicional. Probablemente se está en presencia de una o varias fallas.
Condición 4: si la totalidad de gases combustibles se encuentra dentro del rango indica una excesiva descomposición. Un servicio continuo podría provocar una falla del transformador. Se debe proceder inmediatamente y con cautela.
Tabla 1 - Concentración de gases disueltos
| Rango | Límite de concentración de gases disueltos (ppm) | |||||||
| H2 | CH4 | C2H2 | C2H4 | C2H6 | CO | CO2 | TGC | |
| Condición 1 | 100 | 120 | 35 | 50 | 65 | 350 | 2500 | 720 |
| Condición 2 | 101-700 | 121-400 | 36-50 | 51-100 | 66-100 | 351-570 | 2550-4000 | 721-1920 |
| Condición 3 | 701-1800 | 401-1000 | 51-80 | 101-200 | 101-150 | 571-1400 | 4001-10000 | 1921-4630 |
| Condición 4 | >1800 | >1000 | >80 | >200 | >150 | >1400 | >10000 | >4630 |
Notas:
- 1) TGC: totalidad de gases disueltos.
- 2) Se supone que no hubo ensayos previos de gases disueltos en el transformador o que no se dispone de una historia reciente.
- 3) Se debe tener en cuenta la variabilidad de gases disueltos cuando los ensayos son realizados por laboratorios distintos.
- 4) La tabla 1 es aplicable a transformadores nuevos o recientemente reparados, los valores indicados se han obtenido de la experiencia de distintos fabricantes. El usuario puede adoptar diferentes concentraciones de gases individuales o totales disueltos en función de la experiencia con otros transformadores similares.
- 5) Los valores corresponden a grandes transformadores que contienen miles de litros de aceite. Para menores volúmenes de aceite, el mismo volumen de gas presenta concentraciones de gas más altas.
Determinación de la condición del transformador y de los procedimientos a partir del total de gases combustibles.
La Tabla 2 indica los intervalos y procedimientos de operación recomendados para distintos porcentajes de niveles de gases combustibles.
Tabla 2 - Acciones basadas en el total de gases combustibles (TGC)
| Nivel TGC (%) | Relación TGC (%/día) | Intervalos de muestras | Procedimientos de operación | |
| Condición 4 | >= 5 | > .03 | diario | sacar de servicio avisar al fabricante |
| .03 - 1 | diario | |||
| < .01 | semanal | utilizar con extremo cuidado analizar gases individuales |
||
| Condición 3 | < 5 >= 2 | > .03 | semanal | utilizar con cuidado analizar gases individuales |
| .03 - .01 | semanal | |||
| < .01 | mensual | |||
| Condición 2 | < 2 >= .5 | > .03 | mensual | utilizar con cuidado analizar gases individuales |
| .03 - .01 | mensual | |||
| < .03 | cuatrimestral | |||
| Condición 1 | < .5 | > .03 | mensual | utilizar con cuidado analizar gases individuales |
| .03 - .01 | cuatrimestral | |||
| < .03 | anual | Operación normal |
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