CAMILO COLLAZOS S.

ANALISIS DE ACEITES AISLANTES EN EL MANTENIMIENTO DE TRANSFORMADORES

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IntroduccinLos tres componentes principales sujetos a la deteriorizacin y contaminacin son : el papel usado para el aislamiento de los conductores, el cartn que es usado para el aislamiento principal y para los soportes de los arrollamientos y el aceite dielctrico. Los aceites minerales que son utilizados como fluidos aislantes y refrigerantes de transformadores muestran valiosa informacin sobre las condiciones de operacin de los equipos que los usan. Los aceites aislantes minerales son productos que sufren degradacin por los esfuerzos trmicos y elctricos a los que estn sometidos, generando productos de descomposicin que son utilizados para evaluar la presencia de un problema o falla en los transformadores. Reaccionan con el oxgeno, oxidndose y formando productos cuyas caracteristicas aceleran la degradacin de los demas materiales, diminuyendo la vida til de los equipos. La vida til de un transformador est directamente relacionada con la vida del papel aislante, la celulosa se degrada por la accin del calor, deteriorando sus propiedades elctricas y mecnicas.

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Introduccin Existen actualmente 2 grupos de lquidos aislantes, clasificados de acuerdo a sus aplicaciones: Aceites aislantes de uso general : Son aceites aislantes de origen mineral, que tienen base parafnica y naftnica obtenidos durante el proceso de refinacin y extraccin adecuados, en determinadas fracciones del petrleo natural. Aceites aislantes de seguridad : Son aceites de origen mineral o sinttico, indicados para transformadores que deben ser instalados en locales donde el riesgo de explosiones y/o incendios deben ser minimizados. Estos aceites deben presentar caractersticas no inflamables PEABB / Sept. 2003 - 3 -

Aceite mineral de mximo punto de fulgor. Aceite aislante de silicona.

Introduccin

CARACTERISTICAS PRINCIPALES ( Valores Medios Tpicos )Propiedad Punto de Fulgor (C) Prdidas Dielctricas a 22 C Estabilidad Compatibilidad Resistencia al Fuego Reigidez Dielctrica ASTM D-2222 Minerales 11 1 Mineral Alto P.F. 11 1 Siliconas 11 1

11 , 1 Regular Buena Mala

11 , 1 Regular Buena Buena

11 1 , 1 Regular Optima Optima

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1 1

1 1

1 1

MANTENIMIENTO A TRAVEZ DEL ACEITE AISLANTE Mantenimiento Preventivo Durante el funcionamiento de un transformador varios son los factores que contribuyen con el deterioro del aceite aislante, como por ejemplo la humedad, la sobrecarga, el sobrecalentamiento y la falta de mantenimiento. La humedad, el calor y el oxigeno, crean un ambiente propicio para deteriorar el aceite aislante. El agua y el oxgeno cuando entran en contacto con el aceite aislante, reaccionan debido a la accin de los catalizadores como el cobre y el fierro, originando luego la oxidacin que forma luego sedimento. Este proceso se acelera con el calor, cuanto mas alta sea la temperatura, mayor ser la velocidad del deterioro, cuanto menos oxidado est el aceite aislante ms lento ser el proceso de degradacin del papel, siendo lo ideal que no haya presencia de sedimento durante el tiempo de vida del transformador.

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Prventivo - Anlisis de aceite aislante

Anlisis FsicoqumicoCon ensayos peridicos podemos comprobar el grado de deterioro del aceite, detectando el momento en que se inicia la formacin de sedimento y as tomar medidas para evitar el envejecimiento prematuro del aceite.

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Rigidez dielctrica Tensin interfacial Cantidad de agua. ndice de neutralizacin Prdida dielctrica a 25C

Preventivo Anlisis de aceite aislante Indice de Neutralizacin ( Acidez Total) Indica el total de compuestos cidos presentes en el aceite aislante. Los cidos aceleran el deterioro del aceite y del papel Los cidos atacan a las partes metlicas del transformador. En aceite nuevo, l ndice de miligramos de hidrxido de potasio por gramos de aceite debe ser menor a 0,03 mgKOH/g aceite. Para aceite en servicio considerar hasta 0,15 mgKOH/g aceite, sobre este valor se debe programar un posible cambio o regeneracin del aceite en un periodo de 6 meses. No permitir que este valor sobrepase a 0,4 mgKOH/g aceite, que origina la formacin de sedimento insoluble. PEABB / Sept. 2003 - 7 -

Preventivo Anlisis de aceite aislante Tensin Interfacial Es la medida de la fuerza necesaria para que un anillo plano de platino rompa la interfase formada por el agua y el aceite. Una disminucin de la tensin interfacial indica la presencia de productos que son el resultado de deterioro del aceite. Para aceites nuevos el valor mnimo es de 30 mN/m. Para aceites en servicio, el valor mnimo es de 23 mN/m, la formacin de lodos comienza cuando la tensin interfacial alcanza valores inferiores a este.

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Preventivo Anlisis de aceite aislante Prdidas Dielctricas ( Factor de Potencia / Tangente Delta ) El factor de potencia indica las perdidas dielctricas por corrientes de fuga de el aceite, un alto factor de potencia indica deterioro y/o contaminacin por productos como el agua, carbn o otras partculas . Es la medida de la tangente del ngulo de fase entre la tensin y la corriente, al aplicarse una diferencia de potencial predeterminado a dos electrodos entre los cuales se coloca el liquido aislante. Es extremadamente sensible a contaminaciones y puede indicar si los valores obtenidos en los ensayos provienen de contaminantes o de la propia deterioracin del aceite. El factor de potencia de un aceite nuevo y en buenas condiciones es de 0,05% o menos a 25 C. PEABB / Sept. 2003 - 9 -

En aceite usado el factor de potencia hasta 0,5% a 25C es aceptable, de 0,5% a 2% a 25C, el aceite debe ser analizado detalladamente para determinar las causas de esta elevacin.

Preventivo Anlisis de aceite aislante Rigidez Dielctrica Es la medida de la resistencia que el aceite aislante presenta al impacto elctrico. Esta prueba es la indicada para comprobar la presencia de agentes contaminantes como el agua, impurezas, fibras celulsicas hmedas, partculas metlicas o conductoras en el aceite, pudiendo existir concentraciones significativas cuando se presenta bajo tensin. Aceite Nuevo : ASTM D 1816 48 kV mnimo Aceite Usado : ASTM D 1816 32 kV mnimo

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Preventivo Anlisis de aceite aislante Contenido de Agua Las caractersticas elctricas del aceite son fuertemente influenciadas por la presencia de agua. Un alto contenido de agua en el aceite puede reducir su Rigidez Dielctrica al punto de volverlo inutilizable. Se consideran como valores mximos aceptables para servicio continuo: 35 ppm para equipos con tensin hasta 69 kV. 25 ppm para equipos con tensin mayor a 69 kV y menor a 230 kV 20 ppm para equipos con tensin mayor a 230kV y menor a 345kV PEABB / Sept. 2003 - 11 -

Preventivo Anlisis de aceite aislante Contenido de Humedad

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Preventivo Anlisis de aceite aislante

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Preventivo Anlisis de aceite aislante

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Preventivo Anlisis de aceite aislante

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Preventivo Anlisis de aceite aislante

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MANTENIMIENTO A TRAVEZ DEL ACEITE AISLANTE Mantenimiento

Predictivo

El mtodo en este tipo de mantenimiento consiste en la extraccin de los gases disueltos en una pequea muestra del aceite aislante, donde una parte de los gases extrados son analizados por cromatografa en estado gaseoso, determinndose as su composicin cualitativa y cuantitativamente. Los resultados obtenidos son analizados segn criterios de diagnsticos preestablecidos, a travs de los cuales se puede observar la existencia de fallas y luego tomar las precauciones necesarias de mantenimiento. La secuencia de la muestra es sugerida con el fin de crear un historial para realizar un mejor seguimiento del transformador en observacin. En el caso de transformadores nuevos, se recomienda la toma de muestras al mes y 3 meses despus de haber puesto el equipo en servicio.

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Predictivo Anlisis de aceite aislante

Anlisis CromatogrficoEl conocimiento que se tenga de la composicin de gases disueltos en el aceite aislante, hace posible detectar la existencia de fallas, an cuando stas se encuentren en el inicio.

Gases analizados: PEABB / Sept. 2003 - 18 -

Hidrgeno Oxgeno Nitrgeno Metano Monxido de carbono Etileno Acetileno

Mantenimiento Predictivo Criterios de Diagnostico Metodo del Total de Gases Combustibles:Por muchos aos el mtodo de anlisis de gases disueltos en el aceite es una herramienta en el diagnostico de transformadores. Este mtodo es usado para diferentes propsitos como por ejemplo detectar fallas incipientes, para tener una hiptesis o explicacin de una posible falla.

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Mantenimiento Predictivo Criterios de DiagnosticoProcedimiento:

Consiste esencialmente de 4 pasos: Tomar muestra del aceite de transformador Extraccin de gases del aceite. Anlisis de gases mediante cromatografa. Interpretacin de anlisis PEABB / Sept. 2003 - 20 -

Mantenimiento Predictivo Criterios de Diagnostico

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Mantenimiento Predictivo Criterios de DiagnosticoEvaluacin de una posible falla considerando la presencia preponderante de ciertos gases Descomposicin Trmica del Aceite : Los productos de la descomposicin incluyen etileno (C2H4) y metano (CH4) junto con cantidades mas pequeas de hidrogeno (H) y etano (C2H6). Rastros de acetileno (C2H2) pueden ser formados si la avera es severa o involucra contactos elctricos.Descomposicin Trmica del Aceite Principal Gas : ETILENO1 1 % DE COMBUSTIBLE 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 CO 1 H1 CH1 C1 1 H C1 1 H 1 1 2 2 1 C1 1 H 2 2

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Mantenimiento Predictivo Criterios de DiagnosticoDescomposicin de la Celulosa : Grandes cantidades de dixido de carbono y monxido de carbono (CO) son desarrolladas por el calentamiento en la celulosa. Los gases tales como el metano (CH4) y el etileno (C2H4) podran ser formados si la avera involucra una estructura impregnada en aceite.

Descomposicin de la Celulosa Principal Gas : Monxido de Carbono11 1 % DE COMBUSTIBLE 1 1 1 1 1 1 1 1 1 CO H1 CH1 11 . 11 . 11 . 1 C1 1 H 11 . 1 C1 1 H 11 . 1 C1 1 H 1 1

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Mantenimiento Predictivo Criterios de DiagnosticoDescomposicin por Descargas : Pequeas descargas de energa elctrica producen hidrogeno (H) y metano (CH4) con pequeas cantidades de etano (C2H6) y etileno (C2H4). Cantidades comparables de monxido de carbono (CO) y dixido de carbono puede resultar de descargas en la celulosa.

Descomposicin por Descargas Principal Gas : Hidrogeno1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

% DE COMBUSTIBLE

1 1 11 . CO H1 CH1 22 . C1 1 H 11 . C1 1 H 11 . C1 1 H

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Mantenimiento Predictivo Criterios de DiagnosticoDescomposicin Por Arco Elctrico: Grandes cantidades de hidrogeno (H) y acetileno (C2H2) son producidos con menores cantidades de metano (CH4) y etileno (C2H4). Dixido de carbono y monxido de carbono puede producirse si la falla involucra a la celulosa. El aceite puede ser carbonizado.D escomposicin Por A rco E lctrico Principal G : A E as C TILE O N% DE COMBUSTIBLE 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 . 1 C O H1 1 1 C11 H 1 C11 H C11 H 1 1

1 1

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C H1

Mantenimiento Predictivo Criterios de DiagnosticoLimites de concentracin de gases disueltos en partes por millon (PPM)

Status Condicin 1 Condicin 1 Condicin 1 Condicin 1

H1 22 2 1 1- 1 1 1 1 2 2- 22 2 2 , 2 > 1111 ,

CH1 11 1 1 1- 1 1 1 1 1 1- 11 1 1 , 1 > 1111 ,

C1 1 H 1 1 1 -1 1 1 1 -1 1 1 > 11

C1 1 H 1 1 1 - 11 1 1 1 1- 1 1 1 1 > 111

C2 2 H 1 1 1 - 11 1 1 1 1- 11 1 1 , 1 > 111

CO 11 1 1 1- 1 1 1 1 1 1- 11 1 1 , 1 > 1111 ,

CO1 11 1 , 1 11 1- 11 1 , 1 , 1 11 1- 1 , 1 , 1 11 1 > 11 , 111

TDCG 11 1 2 2- 22 2 2 , 2 11 1- 11 1 , 1 , 1 > 1111 ,

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Tabla 1

Mantenimiento Predictivo Criterios de Diagnostico Metodo del Total de Gases Combustibles: Si el total de Gases Combustibles no supera los 720 ppm y ningn gas individual supera los limites que da la tabla 1 (Condicin 1); el transformador est operando satisfactoriamente. Si el total de gases combustibles se sita en el rango de 721 a 1920 ppm y cualquiera de los gases combustibles individuales se sitan dentro de los lmites especificados en la tabla 1 (Condicin 2) el transformador tiene una falla interna que debe ser investigada, se recomienda tomar una nueva muestra para determinar el monto diario de la generacin de gases.

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Mantenimiento Predictivo Criterios de Diagnostico Metodo del Total de Gases Combustibles: Si el total de gases combustibles se sita en el rango de 1921 a4630 ppm y cualquiera de los gases combustibles individuales se sitan dentro de los lmites especificados en la tabla 1 (Condicin 3) el transformador esta presentando un alto nivel de descomposicin de la celulosa y/o aceite. Se debe realizar un nuevo anlisis cromatografito en el lapso mas breve y calcular el monto diario de generacin de los gases y de acuerdo a estos resultados, tomar la accin requerida. Si el total de gases combustibles e individuales estn en los rangos que indica la condicin 4; entonces los aislamientos slidos y lquidos del transformador se estn descomponiendo aceleradamente y lo recomendable en este caso sera retirar de servicio al transformador para investigar y corregir la falla que se este desarrollando.

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Mantenimiento Predictivo Criterios de DiagnosticoAcciones Basadas en los Resultados del TDCGTDCG Total de Gases Combustibles Generacin (TDCG) o Volumen mas alto de Gases de un Gas individual. (PPM/Da) Condiciones 11

Mensualmente

2 2- 22 2ppm del TDGC o la 2 , 2 mas alta generacin de un Condicin 1 gas individual segn tabla 1

< 11 1-1 1 1 > 11

22 2- 22 2ppm del TDGC o , 2 , 2 la mas alta generacin de un Condicin 1 gas individual segn tabla 1

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< 11 1-1 1 1 > 11

> 1111 del TDGC o la , ppm mas alta generacin de un Condicin 1 gas individual segn tabla 1

< 11 1-1 1 1

Ejerza vigilancia. Analice los gases individuales para determinar la causa. Determine si la produccin Trimestralmente de gases depende de la carga. Mensualmente Mensualmente Ejerza extrema vigilancia. Analice los gases individuales para determinar la causa. Planee la salida de servicio del trafo. Llamar al fabricante y a otros especialistas Mensualmente solicitando ayuda. Semanalmente Semanalmente Ejerza extrema vigilancia. Analice los gases individuales para determinar la causa. Planee la salida de servicio del trafo. Llamar al fabricante y a otros especialistas Semanalmente solicitando ayuda. Diariamente Considere el retiro del servicio del trafo. Llamar al fabricante y a otros especialistas solicitando ayuda.

> 11

Diariamente

Mantenimiento Predictivo Criterios de DiagnosticoMetodo de las Razones de Rogers Este metodo considera las concentraciones relativas de cincogases : Hidrogeno (H), Metano (CH4), Etano (C2H6), Etileno (C2H4) y Acetileno (C2H2); siendo las concentraciones mas significativas:

R2: C2H2 C2H4

R1: CH4 H2

R5 : C2H4 C2H6

En la tabla 2 se muestra las razones caractersticas as como las posibles fallas. En este mtodo no se consideran los xidos de Carbono. PEABB / Sept. 2003 - 30 -

La evaluacin de la incidencia de la celulosa en las fallas es realizada subjetivamente, considerando el incremento de concentracin de estos gases.

Mantenimiento Predictivo Criterios de DiagnosticoDIAGNOSTICO DE FALLAS SUGERIDO A PARTIR DEL METODO DE LOS RATIOS DE ROGERSR1 C1 1 : H ......C2 2 H < 11 , R1 CH1 : ......H1 > 11y < 11 , , R1 C1 1 : H .....C2 2 H < 11 ,

CASO 1

Diagnstico de Falla Sugerido Funcionamiento Normal Descargas Parciales (Corona) y arcos de baja densidad de energa Arcos - Descargas de alta energa Caalentamiento trmico a baja temperatura Alta solicitacin trmica menor a 111 C Alta solicitacin trmica mayor a 111 C

1 1 1 1 PEABB / Sept. 2003 - 31 -

< 11 , 22- 22 , , < 11 , < 11 , < 11 ,

< 11 , 11- 11 , , > 11y < 11 , , > 11 , > 11 ,

< 11 , > 11 , 11- 11 , , 11- 11 , , > 11 ,

1

Tabla 2

Mantenimiento ANALISIS FISICO - QUIMICOTECNOLOGIA QUE CONTRIBUYE A PROLONGAR LA VIDA UTIL DE LOS TRANSFORMADORES

ANALISIS CROMATOGRAFICOTECNOLOGIA CON LA CUAL SE PUEDE ELIMINAR PARADAS IMPREVISTAS DURANTE EL SUMINISTRO DE ENERGIA

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Mantenimiento Predictivo Criterios de DiagnosticoComponentes Furnicos en el Aceite El deterioro del aislamiento slido (Pressboard) de los transformadores genera componentes Furnicos cuyo principal indicador es el Furfural 2. Altas concentraciones de Furfural 2 indican la degradacin de la celulosa. Los componentes Furnicos son generados por eventos trmicos mas no por descargas elctricas. Hay muchos factores que influyen en el resultado de los anlisis de los componentes Furnicos, tales como el tipo de preservacin del aceite, tipo de aislamiento, tipo de transformador y tipo de tratamiento del aceite de transformador. PEABB / Sept. 2003 - 33 -

Valor Aceptable