Análisis de aceites dieléctricos y sus significados

NORMA IEEE C57.104-1991
Debe reconocerse que el análisis de estos gases y la interpretación de su significado no son actualmente una ciencia, sino un arte sometido a variabilidad

Estudios del Consejo Internacional de Grandes Redes Eléctricas han determinado que más del 70% de los defectos y fallos internos de un transformador dejan una huella en el aceite aislante que, si se sabe analizar e interpretar, permite identificar la naturaleza y severidad del defecto o fallo.

ANÁLISIS FUNDAMENTALES

Análisis de gases disueltos: El análisis se realiza según lo dispuesto en la norma UNE EN 60567:2005 y la interpretación de los resultados según lo dispuesto en la norma UNE EN 60599:2007. No obstante, en TEKNIKER hemos adoptado un novedoso método de interpretación de los resultados del análisis basado en los estudios del Grupo de Trabajo A2.18 (Gestión de vida de transformadores). Entre los métodos de extracción de gases, en TEKNIKER utilizamos el método de “espacio en cabeza (head space)” porque, cuando se aplica cuidadosamente, es el que mejores resultados proporciona. En este método, se introduce un volumen de aceite en un vial de vidrio en contacto con una fase gaseosa (“espacio en cabeza”) de volumen conocido. Una porción de los gases disueltos en el aceite (H2, O2, N2, CH4, C2H2, C2H4, C2H6, CO y CO2) pasa al espacio en cabeza, en condiciones de equilibrio de temperatura, presión y agitación. El espacio en cabeza se transfiere a un bucle de inyección del cromatógrafo de gases. Se utilizan curvas de calibración para establecer la concentración de cada gas en el espacio en cabeza. Se calculan las concentraciones de gases en el aceite utilizando la ley de Henry y los coeficientes de reparto determinados por calibración directa con patrones de gases en aceite.

La interpretación de los resultados de estos análisis se hace considerando varios factores:
- los defectos típicos descritos en la norma UNE EN 60599;
- el método de las relaciones de gases, incluido el código de Rogers;
- el método del triángulo de Duval;
- en ocasiones, el método de las huellas de gases (gas patterns).

Aspecto y color. El color de un aceite aislante se expresa con un número obtenido por comparación con una serie de colores normalizados. No es una propiedad crítica, pero puede ser útil para una evaluación comparativa. Un incremento rápido o un número de color elevado pueden indicar degradación o contaminación del aceite. Además del color, el aspecto del aceite puede mostrar turbidez o sedimentos que pueden indicar la presencia de agua libre, lodos insolubles, carbón, fibras u otros contaminantes.

Rigidez dieléctrica. La rigidez dieléctrica es una medida de la capacidad del aceite para soportar solicitaciones eléctricas. La medida de la rigidez dieléctrica sirve principalmente para indicar la presencia de contaminantes como agua o partículas. Un valor bajo de rigidez dieléctrica puede indicar que uno o mas de estos contaminantes están presentes. Sin embargo, un valor elevado de rigidez dieléctrica no indica necesariamente la ausencia de todo contaminante.

Contenido en agua. Dependiendo de la cantidad de agua, la temperatura del sistema de aislamiento y el estado del aceite, el contenido en agua del aceite aislante influye en:

  • la rigidez dieléctrica del aceite;
  • el aislamiento sólido y la tendencia al envejecimiento del líquido y del aislamiento sólido.
  • El contenido en agua del aislamiento líquido y sólido tiene, por tanto, un impactosignificativo en las condiciones operativas reales y en la vida útil del transformador.
  • Existen dos fuentes principales de incremento de agua en el aislamiento del transformador:
  • ingreso de humedad desde la atmósfera;
  • degradación de celulosa y aceite

En equipos eléctricos llenos de aceite, el aislamiento líquido es el medio de transferencia de agua. El agua está presente en el aceite en forma disuelta y también puede estar presente como hidratos adsorbidos por los productos de envejecimiento polares (agua enlazada). Las partículas, como las fibras de celulosa también pueden enlazar algo de agua.

Acidez. La acidez (índice de neutralización) del aceite es una medida de los constituyentes o contaminantes ácidos del aceite. La acidez de un aceite usado se debe a la formación de productos de oxidación ácidos. Los ácidos y otros productos de oxidación, junto con el agua y los contaminantes sólidos, afectarán las propiedades dieléctricas y otras del aceite. Los ácidos tienen impacto en la degradación de los materiales celulósicos y también pueden ser responsables de corrosión de partes metálicas del transformador. La velocidad de incremento de la acidez de un aceite en servicio es un buen indicador de la velocidad de envejecimiento.

Factor de disipación dieléctrica (DDF, tan d). Este parámetro es muy sensible a la presencia de contaminantes polares solubles, productos de envejecimiento o coloides en el aceite. Se pueden controlar los cambios en los niveles de contaminantes midiendo este parámetro incluso cuando la contaminación es tan ligera que está cerca del límite de detección química. Puede obtenerse información adicional útil midiendo la tan tanto a temperatura ambiente como a una temperatura más elevada como 90 °C. En el caso de transformadores de medida de muy alta tensión (400 kV), debe prestarse especial atención a la tan pues se ha descrito que elevados valores pueden conducir a embalamientos térmicos con fallo del transformador.

Recuento de partículas. La presencia de partículas en el aceite aislante de equipos eléctricos puede tener diferentes orígenes. El propio equipo puede contener partículas del proceso de fabricación y el aceite puede contener partículas de su almacenamiento y manipulación, si no se filtra adecuadamente. El desgaste y el envejecimiento del aceite y materiales sólidos pueden producir partículas durante la vida en servicio del equipo. Calentamientos localizados por encima de los 500 ºC pueden formar partículas de carbón. Las partículas de carbón producidas en el conmutador del cambiador de tomas en carga pueden migrar por fugas a la cuba principal y contaminar los componentes sumergidos en aceite del transformador. Una fuente típica de partículas metálicas es el desgaste de los cojinetes de las bombas.

El efecto de las partículas en suspensión en la rigidez dieléctrica del aceite aislante depende del tipo de partículas (metálicas, fibras, lodos, etc.) y de su contenido en agua.

Históricamente, se ha relacionado algunos fallos en transformadores de alta tensión con la contaminación por partículas sin que los ensayos tradicionales de rigidez dieléctrica sean suficientes para identificar el problema.

Contenido en inhibidor. Los aditivos más comúnmente utilizados en aceites aislantes son 2,6-di-tert-butil-p-cresol (DBPC) y 2,6-di-tert-butil-fenol (DBP). Los aceites inhibidos tienen una forma de oxidación diferente a la de los aceites no inhibidos. Al principio de su vida en servicio, se consume el inhibidor sintético con escasa formación de productos de oxidación. Esto se conoce como periodo de inducción. Una vez que se ha consumido el inhibidor, la velocidad de oxidación está determinada, principalmente, por la estabilidad a la oxidación del aceite base. La forma común y sencilla de controlar el consumo de inhibidor es medir la concentración en inhibidor según la norma UNE EN 60666.

Contenido en dibencildisulfuro (DBDS). Algunos aceites aislantes fabricados durante los últimos años contienen cantidades relativamente elevadas de una sustancia, el dibencildisulfuro, que, en determinadas condiciones de trabajo del transformador, puede descomponerse haciendo que el aceite sea corrosivo. El método más sencillo de análisis de esta sustancia es la cromatografía de gases con columnas capilares y detector de captura de electrones,

Pasivantes de metales. Este fenómeno de aceite potencialmente corrosivo ha conducido a la recomendación de aditivar los aceites con pasivantes de metales, Estos aditivos son derivados del tolutriazol y se pueden analizar fácilmente mediante cromatografía de líquidos de alta resolución (HPLC). Del mismo modo que con los aditivos antioxidantes, los aceites pasivados se deben controlar periódicamente.

Azufre corrosivo. El azufre está presente en aceites refinados formando moléculas que contienen azufre. La cantidad depende de los procesos de refino del aceite, el grado de refino y el tipo de crudo.

Debido a un pobre refino, a contaminación o a las condiciones de trabajo del propio transformador, estas moléculas se pueden descomponer dando lugar a especies que pueden provocar corrosión a las temperaturas de trabajo. Se detectan mediante dos métodos de ensayo normalizados:

- ASTM 1275 método B
- IEC 62535.

Derivados furánicos. El análisis de derivados furánicos es una herramienta muy útil para determinar el envejecimiento del aislamiento celulósico. Este análisis se realiza según lo estipulado en el método B de la norma UNE EN 61198 y la interpretación de los resultados de los análisis se hace, a falta de norma internacional de referencia, mediante un procedimiento de nuestra propiedad.

ANÁLISIS COMPLEMENTARIOS

Estabilidad a la oxidación. Se denomina estabilidad a la oxidación a la capacidad del aceite mineral aislante eléctrico para resistir a la oxidación bajo solicitaciones térmicas y en presencia de oxígeno y un catalizador de cobre. Proporciona información general acerca de la esperanza de vida del aceite en las condiciones de servicio en equipos eléctricos.

IEC define esta propiedad como la resistencia a la formación de compuestos ácidos, lodos y compuestos que influyen en el Factor de Disipación Dieléctrica (DDF) bajo ciertas condiciones. Para los aceites que cumplen con la IEC 60296, estas condiciones se detallan en la IEC 61125 método C. No obstante, dada nuestra experiencia en el campo de los aceites lubricantes, podemos ofrecer la posibilidad de realizar este ensayo en otras condiciones diferentes.

Tensión Interfacial (IFT). La tensión interfacial entre el aceite y agua proporciona un medio para detectar contaminantes polares solubles y productos de degradación. Esta característica cambia muy rápidamente durante las etapas iniciales del envejecimiento pero se estabiliza cuando el deterioro es todavía moderado. Un rápido descenso de la IFT puede también indicar problemas de compatibilidad entre el aceite y algunos materiales del transformador (barnices, juntas), o una contaminación accidental durante el llenado del transformador con el aceite.

Punto de inflamación. La rotura del aceite causada por descargas eléctricas o por exposición prolongada a muy altas temperaturas puede producir cantidades suficientes de hidrocarburos de bajo peso molecular para reducir el punto de inflamación del aceite. Un bajo punto de inflamación puede indicar la presencia de productos combustibles volátiles en el aceite. Esto puede deberse a contaminación con un disolvente pero, en algunas ocasiones, se ha observado que la causa eran chispas eléctricas

Compatibilidad de aceites aislantes. Para rellenar el transformador o mantener niveles, se debe utilizar un aceite que cumpla con la norma IEC 60296 y sea del mismo tipo. Los aceites no usados, que sean conformes con la norma IEC 60296 y que no contengan o contengan los mismos aditivos, se consideran compatibles entre sí y pueden mezclarse en todas proporciones. La experiencia de campo indica que, normalmente, no se observan problemas cuando se añade un pequeño porcentaje, por ejemplo un 5 %, de un aceite no usado a aceites usados clasificados como “buenos”, aunque adiciones superiores a aceites fuertemente envejecidos puede ocasionar la precipitación de lodos. En estos casos, puede ser necesario realizar un ensayo de compatibilidad para determinar la viabilidad de las mezclas de aceites no usados de diferentes orígenes, con aceite en servicio. Se recomienda vivamente un estudio de compatibilidad para mezclar aceites usados. Se recomienda consultar al suministrador del aceite si existen dudas de compatibilidad. Los ensayos de compatibilidad son especialmente necesarios en el caso de aceites que contienen aditivos.

Punto de congelación. Es una medida de la capacidad del aceite para fluir a baja temperatura. No existen evidencias que sugieran que esta propiedad se vea afectada durante el deterioro normal del aceite. Los cambios en el punto de congelación pueden normalmente interpretarse como resultado del rellenado con un tipo diferente de aceite.

Densidad. La densidad puede ser útil para identificar el tipo de aceite. En climas fríos, la densidad del aceite puede ser importante para determinar la idoneidad de su uso. Por ejemplo, los cristales de hielo formados a partir de agua libre pueden flotar en aceites de alta densidad y conducir a contorneamiento durante la posterior fusión. Sin embargo, la densidad no es significativa para comparar la calidad de diferentes muestras de aceite. No existen evidencias de que la densidad se vea afectada por el deterioro normal del aceite.

Viscosidad. Es un importante factor en el control de la disipación de calor. El envejecimiento y la oxidación del aceite tienden a incrementar la viscosidad. La temperatura también afecta a la viscosidad. El envejecimiento y oxidación normales del aceite no afectarán significativamente la viscosidad. Esto puede suceder si el aceite está bajo condiciones extremas de descargas tipo corona u oxidación.

Policlorobifenilos (PCB). Los policlorobifenilos (PCB) son una familia de hidrocarburos aromáticos clorados sintéticos, que tienen buenas propiedades térmicas y eléctricas. Estas propiedades, combinadas con una excelente estabilidad química, les hicieron útiles en numerosas aplicaciones comerciales. Sin embargo, su estabilidad química y resistencia a la biodegradación son causa de preocupación en términos de contaminación medioambiental. Esta preocupación sobre el impacto medioambiental de los PCB ha restringido progresivamente su uso desde el principio de los 70 y su uso en nuevas plantas y equipos fue prohibido mediante acuerdo internacional en 1986. Debería medirse el contenido en PCB del aceite de un equipo nuevo para confirmar que el aceite no contiene PCB. Posteriormente, cuando exista riesgo de contaminación potencial (tratamiento del aceite, reparación del transformador, etc.).