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Técnicas Predictivas -Análisis de aceitesdieléctricos e Interpretaciónde resultados en Activos deTransformación
Bogotá, Diciembre de 2014
Técnicas Predictivas - Análisis deaceites dieléctricos e Interpretaciónde resultados en Activos deTransformación
2Title of the Presentation Roma, dic. ’14
ACREDITADO ISO/IEC 17025:2005
12-LAB-047
INSTALACIONES DEL LABORATORIO
Área de pruebas eléctricas
Área de pruebas físico-químicas
Área de cromatografía
Área de almacenamiento de
Cuarto almacenamiento de reactivos
Área de almacenamiento de muestras
Prestar el servicio de toma de muestras para realizar ensayos a los aceitesdieléctricos de los equipos de nuestros clientes, empleando herramientasadecuadas, procedimientos normalizados y teniendo en cuenta las consideracionesde seguridad pertinentes.
FUNCIONES DEL LABORATORIO DE FUNCIONES DEL LABORATORIO DE ACEITESACEITES
Realizar el programa de mantenimiento predictivo de los transformadores depotencia enfocado en los análisis de aceites dieléctricos para mejorar la eficacia delpotencia enfocado en los análisis de aceites dieléctricos para mejorar la eficacia delsistema, efectuando la toma de muestras y realizando un seguimiento adecuado delos equipos.
Efectuar el análisis de gases disueltos por cromatografía de los aceites dieléctricospara establecer posibles fallas en los equipos, analizando las concentraciones de loscomponentes claves del gas.
Realizar análisis físico-químicos de los aceites dieléctricos para determinar lacondición de los mismos, siguiendo métodos internacionales específicos para cadaensayo.Realizar análisis de Bifenilos PoliClorados de los aceites dieléctricos provenientesde equipos sospechosos para determinar la presencia de este contaminante,empleando el test semicuantitativo que confirma la ausencia de PCBs ó remite a unensayo más específico.Notificar los resultados a los clientes por medio de un reporte para transmitir la
FUNCIONESFUNCIONES
Notificar los resultados a los clientes por medio de un reporte para transmitir lainformación exacta y clara de los ensayos solicitados, siguiendo las indicaciones delas normas Internacionales respectivas.Almacenar los datos históricos de los resultados obtenidos en los análisis realizadosen el Laboratorio para revisar tendencias del comportamiento de los equipos ydegradación del aceite, actualizando la base de datos interna y analizando losvalores obtenidos.
Realizar ensayos de análisis de compuestos furánicos para diagnosticar el estado delpapel del transformador y estimar su porcentaje de vida útil, empleando la técnicade cromatografía líquida de alta resolución HPLC.
Emitir opiniones e interpretaciones basadas en los resultados de los ensayos parasugerir a los clientes medidas de seguimiento y/o mantenimiento de los equipos yaceites dieléctricos, teniendo en cuenta datos históricos, criterios estándar y laexperiencia adquirida por el Laboratorio.
FUNCIONESFUNCIONES
experiencia adquirida por el Laboratorio.
Mejorar continuamente la eficacia del sistema de gestión para asegurar a losclientes resultados confiables y oportunos, cumpliendo con los requisitos de laNorma ISO 17025 y manteniendo la acreditación del Laboratorio.
Un aceite dieléctrico es un aceite mineral (vegetal) refinado parafínico o nafténico
capaz de resistir un gradiente de potencial eléctrico, lo que le confiere propiedades aislantes. En combinación con el aislante
ACEITES DIELÉCTRICOS
aislantes. En combinación con el aislante sólido (barniz, papel Kraft, presspan y tacos
de madera) constituyen un sistema económico y eficaz para el aislamiento de
transformadores.
CAUSAS DE LA DEGRADACIÓN DEL ACEITE:
Condiciones de servicio: Temperatura alta.
Generación de sustancias polares.
Contacto con aire: Oxígeno.
Contacto con agua.
Presencia de metales: Cobre y Hierro actúan comocatalizadores para la oxidación.
INDICIOS DE LA DEGRADACIÓN DEL ACEITE:
Oscurecimiento
Generación de sustancias polares
Formación de ácidos
Olor
Precipitación de lodos
Deterioro de las propiedades dieléctricas
ENSAYOS REALIZADOS EN EL LABORATORIO
ENSAYO NORMA
Color ASTM D 1500
Rigidez Dieléctrica ASTM D 877 y ASTM D 1816
Contenido de Agua ASTM D 1533
Número Ácido ASTM D 974Número Ácido ASTM D 974
Tensión interfacial ASTM D 971
Análisis de Gases Disueltos ASTM D 3612
Densidad ASTM D 1298
Compuestos Furánicos ASTM D 5837
PCB’s EPA 9079
Toma de muestras ASTM D 923
Voltaje (potencial) al cual ocurre una descargaentre 2 electrodos.
RIGIDEZ DIELÉCTRICA
Mide la habilidad del aceite para resistir losesfuerzos eléctricos.
Indica la presencia de agentes contaminantes.
RIGIDEZ DIELÉCTRICA
Agua o partículas conductoras
Sin embargo, una rigidez dieléctrica alta noconstituye un indicativo formal de ausencia decontaminantes.
Valores bajos de rigidez dieléctrica
MÉTODO ASTM EMPLEADO EN EL LABORATORIO:
����ASTM D 877: Rigidez con Electrodos de Disco, sin agitación. Espaciamiento entre electrodos 2,5 mm .entre electrodos 2,5 mm .
�ASTM D 1816: Rigidez con Electrodos VDE, con agitación. Espaciamiento entre electrodos 1 mm ó 2 mm .
Chispómetro
Una medida de los constituyentes o agentes contaminantes ác idos del aceite.
El envejecimiento del aceite por oxidación produce ácidos.
Es un índice que mide la degradación del aceite.
Su valor permite determinar el momento preciso para reempla zar o regenerar el aceite,siempre que se hayan establecido los límites de rechazo y que otros ensayos loconfirmen.
NÚMERO ÁCIDO
MÉTODO ASTM EMPLEADO EN EL LABORATORIO:
�ASTM D 974
Titulador automático
Mide fuerzas de atracción entre moléculas de aceitey agua.
Permite detectar los agentes contaminantes polaressolubles y los productos de degradación.
Es un parámetro de estabilidad química, pues los
TENSIÓN INTERFACIAL
Es un parámetro de estabilidad química, pues losácidos son polares.
Esta característica cambia rápidamente durante lasetapas iniciales de envejecimiento, y luego seestabiliza.
Por esto los resultados son bastantes difíciles deinterpretar en términos de mantenimiento del aceite.
TENSIÓN INTERFACIAL
MÉTODO ASTM EMPLEADO EN EL LABORATORIO:
�ASTM D 971
Esquema de formación de la
interface agua aceite en la
determinación de tensión
interfacial.
Tensiómetro
CONTENIDO DE AGUA
CAUSAS
Saturación de la sílica-gel (venteo)
FUENTES
Contaminación con aire húmedo
Envejecimiento del aislante sólido
Contaminación de la muestra
Degradación de la celulosa(Aislante sólido del transformador)
Toma de muestra incorrecta
MÉTODO ASTM EMPLEADO EN EL LABORATORIO:
�ASTM D 1533
Titulador culombimétrico
El color de un aceite aislante está determinadopor la luz transmitida.
Está expresado por un número obtenido de sucomparación con una serie de coloresnormalizados.
COLOR
normalizados.
Es una propiedad muy útil para fines decomparación.
Un índice de color fuerte o transformándoserápidamente puede indicar una degradación ouna contaminación del aceite.
�ASTM D 1500
Mediante un método decomparación visual sedetermina el color. Para ello
MÉTODO ASTM EMPLEADO EN EL LABORATORIO
determina el color. Para ellose coloca la muestra aensayar en un recipiente ydespués de aplicar una luzespecífica, se compara condos discos coloreados en unrango de 0,5 (aceite nuevo) a8 unidades.
Colorímetro
Útil para identificar el tipo de aceite o descubrirmodificaciones importantes en su composición.
En los climas fríos puede ser apropiada para ladeterminación del buen uso del aceite:
DENSIDAD POR HIDRÓMETRO
Cristales de hielo formados a partir del agua no disuelta pueden flotar en la superficie de un aceite con alta densidad y
ser el origen de descargas en el momento de derretirse.
MÉTODO ASTM EMPLEADO EN EL LABORATORIO:
�ASTM D 1298
Hidrómetro empleado en la
determinación de la densidad.
CROMATOGRAFÍA DE GASES DISUELTOS EN EL ACEITE
Los gases que se generan dentro de un transformador sepueden separar en los siguientes tres grupos:
Hidrógeno e hidrocarburos
Gases de atmósfera
Óxidos de Carbono
H2
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
CO2
CO
O2
N2
hidrocarburos atmósferaCarbono
CROMATOGRAFÍA DE GASES DISUELTOS EN EL ACEITE
H2, CO y CO2H2
Descarga parcial-baja energía
CELULOSAACEITE
CO2, COH2, C2H2, (CH4, C2H6, C2H4)
Arqueo-alta energía
Alta energía: CO, (CO2)Alta energía: C2H4, H2, (CH4, C2H6)
Baja energía: CO2, (CO)Baja energía: CH4, C2H6
Calentamiento severo
MÉTODO EMPLEADO EN EL LABORATORIO:
� ASTM D 3612 Parte A
Cromatógrafo
PCB’s
Los PoliCloroBifenilos (PCB’s) son compuestos químicosformados por cloro, carbono e hidrógeno.
Fueron utilizados desde 1930, en lugar o en combinación delaceite mineral, en transformadores eléctricos de potenciainmersos en líquidos dieléctricos.inmersos en líquidos dieléctricos.
Resistentes al fuego
No biodegradables
Muy estables
No conductores de la electricidad
Muy poco volátiles a temperaturas normales.
Se caracterizan por ser:
¿Qué los hace peligrosos?
Su resistencia extrema a la ruptura química ybiológica a través de procesos naturales.
Tendencia a permanecer y acumularse enorganismos vivos
Si entra en proceso de combustión genera Dioxinasy Furanos
Amplia dispersión con sus consecuentes efectos
organismos vivos
�EPA 9079
MÉTODO EMPLEADO EN EL LABORATORIO
Este método de ensayo determina por medio de indicación colorimétrica
Kit de ensayo Clor-N-Oil®
indicación colorimétrica la ausencia de PCB’s a nivel de 50 ppm, empleando el kit de ensayo Clor-N-Oil®
Si el resultado de la prueba indica la
presencia de más de 50 ppm de PCB's,
Carta Colorimetrica del Testde PCB’s - Clor-N-Oil®:
Menor a 50 ppm Mayor a 50 ppm
Enviar la muestra a un laboratorio especializado
donde se realiza una prueba de Cromatografía
para obtener una cuantificación exacta de la
cantidad de PCB's.
TOMA DE MUESTRAS
El aseguramiento de la toma de muestra es importante parala evaluación de la calidad del aceite dieléctrico.
Examinar el espécimen de ensayo incumpliendo elprocedimiento de toma de muestra conduce a:procedimiento de toma de muestra conduce a:
conclusiones erróneas concernientes a la calidad
conclusiones erróneas con respecto a los resultados
gastos en seguridad
pérdida de tiempo, esfuerzo, dinero, transporte y el ensayo de la muestra
Materiales:
manguerasflanches acoples de bronce
Los dispositivos y extensiones son usadospara tomar muestra de la parte inferiorde los equipos eléctricos energizados odesenergizados.
Dispositivos para toma de muestras
Son almacenados en el “Cuarto de entrada de muestras”Se mantienen tapados hasta antes de tomar la muestra y son cerradosinmediatamente después de tomarla para prevenir la contaminaciónTan pronto como la muestra es tomada se identifica apropiadamente.Para prevenir rompimiento las muestras son tratadas con cuidado durante eltransporte y almacenamiento.
Contenedores de muestra
Análisis de condición Botella de 1000 ml
PCB’s Botella de 50 ml
Cromatografía de gases Jeringa de 30 o 50 ml
MÉTODO EMPLEADO EN EL LABORATORIO
�ASTM D 923
Para análisis de condición, condición, cromatografía de gases y PCB’s
Toma de muestras
VALORES LÍMITE PARA
ACEPTACIÓN, MANTENIMIENTO Y
REGENERACIÓN DE ACEITES REGENERACIÓN DE ACEITES
PARA TRANSFORMADORES.
Tabla 1. Guía de valores límite para aceptación, mantenimiento y regeneración de aceites
aislantes para transformadores y otros equipos eléctricos.
Aceites sin usar
Recibido en equipo
nuevo
GRUPO I por
continuar
GRUPO II por
reacondicionar
GRUPO III por
regenerar
Límites de aceptación después de regenerar
Después de llenar y antes de
energizarC <72,5 kV ≥30 ≥26 <26 ≥30B 72,5-170 kV ≥30 ≥26 <26 ≥30A 170-420 kV ≥35 ≥26 <26 ≥35
ASTM D 877-02
MétodosEnsayos
Aceites regeneradosClasificación de transformadores. Tensión máxima
de operación
≥30
Aceites en servicio
A 170-420 kV ≥35 ≥26 <26 ≥35O >420 kV ≥35 ≥30 <30 ≥35
C <72,5 kV ≥25 ≥23 ≥23 ≥26-30B 72,5-170 kV ≥25 ≥23 ≥23 ≥26-30A 170-420 kV ≥30 ≥26 ≥26 ≥26-30O >420 kV ≥30 ≥26 ≥26 ≥26-30
C <72,5 kV ≥40 ≥34 ≥34B 72,5-170 kV ≥40 ≥34 ≥34A 170-420 kV ≥50 ≥45 ≥45O >420 kV ≥60 ≥45 ≥45
Rigidez dieléctrica
(kV)
877-02
ASTM D 1816-04 (1 mm)
ASTM D 1816-04 (2 mm)
≥26
Cont. Tabla 1. Guía de valores límite para aceptaci ón, mantenimiento y
regeneración de aceites aislantes para transformado res y otros equipos eléctricos.
Aceites sin usar
Recibido en equipo
nuevo
GRUPO I por
continuar
GRUPO II por
reacondicionar
GRUPO III por
regenerar
Límites de aceptación después de regenerar
Después de llenar y antes de
energizarC <72,5 kV ≤20 ≤35 35-40 ≤35B 72,5-170 kV ≤20 ≤35 35-40 ≤35A 170-420 kV ≤15 ≤25 25-30 ≤20O >420 kV ≤10 ≤15 15-20 10-15C <72,5 kV ≤0,03 ≤0,3 >0,3 >0,5 ≤0,05
Contenido de humedad
(µg/g)
MétodosEnsayos
≤35ASTM D 1533-00
Aceites regeneradosClasificación de transformadores. Tensión máxima
de operación
Aceites en servicio
Número C <72,5 kV ≤0,03 ≤0,3 >0,3 >0,5 ≤0,05B 72,5-170 kV ≤0,03 ≤0,2 >0,2 >0,5 ≤0,05A 170-420 kV ≤0,03 ≤0,2 >0,2 >0,5 ≤0,05O >420 kV ≤0,03 ≤0,1 0,1-0,2 >0,4 ≤0,05
C <72,5 kV ≥40 ≥24B 72,5-170 kV ≥40 ≥24 ≥35A 170-420 kV ≥40 ≥26 ≥35O >420 kV ≥40 ≥30 ≥35
ColorASTM D 1500-04
<72,5 - >420 kV ≤1,0 ≤1,5 ≤1,5
C <72,5 kVB 72,5-170 kVA 170-420 kV ≤3,0O >420 kV ≤0,5
<24
≤0,05
≥35<15
ASTM D 974-04
ASTM D 971-99
ASTM D 3612-02 parte A
Contenido de gases (%)
Tensión interfasial
Número ácido (mg KOH/g)
Fuente: NORMA TÉCNICA COLOMBIANA, NTC 3284. “ELECTROTECNIA. GUÍA PARA EL MANTENIMIENTO YLA SUPERVISIÓN DE LOS ACEITES MINERALES AISLANTES EN SERVICIO EN EQUIPOS ELÉCTRICOS”.
OPINIONES E INTERPRETACIONES AFQ
• NTC-3284 “ELECTROTECNIA. GUÍA PARA EL MANTENIMIENTO Y LA SUPERVISIÓN DE LOS ACEITES MINERALES AISLANTES E N SERVICIO EN EQUIPOS ELÉCTRICOS”.
• ASTM D 3487 “STANDARD SPECIFICATION FOR MINERAL INSULATING OIL USED IN ELECTRICAL APPARATUS”
• TENSIÓN INTERFACIAL:Menor o igual a 25 mN/m (pobre)Entre 25 y 35 (aceptable)Mayor a 35 (buena)
• CONTENIDO DE AGUAMayor a 25 ppm (alto)
• RIGIDEZ DIELÉTRICA (1 mm)Menor de 20 kV (Baja)
DEGRADACIÓN DEL AISLANTE SÓLIDO
Además del aceite dieléctrico, el otro componente principaldel sistema de aislamiento en los transformadores depotencia es el papel en base de celulosa.
� El papel es un elemento absorbente.
� Al absorber humedad se expande y pierde rigidez dieléctrica.
� Al recibir calor, agua y ácidos, el papel se hace frágil y puede romperse
ANÁLISIS DEL PAPEL
Los métodos más convenientes que se puedenemplear para el análisis del aislamiento celulósico son:
Medición del grado de polimerización
Medición de óxidos de carbonoMedición de óxidos de carbono
Medición de compuestos furánicos por HPLC
COMPUESTOS FURÁNICOS (HPLC)
Al degradarse el aislamiento sólido, éste pierdeflexibilidad y se cuartea, produciendo compuestosfuránicos que se transfieren al aceite. Estos productosde degradación son sustituyentes derivados del furano,comúnmente conocidos como compuestos furánicos ocomúnmente conocidos como compuestos furánicos ofuranos.Cuantificación:
2-furfural
5-hidroximetil-2-furfural
Alcohol furfurílico
2-acetilfurano
5-metil-2-furfural
Equipo HPLC
GRADO DE POLIMERIZACIÓN DEL PAPEL ���� DPEl DP es una medida del tamaño promedio de las moléculas decelulosa (basada en relaciones empíricas) en una pieza de papelde aislamiento.
Este factor es un medio aceptable para la deducción de la fuerzamecánica del aislamiento celulósico ���� cuando el papel deaislamiento pierde su capacidad para soportar tensionesmecánicas, el daño resultante puede causar una falla eléctrica.
El análisis del DP es intrusivo pues requiere un pedazo del papelde aislamiento del transformador.
Regiones más calientes tendrán una degradación más rápida delpapel, resultando en un más bajo DP.
Usualmente el papel nuevo tiene un DP de 1000. El papel deaislamiento excesivamente envejecido el cual es frágil y haperdido la mayor parte de su fuerza extensible tiene un DP de200 o menos.
Ejemplo: En 1992 se estudió en Estados Unidos una población de transformadores. Los resultados muestran que:
� Hay relación entre elenvejecimiento y el DP.
� Todas las unidades con 0-20 años de edad tienen másdel 50% de vida restante delaislamiento.
Datos tomados de: Griffin, Paul J., “Measurement of Cellulose Insulation Degradation. A Study of Service-Aged Transformers”, Sec. 10, pp. 4, 1-4.31.
aislamiento.
� De 20-40 años hay ungrupo que tiene más del 50%de su vida restante y otrogrupo que tiene entre 0-50%.
� De 40-60 años hay unasignificante variabilidad enlos resultados.
Diagnóstico AGD
• Método de Rogers.• Método IEC 60599.• Método de Doernenburg.• Triángulo de Duval.• Método de gases claves.• Método del nomógrafo.
Método de Rogers
Método IEC 60599
Método de Doernenburg
Triángulo de Duval
PD: Descarga Parcial
T1: Falla Térmica menor a 300 ºC
T2: Falla Térmica entre 300 ºC y 700 ºC
T3: Falla Térmica mayor a 700 ºC
D1: Descarga de baja energía (Chispeo)
D2: Descarga de alta energía (Arco)
DT: Mezcla de falla eléctrica y térmica
Evaluación del tipo de falla de acuerdo al gas clave
Gas Clave: Etileno
52
Gas Clave: Hidrogeno
Gas Clave: Monóxido
Gas Clave: Acetileno
Método del nomógrafo
LABORATORIO DE ACEITES LABORATORIO DE ACEITES DIELÉCTRICOS
http://sp-corporativo/sites/gerencia_tecnica/labo
ratorio/default.aspx