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"EXPERIENCIA DE ANÁLISIS DE AZUFRE CORROSIVO EN
TRANSFORMADORES DE POTENCIA, EN UNA EMPRESA TRANSMISORA DE
". .
ENERGÍA
ELÉCTRICA
Nombre del área
(montaje,
protecciones, mediciones..)
Presenta: Ing. Julio Rigoberto Artero.
AGOSTO 2011.
San Salvador, El Salvador, Centro América.
Ing. Julio Rigoberto Artero.
DIAGNOSTICO DE LA CONDICION DE
TRANSFORMADORES
Edad de los activos
Vida Remanente
Historia Operativa
de los Equipos
Aspectos
Tecnológicos
Diseño
Relacion de Fallas
Existente
DIAGNOSTICO
INTEGRAL
Estimación de la
Condición de Equipos
Ing. Julio Rigoberto Artero.
TECNICAS PARA EL DIAGNÓSTICO DE LOS
TRANSFORMADORES:
Técnicas con el Transformador energizado:
It
e
m
Prueba
Detecta
Análisis de gases disueltos (DGA)
Arqueo interno, mal contacto
eléctrico, puntos calientes,
descargas parciales y
sobrecalentamiento de
conductores, aceite y aislamiento.
1
Pruebas físicas y químicas del
aceite
2
Inspección externa física
3
Termografía
4
Humedad, acidez, tensión
superficial, furanos, rigidez
dieléctrica y factor de potencia.
Fugas de aceite, partes rotas,
operación ruidosa, conexiones
flojas, problemas con los
ventiladores y refrigeración.
Puntos calientes, corrientes
circulantes, bloqueos del
enfriamiento, conexiones flojas.
It
e
m
Prueba
Análisis acústico
(ultrasónico)
Descargas parciales internas,
arqueo, blindajes no aterrizados,
malas conexiones en boquillas,
defectos en contactos de
cambiadores, problemas de
puestas a tierra del núcleo,
aislamiento débil que produce
efecto corona.
Detección sónica
de defectos
Fugas de nitrógeno, vibración
excesiva de núcleo y bobinas,
efecto corona en las boquillas,
problemas mecánicos en
rodamientos de motores y
bombas.
Análisis de
vibraciones
Problemas internos de núcleo,
bobinas, blindaje, partes flojas y
rodamientos defectuosos.
5
6
7
Detecta
Ing. Julio Rigoberto Artero.
TECNICAS PARA EL DIAGNÓSTICO DE LOS
TRANSFORMADORES:
Técnicas con Transformador desenergizado:
It
e
m
1
Prueba
Detecta
Capacitancia de boquillas, factor
de potencia del aislamiento,
corriente de excitación
Pérdida de la integridad dieléctrica
del aislamiento, pérdida de la
integridad dieléctrica de las
boquillas, humedad en los
devanados.
Relación de transformación
Devanados en cortocircuito,
cortocircuito entre espiras.
2
Impedancia de corto-circuito
(reactancia de dispersión).
Prueba
Detecta
Resistencia ohmica
de los devanados
Falsos contactos, cintas rotas,
conexiones flojas, falso contacto
en cambiadores de derivaciones.
Análisis de
respuesta en
frecuencia
Movimientos y deformaciones
locales en los devanados.
Inspección visual
interna
Lodos en el aceite,
desplazamiento de devanados y
cuñas, falta de apriete en
devanados, malas conexiones,
calentamientos excesivos,
objetos extraños en el equipo.
Grado de
polimerización.
Condición y tiempo de vida
estimada del aislamiento.
5
6
Deformación mayor en los
devanados.
3
7
Resistencia de núcleo a tierra.
4
It
e
m
Mala conexión de tierras
intencionales del núcleo o
existencia de conexiones a tierra
no intencionales
8
Ing. Julio Rigoberto Artero.
USO DEL ACEITE DIELÉCTRICO EN
TRANSFORMADORES DE POTENCIA
• Los primeros transformadores no empleaban el aceite como
medio aislante, si no que utilizaban el aire como medio
dieléctrico.
• El aceite dieléctrico es un componente muy importante del
aislamiento del transformador
• Elihu Thomson patentó el uso del aceite mineral en 1887 y
aproximadamente cinco años más tarde, se utilizaba el aceite
como aislante dieléctrico en el ámbito comercial.
• El aceite dieléctrico es no corrosivo( el deber ser ) a las partes
metálicas del transformador y baja solubilidad frente a las
pinturas y barnices en el interior del transformador.
ok
Ing. Julio Rigoberto Artero.
TIPOS DE ACEITES
Aceites sintéticos. PCB
• Los aceites bifenilos policlorados, también conocidos como askareles o
PCB´s, son compuestos químicos formados por cloro, carbono e hidrógeno.
• En 1929, la empresa Monsanto (EE.UU.) inició la producción industrial. El
PCB es resistente al fuego, muy estable, no conduce electricidad y tiene
baja volatilidad a temperaturas normales.
• Los PCB´s se utilizaron anteriormente como aislantes para equipos
eléctricos como transformadores, capacitores y termostatos.
• El riesgo ocurre si los transformadores explotan o se prenden fuego, en ese
caso, el PCB se transforma en un producto químico denominado dioxina
(es un producto tóxico de desecho que se forma cuando se queman
desperdicios que contienen cloro), estas son las sustancias más dañinas que
se conocen, se ha comprobado que son cancerígenos.
• En 1976, la OMS recomendó la prohibición de la fabricación,
comercialización y uso de los BPC’s a nivel mundial.
Ing. Julio Rigoberto Artero.
Aceites Siliconados
• Este tipo de aceite es a base de silicona dimetílica(polímero de
dimetil siloxano compuesta por cadenas alternadas de átomos de
silicio y oxigeno y grupos de metilo unidos a los átomos de silicio) ,
en la actualidad es uno de los compuestos menos peligrosos y uno de
los mejores sustitutos de los PCB´s.
• Este tipo de aceite es altamente estable, con una capacidad de
resistencia al fuego más alta que los aceites minerales y además es un
refrigerante dieléctrico y no contaminante.
• Si a un transformador proyectado para aceite mineral o PCB se lo
refrigera con líquido siliconado, la potencia del transformador se
reduce en 5-10% debido a su mayor viscosidad.
• Se han empleado fluidos sintéticos a base de silicona en aplicaciones
especiales donde un alto grado de seguridad y muy amplio tiempo de
servicio es requerido.
Ing. Julio Rigoberto Artero.
ACEITE MINERAL
Los aceites dieléctricos de origen mineral se obtienen de
derivados del petróleo, que posee propiedades eléctricas aislantes.
Ing. Julio Rigoberto Artero.
ACEITE MINERAL
Está formado por compuestos de hidrocarburos y nohidrocarburos.
Hidrocarburos: Los compuestos de hidrocarburos son el mayor
constituyente del aceite mineral y pueden ser divididos en tres
grandes grupos.
•Parafínicos
•Nafténicos
•Aromáticos
No- Hidrocarburos:
Los compuestos no-hidrocarburos en el aceite mineral pueden ser
compuestos de azufre, compuestos de nitrógeno, compuestos con
oxigeno.
Ing. Julio Rigoberto Artero.
ACEITES PARAFINICOS Y NAFTENICOS
Se denomina aceite de base parafínica cuando la proporción de
hidrocarburos parafínicos son mayores que los hidrocarburos nafténicos. Y
caso contrario se denominan de base nafténica cuando la proporción de
hidrocarburos nafténicos son mayores que los hidrocarburos parafínicos.
Una composición típica de un buen aceite dieléctrico responde a las
siguientes proporciones:
•Hidrocarburos Aromáticos: 4 a 7%
•Hidrocarburos Parafínicos: 45 a 55%
•Hidrocarburos Nafténicos: 50 a 60%
Un transformador de potencia requiere de un fluido de alta calidad, por lo
que el aceite nafténico es el más utilizado debido a que posee mejores
propiedades que el de tipo parafínico, ya que se comporta muy bien a
bajas temperaturas (-40°C), índice de viscosidad baja, buena estabilidad
a la oxidación y baja tendencia a la formación de gases.
Ing. Julio Rigoberto Artero.
ACEITE VEGETAL
• El aceite vegetal esta basado en semillas oleaginosas y aditivos de mejoría
de desempeño de clase comestible.
• Es un refrigerante dieléctrico que se degrada rápido y totalmente en el suelo
y en ambientes acuáticos.
• Es de color verde para destacar su perfil ambiental favorable, y distinguirlo
del aceite mineral.
•
Un ejemplo de aceite dieléctrico vegetal es el fluido Envirotemp FR3. Las
ventajas de éste aceite entre otras es que posee alta rigidez dieléctrica,
características térmicas mejoradas, viscosidad baja y excelente estabilidad
química.
• Debido a sus excelentes características ambientales, de seguridad contra
incendio y de desempeño, las aplicaciones del aceite vegetal se han
extendido a una variedad de equipos, incluyendo transformadores de
potencia.
Ing. Julio Rigoberto Artero.
PROPIEDADES FÍSICAS, QUÍMICAS Y ELÉCTRICAS DEL
ACEITE DIELÉCTRICO MINERAL.
PROPIEDADES FÍSICAS
• Viscosidad
• Punto de fluidez
• Punto de inflamación
• Tensión interfacial
• Punto de anilina
• Color
• Densidad
PROPIEDADES QUÍMICAS
• Estabilidad a la oxidación
• Contenido de agua
• Numero de Neutralización
PROPIEDADES ELÉCTRICAS
• Factor de potencia
• Rigidez dieléctrica
Ing. Julio Rigoberto Artero.
CLASIFICACION DE LOS ACEITES DIELECTRICOS
(NORMA ASTM D-3487).
Tipo 1: aceites no inhibidos, solo contienen 0,08% en peso de aditivo
antioxidante
•Tipo 2: aceites inhibidos, contiene hasta 0,3% en peso de aditivo
antioxidante, por ejemplo el 2,6-ditertiario-butil para-cresol (DBPC) y
el 2,6-ditertiario-butil fenol (DBP)
Los aceites dieléctricos tipo 1 se definen como aceites para equipos
eléctricos donde se requiere una resistencia normal a la oxidación, y los
de tipo 2 para aquellas aplicaciones donde la resistencia a la oxidación
debe ser mayor.
Ing. Julio Rigoberto Artero.
Las cuatro funciones del aceite del
transformador
•El aceite proporciona rigidez dieléctrica; actúa como un material
aislante y dieléctrico.
•El aceite se encarga de la transferencia de calor; actúa como
medio de enfriamiento.
•El aceite protege el aislamiento sólido; actúa como una barrera
entre el papel y los efectos dañinos del oxigeno y la humedad.
•El aceite puede probarse para conocer las condiciones internas del
equipo; actúa como una herramienta de diagnostico para la
evaluación del aislamiento sólido.
Ing. Julio Rigoberto Artero.
Pruebas del aceite en los transformadores de potencia
El aceite aislante de un transformador requiere pruebas de aceptación, con el
propósito de verificar que cumpla con dos objetivos fundamentales: ser un
aislante eléctrico y ser un refrigerante de núcleos y bobinas.
El aceite del transformador contiene información sobre el estado del
transformador. Por ello, analizando el aceite en servicio pueden obtenerse
tempranas indicaciones de la degradación del papel, puntos recalentados y
averías eléctricas. Para evitar serios problemas, estos datos pueden ser
utilizados como guía de las medidas correctivas a tomar en el transformador
Las pruebas se clasifican en:
•Físicas-químicas
• Gases disueltos
• Contenido de furanos.
• Estimación de la corrosividad de los aceites (Análisis de DBDS , ensayo ASTM
D1275-B, CCD, etc. )
Para realizar las pruebas, es necesario extraer una muestra de aceite del
transformador.
Ing. Julio Rigoberto Artero.
ESTIMACIÓN DE LA CORROSIVIDAD DE LOS ACEITES
En los aceites aislantes minerales se encuentran muchas clases
de compuestos azufrados, pero no todos son corrosivos o
reactivos con el cobre y otros metales como la plata.
Los compuestos de azufre más reactivos en su orden son:
• El azufre elemental (S).
• Los mercaptanos ( (R-SH).
• Los sulfuros (tioéteres), los disulfuros y tiofenos.
Se define el azufre corrosivo, de acuerdo a la norma ASTM D2864,
como la presencia de azufre y/o azufre elemental en aceites
minerales aislantes que pueden causar corrosión de ciertos
metales, tales como el cobre y la plata. En el caso de los
transformadores de potencia, la deposición de compuestos de
sulfuro de cobre tanto sobre el papel aislante como sobre las
láminas metálicas de cobre, conducen a una reducción de las
propiedades dieléctricas del aislamiento interno, ocasionando
fallas catastróficas.
Ing. Julio Rigoberto Artero.
Los problemas registrados a nivel mundial de fallas en
transformadores, ponen de manifiesto que se produce una reacción
con el cobre la cual no requiere para su desarrollo altas
temperaturas, aunque el calor produce efectos más pronunciados.
Ing. Julio Rigoberto Artero.
ESTIMACIÓN DE LA CORROSIVIDAD DE LOS ACEITES
El cobre es el metal menos resistente al ataque del azufre
corrosivo (dentro de los transformadores se tienen grandes
cantidades de cobre), adicionalmente se requiere ambientes con
cantidades bajas o ausentes de oxígeno (transformadores
sellados, con tanque con membrana, gas blanket), y con la ayuda
de la temperatura favorece la reacción química.
Como se ve en el transformador se cumplen los requisitos para
que se favorezca la reacción química entre el cobre y el azufre
corrosivo, para formar un compuesto de color negro, gris, verde,
azul o violeta llamado sulfuro de cobre ( Cu2S, CuS). Si el azufre
reacciona con el aluminio se formará el sulfuro de aluminio
(Al2S3), que es de color amarillo verdoso. Estos productos
formados son altamente conductores y son los causantes de las
fallas de los transformadores. Ellos forman una película sobre la
superficie del metal que migra hacia el papel reduciendo la rigidez
dieléctrica entre espiras.
Ing. Julio Rigoberto Artero.
ESTIMACIÓN DE LA CORROSIVIDAD DE LOS ACEITES
El gran número de unidades falladas en los últimos años, por
causa del aceite contaminado con azufre corrosivo, ha llevado a
que las empresas tomen los respectivos controles para
minimizar las fallas. Entre estos tenemos:
• Realizar el ensayo de Corrosividad con el método extendido
ASTM D1275(06) método B, el cual contempla: Mayor
temperatura y tiempo de prueba, eliminación del oxígeno en el
ensayo.
• Si el aceite es corrosivo realizar la pasivación con Irgamet 39
(100ppm) o Benzotriazol (30ppm).
• Realizar el cambio del aceite corrosivo por uno no corrosivo.
• Disminuir la temperatura de trabajo de la unidad, colocando
ventiladores o disminuyendo la carga.
Vale la pena mencionar que con estas actividades no se puede
volver irreversible el daño causado a la unidad, sólo se detiene.
Ing. Julio Rigoberto Artero.
CASO REAL : ANALISIS AL PARQUE DE TRANSFORMADORES DE
POTENCIA DE UNA EMPRESA DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA.
Dentro del programa de mantenimientos predictivos de los equipos de potencia del
Departamento de Mantenimiento, a finales del año 2009 se realizó la toma de
muestras de aceite y los análisis para determinar el contenido de azufres
corrosivos al parque de transformadores de potencia.
Las pruebas o ensayos realizados para determinar la presencia de azufres
corrosivos fueron el ensayo ASTM D1275-B y el análisis de DBDS (dibenzyl–
disulfide). En la gran mayoría de transformadores fallados a nivel mundial por
aceite contaminado con azufre corrosivo, se ha encontrado la sustancia disulfuro
de dibencil (DBDS), en concentraciones cercanas a 100ppm. Este disulfuro es uno
de los agentes más corrosivo inclusive en bajas concentraciones (<10ppm),
también le confiere características corrosivas al aceite.
Acción del azufre
corrosivo
Sobre el cobre de los
devanados
Ing. Julio Rigoberto Artero.
Según los resultados de las pruebas, once (11) transformadores se encuentran en
clasificación “3b” según el ensayo ASTM D 1275-B, en donde se define esta
condición como sospechoso de ser o tener azufres corrosivos; y diecisiete (17)
transformadores presentaron valores de DBDS mayores a 10 ppm según el método
Doble, lo cual denota características corrosivas del aceite.
Ing. Julio Rigoberto Artero.
Tabla No.1, se muestran los once (11) transformadores que presentaron clasificación “3b” en
su aceite dieléctrico que los clasifica como sospechosos de contener azufres corrosivos:
Tabla 1: Transformadores con contenido de azufres según ensayo ASTM D1575
Ing. Julio Rigoberto Artero.
Tabla No.2, se muestran los diecisiete (17) transformadores que presentaron valores
mayores o iguales a 10 mg/kg de DBDS, en el aceite dieléctrico, lo cual es un indicativo que
el aceite presenta características corrosivas.
Tabla 2: Transformadores con DBDS ≥ 10 mg/kg, según Método DOBLE.
Ing. Julio Rigoberto Artero.
Tabla No.3, se muestran los transformadores que no pasaron ambas pruebas: el análisis de
DBDS y al ensayo ASTM D1275B; estos transformadores son los seis (6) indicados en el
cuadro rojo punteado:
DBDS
(mg/kg)
Vol Oil
14600
Año Fab
2000
Tensión kV
110/34.5
Potencia
20
Subestación
Ateos
ASTM D1275B
2c
Interpretación
No Corrosivo
Efacec
10300
2000
110/46-23
40
Planta Móvil
2c
No Corrosivo
50
Efacec
10300
2000
110/46-23
40
Planta Móvil
2c
No Corrosivo
50
C-13766.02
Efacec
22500
2000
110/23
75
San Antonio
Abad
2c
No Corrosivo
60
111.261/2
Ansaldo
22000
2000
110/46
50
San Miguel
2c
No Corrosivo
63
C-13578
Efacec
20500
2000
110/46
50
Ozatlan
2c
No Corrosivo
63
110/23
75
San Antonio
Abad
2c
No Corrosivo
63
Serie Equipo
111.262/U
Fabricante
Ansaldo
C-23979.01
C-23979-02
C-13766.01
Efacec
22500
2000
48
22280
1995
110/46
50
Santa Ana
2e
No Corrosivo
10
91.4.3891
Pauwels Trafo
11650
1992
110/46-23
43
Planta Móvil
2e
No Corrosivo
47
C-13576
Efacec
20500
1999
110/23
56
San Bartolo
3a
No Corrosivo
36
C-13579
Efacec
22500
2000
110/46
75
Pedregal
3a
No Corrosivo
62
RFS2533-1
Westinghouse
25280
1983
110/46
50
Cerrón Grande
3b
Sospechoso
1
12210
1992
110/46
25
Acajutla
3b
Sospechoso
2
67372 Getra
Tubos
33560 Transelectric
22280
1970
110/23
50
Opico
3b
Sospechoso
4
111.261/1
Ansaldo
22000
2000
110/46
50
San Miguel
3b
Sospechoso
36
111.263/U
Ansaldo
14500
2000
110/46
22.4
Cerrón Grande
3b
Sospechoso
45
C-13577
Efacec
20500
1999
110/46
50
Opico
3b
Sospechoso
63
24000
2004
110/46
56
Santa Ana
3b
Sospechoso
68
553891 Mitsubishi
89283 ABB
C-13575
Efacec
20500
1999
110/23
56
San Bartolo
3b
Sospechoso
68
C-13101
Efacec
27420
1995
110/46
75
Ateos
3b
Sospechoso
69
GBK600602
Daihen
45000
2000
230/110/46
156
15 de
Septiembre
3b
Sospechoso
<1
91.4.3892
Pauwels Trafo
11650
1992
110/46-23
20
Planta Móvil
3b
Sospechoso
<1
Tabla 3: Correlación entre ensayo ASTM D1275B y análisis DBDS Método DOBLE.
Ing. Julio Rigoberto Artero.
RECOMENDACIONES POR PARTE DEL LABORATORIO QUE
REALIZÓ LOS ENSAYOS:
• Para todos los transformadores se recomienda realizar análisis de DBDS y
medición de contenido de pasivador con periodicidad anual.
• Para los 17 transformadores que presentaron valores de DBDS mayores
de 10 ppm, se recomienda realizar el ensayo de CCD (Covered Conductor
Deposition Test) en menos de 6 meses.
• Se recomienda evaluar al menos a una de las unidades contaminadas con
DBDS con el ensayo de factor de potencia a alto voltaje (20-35 kV), con el
fin de evaluar el tip-up y establecer el grado de contaminación del papel
debido a la deposición de sulfuros de cobre. De acuerdo a esta evaluación,
buscar la mitigación del azufre corrosivo con una o la combinación de las
siguientes acciones: adicionar un pasivador metálico, reemplazar el aceite
por uno no corrosivo, bajar el “set point” de arranque del sistema de
enfriamiento, colocar ventiladores adicionales para reducir la temperatura en
5°C ó disminuir la carga.
Ing. Julio Rigoberto Artero.
ACCIONES CONSIDERADAS A EFECTUAR :
Para los diecisiete (17) transformadores que presentaron valores de DBDS
mayores de 10 ppm, se realizará en el año 2011 el ensayo de CCD (Covered
Conductor Deposition Test), así como el ensayo de DBDS (dibenzyl–disulfide),
para validar la presencia de azufres corrosivos.
Se ha investigado que el Laboratorio DOBLE de Estados Unidos, ofrece cuatro
alternativas a escala para tratar en sus laboratorios muestras de aceites que se
encuentren con contenido excesivo de azufre corrosivo, estas alternativas son las
siguientes:
Alternativa 1: Tratamiento de arcilla- Clay Treatment
El tratamiento con arcilla ha sido desarrollado para remover DBDS y otros
componentes del sulfuro corrosivo. Se realizará el tratamiento a una muestra de
aceite piloto para determinar la cantidad de arcilla (a escala) y si el DBDS está
presente, que cantidad se remueve con el tratamiento. Posterior a la prueba de
tratamiento con arcilla a escala, se realizarán las pruebas ASTM D1275B y la
prueba de DOBLE CCD.
Ing. Julio Rigoberto Artero.
Alternativa 2: Pasivador- Passivation
Se aplicará 100 ppm de pasivador Irgamet a la muestra de aceite, y luego
de la pasivación se realizará las pruebas de sulfuro corrosivo ASTM
D1275B, la prueba DOBLE CCD y de DBDS, para determinar la
efectividad del método de pasivación. Adicionalmente se medirá las
características de los gases, ya que en algunos casos con la aplicación
del pasivador se generan algunos gases en el aceite.
Alternativa 3: Reemplazo de aceite- Oil replacement
Si se reemplaza el aceite, un poco de aceite residual se mezcla con el
nuevo aceite. Se realiza la prueba al nuevo aceite con el antiguo aceite al
5 a 10%. Para ambos se realiza la prueba DOBLE CCD y ASTM D1275B.
Alternativa 4: Tratamiento de Sodio- Sodium Treatment
El Sodio puede remover DBDS y otros componentes del sulfuro
corrosivo. El aceite es tratado a escala y luego se vuelve a realizar las
pruebas de DBDS, ASTM D1275B y DOBLE CCD.
Ing. Julio Rigoberto Artero.
ACCIONES CONSIDERADAS A EFECTUAR :
De las cuatro alternativas de DOBLE, se considera que la mas conveniente es
la alternativa No. 1, ya que con el tratamiento con arcilla no se contaminaría
con ningún producto químico al aceite dieléctrico, lo cual ocurriría en el caso
de las alternativas 2 y 4 que utilizan Irgamet y Sodio, respectivamente.
• En el año 2011, se efectuará la alternativa No.1 de DOBLE a una muestra de
aceite de uno de los transformadores que no pasaron ambos análisis
efectuados, relacionados a los azufres corrosivos ( ASTM D1275B y análisis
de DBDS).
PROYECCIÓN DE COSTOS ESTIMADOS :
CANTIDAD
ACTIVIDAD
17
DBDS- Dibenzyl Disulfides in Transformer oilDOBLE
17
Ensayo CCD (Covered Conductor Deposition)
1
Prueba en laboratorio DOBLE Alternativa 1
MONTO TOTAL (SIN IVA)
MONTO TOTAL
$2,465.00
$6,086.00
$3,445.00
$11,996.00