Análisis de gases disueltos para el monitoreo y diagnóstico de transformadores de potencia en servicio
Enviado por Gustavo Crespo Sánchez
RESUMEN.
El artículo trata sobre el análisis de gases disueltos (AGD) en el aceite dieléctrico de los transformadores; a través del cual y en correspondencia con los niveles y relaciones existentes, es posible monitorear y diagnosticar el proceso de deterioro involucrado, incrementando la confiabilidad y la vida útil de los equipos, con la reducción de los índices de falla. Se hace un recorrido completo por los gases disueltos en el aceite como resultado de la degradación y los posibles diagnósticos asociados a ellos. Se presentan resultados de la aplicación de esta técnica de diagnóstico en la Unidad Cienfuegos, de la Empresa de Construcciones de la Industria Eléctrica (ECIE), utilizando las concentraciones determinadas por el medidor portátil de gases disueltos Transport X (KELMAN LTD).
Palabras Claves- AGD, Análisis de Gases Disueltos, Diagnóstico de transformadores, Kelman LTD, Monitoreo, Transport X.
DISSOLVED GASES ANALYSIS FOR MONITORING AND DIAGNOSING OF ON LINE POWER TRANSFORMERS.
ABSTRACT. The article is about dissolved gases analysis (DGA)in transformers dielectric oil, through which and in correspondence with existent levels and ratios, is possible monitoring and diagnosing deterioration process involved, increasing reliability and useful life of equipments, with decreasing failure rates. It makes a complete travel over the dissolved gases in oil, as a degrading result and associated diagnostics possible to their. It presents results of applications of this diagnostic technique in Cienfuegos Utility, from Construction Enterprise of Electrical Industry (CEIC), using determinate concentrations by dissolved gases portable analyzer Transport X (KELMAN LTD).
Key Words— DGA, Gases Dissolved Analysis, Kelman LTD, Monitoring, Transformer Diagnostic, Transport X.
Introducción
En el Sistema Electroenergético Nacional, los transformadores de potencia son elementos vitales, por su significación y por sus costos. El aumento de las potencias, la elevación de los voltajes y las necesidades de transmitir potencia a distancias cada vez mayores convierten a los Transformadores en equipos eléctricos de la mayor importancia.
En el mundo, las estadísticas de fallas en transformadores de potencia indican que el 41 % de estas, están relacionadas con el conmutador o cambia tap; el 19 % con los devanados; el 3 % con el núcleo; el 12 % con los bushing; el 13 % con el tanque y los fluidos y el 12 % con los accesorios [1]. En Cuba, las estadísticas de fallas típicas para transformadores del Sistema Electroenergético Nacional muestra que los puntos principales de falla y, por tanto, los que deben ser monitoreados con máxima prioridad son los enrollados y los cambia tap, en los casos en que estos existen, siendo el punto débil, el aislamiento [2].
Nuestra Empresa tiene establecido y diseñado un programa de diagnóstico y mantenimiento profiláctico o preventivo, para garantizar la operación confiable de los transformadores.
La detección de algunos tipos de fallas o eventos (arcos en las guías; falsos contactos, descargas parciales, etc.) y su localización constituían un problema anteriormente. Actualmente, la información obtenida de un sistema de adquisición de datos con el monitoreo permite detectar fallas tanto de rápido, como de lento desarrollo, lo que supera los métodos convencionales de las pruebas eléctricas realizadas sólo con el equipo fuera de servicio, que no pueden detectar las fallas de rápido desarrollo, por estar basados en mediciones espaciadas en el tiempo [3].
Materiales y Métodos
ANÁLISIS DE GASE DISUELTOS
El propósito de este análisis es conocer exactamente las diferentes sustancias que componen los gases disueltos en el aceite extraído del transformador. Para ello se utiliza el medidor portátil de gases disueltos "Transport X". De acuerdo a la naturaleza de los gases disueltos en el aceite aislante, se puede determinar la causa de la anormalidad para prevenir y solucionarla antes que se convierta en una falla.
Cuando el transformador se somete a esfuerzos térmicos y eléctricos anormales debido a la degradación del aceite y de los materiales aislantes, se generan ciertos gases combustibles. El tipo y las concentraciones de gases generados son importantes por cuanto el proceso de envejecimiento normal produce cantidades extremadamente pequeñas de gases, mientras que condiciones incipientes o fallas declaradas generan cantidades grandes.
Los gases típicos generados por algunas fallas incipientes en transformadores de potencia son: Hidrógeno H2, Oxígeno O2, Nitrógeno N2, Metano CH4, Monóxido de carbono CO, Etano C2H6, Dióxido de carbono CO2, Etileno C2H4 y Acetileno C2H2 [4]. (El Hidrógeno H2, Metano CH4, Monóxido de carbono CO, Etano C2H6, Etileno C2H4 y Acetileno C2H2 son gases combustibles)
Cuando se detectan gases en cantidad suficiente como para suponer la existencia de una falla, es necesario conocer la severidad de ella, lo cual se determina en base a la tasa de crecimiento por día de cada gas en particular o del total de gases combustibles disueltos en el aceite.
Los mecanismos de falla más comunes son: Arqueo; Corona, Descargas de baja energía y Sobrecalentamiento general o puntos calientes.
Identificación de la falla con la ayuda del análisis de gases disueltos.
La detección de una condición anormal requiere de una evaluación de la concentración del gas generado y de la tendencia de generación. La cantidad de cada gas, con respecto al volumen total de la muestra, indica el tipo de falla que está en proceso [5], [6].
Existen dos maneras de representar los resultados de gases disueltos: A partir de las concentraciones individuales y por las relaciones entre gases.
Acetileno (C2H2)
La presencia del acetileno (C2H2) en los gases disueltos en el aceite es siempre debido a una falla eléctrica. Si el acetileno (C2H2) está acompañado solamente de CH4 y de H2, se trata de arco de duración limitada en el aceite. Si estos elementos son acompañados de CO y CO2, este arco implica o compromete el aislamiento sólido. Si estos mismos elementos (C2H2; CH4 e H2) sin CO ni CO2 son acompañados de C2H6, C3H8, C2H4 y C3H6, significa descargas parciales fuertes o arcos en el aceite. Si además se observa CO, significa que las descargas se producen en un asilamiento sólido. Etileno (C2H4)
Si los productos de degradación contienen C2H4 (sin C2H2) se trata siempre de una degradación térmica. Si no hay CO2, en el punto caliente no interviene el asilamiento sólido. La temperatura de esta falla será superior o inferior a 500 oC según sea mayor la cantidad de C2H4 o de CH4 respectivamente, entre los productos detectados. En general están acompañados de H2, C2H6, C3H8 y C3H6. Cuando además de estos compuestos (H2, C2H6, C3H8 y C3H6) se constata la presencia de CO2 y eventualmente de CO la falla es en un punto caliente igual o superior a 130 oC. Mientras no alcance 300 oC la relación CO/CO2 permanece en el orden de 0.1; el dióxido de carbono (CO2) está siempre presente en mayor concentración.
Dióxido de Carbono (CO2)
En ausencia de C2H2 y del C2H4, el CO2, solo acompañado de un poco de CO o de CH4, es característico de un envejecimiento térmico normal del papel.
Cuando se observa un fuerte predominio del H2 y de hidrocarburos saturados como C2H6, C3H8 y C3H6, con una relación CO/CO2 superior a 0.1, se trata de pequeñas descargas parciales que erosionan por largo tiempo el aislamiento sólido.
Hidrógeno (H2)
La presencia de H2 (Hidrógeno), solo acompañado eventualmente de una cantidad de CH4 (Metano) es debida a descargas parciales, ya sea en el aislamiento, en la superficie libre de aceite, o bien, es la primera manifestación de una falla eléctrica más grave.
Compuestos del aire (O2, N2).
En el caso de fallas en el relé Buchholz, puede ser que el gas extraído de este contenga O2 y N2. Si la proporción O2, N2 es similar a la del aire, se puede tratar de una entrada de aire. Si la proporción de O2 es mucho menor que la del aire, esto puede ser debido a un punto caliente de temperatura superior a 100 oC en efecto, el coeficiente de solubilidad del N2 en los aceites minerales clásicos pasa por un máximo entre 80 – 100 oC.
En la tabla 1 se resumen los posibles diagnósticos a partir de los productos de degradación.
TABLA 1
Tabla de posibles diagnósticos a partir de los gases disueltos como resultado de la degradación.
Una vez obtenidas las concentraciones se utilizan varias técnicas para diagnosticar la condición del transformador: La gráfica de Dörnenburg, el triángulo de Duval, el método nomográfico, patrones de diagnóstico y las relaciones entre gases de Rogers. Las cuatro primeras, diagnostican basándose en una interpretación gráfica.
Para lograr un diagnóstico más preciso, se requiere de la utilización simultánea de las técnicas de análisis de gases disueltos y de descargas parciales.
Ambigüedad de ciertos diagnósticos.
La identificación de una falla con ayuda del análisis de los gases formados se da solo para un tipo de falla a la vez. Es frecuente que un transformador en servicio presente dos fallas simultáneas o simplemente una falla superpuesta al envejecimiento térmico normal. La incertidumbre no es siempre fácil de discernir pero puede ser utilizado un cierto número de criterios: en particular, el caso de una relación CO/CO2 > 0.1 debe ser siempre considerado como índice de descarga que compromete el aislamiento. Desgraciadamente se trata de una codificación necesaria pero no suficiente.
Una ambigüedad clásica proviene de la superposición de una pequeña falla térmica, un punto caliente del orden de 120 oC por ejemplo, y pequeñas descargas parciales en el aislamiento sólido, en este caso, hay C2H4 sin C2H2 y el diagnóstico que se da es "punto caliente en el aislamiento sólido" lo que es verdad pero ignora la existencia de descargas parciales en el asilamiento sólido. Si en este caso existe una relación CO/CO2 > 0.1 debe pensarse en la superposición de estos dos efectos, igualmente una relación C2H6/C2H4 > 1 es siempre índice de descarga parcial.
En resumen, se puede concluir que gracias a la presencia de C2H2 existe un arco eléctrico y que la presencia de una gran cantidad de monóxido de carbono, ampliamente superior a la de dióxido de carbono, hace pensar en un arco que compromete el aislamiento a base de celulosa. También puede tratarse, con frecuencia, de un arco en el aceite que atacan, al pasar, un barniz o una pintura.
TABLA 2
Tabla de concentraciones límites "seguras" en ppm de gases disueltos en aceite.
El medidor portátil de gases disueltos, te muestra las concentraciones calculadas; te brinda la posibilidad de ver los límites que tiene preestablecidos según el criterio utilizado por el fabricante y da acceso a las técnicas adicionales para el diagnóstico (Figura 1).
Figura 1. Ejemplo de muestra de los resultados y de los límites de las concentraciones del Transport X
Una vez realizado el análisis con el Transport X se utilizan varias técnicas adicionales para diagnosticar la condición del transformador: Triángulo de Duval [7] y Patrones de Diagnóstico, que utilizan las concentraciones individuales y Método de Dörnenburg [8] y Rogers [9], que utilizan las relaciones entre gases [(C2H2/C2H4); (CH4/H2); (C2H2/C2H6) y CO2/CO)].
El Equipo brinda cuatro posibilidades de diagnósticos adicionales (Figura 2): Key Gas, que según la norma IEEE C-57-104-1991 selecciona el gas principal y muestra -según su contenido- el diagnóstico; Relaciones de Rogers, también basado en la norma IEEE C-57-104-1991, que brinda las Relaciones entre gases [CH4/CH2 (R1); C2H2/C2H4 (R2); C2H4/C2H6 (R5); C2H6/CH4 y CO2/CO] e indica el caso Rogers seleccionado con su correspondiente diagnóstico; Triángulo de Michel Duval, que muestra el Triangulo con su zonas predeterminadas ubicando en el diagnóstico del transformador y ETRA (Asociación de Investigaciones Tecnológicas de Japón), que a través de dos algoritmos te facilita el patrón de gas [compara el patrón medido con uno similar de la herramienta y brinda entonces el diagnóstico] y muestra dos diagramas de diagnóstico [A: (C2H2/C2H4 vs C2H4/C2H6) y B: (C2H2/C2H6 vs C2H4/C2H6)], ubicando en ellos la condición del transformador.
Figura 2. Ejemplo de las herramientas de análisis del Transport X para el diagnóstico del transformador
La Figura 3 muestra ejemplos de las cuatro posibilidades de diagnósticos adicionales que brinda el medidor portátil de gases disueltos Transport X.
Figura 3. Ejemplos prácticos de las cuatro posibilidades de diagnósticos adicionales.
La Figura 4 muestra un ejemplo de cómo imprime los resultados el equipo de medición.
Figura 4. Ejemplo de cómo muestra los resultados el Transport X.
Finalmente, el equipo trae un software asociado: "Perception", al que se le pueden introducir los datos desde el equipo de medición, a través de una interfase con puerto USB. Este programa, hace un análisis completo a partir de las concentraciones de gases encontradas y da seguimiento a los incrementos de gases disueltos en las diferentes pruebas realizadas en determinados períodos de tiempo.
Finalmente brinda el diagnóstico y hace recomendaciones de cómo proceder.
Figura 5. Ejemplo del informe de diagnostico brindado por el software "Perception".
Conclusiones
El análisis de la presencia y concentración de gases generados depende del tipo; localización y temperatura de la falla, solubilidad y grado de saturación de los diferentes gases en el aceite; el sistema de preservación del aceite; el tipo y relación de circulación del aceite; de los diferentes materiales que se encuentran involucrados en el proceso de degradación y de los procedimientos de muestreo y medición [10] por lo que los procedimientos de análisis de gases tienen una lógica difícil, de ahí que se recomiende un segundo análisis en diferentes puntos del transformador para confirmar el diagnóstico.
La principal desventaja de las técnicas de diagnóstico que utilizan el análisis de gases disueltos en el aceite es la necesidad de que la falla esté activa durante algún tiempo para permitir que los gases generados sean detectados, debido al volumen de aceite que está involucrado.
Referencias
[1] C. Bengtsson, "Status and trends in transformers monitoring", IEEE Transactions on power delivery, vol .II, no. 4, Julio 1966.
[2] Jorge J. Montané; Santiago A. Dorrbercker; Dennis Arce; Orestes Hernández "Estado actual del diagnóstico de transformadores de potencia en las centrales eléctricas cubanas"; APLICACIONES INDUSTRIALES. Ingeniería energética, vol. XXXII, no. 1/2011 Enero – Marzo ISSN 1815 – 5901
[3] A. Setayeshmehr, A. Akbari, H. Borsi, E. Gockenbach. "On-line Monitoring and Diagnoses of Power Transformer Bushings". IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2006, no. 1, pp. 608-615.
[4] S. D. Myers, J. J. Kelly y R. H. Parrish "A guide to transformer maintenance" S.D. Myers Inc. Akron, Ohio, 1981.
[5] Compendio bibliográfico "Curso de Homologación para operadores de subestaciones de 220 kv" ENUNE, Mayo 2010, pp. 94-97.
[6] IEEE C57, "IEEE guide for the interpretation of gases generated in oil-immersed transformers, 1991.
[7] M. Duval "Fault gases formed in oil-filled breathing EHV power transformers. The interpretation of gas analysis data". IEEE-PES, Conference paper C74 476-8, 1974.
[8] E. Dörnenburg, O. E. Gerber, "Analysis of dissolved and free gases for monitoring performance of oil-filled transformers". Brown Boveri review, vol. 54, no. 213, 1967.
[9] R. R. Rogers, "IEEE and IEC codes tom interpret incipient faults in transformers, using gas in oil analysis", IEEE transactions, EL. 13 no. 5, 1978.
[10] R. Liñán, R. Álvarez, L. Jiménez, F. A. Contreras y A. Núñez, "Monitoreo y diagnóstico en línea de transformadores de potencia". Artículos técnicos, Boletín iee, Julio/Agosto de 1997 pp. 192-203.
Autor:
Gustavo Crespo Sánchez
Especialista "A" en Subestaciones Eléctricas en la Empresa de Construcciones de la Industria Eléctrica (E.C.I.E.). Graduado en Ingeniería Eléctrica en la Universidad Central de Las Villas en 1984. Se recibió en la misma Universidad como Máster en Ciencias en Ingeniería Eléctrica Mención Sistemas Eléctricos de Potencia, en el 2005. Profesor Auxiliar del Ministerio de Educación Superior y Profesor Principal de la Escuela Nacional de Capacitación de la Unión Eléctrica. Especialista en: Diagnóstico de Transformadores de Potencia en servicio (Termografía Infrarroja; Descargas Parciales y Análisis de Gases Disueltos en Aceites).
