Aceite Aislante 395j6y

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Análisis e Interpretación de Gases en Aceite de Transformador por Medio de Cromatografía

Facilitador: Angélica María Rosales Juárez La diferencia entre lo que hacemos y somos capaces de hacer, resolvería la mayoría de los problemas del mundo. Mahatma Gandhi

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Objetivo General Este curso taller tiene como objetivo proporcionar conocimientos básicos sobre los aceites aislantes y la interpretación de los resultados de cromatografía de gases disueltos en el aceite, con el fin de que puedan diagnosticar por si mismos, el estado y comportamiento de Transformadores de potencia, para prevenir el desarrollo de fallas incipientes.

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Objetivos Específicos  Dar a conocer características de los aceites y demás fluidos aislantes  Mostrar la técnica adecuada para muestreo de aceites aislantes en un transformador  Dar a conocer la teoría básica de cromatografía de gases y su aplicación en diagnóstico de transformadores

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 El Transformador es una Maquina Eléctrica que se basa en el Principio de Inducción Electromagnética, Transfiere Potencia Eléctrica de un Devanado a otro estando Aislados Eléctricamente entre sí, pero unidos por medio del Campo Magnético. En este proceso se modifican la Tensión Eléctrica y la Corriente manteniendo constantes la Frecuencia y la Impedancia y para entender su Funcionamiento requerimos recordar ciertas Leyes Físicas.

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Aceite aislante Se utiliza como aislamiento y medio de enfriamiento de equipos como transformadores de potencia, reactores de potencia, transformadores de instrumento y de servicios propios confinados en espacios cerrados que evitan su fuga al medio ambiente. A las temperaturas de operación de los equipos el aceite tiene una temperatura muy inferior a la de su punto de inflamación. Durante su vida útil el aceite aislante puede requerir de tratamientos como filtrado, deshidratación, desgasificación y reducción del grado de acidez para mantener sus características requeridas.

Funciones del aceite dieléctrico CENAC Celaya Calaya

El aceite dieléctrico cumple con las siguientes funciones: Aislante Medio de transferencia de calor Protector del papel Herramienta de diagnóstico El aceite está expuesto a:

Esfuerzos: Eléctricos Térmicos Mecánicos  Humedad en el papel y gases (O2, N2) presentes en el

transformador:

Esto provoca que la celulosa y el aceite se degraden provocando la formación de gases en el transformador

Química del aceite CENAC Celaya Calaya

El aceite de transformador está formado por moléculas de hidrocarburos (átomos de Hidrógeno y Carbono) enlazadas químicamente (C-H; C-C). Los aceites comúnmente utilizados en transformadores son: Parafínicos: Hidrocarburos saturados de cadena abierta. No poseen enlaces dobles ni triples ni cíclicos. Nafténicos: Tienen cadenas cerradas de 3,4,5,6,7 y 8 átomos de carbono saturados o no saturados.

Química del aceite CENAC Celaya Calaya

Hidrocarburo parafínico:

H

H

H

H

H

C

C

C

C

H

H

H

C

H

H+ H

La cadena de hidrocarburos se rompe formando radicales libres

H

CH3+

CH3+

CH2+ CH+ H+

Química del aceite CENAC Celaya Calaya

Estos radicales se recombinan formando los gases que indican fallas en el transformador H+ H+ = H2 H+ CH3 = CH4

CH+ CH + = C2H2 CH2+ CH2 + = C2H4 CH3+ CH3 + = C2H6

Hidrógeno Metano

Acetileno Etileno Etano

Estos compuestos se forman sin presencia de Oxígeno

Química del aceite CENAC Celaya Calaya

En presencia de Oxígeno (O2) se pueden formar ácidos, alcoholes, aldehídos, cetonas, peróxidos y epóxicos H2 + O2 CH4 + O2 2C2H2 + 2H2O

H2O + O CH2O CH3CHOCH3

Agua Formaldehído Acetona

C2H4 + O2

CH3COOH

Ácido acético

C2H6 + O2

CH3CH2OH

Etanol

Estos compuestos atacan a la celulosa y contribuyen a la formación de lodos

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Evaluación del aceite aislante •Evaluación del aceite mediante pruebas • Físicas • Químicas • Dieléctricas

Pruebas Del Laboratorio a Los Aceites Aislantes CENAC Celaya Calaya

DETERMINACION DE COLOR La determinación de color es una prueba sencilla pero importante, el aceite se pone en un recipiente pequeño de vidrio dentro del calorímetro y se compara con los vidrios de color, para aceites nuevos el valor máximo. Es de 0.5

Pruebas Del Laboratorio a Los Aceites Aislantes CENAC Celaya Calaya

Apariencia Visual Es la prueba más sencilla, pero es de gran utilidad ya que determina el estado de un aceite. El

aceite debe ser, transparente, brillante, libre de sedimentos y sólidos en suspensión.

Pruebas Del Laboratorio a Los Aceites Aislantes CENAC Celaya Calaya

Pruebas Del Laboratorio a Los Aceites Aislantes CENAC Celaya Calaya

La densidad relativa se define como la relación del peso de un volumen dado de una sustancia, al peso de un volumen igual de agua, la densidad varia con la temperatura de tal modo que al realizar esta prueba se debe corregir a 20/4ºC por medio de una tabla . Se utiliza un densímetro de vidrio para líquidos ligeros con graduación interna

Pruebas Del Laboratorio a Los Aceites Aislantes CENAC Celaya Calaya

LABORATORIO El factor de potencia es una prueba para evaluar la perdidas dieléctricas en el aceite. Un requisito que debe cumplir un buen aceite es la ausencia de agua y de otros contaminantes para evitar su degradación y la falta de aislamiento la prueba en laboratorio se realiza a 25º y 100 ºC.

Pruebas Del Laboratorio a Los Aceites Aislantes CENAC Celaya Calaya

La celda de prueba debe estar completamente limpia. Cuando los líquidos aislantes son calentados a temperaturas elevadas algunas de sus características experimentan cambios los cuales pueden ser reflejados en las mediciones de perdidas.

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RIGIDEZ DIELECTRICA Por definición la ruptura dieléctrica de un aceite aislante, es una medida de su habilidad para soportar un esfuerzo eléctrico. Nos permite conocer la resistencia dieléctrica momentánea de un aceite al paso de la corriente al aplicarle un voltaje, además de la presencia de agua libre, polvo, lodos o cualquier partícula conductora presente en la muestra.

Pruebas Del Laboratorio a Los Aceites Aislantes CENAC Celaya Calaya

RIGIDEZ DIELECTRICA El equipo que se utiliza para este método consta de una copa de prueba que tiene dos electrodos planos en forma de disco que se separan 2.5mm con las caras perfectamente paralelas.

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● Determinación del contenido de gases disueltos: • Procedimiento: Toma de muestra del aceite inyección

 cromatograma diagnóstico Norma: •NMX-J-308 ANCE



al cromatógrafo interpretación 

Análisis Cromatográficos De Gases Al Aceite Aislante CENAC Celaya Calaya

Toma de muestra

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 La toma de muestra, es parte del proceso de diagnóstico de fallas, por eso se considera muy importante.  Muestreo: Acción de escoger muestras representativas de la calidad o condiciones medias de un todo.

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Toma De Muestra •Condiciones ambientales

•Material necesario •Impacto ambiental

•Identificación de la muestra. •Almacenaje

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Condiciones ambientales

Una muestra debe tomarse cuando la humedad, relativa no sea mayor de 70%, excepto en condiciones extraordinarias. Deberán registrarse la humedad relativa y la temperatura ambiente como parte del proceso de muestreo.

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•Material necesario

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Identificación De La Muestra

VRU T-1 bucholtz 12-sep-2005

•Los datos de la muestra se anexan en el formato de muestreo las etiquetas deben ser sencillas y claras con esta información es suficiente. •La etiqueta se debe colocar atada con un hilo delgado a la parte no esmerilada del émbolo. •Se debe evitar etiquetar con cinta maskin tape, o cubrir la graduación de la camisa de la jeringa.

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Impacto ambiental La PROFEPA, es el organismo público que regula el impacto ambiental y sanciona a los infractores. El derrame de aceite dieléctrico implica una infracción a la ley, que considera como una contaminación del subsuelo por hidrocarburos. Para evitar el derrame es indispensable contar con el material necesario y capacitación adecuada.

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Transporte adecuado  Transporte  Empaque  Condiciones Que “Alteran” Valores En El Análisis.

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La muestra debe estar protegida del calor y la humedad. Al transportarse debe colocarse en un lugar adecuado para evitar movimientos bruscos.

Preferentemente empacada con hule espuma o plástico burbuja esto reduce el riesgo de pérdida de la muestra por jeringas rotas.

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 El pivote metálico donde se une la válvula con la jeringa se despega fácilmente y se pierde la muestra.

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Las válvulas deben hacer un sello hermético, de lo contrario debe cambiarse. El pivote métalico debe estar sellado con la jeringa, se puede usar un pegamento a base de silicón. La jeringa se debe limpiar con un paño seco para retirar los residuos de aceite.

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Jeringa de plástico Los gases se pierden El émbolo se expande con el calor

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Almacenaje En El Laboratorio

las muestras se etiquetan y se almacenan en un lugar fresco y seco 18-24°C y a una humedad relativa menor al 75%

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Laboratorio de Aceites Aislantes División Oriente

Las Jeringas Después de analizadas las muestras, las jeringas se lavan con un detergente de pH neutro, se enjuagan con agua destilada, si se secan en estufa se les pone acetona, se calientan a 80°C por 20 min

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Paso 4

Jeringa

Válvula de tres vías A la válvula de muestreo del transformador

Paso 1

Paso 3

50 ml Paso 2

Deposito

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Cromatografía de Gases

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Cromatografía de gases

La cromatografía de gases, es una técnica aplicada para la detección de fallas en los transformadores por análisis de gases disueltos en aceite.

Con la cromatografía se puede deducir el tipo y severidad de la falla del transformador, esto de acuerdo a la composición y velocidad de generación de los gases.

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Los principales materiales que constituyen el sistema de aislamiento de transformadores son esencialmente: aceite, papel y cartón. Cuando estos componentes del aislamiento en pequeñas cantidades reaccionan químicamente como consecuencia del calentamiento u otras condiciones dentro del transformador como es la presencia de agua, oxigeno, etc, originan otros productos algunos de los cuales son gases y debido a su menor densidad que el aceite tienden a desplazarse al nivel superior del mismo. El calentamiento anormal en un transformador, puede ser ocasionado por algunas de las siguientes fallas: • Corona o descarga parcial • Pirolisis • Arqueo

CFE

Una empresa de clase mundial CENAC Celaya Calaya

Cada una de las posibles condiciones de falla, disipan cantidades de energía en niveles muy diferentes entre sí: E arco > E pirolisis > E corona Esta energía causa la degradación de los materiales de aislamiento que son celulosa y aceite, ya que están involucrados diferentes niveles de energía en cada uno de los procesos, esto significa que se generan diferentes productos en cada uno de ellos como consecuencia del deterioro del aislamiento. El aceite está formado por una gran variedad de compuestos cuyas moléculas difieren en el número de átomos de carbono.

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CROMATOGRAFIA DE GASES

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 La cromatografía es una técnica de la química analítica que sirve para la separación de mezclas de compuesto.  Consiste en el paso de un fluído llamado fase móvil, sobre un material fijo llamada fase estacionaria.  La fase móvil puede ser un líquido o un gas y la fase estacionaria puede ser un sólido o un líquido.

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Proceso

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 Para realizar un diagnóstico, se debe contar con un equipo de prueba adecuado, en el mercado existen varios en los que se puede instalar el método TOGAS (Transformer Oil Gas Analist Sistem), innovando cada día para mejorar dichos equipos.

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Sistema desgasificador (se utiliza para inyección en fase gaseosa para HP)

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Equipos (se utiliza inyección en fase gaseosa)

Equipo Morgan Schaffer. La desgasificación se hace por agitación manual

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Equipos (se utiliza inyección en fase líquida)

SHIMATSU

Espectrómetro fotoacústico

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Head space

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Detección de fallas en el transformador

TÉCNICA DE CROMATOGRAFÍA DE GASES DETECCIÓN DE LOS PRINCIPALES GASES: Hidrógeno (H2)

Etileno (C2H4)

Oxígeno (O2)

Etano (C2H6)

Nitrógeno (N2)

Acetileno (C2H2)

Metano (CH4) Monóxido de carbono (CO) Bióxido de carbono (CO2)

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Objetivos del Análisis de los gases



Proveer los medios necesarios para determinar si existe o no alguna falla en un transformador



Evidenciar la existencia de falla en un transformador



Prevenir interrupciones en el suministro eléctrico



Reducir el riesgo de daño en el equipo, al personal y a la empresa

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Tipos de falla

Los esfuerzos eléctricos, térmicos y mecánicos generan gases y su tasa de formación depende de la energía de la falla:

•Descarga parcial, corona, arqueos •Calentamiento térmico  puntos calientes (≈500 °C sin carbonizar el papel)  sobrecalentamiento general (Sin puntos calientes)

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Los límites máximos de gases establecidos para indicar un comportamiento normal son los siguientes:

Gas

H2

CH4

C2H6

C2H4

C2H2

CO

CO2

Limite

200

50

2

60

15

1000

11000

La alteración de la concentración de cualquiera de los siete gases, es motivo de análisis.

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Origen de los gases combustibles

1) Celulosa 

Sobrecalentamiento (> 140°C):  Monóxido de Carbono (CO)  Dióxido de Carbono (CO2)  Agua (H2O)



Pirólisis (calentado hasta destrucción >250 °C) :  CO se formará cuatro veces más que CO2

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Origen de los gases combustibles

2) Aceite de transformador Aceite sobrecalentado     



Etileno (C2H4) 500°C Etano (C2H6) Metano (CH4) Dióxido de Carbono (CO2) 400°C 200°C Agua (H2O)

Pirólisis del aceite (>500ºC)    

Hidrógeno (H2) Acetileno (C2H2) Metano (CH4) Etileno (C2H4)

60-80% 10-25% 1.5-3.5% 1-2.9%

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PRUEBAS AL SISTEMA AISLANTE Métodos de interpretación del análisis de gases: • Total de gases combustibles disueltos (TGCD) • Método de Dornenburg • Método de Rogers

• Método de la C.S.U.S. • Triangulo de Duval

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Total de gases combustibles disueltos (TGCD)

Basado en las concentraciones de gases combustibles: CONDICIÓN

H2

CH4

C2 H2

C2 H4

C2 H6

CO

UNO DOS TRES

100 101-700 701-1,800

120 121-400 401-1,000

35 36-50 51-80

50 51-100 101-200

65 66-100 101-150

350 351-570 571-1400

CUATRO

> 1,800

>1,000

>80

>200

>150

> 1400

CO2

TDCG

2500 720 2,500-4,000 721-1,920 4,001-10,000 1,921-4,630 > 10,000

IEEE Std. C57-104-2008

Condiciones: uno: Operación satisfactoria dos: Concentración de gases combustibles excede niveles normales tres: Alto nivel de degradación (posible falla) cuatro: Degradación excesiva (falla inevitable)

> 4630

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Interpretación del análisis a través del TGCD  Sobrecalentamiento del aceite:  Etileno  Etano  Metano

 Esfuerzos eléctricos (DP, Arqueo):  Hidrógeno  Acetileno  Metano  Etileno

 Daño a la celulosa:  Monóxido de Carbono  Dióxido de Carbono

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Metodología de diagnóstico

Detección de fallas por cromatografía de gases:

• Método de Dornenburg: Consiste en relacionar las concentraciones de los gases metano/hidrógeno y acetileno/etileno. La interacción de dichos valores en la gráfica de Dornenburg indica la falla que esta ocurriendo en el transformador

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Metodología de diagnóstico

Gráfica de Dornenburg:

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Metodología de diagnóstico

Detección de fallas por cromatografía de gases: • Método de Rogers: Consiste en las relaciones de los cinco gases primarios de la descomposición del aceite, según sea el tipo de falla. Las relaciones son las siguientes.

Metano/hidrógeno etano/metano etano/etileno acetileno/etileno El método asigna un código a cada relación, que depende del valor de cada uno y para cada juego de códigos, se da una determinada condición del transformador

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Metodología de diagnóstico

Diagnóstico de fallas basado en el código de Rogers:

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Metodología de diagnóstico Código del método de Rogers:

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Metodología de diagnóstico

Detección de fallas por cromatografía de gases:

• Método de la C.S.U.S. Este método agrupa las fallas de transformadores en cuatro grupos diferentes: Corona, arqueo, chisporroteo y sobrecalentamiento

Incluye lo que consideran niveles normales y anormales de la cantidad de cada gas en el aceite

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Metodología de diagnóstico

Guía para la interpretación de la C.S.U.S.

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COCIENTE DE GAS

CH4 H2

CÓDIGO

CH4 H2

C2H6 CH4

C2H4 C2H6

C2H2 C2H4

<0.1 0.1<1.0 1.0<3.0 ≥ 3.0

5 0 1 2

0 5 1ó2 1ó2

0 0 1 1

0 0 0 0

0 0 0 0

DETERIORO NORMAL DESCARGA PARCIAL SOBRECALENTAMIENTO MENOR A 150°c SOBRECALENTAMIENTO DE 150 A 200°C

≥

<1.0 1.0

0 1

0 0

1 0

0 1

0 0

SOBRECALENTAMIENTO DE 200 A 300°C CALENTAMIENTO GENERAL A CONDUCTORES

CORRIENTES CIRCULANTES EN EL DEVANADO CORRIENTES CIRCULANTES EN EL NÚCLEO Y TANQUE DESCARGA NO SOSTENIDA

INTERVALO

≥ ≥

C2H6 CH4

C2H4 C2H6

≥

<1.0 1.0<3.0 ≥ 3.0

0 1 2

1 1 0

0 0 0

1 2 0

0 0 1

C2H2 C2H4

≥

<0.5 0.5<3.0 ≥ 3.0

0 1 2

0 0 5

0 0 0

1ó2 2 0

1ó2 2 1ó2

DIAGNÓSTICO

ARQUEO SOSTENIDO CENTELLEO CONTINUO DESCARGA PARCIAL CON DESCARGA SUPERFICIAL

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Forma de aplicar los métodos de interpretación del análisis de gases: • Suponga que después de enviar a analizar una muestra de aceite, los resultados de laboratorio son los siguientes:

Gas

H2

CH4

C2H6

C2H4

C2H2

CO

CO2

Limite

33

201

190

320

17

282

1662

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Método de Dornenburg:

CH4 / H2 = 201 / 33 = 6.09 C2H2 / C2H4 = 17 / 320 = 0.053

Problema Térmico

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Método de Duval:

1o. Calcular: CH4+C2H4+C2H2 201 + 320 + 17 = 538 = suma 2o. Calcular: CH4 / Suma 201 / 538 = 0.3736 = 37.36 %

ZONA e

3o. Calcular: C2H4 / Suma 320 / 538 = 0.5947 = 59.47 %

2o. Calcular: C2H2 / Suma 17 / 538 = 0.0315 = 3.15 %

Calentamiento 200° < T < 400° C

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Método de Rogers COCIENTE DE GAS

INTERVALO

CÓDIGO

CH4 H2

C2H6 CH4

C2H4 C2H6

C2H2 C2H4

CH4 H2

<0.1 ≥0.1<1.0 ≥1.0<3.0 >3.0

5 0 1 2

0 5 1ó2 1ó2

0 0 1 1

0 0 0 0

0 0 0 0

DETERIORO NORMAL DESCARGA PARCIAL SOBRECALENTAMIENTO MENOR A 150°c SOBRECALENTAMIENTO DE 150 A 200°C

<1.0 1.0

0 1

0 0

1 0

0 1

0 0

SOBRECALENTAMIENTO DE 200 A 300°C CALENTAMIENTO GENERAL A CONDUCTORES

CORRIENTES CIRCULANTES EN EL DEVANADO CORRIENTES CIRCULANTES EN EL NÚCLEO Y TANQUE DESCARGA NO SOSTENIDA

≤≥ C2H6 CH4

≥

C2H4 C2H6

≥

<1.0 1.0<3.0 >3.0

0 1 2

1 1 0

0 0 0

1 2 0

0 0 1

C2H2 C2H4

≥

<0.5 0.5<3.0 ≥ 3.0

0 1 2

0 0 5

0 0 0

1ó2 2 0

1ó2 2 1ó2

DIAGNÓSTICO

ARQUEO SOSTENIDO CENTELLEO CONTINUO DESCARGA PARCIAL CON DESCARGA SUPERFICIAL

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Gas

H2

CH4

C2H6

C2H4

C2H2

CO

CO2

Limite

33

201

190

320

17

282

1662

CH4 = 201 = 6.09 = 6 H2 33

C2H4 = 320 = 1.68 = 2 C2H6 190

C2H6 = 190 = 0.9= 1 CH4 201

C2H2 = 17 = 0.053 C2H4 320

SERIE:

6, 1, 2, 0

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SERIE: 6, 1, 2, 0

CODIGO: 2, 1, 1, 0

COCIENTE DE GAS

INTERVALO

CÓDIGO

CH4 H2

C2H6 CH4

C2H4 C2H6

C2H2 C2H4

CH4 H2

<0.1 ≥0.1<1.0 ≥ 1.0<3.0 ≥ 3.0

5 0 1 2

0 5 1ó2 1ó2

0 0 1 1

0 0 0 0

0 0 0 0

DETERIORO NORMAL DESCARGA PARCIAL SOBRECALENTAMIENTO MENOR A 150°c SOBRECALENTAMIENTO DE 150 A 200°C

0 1

0 0

1 0

0 1

0 0

SOBRECALENTAMIENTO DE 200 A 300°C CALENTAMIENTO GENERAL A CONDUCTORES

0 1 2

1 1 0

0 0 0

1 2 0

0 0 1

CORRIENTES CIRCULANTES EN EL DEVANADO CORRIENTES CIRCULANTES EN EL NÚCLEO Y TANQUE DESCARGA NO SOSTENIDA

0 1 2

0 0 5

0 0 0

1ó2 2 0

1ó2 2 1ó2

DIAGNÓSTICO

2 C2H6 CH4

<1.0 ≥ 1.0

1 C2H4 C2H6

<1.0 ≥ 1.0<3.0 ≥ 3.0

1 C2H2 C2H4

<0.5 ≥ 0.5<3.0 ≥ 3.0

0

ARQUEO SOSTENIDO CENTELLEO CONTINUO DESCARGA PARCIAL CON DESCARGA SUPERFICIAL

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CO2 / CO, DEBE DE SER MAYOR A 7, UN INCREMENTO DE CO SIGNIFICA DAÑO EN PAPEL: CO2/CO=5.89

Pirólisis

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Diagnostico:

Método de Dornenburg: Térmico

Método de Duval:

Calentamiento 200° < T < 400°C

Método de Rogers:

Calentamiento

Nomograma:

Pirólisis (Calentamiento)

Problema Térmico