Mis reservas sobre las normas actuales y procedimientos para determinar la duración de vida de un Transformador

Un gran número de combinaciones de propiedades y mecanismos de envejecimiento podrían servir para explicar el modo de deterioro del sistema de aislamiento del que forman parte los transformadores.

En el caso del envejecimiento químico, se supone que existe una reacción importante y una correspondencia univoca entre los aislantes y sus propiedades mecánicas, P. El deterioro de estas propiedades puede expresarse por una función de envejecimiento F(P) expresada por la relación siguiente: F(P) = kt

Donde t es el tiempo, y k es la constante de la tasa de reacción de la reacción química involucrada, sea:

siendo T la temperatura absoluta.

Cuando las propiedades en estudio lleguen a un valor límite P = Plim, se habrá alcanzado el final de la vida del transformador. La duración de vida viene en tal caso definida por:

Montsinger estableció empíricamente una fórmula parecida:

Donde p es una constante y θ es la temperatura en grados Celsius.

Estas expresiones de la duración de vida están asociadas a una propiedad específica del material asumiendo un valor límite y condiciones experimentales precisas. La constante de la tasa de reacción es la de la reacción química básica. Sin embargo, se ha demostrado experimentalmente que las constantes p y B dependen de las características de aislamiento, lo que significa que el aumento de temperatura necesario para duplicar la velocidad de envejecimiento depende también de estas características.

Otra constatación experimental indica que las propiedades mecánicas de los aislantes se alteran a ritmos diferentes. Por ejemplo, un papel donde el DP (grado de polimerización) se sitúa entre 200 y 300 puede tener una resistencia a la tracción residual de 40 a 60% pero una resistencia residual a la perforación de 15 a 25%.

La fórmula de Arrenius-Dakin corresponde a los resultados obtenidos en condiciones experimentales definidas. Sin embargo, la velocidad de la reacción química que modifica las propiedades mecánicas dependen fuertemente del medio ambiente de los materiales en reacción. Una concentración en oxígeno y un contenido en agua más elevados como la presencia de productos favorecerían el destrucción, aumentando la velocidad de reacción. Las opiniones difieren en cuanto a la influencia de estos factores sobre la velocidad de descomposición de la celulosa. Existen informes que indican, para un número dado de escisión de la molécula de la celulosa, la velocidad de reacción es proporcional al contenido en agua y esta es aproximadamente tres veces mayor en un medio rico en oxígeno que en un medio pobre en oxígeno.

Si las condiciones ambientales no son conocidas, la evaluación de la tasa de reacción puede ser errónea en un factor de tres o cuatro. Si la temperatura del papel no se mide y solamente es evaluada por medios o métodos imprecisos, por ejemplo los descritos en las normas existentes, se introduce en tal caso un error suplementario que eleva la tasa de reacción (y la duración de vida) al orden del doble.

Las características químicas medioambientales en que se encuentran los aislantes son difíciles de determinar en todo caso. Las ecuaciones que determinan la duración de vida con la temperatura son de utilidad muy limitada para poder evaluar la duración de vida de los aislantes. Por el contrario, esto no significa que la temperatura no sea importante. 

No existen otras fórmulas generalmente aceptadas para describir el deterioro de un aislante causado por otras circunstancias. Sin embargo, ha habido tentativas realizadas sobre modelos reducidos para relacionar el envejecimiento térmico del papel con el número y gravedad de los esfuerzos axiales y de compresión que conducen a una avería. Estos experimentos mostraron que el número de averías mecánicas disminuían con niveles elevados de estrés y con envejecimiento térmico muy avanzado.

Guías de carga y ensayos funcionales de duración de vida en transformadores

Las guías de carga de los transformadores se muestran teniendo en cuenta el corto y el largo plazo.

En el corto plazo se tiene en cuenta el fallo inmediato a temperaturas elevadas debido a la generación de gas asociada a la temperatura máxima admisible del punto más caliente.

Desde el punto de vista del largo plazo, las guías describen el envejecimiento de los materiales y el deterioro de las propiedades mecánicas del papel aislante después de un periodo de calentamiento prolongado. El escenario sería el siguiente: a corto plazo, el papel se degrada convirtiéndose muy vulnerable a las solicitaciones mecánicas y, finalmente, se encuentra en un estado tal que incluso una fuerza mecánica muy pequeña provocaría el fallo dieléctrico.

Se pueden hacer varias objeciones a esta teoría. En primer lugar, esta se fundamenta en las propiedades del papel y supone que el fallo está directamente asociado a las propiedades mecánicas del papel. Esto a veces puede ser verdad, pero no en todos los casos. Existen otros modos de fallo y otros mecanismos de envejecimiento, tales como la contaminación, la penetración de humedad, los cortocircuitos, las sobretensiones y otras que además afectan también a otros materiales. En segundo lugar, la rigidez dieléctrica, habitualmente no se reduce de manera significativa en el papel que presenta un cierto envejecimiento. Por último, incluso si el deterioro del papel es importante, las capas de papel que envuelven los conductores están expuestas a temperaturas y concentraciones de oxígeno y humedad diferentes, por lo que todas las capas no sufrirán el mismo grado de deterioro. De hecho, las capas del papel menos degradadas pueden afianzar a las que están más afectadas.

Se considera en los cálculos, que el envejecimiento y la duración de vida esperada se determina sólo a partir de la temperatura del punto más caliente del devanado. Las guías ANSI se sirven de la fórmula de Arrenius-Dakin basadas en la resistencia a la tracción y de un criterio de fin de vida definido por una reducción del 50% de la resistencia inicial. En virtud de esta fórmula, la duración de vida normal es de 65 000 horas (7,4 años) para una temperatura del punto más caliente de 110 ºC. La guía CEI no da valor para la duración de vida esperada, pero indica que una temperatura de referencia de 98 ºC para el punto más caliente en contacto con la celulosa deberá permitir una vida “normal”. El aumento de temperatura entraña la duplicación de la velocidad de deterioro y lo fija en 6 K. Nuevamente, este valor está basado en una resistencia a la tracción del 50 % del valor inicial.

Las guías de carga presuponen que el papel se va a destruir en el punto más caliente. Sin embargo, parece más lógico que se destruya en el punto más vulnerable, el cual no tiene porque ser necesariamente el punto más caliente, ya que las tensiones mecánicas que se ejercen a lo largo de los bobinados varían de un punto a otro.

La resistencia a la tracción ha sido elegida más o menos arbitrariamente como propiedad “de referencia”. Otras propiedades decrecen a ritmos diferentes.

El criterio de fin de vida ha sido igualmente elegido de manera más o menos arbitraria, y la definición de fin de vida establecido sobre un porcentaje del valor inicial, puede penalizar a los materiales que posean valores de resistencia inicial elevados, pero que su velocidad de deterioro sea superior  la media. Por otra parte, por esta razón,  la fórmula de Arrenius-Dakin puede ser muy imprecisa para la determinación del envejecimiento del material aislante porque no tiene en cuenta la influencia del oxígeno y la humedad. La combinación de esta inexactitud y la incertidumbre en cuanto a la temperatura del punto más caliente puede falsear los resultados del cálculo de la tasa de envejecimiento (y duración de vida) e introducir un error correspondiente a una diferencia de temperatura de 10 a 20 K.

Con el fin de mejorar la fórmula de Arrenius-Dakin y aumentar las posibilidades de evaluación del deterioro del aislamiento, los factores A y B deberían, no ser constantes, sino más bien funciones del contenido en agua y de la concentración en oxígeno.