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jueves, 22 de diciembre de 2016

Efectos del contenido en agua en el aceite de Transformadores



Efecto de la humedad en el aceite.

Los aceites nuevos contienen cantidades muy pequeñas de humedad, pero tienen capacidad de absorción de agua cuya presencia no sólo es un peligro para que el aceite disminuya su rigidez dieléctrica, sino que también puede afectar a la de los restantes aislantes sumergidos.

Por otro lado, cuando el aceite se oxida aumenta la capacidad de disolución de humedad.

El aceite disolverá agua sólo hasta el límite de su solubilidad, que para un aceite nuevo es de 60 p.p.m, tendiendo a aumentar con la temperatura.

Si la cantidad de agua contaminante supera las 60 p.p.m. o si hay una liberación de agua por bajar la temperatura ésta puede quedar depositada en un área de campo eléctrico alto, pudiendo ocurrir un fallo en el transformador.

En la figura 1 podemos ver el efecto de la humedad en la rigidez dieléctrica en kV/cm.

Vemos que con contenidos inferiores a 5 p.p.m. la influencia es mínima.
  • Con 10 p.p.m. la rigidez baja un 35 % aproximadamente.
  • Con 40 p.p.m. la rigidez baja un 50 % aproximadamente.
(Fig. 1). Efecto de la humedad sobre la rigidez dieléctrica

Influencia de la humedad sobre el aislamiento.

Equilibrio de humedad en los sistemas papel-aceite-aire

Como hemos indicado, en un aceite aislante el agua puede estar presente de tres formas:
  • agua en disolución (moléculas de agua dispersas) 
  • fina emulsión (gotas en tamaños entre 0.1 y 10 mm.).
  • emulsión (que se presenta a concentraciones superiores a 200 p.p.m.).
La influencia de la humedad sobre las características del aislamiento papel-aceite implica una doble acción. Las características aislantes del papel se ven rápidamente influenciadas por el agua, produciéndose una disminución importante de la tensión de perforación y con aumento del factor de pérdidas dieléctricas (tg. d).

Con presencia de humedad la velocidad de degradación de la celulosa aumenta considerablemente con la temperatura. La degradación del papel nos la da el grado de polimerización. representativo de la longitud de la cadena del polímero.

En la tabla vemos esta influencia, siendo X e Y los tiempos de ensayo hasta encontrar un grado de polimerización del papel.


Estas consideraciones ponen de manifiesto la importancia de un correcto mantenimiento de los sistemas de protección contra la humedad.

La existencia del cartucho de silicagel no parece ser en la práctica todo lo efectivo que seriá de desear, pues en la cuba existe un cierto grado de humedad, implicando unos niveles de contaminación, tanto del aceite como del papel, consecuencias de un equilibrio entre las fases, aire-aceite-papel.


(Fig. 2). Presión de vapor en función de la H.R. del aire y del contenido en agua del aceite

La solubilidad del agua en el aceite es función de la temperatura y del estado del aceite así como de la naturaleza del mismo.

Cuanto más aromático es el aceite y más envejecido está, mayor es la solubilidad del agua, siendo el contenido en agua en equilibrio con el aire función de humedad relativa.

En las figuras anteriores podemos ver cómo para una humedad relativa del aire del 34%, el contenido de agua en el aceite es de 52 p.p.m. y la presión del vapor de agua disuelta es de 26 mm. Hg. (Figura 2).

Como el contenido en humedad del papel impregnado en aceite es función de la presión de vapor de agua en el aceite deducimos por la (Figura 3) que a 50º C. y con una presión de vapor de 26 mm. Hg. el contenido de agua del papel será de 5,2 %.


(Fig. 3). Humedad relativa  en el papel en función de la presión de vapor.


(Fig. 4). Evolución del equilibrio de humedad entre las fases aceite-papel.

La concentración de agua depende de la humedad relativa de la cámara de expansión y la cantidad de agua que penetra en el papel es sensiblemente la misma que penetra en el aceite. Los cambios de equilibrio cuando varia la ternperatura se establecen más rápidamente entre el papel y el aceite que entre el aceite y el aire. Cuando un transformador se pone fuera de servicio se observa un rápido incremento de la humedad en el papel a medida que disminuye la temperatura, disminuyendo por ello rápidamente el contenido de agua del aceite, es decir, que el papel absorbe agua secando el aceite.

Por otra parte, cuando el transformador se pone en servicio el contenido de agua en el papel es elevado y a medida que se incrementa la temperatura, el papel cede rápidamente parte del agua al aceite, pero como éste no intercambia con la atmósfera el agua a la misma velocidad se obtiene en el aceite un contenido de agua elevado (Figura 4).

Este fenómeno tiene importancia cuando los intervalos de parada y servicio son cortos y no da tiempo a alcanzarse los equilibrios correspondientes. De este modo se produce un incremento de la humedad en el papel y en el aceite como consecuencia de las diferentes velocidades de intercambio entre los dos sistemas.

Se reducen en este caso paulatinamente la capacidad aislante tanto del papel como del aceite, acelerándose las velocidades de degradación.

Efecto de la oxidación

El mayor problema del aceite de transforrnadores es su fácil oxidación con formación de lodos, ácidos y agua. Este deterioro se debe o es el resultado de la ruptura de las moléculas de hidrocarburos y es acelerada por la presencia de catalizadores como el cobre, el hierro y por la temperatura.

Con la oxidación del aceite se producen dos tipos de lodos. Uno es de naturaleza asfáltica y se deposita sobre las partes más calientes del núcleo y arrollamiento. Este tipo de lodos tiene poca influencia en la rigidez dieléctrica del aceite pero frena su circulación y por tanto la disipación del calor en la superficie donde se deposita.

El segundo tipo de lodos es de tipo jabonoso producido por la reacción de los ácidos orgánicos, producto de la oxidación, con los metales presentes en el transformador. Este tipo de lodos tiene gran afinidad por el agua y su presencia tiene un efecto considerablemente negativo en la rigidez dieléctrica del aceite. Este tipo de lodos se presenta en diferentes colores, desde el verde al marrón oscuro y se deposita principalmente alrededor de los conductos de aceite de los radiadores.

Puede disolverse en el aceite caliente depositándose en las zonas donde se va perdiendo temperatura. Disminuye el rendimiento de los equipos de refrigeración y aumenta considerablemente el valor de la tangente del ángulo de pérdidas.

Con la oxidación se producen ácidos orgánicos, los de peso molecular bajo son más volátiles y se condensan en las superficies metálicas de las cámaras de expansión causando la destrucción de pinturas y corrosión del metal.

Los ácidos de peso molecular alto atacan a los elementos sumergidos en el aceite. Fundamentalmente disminuyen la resistencia mecánica de los aislantes de celulosa.

Mecanismo de la oxidación.

Los aceites de transformadores, tanto derivados de crudos parafínicos como de nafténicos, son mezclas de hidrocarburos alifáticos, cicloalifáticos y aromáticos. Estas moléculas son susceptibles de reaccionar con el oxígeno a través de un mecanismo en cadena de radicales libres conocido como auto oxidación que comprende tres etapas: " INICIACION" - "PROPAGACION" - "TERMINACION".

La iniciación de la cadena de reacción se produce por la formación de un radical a partir de las moléculas de hidrocarburo (RH).

                 I   INICIACION:         2RH                               2R + H2

                II   PROPAGACION:  R + O2                         RO2

                III  TERMINACION:   R + R                            RR

                                                      RO2 + RO2.  ROH + RCOR + O2

Aunque se piensa que el oxígeno participa en esta reacción  I, no se consume. Si se consume en la etapa II, propagación.

Una vez formado el radical (R.) del hidrocarburo, reacciona con el oxígeno para producir radicales peróxido (RO2.) que son los verdaderos portadores de cadena en las reacciones de autoxidación.

Aunque pueden darse varios tipos de reacciones de propagación, el principal paso donde se consume oxígeno es en la formación de radicales peróxido, a partir del cual se forman todos los productos de oxidación.

Por  último los radicales pueden reaccionar produciendo moléculas no activas, desde el punto de vista de la oxidación, disminuyendo el número de radicales libres. Estas reacciones (III) constituyen la etapa de TERMINACION.

Sin embargo, los aceites minerales no se oxidan inmediatamente cuando se exponen a la acción del oxígeno, principalmente por la relativa lentitud de la reacción de INICIACION y por la presencia de moléculas capaces de "capturar" radicales libres. Estas moléculas se denominan INHIBIDORES (IH) y tanto si son naturales como artificiales, reaccionan con radicales alquilo (R.) o peróxido (RO2.) para formar radicales estables de inhibidor (I.) o especies no activas.

                                                - Inhibición: IH+RO2.                    I+RO2H

El radical del inhibidor es incapaz de continuar la cadena de reacción. Su formación es esencialmente un paso TERMINACION pues reduce el número de moléculas activas y reduce la velocidad de consumo de oxígeno.

Si el inhibidor es muy eficaz, su reacción con radicales activos es tan rápida que la velocidad de consumo de oxígeno es insignificante hasta que la concentración del inhibidor es prácticamente cero. Esto es, hay un tiempo de inhibición “PERIODO DE INDUCCION”, en el que sólo se forman pequeñas cantidades de productos de oxidación. Pasado este tiempo, tiene lugar la oxidación normal INICIACION – PROPAGACION, TERMINACION.

Durante la oxidación se nos van ha formar por evolución de los hidroperóxidos formados en las primeras etapas, especies químicas diversas como, ácidos carboxílicos - agua - sales - lodos - gases. etc. con los consiguientes problemas que hemos indicado.

El 2,6-ditercio-butil para-cresol (DBPC) y el 2,6-ditercio-butil fenol (DBP) son inhibidores de oxidación muy utilizados en aceites con contenido en oxigeno superior a los 1000 ppm y en aceites recuperados. Los métodos utilizados para detectar el contenido de estos compuestos (DBPC) y (DBP) en aceite, son los indicados en la norma ASTM D 2668 el cual utiliza un espectrofotómetro infrarrojo y la norma ASTM D 4768 que utiliza la cromatografía de gases.

Los resultados de ambos métodos son similares, el contenido de inhibidor de oxidación lo presentan como porcentaje de peso del total de inhibidor en el aceite. El  nivel óptimo para el inhibidor de oxidación es de 0,3 % en el aceite.

Los resultados de la prueba de contenido de inhibidor de oxidación en porcentaje de peso se clasifican de la siguiente forma:




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