Bases de la Cromatografía en aceites de Transformadores en servicio (Parte 1ª)

¿Qué es la cromatografía?

               

Es un método de diagnóstico de averías latentes en Transformadores, se basa en el Análisis Cromatográfico de los gases de descomposición del aceite y otros materiales aislantes presentes en los transformadores y reactancias, que permiten detectar la existencia de defectos internos que se manifiestan bajo la forma de puntos calientes o descargas eléctricas, antes de que puedan poner en peligro la continuidad de servicio de la máquina. 

Según sean las temperaturas alcanzadas por el punto o puntos calientes o bien la energía de las descargas, las proporciones de los gases serán distintas, lo que permitirá conocer además de la avería latente, su importancia y consecuentemente, se podrá aconsejar las medidas a tomar para evitar un fallo en el transformador.

Ventajas del método

Este método de diagnóstico presenta resumidamente las siguientes ventajas:

• Permite hacer un mantenimiento preventivo de los transformadores y reactancia.
• No interfiere para nada en la explotación, pues la toma de muestras se realiza con el transformador de potencia o reactancia en servicio.
• El coste propio de análisis es relativamente pequeño.
• Es un método fiable. Un defecto interno aparece patente con toda seguridad en el análisis y puede seguirse su evolución.
• Un análisis realizado después de la actuación del relé Buchholz permite distinguir entre un fallo interno irreversible y un defecto poco importante, permitiendo en este caso seguir con el transformador en servicio, previa desgasificación del aceite, hasta que pueda repararse.
• Permite también prever los repuestos necesarios o retirar del servicio un aparato antes de que el fallo produzca daños irreparables.

Figura 1: Cromatógrafo de gases

Los gases de descomposición

Por efecto de las solicitaciones térmicas excesivas o descargas eléctricas internas, los aceites dan lugar, principalmente, a la formación de los siguientes gases:

H₂ (hidrógeno), CH₄  (Metano), C₂H₆  (Etano), C₂H₄ (Etileno), C₂H₂ (Acetileno), C₃H₈ (Propano), C₃H₆ (Propileno), C₃H₄ (Propadieno)

Si la producción de gases no es excesiva, estos se van disolviendo en el aceite. Si, por el contrario, la producción de gases es violenta o el aceite se encuentra saturado, los gases producidos no se disuelven y se acumularán en estado libre en las zonas altas del transformador, por ejemplo en el relé Buchholz, dando lugar en este caso a una alarma o disparo del transformador.

Dependiendo del tipo de defecto y de su importancia, estos gases se producen en diferentes cantidades. Así, por ejemplo, la presencia de descargas parciales de poca energía en pequeñas burbujas gaseosas en el seno del aceite o de los materiales aislantes sólidos produce fundamentalmente H2. En otros casos, la descomposición del aceite se produce principalmente por pirólisis y los gases producidos son función de la temperatura.

Para temperaturas bajas (150ºC) el gas que se forma en más cantidad es el metano. A medida que la temperatura aumenta, se van formando cantidades más importantes de etano y etileno. En el caso de descargas eléctricas, las elevadas temperaturas del arco (3000ºC o más) dan origen a la aparición de acetileno.

Los aislamientos sólidos (papel de celulosa, madera, papel baquelizado, cartón, el barniz de las hojas de metal magnético) generan: CO (monóxido de carbono), CO2 (bióxido de carbono) y H2 (hidrógeno).

Los aislamientos líquidos de base hidrocarbonada generan gases ligeros, principalmente defectos térmicos producen mayor proporción de hidrocarburos saturados, los defectos eléctricos producen mayor proporción de hidrocarburos no saturados.

La toma de muestras de aceite

La toma de muestras del aceite o, en su caso, de gas, requiere cuidados especiales, evitándose que el aceite pueda contaminarse, airearse o desgasificarse en su paso desde el transformador al recipiente en que se va a transportar.

A continuación se indican dos métodos para la recogida de muestras para su posterior análisis cromatográfico:

 Toma de muestras con jeringas

• Tubo de caucho o plástico.- impermeable al aceite para conectar la jeringa al equipo. Este tubo deberá ser lo más corto posible. Se insertara una llave de tres vías en el tubo.
• Jeringa impermeable a los gases.- Podrá utilizarse cualquier jeringa de cristal o estar provista de juntas estancas de plástico o caucho a prueba de aceite y con pistón de cristal o plástico. El volumen estará comprendido entre 25 y 250 c.c. dependiendo principalmente de la sensibilidad del procedimiento de análisis utilizado y del volumen de aceite del aparato donde se efectué la toma de muestras. La jeringa estará provista de una llave que permita su cierre hermético.
• Recipientes para el transporte.- Se diseñarán de tal forma que las jeringas se mantengan firmemente en su lugar durante el transporte, permitiendo que el pistón de la jeringa esté libre.

Figura 2: Toma de muestras con jeringa

Método de toma de muestras

1. La brida o la tapa de la válvula de toma de muestras se retira y se limpia el orificio de salida con un trapo sin pelusa a fin de eliminar cualquier suciedad visible Se conecta a continuación el dispositivo como indica la figura 2 y se abre la válvula principal de toma de muestras.
2. Se orienta la llave de tres vías de forma que permita purgar de uno a dos litros de aceite. En caso de transformadores con pequeño volumen de aceite no será necesario aplicar este punto, será suficiente con utilizar una jeringa de pequeño volumen.
3. Se abre a continuación la llave de tres vías para dejar que entre el aceite en la jeringa. No se tirará del pistón sino que se le dejará ir hacia atrás por la presión del aceite.
4. Se gira a continuación la llave de tres vías para permitir la evacuación del aceite de la jeringa y se empuja el pistón para vaciar la jeringa. Conviene asegurarse de que las superficies interiores de la jeringa y el pistón están completamente mojadas de aceite.
5. Repetir la operación descrita en el punto 3).
6. Se cierra la llave de la jeringa así como la válvula de toma de muestras.
7. A continuación se retira la jeringa.
8. Se deberá etiquetar cuidadosamente la muestra.

Figura 3: Extracción de muestra con jeringa

Toma de muestras con botellas

Este método necesita la utilización de botellas que sean completamente estancas, que lleven tapones roscados de plástico con una junta de estanqueidad cónica de polietileno.

Antes de adoptar un tipo de botella, se precisa verificar su estanqueidad conservando muestras idénticas durante dos semanas en dos botellas y determinando al principio de este periodo el contenido en hidrógeno disuelto en una de las botellas y al final del periodo en la otra.

Un tipo de junta conveniente está representada en la figura 4. La conexión al punto de toma de muestras puede ser un tubo de plástico o de caucho resistente al aceite de alrededor de 5 mm de diámetro.

Si la toma de muestras se hace en la válvula de drenaje del transformador se utilizará un tapón adecuado resistente al aceite y perforado de manera que se le pueda adaptar un tubo de latón de 5 mm de diámetro. Un juego de tapones de 12 mm a 100 mm servirá prácticamente para todos los casos.

La válvula de toma de muestras se abre, y se deja salir hacia el exterior por el tubo un litro de aceite aproximadamente. Sin interrumpir la salida del aceite, se coloca el extremo del tubo en el fondo de la botella de muestras, y se llena completamente. Se deja rebosar el aceite (aproximadamente el volumen de la botella) y sin interrumpir el flujo, se saca cuidadosamente el tubo del interior de la botella. La botella, se inclina enseguida de manera que el nivel del aceite quede aproximadamente a 1 o 2 mm del borde superior de la botella. La botella se cierra enseguida con el tapón y finalmente se cierra la válvula de toma de muestras.

Figura 4: Cierre de botella de muestras

La técnica del análisis

Previa extracción de los gases disueltos en el aceite, la cromatografía en fase gaseosa es una técnica que permite separar e identificar los componentes de una mezcla de gases.

Es un proceso de partición entre una fase gaseosa móvil (gas portador) y una fase estacionaria, generalmente sólida.

La fase móvil (gas portador) transporta la muestra y fluye en contacto con la fase estacionaria que está colocada en una columna o tubo de separación.

Esta fase estacionaria reacciona sobre cada uno de los componentes de la muestra de gases, con distinta fuerza, reduciendo en forma selectiva la velocidad de paso, a continuación son llevados a un detector que mide la cantidad de cada componente.

La curva resultante se obtiene con un registrador potenciómetro en función del tiempo.

El área medida sobre la curva es proporcional a la cantidad de cada componente.

Estos pueden ser identificados porque cada uno de ellos tiene un tiempo de retención específico, bajo determinadas condiciones experimentales.

El diagnóstico.-

Para hacer el diagnostico, se comparan las concentraciones determinadas con las obtenidas en análisis anteriores del mismo transformador y con unas concentraciones “límites” obtenidas a partir de un análisis estadístico de resultados de una gran población de transformadores.

Unas tablas de diagnóstico elaboradas a partir de experiencias de laboratorio y datos estadísticos de transformadores permiten determinar con una precisión aceptable si hay o no defecto, sus características y su gravedad.

La experiencia conseguida con estos métodos de diagnóstico permite afirmar que la existencia de un defecto en el transformador es detectada con toda seguridad por el valor de las concentraciones de gases y por su evolución con el tiempo en servicio.

La diferencia de las mencionadas concentraciones de los diferentes gases según el tipo e importancia del defecto, ha permitido establecer métodos de diagnóstico basados en las relaciones entre las concentraciones de diferentes gases. Los numerosos resultados analizados han permitido tomar como relaciones más útiles para el diagnóstico las siguientes:

A partir de los valores de estas relaciones es posible diagnosticar la existencia y tipo de defecto interno, indicando la importancia del mismo y su posible localización.

Concentraciones límites en ppm de gases disueltos en aceite.

(Guía IEEE C 57.104 Fault Diagnostic)

Si alguno de los gases es superior a los límites normales de la tabla, se compara con análisis anteriores o se hace otro análisis para ver la evolución, según sea esta se dictaminara si procede una desgasificación, limitación de carga o revisión y reparación.

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