Sistemas de conservación de aceite en Transformadores

Las variaciones de temperatura del líquido aislante debidas a la carga de los transformadores o al ambiente provocan un aumento ó disminución del volumen de aquél. Estas variaciones se regulan mediante el depósito de expansión o conservador. Este dispositivo consiste en un depósito metálico, habitualmente cilíndrico, que se conecta al transformador mediante una tubería fijada al fondo del depósito. Con el transformador fuera de servicio el conservador se encuentra parcialmente lleno de aceite, quedando en la parte superior una cámara ocupada por aire.

Cuando el transformador está en servicio los volúmenes de aceite-aire son variables, expulsándose aire al exterior en algunas ocasiones mientras que en otras debido a la contracción de la masa de aceite se aspira aire del exterior; esta comunicación se efectúa a través de una tubería terminada en un dispositivo que filtra y seca el aire exterior aspirado.

Este es el sistema denominado de “preservación de aceite a presión constante en contacto con la atmósfera”.

Debido al diferente estado del desecante, el aire que penetra en el interior del conservador puede estar más o menos húmedo, con lo cual parte de esa humedad pasará indefectiblemente al aceite del transformador. Con objeto de evitar totalmente el contacto del aire con el aceite del transformador, frecuentemente se utiliza el sistema denominado de “preservación de aceite a presión constante sin contacto con la atmósfera”, o sistema sellado.

Consiste en introducir dentro del depósito metálico un balón o bolsa de caucho, sujeto a la parte superior de aquél. El aceite rodea externamente al balón, mientras que en el interior de éste solo se encuentra aire, con lo cual se consigue separar totalmente el aceite del contacto con la atmósfera externa..

El aumento de volumen del aceite en el conservador empuja el fondo del balón hacia arriba expulsando el aire del interior, por el contrario, cuando la masa de aceite se contrae el balón aspira aire del exterior y aumenta de volumen.

Estos sistemas se completan con una serie de accesorios destinados a vigilar el correcto funcionamiento u operatividad de los mismos, tales como indicadores de nivel, válvulas de vaciado y llenado, etc.

Los cambiadores de tomas en carga por estar lleno de aceite el compartimiento del ruptor necesita igualmente de un pequeño conservador para absorber las variaciones del volumen de este aceite; pero es preciso señalar que el único sistema válido para ellos es de preservación a presión constante en contacto con la atmósfera, ya que no es imperativo el mantener un aire totalmente exento de humedad por carecer el ruptor de elementos aislantes significativos, y por otra parte es preciso el evacuar al exterior los gases producidos por el arco durante las conmutaciones.

Aunque la función principal del sistema de conservación de aceite es adaptarse a los cambios en el volumen de aceite debidos a las variaciones de temperatura, también desempeña un papel importante en la conservación de la calidad del aceite al evitar la entrada de contaminantes en el transformador. Cuando un transformador tiene varios compartimentos de aceite además del tanque principal, para cambiadores de tomas, cajas de cables y dispositivos auxiliares, cada compartimento suele requerir su propio sistema de conservación de aceite.

Se han desarrollado muchas tecnologías y variantes diferentes para los sistemas de conservación del aceite, y cada una de ellas tiene unos requisitos de mantenimiento particulares.

A continuación se describen los tipos más comunes.

Sistema de cámara de gas a presión regulada

En algunos transformadores se utiliza un volumen de gas en la superficie del aceite (cámara de gas) como método para impedir la entrada de oxígeno y humedad en el transformador. Estos sistemas ofrecen algunas ventajas y desventajas que el usuario debe conocer.

Ventajas

Inconvenientes

- La presión positiva del nitrógeno (junto con una buena junta) mantiene alejados el oxígeno y la humedad - La purga de nitrógeno durante los ciclos térmicos elimina la humedad y el oxígeno - Los valores más bajos de contenido de humedad y oxígeno en el transformador reducen la velocidad de deterioro del aislamiento.

- Si la botella de nitrógeno está vacía, puede entrar humedad y oxígeno en el transformador - Los altos niveles de nitrógeno en el aceite podrían provocar la retención de burbujas de nitrógeno en el aislamiento o en las bombas en determinadas condiciones de enfriamiento. - La purga de nitrógeno eliminará otros gases del transformador, lo que hace que el análisis de gases disueltos tenga un valor limitado para las tendencias a largo plazo, especialmente en el caso de gases de baja solubilidad que se liberan fácilmente del aceite, como el hidrógeno. - Mayores requisitos de recursos de mantenimiento

Tabla 1: Sistema de cámara de gas a presión regulada

Normalmente, los principales componentes instalados en un transformador con un sistema de cámara de gas regulado incluyen los siguientes elementos: Cilindro de nitrógeno, reguladores de alta y baja presión, manómetro de alta presión para indicar la presión en el cilindro de nitrógeno, sumidero para recoger cualquier condensado de humedad o aceite, dispositivo de alivio de presión y alarmas de alta y baja presión.

Figura 1: Principales sistemas de conservación del aceite

Sistemas conservadores

El Sistema Conservador de aceite de transformador consiste normalmente en uno o más depósitos montados externamente (o tanques de expansión). Se instalan a la altura necesaria para proporcionar un nivel de aceite en el transformador que esté por encima de la tapa del tanque principal del transformador o, en muchos casos, por encima del saliente más alto de los aisladores con aceite. Muchos sistemas conservadores suelen incluir, como se ha indicado anteriormente, un balón dentro del tanque que proporciona una barrera de aceite-aire para evitar que la humedad y el aire disuelto penetren en el aceite del transformador (ver figura 2). Por lo general, la vida útil del balón de caucho debe considerarse en el rango de 10-20 años.

El sistema incluye una tubería de compensación de aire que permite que el aire entre en el balón cuando la temperatura del transformador disminuye y que el aire salga del balón cuando la temperatura aumenta. También suele haber un desecante en este conducto de compensación para secar el aire entrante.

Figura 2: Balón de caucho dentro del conservador

 

Algunos sistemas conservadores tienen un tanque de compensación de presión separado y no tienen el balón de aire interno. Estos sistemas no mantienen el aceite desgasificado en un transformador, sino que permiten que el aceite se sature con aire o nitrógeno (dependiendo de si se utiliza aire o nitrógeno en el espacio de gas del sistema).

Todos los sistemas conservadores suelen tener un indicador de nivel de aceite conectado al tanque con una conexión de alarma para alertar a los operadores cuando el nivel de aceite está en el mínimo, o en el máximo, aceptable en el depósito. También suele haber una válvula Buchholz u otra válvula antirretorno que se cierra en caso de rotura del depósito principal. Algunas de estas válvulas también contienen un colector de gas que atrapa el gas generado en el tanque principal y emite una alarma cuando se acumula un determinado volumen. Los transformadores con sistemas conservadores también pueden tener sistemas de relés detectores de gas que se montan por separado en el tanque.

Se debe tener en cuenta que las pruebas de inyección de aire en el relé Buchholz provocarían la acumulación de burbujas de aire en el lado del aceite de cualquier balón, diafragma o membrana instalada en un conservador.

Transformadores de tanque sellado

Un sistema de tanque sellado simplemente utiliza el tanque sellado de un transformador para mantener el aceite aislado de las condiciones atmosféricas externas. El uso de un sistema de tanque sellado requiere que el tanque sea lo suficientemente grande como para acomodar el volumen mínimo de aceite requerido por el transformador cuando el aceite está frío, y el volumen máximo de aceite generado cuando el transformador funciona con su carga nominal máxima a la temperatura ambiente máxima prevista. Por lo tanto, el tanque debe ser capaz de absorber todas las variaciones volumétricas del aceite, (por ejemplo. tanques corrugados) desde una condición de frío sin tensión hasta una condición de "carga máxima". Este tipo de sistema de conservación se utiliza normalmente para transformadores más pequeños cuyos requisitos de nivel de aceite mínimo y máximo pueden predecirse con exactitud.

Muchos otros transformadores de tanque sellado se llenan con nitrógeno seco y disponen de manómetros y válvulas de llenado para añadir manualmente nitrógeno si la presión disminuye. Una de las ventajas del sistema de tanque sellado es que son menos costosos que el de tanque sellado con gas a presión regulada. Una de las desventajas es que una fuga puede permitir la entrada de oxígeno y humedad en el tanque. Algunos transformadores de tanque sellado pueden sufrir una ligera pérdida de presión de gas en picos de carga, lo que dará lugar a presiones negativas (o vacío) durante los periodos de carga ligera. Debe considerarse la posibilidad de convertir estos transformadores a un sistema de gas regulado por presión.

Transformadores con respiración libre

El sistema más común de conservación del aceite es, con diferencia, el transformador de libre respiración. Para mantener la sequedad del aceite, la mayoría de los Transformadores de respiración libre están equipados con un filtro desecante, de modo que sólo entre aire seco en el conservador. Sin embargo, algunos Transformadores de respiración libre no tienen ninguna disposición para evitar que el aire húmedo entre en el conservador, e inevitablemente aumente el contenido de humedad del aceite.

En estos casos, debe considerarse la posibilidad de adoptar alguna medida que garantice la sequedad del aceite.

Después de la sustitución, el reacondicionamiento o el reprocesamiento del aceite, la modificación preferida es incluir un balón de caucho en el depósito de expansión (si así está previsto).

Si no se justifica el coste de la conversión a un diseño sellado con balón, una mejora alternativa sería ventilar el depósito de expansión a través de un sistema desecante. La adición de un balón de caucho es preferible porque su diseño incluye el sellado del aceite contra la entrada de oxígeno y humedad en el conservador

 

 

FUENTES:

Guide for Transformer Maintenance (Cigre 2011)

ABB: Transformer Handbook