Los procesos de envejecimiento y
deterioro del papel y del aceite evolucionan en forma diferente y son
acelerados por diferentes factores. Asimismo, la severidad asociada a su
ocurrencia es diferente si se tiene en cuenta que los efectos del deterioro del
aceite son reversibles mientras que los del papel no lo son. Los mecanismos de
degradación del papel identificados son la pirólisis, la hidrólisis y la
oxidación, los cuales son influenciados básicamente por temperatura, humedad y oxígeno
respectivamente. La energía de activación (energía mínima para que se produzca
una reacción dada) del mecanismo de pirólisis es 1,4 a 2 veces mayor que la de
la hidrólisis de manera que el primero es el mecanismo dominante a temperaturas
de funcionamiento del papel por encima de los 110°C. Sin embargo, muy pocas
veces se tiene en cuenta que a temperaturas de funcionamiento menores, el
mecanismo de hidrólisis es el dominante por lo que así el aislamiento no haya
sido llevado a altas temperaturas durante su vida útil, su expectativa de vida
puede reducirse notablemente si ha sido utilizado bajo niveles considerables de
humedad (este mecanismo se denomina "degradación térmica de celulosa a
baja temperatura").
El mecanismo de hidrólisis se
acelera fuertemente por la presencia de ácidos catalizadores (los cuales son
producidos por la degradación del aceite) que contienen átomos de hidrógeno los
cuales inician la reacción. En el mecanismo de oxidación, el oxígeno es el
factor de mayor incidencia. Algunos estudios muestran que dentro del esquema
integral del proceso de deterioro del aislamiento papel-aceite, la influencia
del mecanismo de oxidación no es tan alta como la de la temperatura y la
humedad ya que mientras el factor de aceleración del proceso de envejecimiento
del papel causado por el oxígeno puede estar entre 1.8 y 2, un 4% de humedad en
el papel puede acelerar más de 30 veces la dinámica normal de envejecimiento.
La expresión matemática que describe el fenómeno de degradación del papel en
general es:
Donde T es la temperatura
de operación del aislamiento, E la energía de activación, A un
parámetro que depende del entorno químico (tipo de papel, nivel de oxígeno y
contenido de humedad), R la constante molar de los gases, DP0LD,
y DPNEW, son los valores del grado de polimerización al tiempo de
envejecimiento transcurrido t y al inicio de la vida operativa del
transformador respectivamente.
En la determinación del grado de
envejecimiento de aislamientos de papel - aceite se evalúan tanto las
concentraciones puntuales de compuestos furánicos como sus ratas de generación.
Estos compuestos son subproductos generados dentro del proceso mismo de
envejecimiento del papel. En este punto es importante tener en cuenta si el
aislamiento sólido evaluado es papel kraft común o termo estabilizado (papel
kraft común impregnado con compuestos nitrosos) ya que la dinámica degeneración
de los compuestos furánicos es diferente para los dos tipos de papel. De
acuerdo con trabajos realizados, el papel termoestabilizado presenta una tasa de
generación de 2 FAL constante en el tiempo y mucho menor que la del kraft
común, comportamiento que se presenta hasta que agota el compuesto nitrogenado
que los impregna. Después de esto la dinámica de generación de subproductos de
envejecimiento del papel termoestabilizado es igual a la del papel kraft común.
Los diferentes modelos de generación de compuestos furánicos en función del
grado de polimerización del papel se describen básicamente por la expresión:
Donde 2 FAL es la concentración de 2 furfuraldehído, DP es el grado estimado de polimerización del papel y A y B son coeficientes cuyos valores dependen del modelo a usar (Burton, Vuarchex, Chendong, etc). La integración de (1) y (2) usando los diferentes modelos de generación de furanos permite obtener una franja o región de concentraciones probables de 2 FAL para el tiempo de servicio del aislamiento evaluado. Si los valores reales medidos se encuentran fuera de la franja, es señal de una probable aceleración del proceso de envejecimiento del aislamiento. La figura 1 muestra un ejemplo de la identificación de una aceleración del proceso de envejecimiento normal del papel para un grupo de transformadores de potencia que fue puesto en servicio tras un largo tiempo de almacenamiento en condiciones no adecuadas por parte del propietario. Se observa la desviación del grupo de datos respecto a la línea inferior que describe la generación de compuestos furánicos para un aislamiento con bajo contenido de humedad.
Figura 1. Aceleración del proceso de envejecimiento del papel para una población particular de transformadores de potencia
Otras variables que se usan en el
seguimiento y confirmación de la dinámica del envejecimiento del papel es la
concentración y la rata degeneración de monóxido de carbono (CO) teniendo en
cuenta variables relacionadas con aspectos constructivos y operativos del
transformador (tipo de sistema de preservación de aceite, volumen de aceite,
peso de parte activa, tiempo de servicio, etc). Se debe tener en cuenta que las
concentraciones del CO y CO2 son afectadas por temperaturas inferiores a 80°C
por lo que se deben introducir factores de corrección para efectos de
evaluación de tendencias. Cuando se detectan señales de aceleración de los
procesos de envejecimiento o deterioro, como en el caso anterior, se debe determinar
muy bien el factor que ocasiona dicha aceleración y tratar de controlarlo a
través de acciones correctivas. Cuando se requiere confirmar el contenido de
humedad en el papel, se pueden usar técnicas intensivas como la WHRT (Water
Heat Runt Test) donde a través de la consecución del equilibrio en el proceso
de difusión de humedad (asegurando que la temperatura de los devanados esté por
encima de 65°C durante más de 4 días) se logra una mejor estimación usando las
curvas de equilibrio de humedad en papel.
Para la población de unidades
descrita anteriormente, fue necesario realizar procesos de secado del
aislamiento sólido con equipo energizado usando plantas de operación automática
PALL HTP070 que usan procesos de transferencia de masas sin calentamiento
adicional del aceite. La duración del proceso de secado en algunos casos fue
mayor a 10 semanas, lo cual es acorde con la dinámica descrita por los modelos
del proceso de difusión de humedad al interior de aislamientos del
transformador. Otra alternativa para el secado de aislamiento sólido son los
métodos con equipo desenergizado usando aspersión de aceite caliente bajo vacío
(hot spray) que aunque pueden remover la humedad más rápidamente llevan
implícito el riesgo de aflojamiento de los devanados.
El análisis detallado de los
resultados de factor de potencia también puede ayudar a determinar la existencia
de altos contenidos de humedad en el aislamiento. En estos casos, la
experiencia muestra que el realizar la prueba a diferentes temperaturas
(diferencias de más de 30°C) y el posterior análisis de la pendiente de los
datos de los aislamientos, especialmente CHL (Alta vs Baja), se constituye en
una variante del método clásico de prueba particularmente efectiva en la
detección de humedad y contaminación. Este enfoque se basa en el estudio del
comportamiento del factor de potencia del aislamiento de papel-aceite a
diferentes temperaturas y niveles de humedad.
Por su parte, el mecanismo de
deterioro del aceite se basa principalmente en la oxidación cuyo factor
principal lo constituye la presencia de oxígeno disuelto. La degradación
térmica puede ocurrir en situaciones donde la temperatura sobrepase los 300 °C.
Adicionalmente al mecanismo de oxidación, la contaminación también afecta las
propiedades dieléctricas del aceite debido básicamente a la presencia de
partículas, fibras y humedad.
Para el seguimiento del proceso
de degradación del aceite, el monitoreo de variables fisicoquímicas como la
tensión interfacial, número de neutralización, factor de potencia a 25 C y 100
C, contenido de partículas y tasa decaimiento del inhibidor (si el aceite es
inhibido) facilitan la detección de elementos contaminantes polares subproducto
de la misma degradación del aceite o de contaminantes externos. Las acciones
correctivas tendentes a revertir el proceso de degradación del aceite
comprenden procesos de regeneración con elementos removedores de contaminantes
polares como la tierra Fuller y la posterior adición de inhibidor de oxidación.
Generalmente la efectividad de regeneración es mayor cuando se realiza con el equipo
energizado.
FUENTE:
Javier Acevedo/ISA S.A: Caracterización
de los Fenómenos de Degradación y Deterioro en Transformadores de Potencia y su
Aplicación al Aseguramiento de sus Ciclos de Vida
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