Ensayos físico-químicos y DGA en transformadores de ... · 7 Unidad Aceite Mineral Aceite Vegetal Color ≤ 1,0 ≤ 1,0 Apariencia Claro y limpio Claro y limpio Densidad a 20°C

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Ensayos físico-químicos y DGA en

transformadores de potencia inmersos

en aceite vegetal

www.cargill.com

SISEE- SEMINARIO INTERNACIONAL SOBRE ENSAYOS ELÉCTRICOS

UNIVERSIDAD DEL VALLE – Cali, Colombia

12, 13 y 14 de Octubre de 2016

2

Diseños respiración libres

Diseños sellados

KraftTérmicamente

mejorada

Ésteres naturales

1880 1900 1930 1960 1990 2010

modo de fallo común

aceite mineral (lodos, un subproducto

de la oxidación) impactado

transferencia de calor / disipación

Diagnóstico ponen en práctica

2020

Normas de materiales de

alta temperatura

modo de fallo común:

desplazado a aislamiento sólido;

limitado por la temperatura de

funcionamiento modo de fallo común:

aislamiento sólido; aumento

de la temperatura de

funcionamiento

85oC AWR, 130oC HST

55oC AWR, 95oC HST

65oC AWR, 110oC HST

modo de fallo común:

aislamiento sólido; aumento

de la temperatura de

funcionamiento

La historia del transformador

(1890 – a la fecha)

SISEE - Seminario Internacional Sobre Ensayos Eléctricos - Octubre de 2016 – Cali, Colombia

3

Funciones fluido

dieléctrico:

1. Aislante eléctrico

2. Refrigerante

capacidades de diagnóstico

Fluido Dieléctrico(llena el interior del tanque)

Fluido dieléctrico se utiliza en el interior de los

transformadores




Comportamiento de los transformadores con fluido FR3

• Aplicación de las pruebas

físico-químicas y gases disueltos

5

Existen diferencias entre los fluidos?

Los Aceites vegetales poseen una estructura molecular diferente

de los aceites minerales.

Estructura de éster natural

de glicerol y ácidos grasosEstructura aceites minerales

Aceites minerales son los más nafténico

Para los aceites vegetales no es (todavía) una distinción entre los tipos

Diferentes semillas alteran la proporción de ácidos grasos


6

Diferencias clave

Las principales diferencias son la mayor

polaridad de los aceites vegetales y la presencia

de insaturaciones en la cadena

• Mayor polaridad

• Saturación de humedad 16 veces mayor (el agua es altamente polar)

• Mayor factor de disipación y perdidas dieléctricas

• Menor valor de tension superficial

• Presencia de insaturación (doble enlace) en aceite vegetal:

• El doble enlace modifica la disposición molecular mediante aumento de la viscosidad

• Favorece la extracción de humedad del papel aislante

• Disminuye la estabilidad a la oxidación del aceite.

Estructura de

éster natural

H2O

(agua)


7

Unidad Aceite Mineral Aceite Vegetal

Color ≤ 1,0 ≤ 1,0

Apariencia Claro y limpio Claro y limpio

Densidad a 20°C (g/cm3) 0,88 0,92

Rigidez Dieléctrica (kV) >70 >70

Contenido de Humedad (mg/kg) < 20 < 300

Índice de Neutralización (mg KOH/g) < 0,01 < 0,02

Tensión interfacial Dinas/cm2 45 25

Factor de Disipación 90°C 0,002 0,003

Viscosidad 40°C (mm2/sec) 9 35

Punto de Fluidez (°C) -30 -21

Punto de Ignicion (°C) 148 330

Punto de combustión (°C) 170 360

Biodegradación (28 días) no si

Permisividad 20°C 2,2 3,2

Tendencia de gasificación uL/min 5 -79

coeficiente de expansión (°C) 0,00075 0,00074

Valores típicos para los fluidos aislantes


8

Comportamiento de la humedad y resistencia

dieléctrica en los aceites vegetales

Contenido de humedad (mg/kg)

0 100 200 300 400 500 600 700

D1

81

6R

esis

tencia

Die

léctr

ica

(kV

)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Fluido FR3

Aceite mineral

Humedad relativa (% da saturación a 20°C)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

D1

81

6 R

esis

tencia

Die

léctr

ica

(kV

)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Fluido FR3

Aceite mineral

• La resistencia dieléctrica depende de la humedad relativa

• Con valores 16x mayores para la saturación, el agua en el aceite

vegetal será mayor que en el aceite mineral


9

Pruebas físicas y químicas con aceite vegetal

• Tensión interfacial:

– Evalúa la presencia de contaminantes polares,

subproductos de la oxidación del aceite mineral.

– El aceite vegetal es característicamente más polar, se

mantiene estable durante toda su vida útil.

Las propiedades evaluadas en los aceites vegetales son básicamente las

mismas que en los aceites minerales, con sólo unas pequeñas diferencias.

• Factor de disipación (tan )

– Los dipolos creados por la presencia de oxígeno (más

electronegativo) resulta en los valores más altos.

• @ 25ºC: Vegetal = 0.05% vs. Mineral = 0.01%

• @100ºC: Vegetal = 2.0 % vs. Mineral = 0.09 %


Contenido de humedad:

• Con valores mayores de saturación, el agua en el aceite

vegetal será mayor.

Vegetal = 300* ppm vs. Mineral = 20** ppm

* - IEEE C57.147

** - IEEE C57.106

Rigidez Dieléctrica (kV)

• El aceite vegetal debe tener suficiente rigidez

dieléctrica para soportar las tensiones impuestas por el

servicio eléctrico

• Se utilizó el mismo método que en el aceite mineral,

obteniendo valores típicos iguales o mayores.


SISEE - Seminario Internacional Sobre Ensayos Eléctricos - Octubre de 2016 – Cali, Colombia10

Índice de Neutralización:

• Es el mismo método que con el aceite mineral con

valores típicos y límites de aceptación superiores.

• La hidrólisis del aceite vegetal, responsable del

"consumo" de la humedad en el aceite, en el proceso se

aumenta la acidez en los aceites vegetales.

Viscosidad 40°C

• La exposición continua y prolongada del aceite vegetal al

oxígeno puede aumentar su viscosidad, debe comenzar a

aumentar de manera significativa, debe tener especial

atención e investigar.

• La viscosidad cinemática del fluido FR3 es ligeramente más

alta que el aceite mineral. Utilizar ASTM D445.



Medición de punto de inflamación y combustión en

aceite vegetal

• Los ensayos normalmente no se

aplican para el aceite mineral.

• Son importantes para los aceites

vegetales debido a la clasificación

como líquidos resistentes al fuego

(Tcombustión > 300C)

• Utilice la norma ISO 2592 y ASTM D92

para la copa abierta e ISO 2719 para el

punto de inflamación en vaso cerrado.0 2 4 6 8 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

100

150

200

350

400

punto de combustión

punto de inflamación

Contenido de Aceite Mineral (%)

300

250

Te

mp

era

tura

(°C

)



Inhibidor de la oxidación:

• Medido utilizando cromatografía gaseosa (GC) por métodos ensayos IEC

60666 o ASTM D4768

• Considere la reposición de inhibidor cuando el contenido cae por debajo del

0,12%

El recuento de partículas:

• Los métodos IEC 60970 y ASTM D 6786 se pueden utilizar si la muestra se

diluye con un disolvente de alta pureza. Las burbujas de aire pueden ser

detectadas como partículas.

Compuestos de furano:

• Los métodos IEC 61198 y ASTM 5837 están siendo aplicados al aceite

vegetal con buenos resultados.

Otras pruebas físicas y químicas


Contenido de PCB´s:

• El nuevo fluido FR3 no contiene bifenilos policlorados (PCB - no detectable). El

contenido de PCB se mide según la norma IEC 61619 o ASTM D4059.

Azufre Corrosivo:

• El métodos ASTM D1275, IEC 62535 y IEC 62697-1 se pueden utilizar para la

detección de azufre corrosivo sin modificación.

Otras pruebas físicas y químicas


Estabilidad a la oxidación

Aunque más bajo que el aceite mineral, el aceite vegetal

es líquido robusto y suficientemente estable

• Evaluar los aceites vegetales utilizando las mismas pruebas que el aceite

mineral no es correcto

• Los procesos de oxidación no son iguales, tienen cinéticas y productos

diferentes a evaluar.

• La medición del contenido de inhibidor se aplica y se recomienda.


Oxidación de Aceite Mineral Oxidación de Aceite Vegetal

Aumento de la acidez, la tensión interfacial y

el factor de disipaciónAumento de la acidez y el factor de disipación

Formación Lodo (sedimento)Impacto en la viscosidad del fluido

(oligomerización)

Reducción de la capacidad dieléctrica Aumento de la temperatura del aceite

15

Matriz de decisión recomendada para las acciones sobre el

FR3 (cuando esta fuera de los límites de operación)

ViscosidadTg o

Cos

Rigidez

Dieléctrica

Contenido de

Humedad

Índice de

NeutralizaciónRecomendación

bueno bueno bueno bueno bueno ninguna acción

no La regeneración del líquido aislante

no bueno bueno el reacondicionamiento líquido aislante

no La regeneración y el reemplazo del líquido

aislante

no no el reacondicionamiento del líquido

aislante. Si se cambia el factor de

potencia del transformador, tenga en

cuenta el secado de la parte activa

no Reacondicionamiento y regeneración de

líquidos o la sustitución de aislamiento

no Reacondicionamiento y regeneración de

líquidos o la sustitución de aislamiento

no Considere reemplazar el líquido aislante

AVISO:

a) Regeneración de líquido aislamiento = tratamiento de percolación usando bauxita o Tierra Fuller

b) Reforma del líquido aislante = tratamiento con termo vacío y filtrado

c) secado de la parte activa = tratamiento de la parte activa para la extracción de humedad de los materiales aislantes sólidos.

d) Aceptar o no bien se refiere a los límites sugeridos, o según lo determinado por cada usuario.


17

Aceite Mineral Aceite Vegetal

Aceite Nuevo ASTM D3487

IEC 60296

ASTM D6871

IEC 62770

Uso y Mantenimiento IEEE C57.106

IEC 60422IEEE C57.147

Transformadores

IEEE C57.12.00

IEC 60076 series

IEEE C57.154

IEC 60076-14

IEEE C57.12.00

IEC 60076 series

IEEE C57.154

IEC 60076-14

Guía de carga IEC 60076-7Use norma de aceite

mineral

Gases disueltos IEEE C57.104

IEC 60599 IEEE C57.155

FuegoHojas de Datos de FM Global Property

Prevención, 5-4

Normas ASTM, IEEE e IEC para ésteres naturales


Análisis de Gases Disueltos (DGA)

Aunque muchas técnicas desarrolladas para la medición

de los gases a través de la experiencia y la

investigación, se debe reconocer que la interpretación no

es una ciencia exacta, ya que puede haber muchas

variables.


19

• Procedimiento similar al

utilizado en el mineral

• Preservación bajo luz;

• Importancia de la calidad

de la muestra

Muestreo

• El mismo equipo y los

métodos de extracción y de

análisis;

• coeficientes de solubilidad

se debe ajustar.

Análisis

• Mismas técnicas;

• Diferencias en las moléculas:

• (Linolénico).

• Relaciones entre los gases y

diferentes;

• "Stray Gassing."

Interpretación

El análisis de gases disueltos

3 etapas distintas se pueden establecer:


1. Consulte la IEEE C57.155 para los niveles de "stray gassing"

• Si sólo hay uno conjunto de datos, utilice IEEE C57.104 "Condición"

método para el primer diagnóstico (descripción de stray gassing)

• Si la condición lo requiere, tomar otra muestra

2. Compruebe tasa de crecimiento del gases

• Baja tasa de formación de gases: “el funcionamiento normal”

• Alta tasa de formación de gases: continúa al punto 3

3. Utilice el método IEEE "Gases Clave " y método del “Triángulo

Duval” al diagnóstico

4. Utilice los métodos adicionales que se necesitan

20

El análisis de gases disueltos en aceite vegetal


21

Hidrógeno

Nitrógeno

Oxígeno

Metano

Etileno

Etano

Acetileno

Dióxido de

Carbono

Monóxido

de Carbono

Aire atmosférico

Descomposición

Aceite Vegetal

Descomposición

papel aislante

Gases formados con el estrés térmico y

eléctrico


• Gases Clave:

H2 descarga parcial;

CO/CO2 sobrecalentamiento del papel;

Etileno punto caliente en aceite;

Acetileno descargas eléctricas o efecto

corona.

(Atención a los posibles picos falsa de acetileno)

La formación de etano a partir de ácido linolénico

Interpretación – Gases Clave

• Stray gassing:

La formación de etano e hidrógeno

El aumento de contenido en el funcionamiento

normal.

Franja de 200 ppm en 90% de los casos.

pico

sospechoso


• Cuando no se cuentan con los datos históricos del transformador, losdatos se pueden comparar con las concentraciones mostradas en lasiguiente tabla para la indicación de la normalidad.

La base de datos se mantiene por el Subcomité de IEEE fluidos aislantes de los

transformadores

Tipo do

Fluído

Número de

RegistrosH2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2 CO

Fluido FR3 4.37890% 112 20 232 18 1 161

95% I.C. (105–118) (19–22) (219–247) (17–20) (1–1) (150–179)

Aceite a base

de Girassol476

90% 35 25 58 16 0 497

95% I.C. (24–45) (18–30) (36–84) (12–23) (0–0) (314–583)

Valores límite para transformadores con

aceite vegetal


El Método del Triángulo Duval se puede aplicar cuando los resultados de

la DGA están por encima de las concentraciones mínimas de gas y se

sospecha la presencia de una falla en el equipo.

Las regiones del Triángulo Duval se basan en un nivel cada vez mayor de

la base de datos IEEE con aceites aislantes.

Método de Análisis por el Triángulo de Duval

Calcular los valores

de los ejes del

triángulo

Trazado de los

valores en la figura

triángulo

Descripción de la

falla


Ejes del

triánguloFórmula

% CH4 = CH4 / ( CH4 + C2H4 + C2H2 )

% C2H4 = C2H4 / ( CH4 + C2H4 + C2H2 )

% C2H2 = C2H2 / ( CH4 + C2H4 + C2H2 )

Fórmula Triángulo de Duval

Triángulo de Duval

Símbolos tipo de fallo Duval

%C2H4

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

% CH4

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

%C2H2

0102030405060708090100

D1

D2

DT T3

T2

T1

PD

Tipo de Defecto Código

Descarga parcial PD

Baja energía D1

Alta energía D2

Termal T < 300 oC (punto caliente en el papel) T1

Termal 300 oC < T < 300 (punto caliente en el papel) T2

T > 700 oC (punto caliente en el aceite) T3

Mixto DT

Método de Análisis por el Triángulo de Duval


Las pequeñas diferencias en la formación de

gases


• Las diferencias en la estructura de las moléculas conduce a:

Generación de etano a bajas temperaturas como consecuencia de laoxidación de ácido linolénico;

la generación de hidrógeno por las descargas parciales es hasta 10veces más pequeña;

Generación de etileno y metano en volúmenes mayores así comodiferentes proporciones en temperaturas mas bajas y en elsobrecalentamiento

Dióxido y monóxido de carbono, que pueden ser generados por"sobrecalentamiento" del éster natural, no necesariamente ladegradación del papel



ACEITE VEGETAL ENVIROTEMP™ FR3™

28

Aceite Vegetal FR3™

• Líquido aislante éster natural

- Una amplia variedad disponible

- No todos los "comestible”

- Base natural, suministro sostenible

- La clave está en equilibrio entre las

propiedades.

¿Qué es el fluido Envirotemp™ FR3™ ?

Mejor opción para las comunidades queservimos

• Hecho a partir de un recurso renovable

• No tóxico, ni peligroso en el agua y ni en elsuelo

• Biodegrada en menos de 28 días

• Reciclable


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Fluido FR3 desarrolla formulaciones

Publicación de la Norma ASTM

Fluidos dieléctricos Envirotemp

fue adquirida por Cargill

19Jun12

Fluido FR3 aplica en el primer transformador

Fluido FR3 disponible comercialmente

Publicación de la Norma IEC

Publicación de la Norma IEEE

Publicación de la Norma

Aislamiento de Alta Temperatura

1990

1995

2000

2005

2010

2016

Publicación de la Norma DGA

> 20 años de experiencia con el Fluido FR3

Cargill inicia producción de fluido FR3

29

Conversión de primera empresa - SMUD


30

1. Eficiencia de costos, transformador

optimizado, fiabilidad de la red

• Prolongar la vida útil del papel

• Aumento de la carga

30

Fluido FR3 proyectado para ofrecer:

3. Menor huella de Carbono, el

mejor en su clase en cuanto a

propiedades ambientales

2. Aumento de la seguridad contra

incendios

MÁSVida del papel

que el aceite mineral

MÁS

hasta

CAPACIDAD CARGA

ALTA TASA DE BIODEGRADACIÓN

silicona

aceite mineral

éster sintético

ésteres naturales

Incendios Transformadores

Mejora Seguridad

CERO


31

Hidrólisis

• La hidrólisis del aceite vegetal "consume" aguaformando ácidos grasos, lo que permite eliminar elagua disuelta.

• Fluido FR3 "seca" el papel y también reduce lasconcentraciones de agua en el fluido, aumentandoasí la vida útil del transformador

Proceso de envejecimiento sistema de

aislamiento con el aceite vegetal aislante

Proceso degradación del papel

• El calor rompe los enlaces de las moléculas decelulosa

• Las temperaturas más altas aceleran el proceso

• Subproducto formado por la descomposición: "Agua"


Manejo de

Costos

Maneje las

demandas de

Energía

Mantenga una

red fiable y

segura

32 SISEE - Seminario Internacional Sobre Ensayos Eléctricos - Octubre de 2016 – Cali, Colombia

33

Instalaciones globales probados

Más de 1 millón de transformadores

en servicio a nivel mundial

− 25.000 transformadores mediano y gran

poder

− 5.000 unidades protegidas

− 5.000 subestaciones

− 15.000 rellenado

Fluido FR3 aprobado transformadores

abajo de 420kV

− Prueba de alto voltaje valida el uso de 765kV

− Instalación del transformador 420V en Alemania

desde 2013 , fabricación de Siemens

− Línea de transmisión de 345 kV para la Bureau

de of Reclamation, EUA

− Programa el rellenado de México 420kV

Más de 100 empresas de servicios

públicos

Más de 100 fabricantes globales

aplicando la tecnología


http://www.usbr.gov/newsroom/newsrelease/detail.cfm?RecordID=49787

34

• Subestación

ALFEREZ I

• Clase de Tensión

• 115 / 34.2 / 12.3kV

• Poder de 50 / 75MVA

• Masa total 134.9 Toneladas

• Subestación Simplificada

EMCALI

Cali - Colombia


Aceite Mineral

Esteres

naturales

(Fluido FR3)

Ester

SintéticoSilicona

Fluido Baseaceite de

petróleoAceite vegetal Hidrocarburos Polidimetilsiloxanos

Capacidad de

diagnósticoSí Sí Sí Bajo

Punto de incendio 160°C 360°C 310°C 340°C

Biodegradabilidad Bajo Completamente Fácilmente No

Base natural No Sí No No

Oxidación Buena Muy Buena(non-free breathing)

Muy Buena Muy Buena

Envejecimiento Promedio Mejor Mejor Promedio

Costo $ $$ $$$ $$$

Rendimiento de los diferentes fluidos en

aplicaciones para transformadores


CONCLUSIONES BASADO EN LAS PRUEBAS REALIZADAS Y

DOCUMENTOS PUBLICADOS:

Fluido FR3 Aceite Mineral

Diseño transformador

Transformación-a-transformación = =

bobina-a-bobina = =

buje-a-pared del tanque = =

arrastrarse = =

selector de cambio de tap = =

En servicio

contaminación del agua +++ ---

contaminación por partículas

papel ++ --

cobre + -

transmisión de electrificación ++ --

formación de burbujas +++ ---

+ mejor = igual – peor

Fluido FR3 tiene resistencia dieléctrica

equivalente o superior al aceite mineral


Conclusiones


La estructura química única de aceite vegetal proporciona un

rendimiento superior del sistema de aislamiento, el medio

ambiente y la seguridad contra incendios;

Los aceites vegetales tienen característica de extracción de la

humedad, lo que reduce significativamente la tasa de

envejecimiento;

• La diferencia en la estructura química es responsable de

diferentes valores en algunas pruebas físico-químicas;

El contenido de humedad, factor de disipación, punto de fluidez

y el índice de acidez son típicamente más altos que los de aceite

mineral;


Conclusiones

Los gases combustibles generados por defectos en los aceites

vegetales son los mismos a los en aceite mineral;

Las diferencias entre las moléculas (linolénico) tiene la

característica de la formación de etano, sin las características de

un defecto, llamado "Stray Gassing”;

El Triángulo de Duval fue desarrollado para el aceite vegetal,

los cambios son mínimos y funciona a la perfección para el

diagnóstico en transformadores;

Las pequeñas diferencias en la formación de gases pueden

ocurrir bajo algunas condiciones de funcionamiento y falla.

39

Muchas gracias!

Nombre: Alexandre Machado

E-mail: [email protected]

Telefono: 55 11 98344 0664

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