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Resumen —El presente documento es una continuación de laparte I del estado del arte de la vida los transformadores depotencia sumergidos en aceite. Se realiza una revisión de lacorrelación que existe entre el grado de polimerización y elcontenido de furanos mostrándose las diferencias que existen entreestos modelos. También se muestran las ventajas y desventajas delos métodos utilizados para conocer la vida del aislamiento deltransformador y se realiza una clasificación de las herramientasusadas en el análisis de vida de los transformadores de potencia. Palabras-clave —Estimación de vida, monitoreo, transfor-madores de potencia, aislamiento de transformadores de potencia. I. I NTRODUCCIÓN S bien conocido que existe una correlación entre el gradode polimerización (DP, por sus siglas en inglés) y elcontenido de furanos presentes en el aceite de untransformador de potencia. En la bibliografía se encuentranvarios modelos, que como veremos a continuación, difierenunos de otros. Por ello es de vital importancia el clasificarlos ytener un claro concepto de sus diferencias, para así utilizar elmodelo que mejor represente la correlación DP-furanos en laevaluación de la vida del transformador de potencia.La meta del presente documento es visualizar los distintosmodelos que se usan en la obtención del grado de polimerización, a partir del muestreo de furanos disueltos en elaceite, y resumir las ventajas y desventajas que se obtienen alutilizar las diferentes técnicas que se aplican en la evaluaciónde la vida del transformador de potencia. Para ello se lleva acabo un análisis gráfico de los modelos que relacionan algrado de polimerización con los furanos; se presenta unejemplo con datos reales para efecto de comparación entre losdistintos modelos; se realiza una comparación entre el métodode las guías de carga, el procedimiento de muestreo del papely la obtención del DP por medio de furanos; y finalmente, serealiza una clasificación de las ventajas y desventajas de lasdistintas técnicas usadas en la evaluación de la vida de lostransformadores de potencia.La definición del DP, así como algunos valores Manuscript received September 14, 2006. This work was supported in part by German Academic Exchange Service DAAD.W. Flores, E. Mombello y G. Rattá, Instituto de Energía Eléctrica,Universidad Nacional de San Juan, Av. Libertador San Martín, 1109 (oeste),J5400ARL, San Juan, Argentina, (e-mail:
[email protected],
[email protected],
[email protected]). José Jardini, Universidadde São Paulo (USP), Brasil, (e-mail:
[email protected]). representativos de la condición del papel, ya han sido presentados en la parte I del presente trabajo [34].II. M ÉTODOS USADOS PARA LA OBTENCIÓN DEL GRADO DEPOLIMERIZACIÓN Cuando se degrada el papel aislante ubicado en el interior del transformador, el valor del grado de polimerizacióndisminuye y se producen monóxido de carbono (CO), dióxidode carbono (CO 2 ) y furanos, entre otros compuestos.A raíz de la presencia de estos compuestos derivados de ladegradación del papel aislante, es que se han elaborado tresmétodos con los cuales se pueden detectar cambios en lacondición de la celulosa del papel: medición del grado de polimerización, de los compuestos furánicos (furanos)disueltos en el aceite y de los gases disueltos en el aceite (CO,CO2). Los últimos dos son considerados métodos indirectos,ya que las pruebas no se realizan directamente en una muestrade papel obtenida del devanado, sino en el aceite muestreadodel equipo [35].Al presentarse una sobretemperatura en el devanado deltransformador, ya sea por una sobrecarga o por la presencia defallas recientes, se han encontrado cantidades considerablesde compuestos furánicos disueltos en el aceite. Lastemperaturas a las cuales ocurre la degradación de la celulosay la presencia de niveles anormalmente altos de oxígeno yhumedad, determinan qué compuestos son formados, tomandoen consideración que el mecanismo de hidrólisis oxidativa esla fuente más importante del furano tipo 2-FAL entransformadores en operación. En modelos experimentales, lossiguientes furanos han sido encontrados [15]: furfurol (FOL),2-furfural (2-FAL), 2-acetil-furano (AF), 5-metil-2-fufural(MF) y 5-hidroximetil-2-furfural (HMF). En muchos casossolamente el 2-FAL ha sido encontrado por sobre el limite dedetección (10 μ g./l.). Existen varios modelos que relacionan elcontenido de furanos en el aceite con el valor del grado de polimerización. Algunos de estos modelos serán analizadosmás adelante.Por otro lado, existe relación entre el contenido de CO +CO 2 y el valor del DP, como se muestra la Fig. 1, pero en vistaque el método de furanos se considera más sensitivo almomento de estimar el cambio del grado de polimerización promedio [36] y por tanto, también más sensitivo en laestimación de la vida del aislamiento, no se analizará en el presente trabajo dicha relación entre el DP y el contenido deCO + CO 2 . Vida de transformadores de potencia sumergidosen aceite: Situación actual. Parte II. Correlaciónentre resultados de ensayos físico-químicos W. Flores, E. Mombello, Senior Member IEEE , G. Rattá, Senior Member IEEE, J. A. Jardini , Fellow IEEE E Fig. 1. CO+CO2 vs. DP [36] También, los aspectos exógenos que influyen en ladegradación del papel aislante, como la construcción deltransformador (sellado o no) y los históricos de fallas y decarga, deben considerarse en la evaluación del estado del papel por cualquiera de los métodos antes mencionados, yaque como vimos, sus efectos (humedad, fallas recientes ysobretemperatura) repercuten en la estimación certera delvalor de la vida del aislamiento. A. Obtención del DP mediante el Muestreo del Papel Aislante Muy a menudo la calidad de la celulosa es medida usandoel valor del grado de polimerización por medio del método del promedio viscométrico [1].El método del muestreo del papel se considera el másexacto en la estimación del valor del DP y por tanto en la vidadel aislamiento, pero presenta ciertos problemas [5]:--El tomar una muestra de papel del interior deltransformador causa mucho trabajo y consume tiempo ydinero. Además, es necesario desencubar el transformador para obtener una muestra del papel.--El valor de DP determinado por medio del métodoviscométrico solamente es una estimación aproximada de lalongitud promedio de la cadena de celulosa.--La información acerca del envejecimiento estárelacionada con el lugar de donde la muestra es retirada y no provee información acerca del estado global del aislamiento nide la condición de los lugares críticos. B. Obtención del DP Mediante el Contenido de Furanos Al dividir la población de transformadores de potenciasumergidos en aceite, de acuerdo al tipo de aislamiento, sediscriminan dos tipos de transformadores: transformadores sin papel térmicamente enriquecido y con papel térmicamenteenriquecido. Los primeros forman una concentración máselevada de furanos en comparación con los últimos [6]. Lostransformadores sin papel térmicamente enriquecido presuponen una elevación de temperatura de 55 ºC,manufacturados en Norte América antes de los comienzos delos años sesenta y casi todos los transformadoresmanufacturados fuera de Norte América. Sólo recientemente,fabricantes de transformadores de Europa y Japón hanofrecido equipo con papel térmicamente enriquecido y esto semantiene como una opción que el comprador tiene quesolicitar específicamente. Transformadores con elevaciones detemperatura de 55/65 ºC y 65 ºC, manufacturados en NorteAmérica desde los comienzos de los años sesenta, típicamenteusan papel enriquecido térmicamente. Así pues, el contenidode furanos se vuelve un predictor de DP relativamente buenoal dividir estas dos poblaciones de transformadores y aplicar diferentes cálculos para estimar el DP de cada población.El método estándar para la medición de furanos es el IEC61198 [7]. Esta es una poderosa herramienta para monitorear el sistema de aislamiento papel-aceite. Además, podría brindar información complementaria a la prueba de gases disueltos enel aceite [8].Para transformadores sin papel térmicamente enriquecido lamejor estimación del DP es calcularlo usando el contenido delfurano tipo 2-furaldehído (2-FAL), debido a que en pruebasexperimentales este ha sido el que se presenta en mayoresconcentraciones [4]. Para transformadores con papelenriquecido térmicamente el cálculo está basado en elcontenido total de furanos [6].Con el valor obtenido de DP a partir de las ecuaciones (1) y(2), es posible calcular la vida usada (en porcentaje) haciendouso de (3) [9]. Los valores de 2FAL y el total de furanos estánen partes por billón (ppb). Estas ecuaciones se actualizan periódicamente. DP[Log(2FAL0.88)4.51]/(0.0035) = − − (1) DP[Log(totalfuranos)4.0355]/(0.002908) = − − (2) %VidaUtilizada[Log(DP)2.903]/(0.006021) = − − (3)Una buena cantidad de laboratorios utilizan la relación (1),la cual es una modificación de la ecuación Chendong [33].Aunque aparentemente adecuada para transformadores sin papel térmicamente enriquecido, la correlación no es buenacuando dicha ecuación es aplicada a datos pertenecientes atransformadores con papel térmicamente enriquecido [9].En [10], De Pablo desarrolla un modelo de degradación del papel basado en un programa común de investigación llevadoa cabo por el grupo de trabajo 15.01.03 de la CIGRE. DePablo encuentra la correlación (4) entre el DP y el 2-FAL (8.88)/(8.882)(7100)/(8.882) = + = + O DPDPFALFAL (4)Asumiendo un DP inicial (DP o ) de 800 y el 2-FAL en ppm,De Pablo demuestra que (4) debe cambiar para distintascondiciones de operación p.e. sobrecarga del equipo, puntoscalientes, etc.En [11] se sugiere una relación lineal entre el logaritmo delcontenido total de furanos versus el contenido de agua y eltiempo de operación del equipo. Este modelo está basado en elanálisis de correlación y correlación parcial entre las variables.Además, los autores sugieren una relación lineal entre el DP yel logaritmo del contenido total de furanos, la cual está basada en el análisis de correlación entre estas variables (R=-0.770).Obteniendo el valor de DP al usar (5) y utilizando este valor para estimar la vida del equipo. DP402.47220.87Log(2FAL) = − (5)La referencia [12] muestra otra ecuación similar a (5) perolas constantes de la ecuación son algo distintas (418.95 y233.48, respectivamente).En [13], de acuerdo con el análisis de regresión entre 2-FAL (ppm) y el DP, se obtiene la relación (6). Obsérvese quelos resultados son distintos a los encontrados usando (1) Log(2FAL)1.50620.035DP = − (6)Es de hacer notar que los autores de [10]-[13] nomencionan si el papel de los transformadores muestreados esenriquecido térmicamente o no.Posteriormente se obtiene (7), la cual es una relación entreel 2-FAL (ppm) y el tiempo de operación continua (años) deltransformador Log(2FAL)1.83080.0578t = + (7)Una comparación gráfica de las distintas relaciones entre elDP y el contenido total de furanos, y entre el DP y elcontenido de 2-FAL, se muestra en las Fig. 2-6. Los valores deDP son los usados en [6].Se debe tener precaución al utilizar uno u otro modelo yaque, como se puede apreciar en las distintas gráficas, losresultados son distintos para cada uno de ellos. También, seobserva en las Fig. 2 y 5 que los resultados obtenidos en [11] y[12] son muy similares a los obtenidos al usar (1). Otrasrelaciones encontradas por De Pablo son mostradas en [8].El contenido de furanos es una herramienta valiosa para elmonitoreo de la condición del papel aislante, pero presentaalgunos problemas [14]:--Los transformadores varían de acuerdo con el volumendel aislamiento papel-aceite, contenido de agua, acidez yniveles de carga, y todos estos factores influyen en laformación de furanos. Por tanto, las cantidades de furanostambién sufrirán variación.--La degradación de una pequeña parte del aislamiento,cercana a un punto caliente, podría ser similar a la degradaciónde una masa de aislamiento más grande que no presente grancantidad de puntos calientes. Sin embargo, en el primer casose generará una pequeña cantidad de furanos, haciéndolos conmucha probabilidad indetectables.--Los furanos son inestables a ciertos valores detemperatura.--Para mejorar la interpretación del contenido de furanos por el contenido de agua en el papel, una buena prácticaconsiste en realizar la medición del espectro de polarización(método de tensión de recuperación, RVM por sus siglas eninglés) [15].En la Tabla I se contrastan las ventajas y desventajas delmétodo de las guías de carga y el grado de polimerización,obtenido este último en forma directa o mediante la obtenciónde furanos. 0 1 2 3 4 5 6 7 8200300400500600700800 2-FAL (ppm) D P Fig. 2. DP en función 2-FAL. Ecuación # 1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3200300400500600700800 Total Furanos (ppm) D P Fig. 3. DP en función Total Furanos. Ecuación # 2 -5 0 5 10 15 20 25 30200300400500600700800 2-FAL (ppm) D P Fig. 4. DP en función 2-FAL. Ecuación # 4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9200300400500600700800 2-FAL (ppm) D P 418.95-233.48Log(2-FAL)402.47-220.87Log(2-FAL) Fig. 5. DP en función 2-FAL. Ecuación # 5 comparada con [12] 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5x 10 -6 200300400500600700800 2-FAL (ppm) D P Fig. 6. DP en función 2-FAL. Ecuación # 6 III. E JEMPLO CON DATOS DE CAMPO Se ha elaborado una base de datos de la cantidad de 2-FALmedido en el aceite de cierto número de transformadoresinstalados en el sistema interconectado de Brasil, pero por cuestiones de espacio solamente se analizan cuatrotransformadores trifásicos de 230, 345, 440 y 550 kV. Paraefectos de comparación se aplicaron las ecuaciones queconsideran la cantidad de 2-FAL como dato de entrada. Losresultados se muestran en la tabla II. De nuevo, como se puedeapreciar, los resultados son distintos dependiendo del modeloutilizado.IV. H ERRAMIENTAS USADAS EN EL ANÁLISIS DE LA VIDA DELOS TRANSFORMADORES DE POTENCIA Como se observó en la sección previa, la industria usadistintas herramientas para la obtención de un valor de vidadel transformador de potencia. En la literatura se puedenencontrar varias propuestas y, con el fin de identificarlas demanera clara, se ha hecho una división de acuerdo al tipo ymanejo de los datos. En la tabla III se muestra un resumen deventajas y desventajas de las distintas herramientas utilizadasen el análisis de la vida de los transformadores de potencia. A. Técnicas que Utilizan Datos Físico-Químicos La referencia [3] concluye que un proceso cinéticodenominado “térmicamente activo”, podría describir elenvejecimiento del papel al utilizar (8). [/(273)] 11 OLDO ERT DPDP Ate − + − = (8)donde, T es la temperatura; E la energía de activación; A un parámetro que depende del medioambiente químico; R laconstante molar del gas y t el tiempo transcurrido deenvejecimiento. El modelo asume que la cinética delenvejecimiento se debe a un único mecanismo en el cual laenergía de activación describe de qué manera la tasa deenvejecimiento depende de la temperatura.Emsley encontró valores para E y A y sugiere que puedenusarse para estimar la vida de los transformadores al utilizar (9), sustituyendo en (8) los valores de E=111 kj/mol, DPo=1000 y DPold =200. 13.350T273 Vida(0.004A)e ⎡ ⎤⎢ ⎥+⎣ ⎦ = (9) T ABLA IV ENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS METODOS UTILIZADOS PARA CONOCER LAVIDA DEL AISLAMIENTO DEL TRANSFORMADOR DE POTENCIA Método Ventajas DesventajasRef.Guías deCargaFácilaplicabilidadEstándar internacionalConsenso de BFatiga simpleB cambia paradiferentes valores detemperatura yreacción.InexactoError por imprecisiónen mediciones detemperatura, humedady oxígeno[18] Parte I[16]-[18]Parte I[22][6]-[7]Parte I[9] Parte I[15]Parte IDP(muestreo papel)Directo y elmásinformativoMuestreo no esrepresentativo de todoel devanadoEs necesario que launidad sea abierta[5][2],[6],[8][6], [14]DP(furanos) No es necesarioabrir el tanqueInformacióncomplementariaal DGACorrelación conDPLos furanos soninestables a ciertosvalores de temperaturaVarios modelosResultados dependende contenido deoxigeno, humedad,temperatura y tipo deaislamiento[14],[6][8][9]-[12][8],[14]T ABLA IIV ALORES DE DP Y % DE V IDA U TILIZADA PARA VARIOS TRANSFORMADORES , DE ACUERDO A UNA BASE DE DATOS REAL Transformador T1 T2 T3 T4 Fecha deanálisis 11-Ago-05 13-Feb-04 07-Dic-06 01-Feb-97Año deFabricación 01-Ene-82 01-Ene-84 01-Ene-82 01-Ene-77Tensión (kV.) 230 345 440 550Cant. 2-FAL * 0.24 1.44 1.413 1.31DP(1) 624.37 402.04 404.39 413.88DP(4) 778.51 687.98 689.79 696.83DP(5) 529.36 367.49 369.31 376.64DP(6) 60.74 38.51 38.74 36.69% Vida usada(3), DP (1)17.86 49.61 49.19 47.52% Vida usada(3), DP (4)1.95 10.87 10.68 9.94(#) Número de ecuación.* En partes por millón (ppm). En [16] se muestra una variante del modelo Arrhenius-Dankin, en donde se propone un modelo de vida para elaislamiento de transformadores de potencia con un factor de peso para la reacción mejorada bajo fatiga combinada térmica-eléctrica. El modelo es representado por (10). [(E-)/(kT)] Vida Ae σξ = (10)donde, A= constante; E= energía de activación; σξ = energíaefectiva de activación; k= constante de Boltzmann y T=temperatura absoluta.En [17] se usan los criterios de final de vida de rigidezmecánica de 20% y DP de 200, obteniendo las curvas (en p.u.)(11) y (12). 1.58t RigidezMecánicaRetenida(RTS)97.05e − = (11) 1.135t GradodePolimerización(RDP)622e − = (12)La ecuación (11) es precisa cuando t es mayor que 0.244 p.u.La vida remanente del transformador puede ser estimada de(13) y (14), si es posible medir RTS o RDP. ( ) VidaRemanente10.633LnRTS/97.05 = + (13) ( ) VidaRemanente10.881LnRDP/622 = + (14)En la Fig. 7 se muestra una comparación entre el modelo devida remanente de la ecuación (14) y (3), haciendo la salvedadque la vida remanente es: 100 - % vida utilizada. 200 300 400 500 600 700 800-40-20020406080100 DP % V i d a u t i l i z a d a Ecuación No 3Ecuación No 14 Fig. 7. % de Vida Utilizada en función del valor de DP En [18] Saha muestra que el método de tensión derecuperación (RVM) provee de información acerca del estatusde envejecimiento del aislamiento por medio del tiempo alcual la tensión de recuperación es máxima. Estos resultadosindican que el RVM podría usarse para el análisis delenvejecimiento de los transformadores. B. Técnicas que utilizan análisis estadístico En [19] se muestra una técnica que usa cuatro indicadoresde envejecimiento de celulosa (CO, CO 2 , 2-FAL, DP) y aplicaun análisis estadístico para evaluar la vida remanente de ungrupo de transformadores. La evaluación está basada en laconfiabilidad, ya que se aplica un indicador de la condicióndel aislamiento (envejecimiento del aislamiento) a un modeloque interpreta la clase de transformador en el sistema duranteel periodo final de la curva bañadera p.e. en la parte en dondela tasa de fallas es más alta debido a la edad del transformador.Un punto importante en esta investigación es que la cercaníaentre la edad del aislamiento y la confiabilidad depende delsistema considerado. Por ejemplo será mayor la relación entreconfiabilidad y edad del aislamiento en un sistema bien protegido contra rayos. Aunque con la incidencia de rayos ycon la presencia de burbujas en el transformador, debidas asobrecarga, se reduce la rigidez dieléctrica a niveles en loscuales el sistema de pararrayos no protege al transformador demanera convenientemente.En [20] se muestran dos métodos estadísticos para estimar la vida media y la desviación estándar de datos obtenidos a partir de un grupo de equipos con datos limitados de final devida o fallas por envejecimiento. Uno de los métodos utilizaun modelo de distribución normal y el otro de distribuciónWeibull. La propuesta podría ser utilizada en elgerenciamiento de transformadores, desde el punto de vista dela confiabilidad.En [21] se muestra un modelo de riesgo de fallas, basado enel envejecimiento, que analiza la tasa de fallas en relación conla edad del equipo [21]. El modelo está basado en modelos demortalidad que han sido propuestos desde el siglo XIX y elmás reciente utiliza la fórmula de Perk (15), la cual permite laincorporación de eventos aleatorios y una representación más precisa del efecto de la disminución de la tasa de fallas a edadavanzada. El modelo no toma en cuenta las diferencias defabricación del equipo, ni la carga del mismo. Se basa en laedad calendario del transformador, por lo que no encara losdefectos de diseño ni del material posiblemente observados enla etapa de “mortalidad infantil”, es decir, al inicio de la curva bañadera ()()/(1) tt ftAee β β = +α +μ (15)donde, f(t)= tasa de fallas instantánea; α , β constantes yA=0.005, constante que representa los eventos aleatorios.Un reciente enfoque, basado en el diagnóstico de los productos de envejecimiento del papel, es mostrado en [22].En este trabajo se evidencia una relación lineal (16) entre elDP y los productos de envejecimiento que mostraron mayor correlación: el monóxido y el dióxido de carbono, algunosfuranos y el contenido total de furanos. El valor obtenido deDP es usado en (17), obteniendo así el tiempo de vidatranscurrido. O2 DPCalog(CO)blog(CO)clog(TotalFuranos)dlog(2FAL)elog(2Acetilfurano)flog(5Methyl2FAL) = + + + ++ − + − (16) [ ] TiempoVidaTranscurrido20.5ln1100DP(años) = × (17)El enfoque más reciente es el observado en [23], en dondese estima la vida del aislamiento mediante simulación de lavida consumida y mediante simulación en combinación con lateoría de procesos renovados. Así, usando el primer método,se obtiene una función de distribución de probabilidadWeibull que es usada para encontrar el tiempo de falla delaislamiento. Al usar el segundo método se encuentran losvalores de final de vida del aislamiento (T λ ) esperado (18) y
