Análisis de Gases Disueltos en Transformadores Eléctricos

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Confianza en los resultados de Análisis de Gases Disueltos

Resumen:

El análisis de gases disueltos (DGA) ha recorrido un largo camino en los últimos años. Para garantizar la coherencia de los resultados, deben seguirse varios métodos y procedimientos. El DGA ayuda a la industria, dándole capacidad a los laboratorios de comprobar sus métodos y garantizar resultados, resultados en los que se puede confiar.

El análisis de gases disueltos (DGA), ha sido un estándar de la industria para la detección y determinación de las fallas en los transformadores de más de 30 años. Desarrollado a finales de 1960, el DGA ha sido reconocido en todo el mundo como la principal herramienta para prevenir fallos catastróficos en transformadores de potencia. Tomar una muestra de aceite es sólo el primer paso en el proceso de evaluación del estado operativo de estas grandes piezas de equipo. El petróleo es usado como refrigerante y aislante en los grandes transformadores. Puede ser llamado la sangre de un transformador. Al igual que un médico realiza un análisis de sangre para determinar su salud, el ingeniero DGA dispone de los medios para determinar la salud de los transformadores. Una pregunta se sigue haciendo: el análisis se lleva a cabo, pero, ¿los resultados son válidos?

El análisis de gas disuelto ha sido aceptado como el estándar de la industria para la determinación de fallas incipientes en los transformadores. Siempre que el método sea seguido correctamente, los resultados obtenidos deben dar la información necesaria para tomar una decisión informada sobre el estado operativo de funcionamiento de un transformador. Sin embargo, los equipos necesarios para llevar a cabo la monitorización DGA son ahora mucho más baratos y más fáciles de operar, y más laboratorios han comenzado a ofrecer este servicio. Esto es bueno para la industria, pero al mismo tiempo puede ser perjudicial ya que los resultados de estos nuevos laboratorios quizá no ofrezcan la misma fiabilidad que los laboratorios veteranos.

Hay tres normas de DGA aceptadas, junto con una nueva que ha ganado mucho reconocimiento en los últimos años. Los cuatro métodos requieren una muestra de aceite. La muestra es manipulada de tal manera que elimine o extraiga los gases encontrados en la muestra. Los gases son separados mediante un cromatógrafo de gases (CG). El CG es un instrumento de análisis preciso que comprende un horno, algunas columnas y uno, dos o tres detectores. El gas extraído de las muestras se inyecta en el CG, donde las columnas separan los gases. Las columnas se mantienen a una temperatura constante en el horno, lo que ayuda a la separación de los gases. Cuando los gases salen separados de las columnas, entran en el flujo del detector, que tiene la capacidad de cuantificar los gases. El CG es fácil de calibrar, proporcionando la temperatura del horno, los flujos de gas portador y la sensibilidad del detector. El análisis DGA tiene otro paso, que es la extracción de los gases. Esta es la parte del análisis en la que se pueden producir más errores y se requiere un patrón de calibración.

Desarrollado a finales de 1960 el método de extracción de vacío fue la primera norma ASTM aceptada para el análisis de gases disueltos en aceite, DGA. Que, esencialmente, extrae los gases del petróleo. Al introducir el petróleo en el vacío, los gases disueltos en el petróleo se liberan para que puedan ser recogidos y luego inyectados a un CG. Hay algunos problemas con este método, uno es el sistema de alto vacío y el segundo es el mercurio en cuestión. Debido a la eficiencia del proceso de extracción, sólo se necesita una pequeña cantidad de muestra. En este caso, una jeringa de 30 cc de aceite es todo lo que se necesita. Una vez que el petróleo está expuesto al vacío, los gases que se liberan cuando se encuentran aislados. Mediante el uso del mercurio como un pistón, los gases se comprimen y son llevados a presión atmosférica. Éstos pueden ser inyectados en un cromatógrafo de gases. En la medida en que el aparato funcione correctamente, es un sistema seguro. Pero como se dijo anteriormente, en colaboración con el alto vacío es una preocupación y el sistema debe ser manipulado con cuidado. El mercurio puede hacer incomodar a mucha gente, pero está totalmente aislado y el técnico no necesita preocuparse de entrar en contacto con él. Además, se encuentra en su estado elemental y, por tanto, mucho más seguro para trabajar.

Una nota sobre las muestras antes de proceder: el análisis sólo puede ser tan bueno como la muestra obtenida. Se deben seguir procedimientos de muestreo adecuados. La toma de muestras de aceite de un transformador puede ser una operación sencilla, pero siempre hay que asegurarse que la válvula de drenaje esté bien vaciada. Esta es una zona de estancamiento de aceite que no será parte de la circulación de flujo de aceite en el transformador. Asegúrese de que una cantidad suficiente de petróleo fluye a través de la válvula para eliminar el estancamiento de petróleo. Si esta válvula se encuentra en la parte inferior del transformador no puede haber una gran cantidad de sedimentos o agua suelta. De nuevo, asegúrese de que la válvula está bien vaciada. Los contenedores de muestras deben ser enjuagados también. Esto se puede hacer con el aceite que se está vaciando del transformador. Una vez que la válvula de drenaje se lava, utilice un poco más de aceite del transformador para enjuagar los contenedores de muestras. En Canadá y los EE.UU. el contenedor de elección es una jeringa de vidrio. Es fácil de trabajar y pueden ser transportadas fácilmente.

The Stripping Method (el método de separación) fue aceptado por el ASTM durante el decenio de 1990. Este método evita el uso de los aparatos de alto vacío de desgasificación y el Mercurio. Las muestras de aceite se inyectan directamente en el instrumento donde un flujo de nitrógeno entra en contacto con el petróleo. El nitrógeno fuerza la salida de los otros gases y entran en el flujo dentro del cromatógrafo de gases. Esto suena como un método mucho más fácil de seguir, pero hay problemas con este método, uno es la eficacia de la extracción, y otro, que la máquina es mucho más complicada.

Para asegurarse de su correcto funcionamiento, un estándar de aceite debe ser utilizado para asegurar que la eficacia de la extracción es la mejor. Un gas de calibración debe utilizarse para calibrar el cromatógrafo de gases.

Headspace ha sido recientemente aceptado por la norma ASTM como un método para la determinación del gas disuelto en aceite de transformador. Al igual que con el The Stripping Method, (el método de separación) no se necesita un sistema de alto vacío.

Las muestras de aceite obtenidas se ponen en viales y los viales primero se purgan con gas argón. Una vez que el aceite se pone en los viales, una manta de argón se mantiene por encima del petróleo. Deben mantenerse volúmenes exactos de petróleo y gas. Los viales se agitan durante un período de tiempo, permitiendo que el gas que esté disuelto en el aceite se escape en la manta de gas. Esta manta de gas o Headspace después se introduce en el cromatógrafo de gases donde se hace el análisis de gases disueltos. Los problemas que son inherentes a este método son que el volumen de aceite ha de ser preciso, la temperatura del baño de agitación se tiene que mantener a la temperatura óptima y la presión debe mantenerse constante.

Para estar completamente seguros de los resultados, un estándar de aceite debe de discurrirse por el instrumento para garantizar la eficacia de la extracción, al igual que en el Método de Separación. El método de la Prueba del Shake Test ® es un nuevo método que aún no ha sido aceptada por la ASTM, pero los principios son similares a los de Headspace. Las muestras de aceite se obtienen utilizando una jeringa de Prueba del Shake Test ®. La muestra de aceite es mayor que los otros métodos, pero el equipo necesario para realizar el análisis es mucho más sencillo de manejar. La jeringa de la Prueba del Shake Test ® es una jeringa de 100cc. Para extraer los gases, el técnico mezcla el aceite en la jeringa con una cantidad fija de aire libre de CO2. Esto tarda aproximadamente un minuto. A continuación se adjunta la jeringa a un CG portátil en donde se realiza el análisis de los gases.

Este método permite que el laboratorio sea trasladado al campo en caso de emergencia, ya que todo lo que se necesita es el CG, que es portátil, un ordenador portátil y la jeringa. El análisis completo se puede realizar en el sitio en menos de cinco minutos. Las jeringas especialmente diseñadas y calibradas son todo lo que se necesita para extraer los gases. El gas calibrador que se suministra con el instrumento está compuesto para calibrar el CG y los niveles de calibración de los gases encontrados en el gas calibrador están diseñados para funcionar específicamente con estas jeringas. Mientras que el técnico siga el procedimiento de la Prueba del Shake Test ®, no es necesario un estándar de aceite. Sin embargo, para estar completamente seguro, un estándar de aceite confirmará este método al igual que en los otros métodos.

Desarrollado en nuestros laboratorios en Morgan Schaffer, el estándar de aceite True North está ahora disponible para ayudar a los laboratorios a calibrar sus equipos. También puede ser utilizado por los propietarios de transformadores para garantizar que su laboratorio está realizando el análisis DGA correctamente. La necesidad de un estándar de aceite se observó cuando algunos de nuestros clientes enviaron muestras de aceite tomadas al mismo tiempo de sus transformadores, a distintos laboratorios. Los resultados fueron puestos en duda, ya que no coincidieron y ni siquiera se encontraban dentro del nivel de variación anticipada. Cada pocos años ASTM enviaba una circular a muchos de los principales laboratorios en América del Norte. Enviarían a los laboratorios las muestras de los estándares de aceite que habían producido. Una vez recibidos los resultados, se mostró que hacía falta aún más esfuerzo para asegurarse de que los laboratorios estaban siguiendo los métodos y procedimientos de calibración adecuados. Una de las claves para el desbloqueo de este problema fue poner a disposición de la industria un estándar de aceite DGA certificado.

True North fue un proyecto que tardó dos años en crearse. Se trató de crear un estándar que fuese estable, que se pudiese transportar con facilidad por todo el mundo y poco costoso; no sólo para elaborar sino lo suficientemente rentable para que los laboratorios pudiesen utilizarlo a diario o semanalmente. El primer obstáculo fue la forma de elaborar el estándar. La obtención de cantidades conocidas de los diferentes gases de fallo para disolver en aceite no fue tarea fácil. Morgan Schaffer comenzó primero, con el nuevo Voltesso 35, uno de los aceites aislantes de transformador común en Canadá. Utilizando un aparato de desgasificación diseñado a propósito, prácticamente todo el gas se extrajo del aceite. La parte difícil fue cómo lograr meter el gas en el aceite. El aceite entonces se introdujo en contenedores que permitieron la expansión y contracción. Esto permitió que el gas entrase en el aceite a presión atmosférica. Es bien conocido que el aceite de los transformadores generará o perderá parte del gas de fallo cuando es expuesto a la luz ultravioleta. Por lo tanto, los contenedores tenían que mantenerse aparte de la luz mientras el aceite absorbe el gas. También tenían que mantenerlo apartado de la luz durante el almacenamiento. El almacenamiento fue otra cuestión. Si durante el almacenamiento, el estándar se volvió inestable y los niveles de gas en el aceite cambiaron debido a las reacciones, por supuesto, este sería inaceptable. Se constató que a un nivel de 100 ppm en el aceite, el estándar no se mantenía estable durante un período de meses. Para entregar True North a nuestros clientes, lo único que hacía falta era transferir el aceite a jeringas y transportarlos así. Para garantizar los resultados del estándar, el aceite debe de analizarse en el plazo de cuatro semanas después de la recepción.

True North fue enviado a una serie de laboratorios en Canadá. Los laboratorios que participaron estaban realizando el análisis DGA de acuerdo con el estándar aceptado de ASTM D-3612. Estos laboratorios siguieron uno de los tres métodos: la extracción al vacío, el método de separación y el headspace. Los resultados obtenidos no eran muy reconfortantes. En algunos casos, una variación en los resultados anticipados superior al 90 por ciento fue devuelta. Esto demostró que los procedimientos no se estaban siguiendo y que las calibraciones no se estaban realizando correctamente. La calibración del cromatógrafo de gas es un procedimiento sencillo, pero en vista de que la extracción del gas del aceite es el paso primario en el análisis, una verificación de la extracción debe hacerse también. Aquí es donde True North ayudará a los laboratorios a estandarizar sus equipos y la industria en su conjunto se beneficiará. Los resultados de un análisis de gases disueltos se utilizan para tomar importantes y costosas decisiones. Si los resultados no son fiables decisiones incorrectas y costosas se podrían tomar y se tomarán.

El último avance para la detección de fallas en los transformadores es el desarrollo de los sistemas en línea que continuamente monitorean los transformadores en caso de fallas incipientes. El monitor de hidrógeno Calisto está diseñado para monitorear de forma continuada los transformadores para la generación de Hidrógeno y Agua. El hidrógeno se desarrolla en todas las fallas de transformador y es un gas clave que puede utilizarse para advertir sobre los defectos de desarrollo. El agua perjudica el aislamiento sólido de los transformadores y se debe mantener al mínimo. Mediante la vigilancia de estos dos componentes se añade un nivel adicional de aseguramiento al funcionamiento del equipo. Una propiedad conveniente de Calisto es que no es necesaria la calibración. Por lo tanto, un estándar True North no es necesario. Otros sistemas en línea sí requieren calibración. La Tecnología de pila de combustible ha sido utilizada durante muchos años, pero aún se requiere de calibración en campo. La unidad de enfermería de transformador y el transformador CG en línea son las novedades que ofrecerán un DGA total para transformadores cuestionables. Pero, estos equipos de monitorización de transformadores son muy caros y sólo se utilizan en unidades muy críticas. Sin embargo, estos dispositivos requieren de calibración continua. Un estándar de aceite sería beneficioso para garantizar su funcionamiento. En conclusión, el análisis de gases disueltos ha recorrido un largo camino en los últimos años. Para garantizar la coherencia de los resultados, varios métodos y procedimientos deben ser seguidos. El estándar True North DGA ayudará a la industria, dándoles capacidad a los laboratorios de comprobar sus métodos y garantizar resultados confiables.