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Ingeniería Energética

versión On-line ISSN 1815-5901

Energética vol.36 no.2 La Habana mayo.-ago. 2015

 

APLICACIONES INDUSTRIALES

 

Análisis de gases disueltos para monitoreo y diagnóstico de transformadores de fuerza en servicio

 

Dissolved gas analysis for monitoring and power transformers in service diagnosis

 

 

Msc. Gustavo Crespo Sánchez

Universidad de Cienfuegos “Carlos Rafael Rodríguez”, Cienfuegos, Cuba.

 

 


RESUMEN

La primera señal de existencia de problemas en transformadores de fuerza es la detección de gases que se generan en el aceite como resultado de los fenómenos térmicos y eléctricos a que están permanentemente sometidos; que degradan el aislamiento y ocasionan fallas incipientes que, si no se detectan a tiempo, pueden devenir en defectos mayores y costosos. El artículo trata sobre el análisis de estos gases, como uno de los métodos más utilizados para el diagnóstico de fallas, en correspondencia con las concentraciones individuales y las relaciones entre esas concentraciones, permitiendo determinar el estado del transformador y reducir los índices de falla. Hace un recorrido completo de los gases generados y de los posibles diagnósticos asociados. Presenta resultados de la aplicación de esta técnica en la Empresa de Construcciones de la Industria Eléctrica (ECIE) Cienfuegos, a partir de las mediciones obtenidas con el medidor portátil Transport X (KELMANLTD).

Palabras clave: análisis de gases disueltos, diagnóstico de transformadores, fallas incipientes, monitoreo, métodos para el diagnóstico de fallas.


ABSTRACT

The first sign of the existence of problems in power transformers is the detection of gases generated in oil as a result of thermal and electrical stresses that are permanently subject, which degrade the insulation and cause incipient failures which if not detected in time can become costly and larger faults. The article deals with the analysis of these gases as one of the most used methods for the diagnosis of faults in correspondence with the individual concentrations and the relationships between those concentrations that allow determining the status of the transformer and reduce failure rates. A complete tour of the gases and the possible associated diagnoses with them is done. Presents results of the application of this technique in Building Company of Electrical Industry (BCEI) Cienfuegos, from the measurements obtained with the portable meter Transport X (KELMAN LTD).

Key words: dissolved gas analysis, incipient failures, monitoring, transformer diagnosis, methods for the diagnosis of faults.


 

 

INTRODUCCIÓN

En el Sistema Electroenergético Nacional, los transformadores de fuerza son elementos vitales, por su significación y por sus costos. El aumento de las potencias, la elevación de las tensiones eléctricas y las necesidades de transmitir potencia a distancias cada vez mayores convierten a los transformadores en equipos eléctricos de la mayor importancia.

En el mundo, las estadísticas de fallas en transformadores de fuerza indican que el 41 % de estas, están relacionadas con el cambiador de derivaciones; el 19 % con los devanados; el 3 % con el núcleo; el 12 % con los bushings; el 13 % con el tanque y los fluidos y el 12 % con los accesorios [1]. En Cuba, las estadísticas de fallas típicas para transformadores del Sistema Electroenergético Nacional muestra que los puntos principales de falla y, por tanto, los que deben ser monitoreados con máxima prioridad son los devanados y los cambiadores de derivaciones, en los casos en que estos existen, siendo el punto débil, el aislamiento [2].


La Empresa de Construcciones de la Industria Eléctrica (ECIE) Cienfuegos tiene establecido un programa de diagnóstico y mantenimiento predictivo, para garantizar la operación confiable de los transformadores.

La detección de algunos tipos de fallas o eventos como por ejemplo arcos eléctricos en las guías; falsos contactos, descargas parciales, u otra y su localización constituían un problema anteriormente. Actualmente, la información obtenida de un sistema de adquisición de datos, con el monitoreo, permite detectar fallas tanto de rápido, como de lento desarrollo, lo que supera los métodos convencionales de las pruebas eléctricas realizadas sólo con el equipo fuera de servicio, que no pueden detectar las fallas de rápido desarrollo, por estar basados en mediciones espaciadas en el tiempo [3].

El objetivo que motivó la investigación consistió en realizar diagnósticos a partir de las concentraciones individuales de los gases disueltos en el aceite dieléctrico de los transformadores y las relaciones entre sus concentraciones, para evaluar el estado de los mismos en la ECIE Cienfuegos y poder reducir los índices de fallas con la detección y eliminación a tiempo de fallas incipientes y de lento desarrollo.

El desarrollo del artículo se estructura de la siguiente manera: Primeramente se describen los gases típicos que se generan durante las fallas en los transformadores de fuerza, y los diagnósticos asociados a ellos a partir de las concentraciones individuales y las relaciones entre ellos. Seguidamente se explica los análisis y los diagnósticos en la ECIE Cienfuegos, se muestran los resultados del estado de los transformadores y se formulan las conclusiones.

 

 

MATERIALES Y MÉTODOS

Análisis de gases disueltos

El propósito de este análisis es conocer exactamente las diferentes sustancias que componen los gases disueltos en el aceite extraído del transformador. Para ello se utiliza el medidor portátil de gases disueltos “Transport X”. De acuerdo a la naturaleza de los gases disueltos en el aceite aislante, se puede determinar la causa de la anormalidad y solucionarla antes que se convierta en una falla.


Cuando el transformador se somete a esfuerzos térmicos y eléctricos anormales, debido a la degradación del aceite y de los materiales aislantes, se generan ciertos gases combustibles. El tipo y las concentraciones de gases generados son importantes, por cuanto el proceso de envejecimiento normal produce cantidades extremadamente pequeñas de gases, mientras que condiciones incipientes o fallas declaradas generan cantidades grandes. Los gases típicos generados por algunas fallas incipientes en transformadores de fuerza son: Hidrógeno (H2), Oxígeno (O2), Nitrógeno (N2), Metano (CH4) Monóxido de carbono (CO), Etano (C2H6), Dióxido de carbono (CO2), Etileno (C2H4) y Acetileno (C2H2) [4]. El Hidrógeno, Metano, Monóxido de carbono, Etano, Etileno y Acetileno son gases combustibles. Cuando se detectan gases en cantidad suficiente como para suponer la existencia de una falla, es necesario conocer la severidad de ella, lo cual se determina en base a la tasa de crecimiento por día de cada gas en particular, o del total de gases combustibles disueltos en el aceite.


Los mecanismos de falla más comunes son: Arcos eléctricos en el aceite y en el aislamiento sólido; Corona, Descargas eléctricas de baja energía en el aislamiento sólido y Sobrecalentamiento general o puntos calientes.

Identificación de la falla con la ayuda del análisis de gases disueltos

La detección de una condición anormal requiere de una evaluación de la concentración del gas generado y de la tendencia de generación. La cantidad de cada gas, con respecto al volumen total de la muestra, indica el tipo de falla que está en proceso [5], [6].

Existen dos maneras de representar los resultados de gases disueltos: A partir de las concentraciones individuales y por las relaciones entre gases.

Acetileno

La presencia del acetileno en los gases disueltos en el aceite siempre se debe a una falla eléctrica. Si el acetileno está acompañado solamente de CH4 y de H2, se trata de arco eléctrico de duración limitada en el aceite. Si estos elementos son acompañados de CO y CO2, este arco eléctrico implica o compromete el aislamiento sólido. Si esos mismos elementos (C2H2; CH4y H2) sin CO ni CO2 son acompañados de C2H6, C3H8, C2H4 y C3H6, significa que existen descargas parciales fuertes o arcos eléctricos en el aceite. Si, además se observa CO, significa que las descargas se producen en un aislamiento sólido.

Etileno

Si los productos de degradación contienen C2H4 (sin C2H2) se trata siempre de una degradación térmica. Si no hay CO2, en el punto caliente no interviene el aislamiento sólido. La temperatura de esta falla será superior o inferior a 500oC, según sea mayor la cantidad de C2H4 o de CH4 respectivamente, entre los productos detectados. En general están acompañados de H2, C2H6, C3H8 y C3H6. Cuando, además de estos compuestos (H2, C2H6, C3H8 y C3H6), se constata la presencia de CO2,y eventualmente de CO, la falla consiste en un punto caliente de temperatura igual o superior a 130oC. Mientras no se alcance 300oC la relación CO/CO2 permanece en el orden de 0,1.

Dióxido de Carbono

En ausencia de C2H2 y del C2H4, el CO2, solo acompañado de un poco de CO o de CH4, es característico de un envejecimiento térmico normal del papel. Cuando predomina el H2 y los hidrocarburos saturados, tales como C2H6, C3H8 y C3H6, con una relación CO/CO2 superior a 0,1, se trata de la existencia de pequeñas descargas parciales en el aislamiento sólido.

Hidrógeno

La presencia de H2, solo acompañado eventualmente de una cantidad de CH4 se debe a descargas parciales, ya sea en el aislamiento, en la superficie libre de aceite, o bien, es la primera manifestación de una falla eléctrica más grave.

Compuestos del aire (O2, N2)

En el caso de fallas en el relé bucholz o de gas, puede ser que el gas extraído de este contenga o2 y n2. Si la proporción o2, n2 es similar a la del aire, se puede tratar de una entrada de aire. Si la proporción de o2 es mucho menor que la del aire, esto puede deberse a un punto caliente de temperatura superior a 100ºc.

Ambigüedad de ciertos diagnósticos

Es frecuente que un transformador en servicio presente dos fallas simultáneas o, simplemente, una falla superpuesta al envejecimiento térmico normal. Para discernir la incertidumbre pueden utilizarse algunos criterios: Una relación CO/CO2>0,1 debe ser siempre considerado como índice de descarga eléctrica que compromete el aislamiento. Desgraciadamente, se trata de una codificación necesaria pero no suficiente. Una ambigüedad típica proviene de la superposición de una pequeña falla térmica con pequeñas descargas parciales en el aislamiento sólido; en este caso, aparece C2H4 sin C2H2 y el diagnóstico que se da es “punto caliente en el aislamiento sólido”, lo que es cierto, pero se ignora la existencia de descargas parciales en el aislamiento sólido. Si en este caso la relación CO/CO2 > 0,1, debe suponerse la superposición de estos dos efectos; igualmente una relación C2H6/C2H4> 1 indica siempre descargas parciales. En la tabla 1, se resumen los posibles diagnósticos a partir de los gases de degradación.
La tabla 2, muestra los límites de las concentraciones de gases disueltos en el aceite consideradas seguras [5] y las que facilita el equipo medidor portátil Transport X en sus prestaciones, las cuales incluyen dos rangos: Precaución y Peligro.
El medidor portátil de gases disueltos Transport X muestra las concentraciones calculadas y brinda la posibilidad de ver los límites preestablecidos según el criterio utilizado por el fabricante; además, da acceso a las técnicas adicionales para el diagnóstico (figura 1, figura 2).

Una vez realizado el análisis con el Transport X se utilizan varias técnicas adicionales para diagnosticar la condición del transformador: Triángulo de Duval [7] y Patrones de Diagnóstico, que utilizan las concentraciones individuales, el Método de Dörnenburg [8] y el de Rogers [9], que utilizan las relaciones entre gases [(C2H2/C2H4); (CH4/H2); (C2H2/C2H6) y CO2/CO)]. El equipo brinda cuatro posibilidades de diagnósticos adicionales (figura 3): Key Gas, que según la norma IEEE C-57-104-1991 selecciona el gas principal y muestra -según su contenido- el diagnóstico; Relaciones de Rogers, también basado en la norma IEEE C-57-104-1991, que brinda las relaciones entre gases [CH4/CH2 (R1); C2H2/C2H4 (R2); C2H4/C2H6 (R5); C2H6/CH4 y CO2/CO] e indica el caso Rogers seleccionado con su correspondiente diagnóstico; Triángulo de Michel Duval, que muestra sus zonas predeterminadas, ubicando en el diagnóstico del transformador y ETRA (Asociación de Investigaciones Tecnológicas de Japón), que a través de dos algoritmos facilita el patrón de gas [compara el patrón medido con uno similar de la herramienta y brinda entonces el diagnóstico] y muestra dos diagramas de diagnóstico [A: (C2H2/C2H4 contra C2H4/C2H6) y B: (C2H2/C2H6 contra C2H4/C2H6)], ubicando en ellos la condición del transformador.

El medidor portátil de gases disueltos Transport X brinda cuatro posibilidades de diagnósticos adicionales: Gases Claves; Relaciones de Rogers; Triángulo de Duval y ETRA. La tabla 3, muestra un ejemplo de cómo imprime los resultados el equipo de medición.

Finalmente, el equipo trae un software asociado: “Perception”, al que se le pueden introducir los datos desde el equipo de medición, a través de una interfaz con puerto USB. Este programa realiza un análisis completo, a partir de las concentraciones de gases encontradas y da seguimiento a los incrementos de gases disueltos en las diferentes pruebas realizadas en determinados períodos de tiempo. Entonces, con las consideraciones anteriores, brinda el diagnóstico y ofrece recomendaciones de cómo proceder. La tabla 4, muestra un ejemplo del informe que emite el software.

 

RESULTADOS.

Luego de realizadas las mediciones de las concentraciones de gases disueltos  a diecisiete transformadores, utilizando el medidor portátil Transport X, aprovechando todas sus prestaciones y considerando los criterios y métodos para realizar los diagnósticos, se llegaron a los resultados que muestran las tablas 5 y 6.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Luego de la obtención de los datos de los gases disueltos, los análisis posteriores requieren la presencia de expertos en el tema para determinar con exactitud la condición del transformador. Por otra parte, la interpretación de los datos obtenidos depende en gran medida de las habilidades de interpretación de los especialistas. De tal manera, se mantiene vigente la aspiración de encontrar un método más confiable para diagnosticar las fallas en transformadores, en el que no haya diagnósticos incorrectos, en el que se pueda discernir la existencia de múltiples fallas y en el que se eliminen los casos en que sea imposible hacer un diagnóstico.

De los 17 transformadores analizados se lograron 15 diagnósticos, para un 88,28 %. En todos los casos diagnosticados, se pudo discernir entre el envejecimiento normal y la presencia de fallas incipientes o de lento desarrollo, que permitieron eliminarlas a tiempo y contribuir a la reducción de los índices de falla en transformadores de fuerza en la ECIE Cienfuegos.

Los métodos tradicionales de análisis de gases disueltos, han estado caracterizados por las limitaciones en la exactitud de la aplicación del diagnóstico. Los sistemas de Diagnóstico de Fallas en Transformadores utilizando Inteligencia Artificial son procedimientos que se amplían gradualmente. En la década del 2001-2010, hubo una extensa investigación sobre el empleo de la inteligencia artificial para apoyar los Análisis de Gases Disueltos (AGD). Estas investigaciones incluyen el acercamiento al Sistema de Expertos, el acercamiento al Sistema Difuso y el acercamiento a las Redes Neuronales Artificiales.

 

 

CONCLUSIONES

Se realizaron 17 análisis a partir de las concentraciones individuales de los gases disueltos en el aceite dieléctrico de los transformadores y las relaciones entre sus concentraciones que permitieron obtener 15 diagnósticos, y evaluar el estado de los mismos en la ECIE Cienfuegos. La eliminación a tiempo de las fallas incipientes diagnosticadas permitió reducir los índices de fallas de los transformadores en un 40 %, lo que significa que el número de fallas anual disminuyó de 5 a 2 y potenciar los mantenimientos predictivos, que garantizó una mejor planificación de las salidas de servicio para la eliminación de las fallas incipientes detectadas.

El análisis de gases disueltos es la técnica de mayor éxito en el diagnóstico de fallas incipientes en transformadores. La presencia y concentración de gases generados depende del tipo, localización y temperatura de la falla, solubilidad y grado de saturación de los diferentes gases en el aceite, de los diferentes materiales involucrados en el proceso de degradación y de los procedimientos de muestreo y medición [10], [11].Los procedimientos de análisis tienen una lógica difícil, por lo que se recomienda un segundo análisis para confirmar el diagnóstico. Su principal desventajaes la necesidad de que la falla esté activa durante algún tiempo. Esta técnica continúa manteniendo su actualidad y brinda la posibilidad de detectar a tiempo y eliminar fallas incipientes, generalmente de lento desarrollo, evitando que devengan en fallas mayores y más costosas.

La aplicación de sistemas de inteligencia artificial para la interpretación de los análisis de gases disueltos permite diagnosticar con exactitud, rapidez y confiabilidad la condición de los transformadores, elimina los diagnósticos incorrectos, discierne cuando coinciden más de una falla y elimina los casos o zonas de incertidumbre o umbrales, en que resulta sea imposible hacer un diagnóstico. Su utilización se amplía gradualmente y están permanentemente sujetos a constantes correcciones e inspecciones en la práctica.

 

 

REFERENCIAS

1. Wang, M.; et al., "Review of condition assessment of power transformers in service". IEEE Electrical Insulation Magazine, 2003, vol.18, n.6, p. 12-25, [consultado: 12 de junio de 2011], Disponible en: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=1161455, ISSN 0883-7554.

2. Montané, J.J.; et al., "Estado actual del diagnóstico de transformadores de potencia en las centrales eléctricas cubanas". Revista Ingeniería Energética, 2011, vol.32, n.1, p. 53-61, Disponible en: http://rie.cujae.edu.cu/index.php/RIE/article/view/289/286, ISSN 1815-5901

3. Mackenzie, E.A.; et al., "On-line monitoring and diagnostics for power transformers". En: Conference Record of the 2010 IEEE International Symposium on Electrical Insulation (ISEI), San Diego: IEEE, June 2010, [consultado: 19 de septiembre de 2011], p. 1-5, Disponible en: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=554973, Print ISBN: 978-1-4244-6298-8.

4. Pandey, R.; Deshpande, M.T., "Dissolved Gas Analysis (DGA) of Mineral Oil Used in Transformer". International Journal of Application or Innovation in Engineering & Management, 2012, vol.1, n.2, p. 1-5, [consultado: 2 de abril de 2013], Disponible en: http://www.ijaiem.org/volume1Issue2/IJAIEM-2012-10-30-069.pdf, ISSN 2319-4847.

5. Lelekakis, N.; et al., "Comparison of disolved gas-in-oil methods using a disolved gas-in-oil standard". IEEE Electrical Isulation Magazine, 2011, vol.27, n.5, p. 29-35, [consultado: 26 de mayo de 2012], Disponible en: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=6025366, ISSN 0883-7554.

6. IEEE, "IEEE Guide for the Interpretation of Gases Generated in Oil-Immersed Transformers". IEEE Standard C57-104-2008, 2009, [consultado: 2 de febrero de 2009], p. 1-36, Disponible en: http://ieeexplore.ieee.org/servlet/opac?punumber=4776467, doi: dx.doi.org/10.1109/IEEESTD.2009.4776518, ISBN: 978-0-7381-5834-1.

7. Duval, M., "The Duval Triangle for Load Tap Changers, Non-Mineral Oils and Low Temperature Faults in Transformers". IEEE Electrical Insulation Magazine, 2008, vol.24, n.6, p. 22-29, [consultado: 14 de diciembre de 2009], Disponible en: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=4665347, ISSN 0883-7554.

8. Dörnenburg E.; Gerber O.E., "Analysis of dissolved and free gases for monitoring performance of oil-filled transformers". Brown Boveri review, 1967, vol.54, n. 2/3, p. 104-11, [consultado: 7 de marzo de 2009], Disponible en: http://www.astm.org/DIGITAL_LIBRARY/MNL/DATA/vol_1994/iss_2/310_1.xml, ISSN 0007-2486.

9. Rogers, R.R., "IEEE and IEC codes to interpret incipient faults in transformers, using gas in oil analysis". IEEE transactions on electrical insulation, 1978, vol.13, n.5, p. 349-354, [consultado: 30 de noviembre de 2008], Disponible en: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=4080560, ISSN 0018-9367.

10. Liñán, R.; et al., "Monitoreo y diagnóstico en línea de transformadores de potencia". Boletín IIE, México: Instituto de Investigaciones Eléctricas, 1997, vol.21, n.4, p. 192-204, [consultado: 11 de diciembre de 2010], Disponible en: http://www.iie.org.mx/publica/bolja97/tec3ja97.htm, ISSN 0185-0059.

11. Gomathy, V.; Sumathi, S., "Implementation of SVM using sequential minimal optimization for power transformer fault analysis using DGA". International Journal of Computers & Technology, 2013, vol.10, n.5, p. 1687-1699, [consultado: 18 de febrero de 2014], Disponible en: http://cirworld.com/journals/index.php/ijct/article/download/2101/pdf_176, ISSN 2277-3061.

 

 

Recibido: Febrero de 2014
Aprobado: Diciembre de 2015

 

 

Gustavo Crespo Sánchez Ingeniero Electricista. Máster en Ciencias, mención Sistemas Eléctricos de Potencia. Profesor Auxiliar. Universidad de Cienfuegos “Carlos Rafael Rodríguez”. e-mail: gcsanchez@ucf.edu.cu

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