Análisis de gases disueltos

El análisis de gases disueltos permite detectar defectos en los transformadores en una fase temprana de su desarrollo, la naturaleza prevista del defecto y el grado de daño existente. El estado del transformador se evalúa comparando los datos cuantitativos obtenidos en el análisis con los valores límite de concentración de gases y con la tasa de crecimiento de la concentración de gases en el aceite. Este análisis para transformadores con una tensión de 110 kV y superior debe realizarse al menos una vez cada seis meses.

Por qué es importante el análisis de gases disueltos

El aceite del transformador sirve como medio de diagnóstico eficaz para evaluar el estado del transformador. Durante el funcionamiento normal del transformador, pequeñas cantidades de gas se disuelven en el aceite aislante debido al envejecimiento del aislamiento interno y otros fenómenos.

Para diagnosticar fallos en desarrollo en transformadores de potencia, se utilizan varios criterios: criterios de concentración límite, tasas de crecimiento de la concentración de gas y ratios de pares y grupos de gases. El método de concentración límite se basa en determinar cuándo los valores de concentración de gas superan ciertos umbrales, lo que indica la presencia de fallos que podrían provocar un fallo del equipo. La velocidad a la que aumentan las concentraciones de gas también puede indicar la urgencia de un fallo en desarrollo. Si el aumento relativo de la concentración de gas supera el 10 % al mes, se considera que el fallo se está desarrollando rápidamente. El tipo de fallo se clasifica además en función de las proporciones de los diferentes pares de gases. Estas proporciones ayudan a diferenciar entre fallos térmicos y eléctricos. Los defectos térmicos incluyen problemas como cortocircuitos, sobrecalentamiento del aislamiento, contactos, bujes y otras estructuras metálicas del tanque del transformador. Los fallos eléctricos se refieren a descargas de intensidad variable. Por supuesto, el desarrollo del fallo podría ser una combinación de ambos tipos.

Las normas reconocidas a nivel mundial, incluidas la IEC 60599-2015 y la IEEE C57.104-2019, describen metodologías para interpretar los resultados del análisis de gases disueltos. Estas normas se basan en conjuntos de datos históricos y en la validación de expertos para establecer puntos de referencia para el diagnóstico de fallos. Un principio fundamental es el uso de ratios de gases, que implican la comparación de las concentraciones relativas de gases clave.

Enfoques diagnósticos para el análisis de gases disueltos

Los métodos de diagnóstico para identificar fallos en transformadores mediante el análisis de gases disueltos tienen características y aplicaciones distintas. Las opciones más populares incluyen el método de gases clave (KGM), el método de la relación de Doernenburg (DRM), el método de las relaciones de Rogers (RRM), el método de la relación IEC 60599 (IRM), el método del triángulo de Duval (DTM) y el método del pentágono de Duval (DPM). Cada uno de estos métodos se basa en la interpretación de los gases disueltos en el dieléctrico líquido para detectar y clasificar posibles problemas.

El método Key Gas se centra en identificar fallos mediante el análisis de concentraciones específicas de gas. Cada gas sirve como indicador de un tipo concreto de fallo dentro del transformador. Por ejemplo, el hidrógeno (H₂) se asocia comúnmente con descargas eléctricas, como descargas parciales o chispas, que pueden surgir de una avería en el aislamiento o de conexiones eléctricas inadecuadas. El monóxido de carbono (CO) es un indicador clave del sobrecalentamiento del aislamiento de papel, que a menudo se debe al exceso de calor generado durante el funcionamiento del transformador.

El etileno (C₂H₄) se produce normalmente durante la degradación térmica del aceite del transformador cuando se expone a temperaturas elevadas. Esto puede ocurrir debido a puntos calientes dentro del transformador causados por sobrecargas o calentamiento localizado. El acetileno (C₂H₂), por otro lado, es un claro indicador de descargas eléctricas de alta energía, como los arcos eléctricos, que pueden dañar gravemente el aislamiento y otros componentes internos.

El método de la relación de Doernenburg mejora la precisión al examinar las relaciones entre pares específicos de concentraciones de gases. Al comparar el hidrógeno, el metano (CH₄), el etano (C₂H₆) y el etileno, este enfoque distingue entre la descomposición térmica y las descargas eléctricas, lo que lo hace muy útil para diferenciar entre tipos de fallos.

El método Rogers Ratios perfecciona aún más este análisis mediante la evaluación de las relaciones de gases en tres pares específicos. Identifica fallos asociados con la degradación térmica en distintos rangos de temperatura (por debajo de 572 °F, entre 572 °F y 1294 °F, y por encima de 1294 °F), al tiempo que detecta procesos de envejecimiento y eventos de descarga.

Del mismo modo, el método de relación IEC 60599 se centra en las relaciones de gases para clasificar fallos como descargas de baja y alta energía y defectos térmicos dentro de los mismos rangos de temperatura. Este método ofrece un enfoque estandarizado, lo que lo hace especialmente útil para diagnósticos internacionales.

El método del triángulo de Duval simplifica la interpretación de los tipos de fallos mediante el uso de las concentraciones de metano, etileno y acetileno. Al trazar estos valores en un diagrama triangular, este método distingue visualmente entre fallos como el sobrecalentamiento, las descargas parciales y los arcos eléctricos. Es muy apreciado por su fiabilidad en el diagnóstico de problemas de aislamiento de transformadores.

El método Duval Pentagon se basa en este concepto e incorpora dos gases adicionales, hidrógeno y metano, para proporcionar un análisis más completo. Este método incluye los efectos del envejecimiento natural del aislamiento, lo que ofrece una visión más profunda del estado del transformador. Sin embargo, requiere una mayor validación y perfeccionamiento para lograr una adopción generalizada.

Entre estos métodos, el triángulo de Duval se considera el más fiable para identificar fallos en el aislamiento. Aunque el pentágono de Duval ofrece una perspectiva más amplia, incluyendo factores de envejecimiento, su aplicación práctica aún se encuentra en fase de investigación.

El triángulo de Duval

Una de las herramientas de diagnóstico más utilizadas en el análisis de gases disueltos es el triángulo de Duval, que se centra en tres gases: metano (CH₄), acetileno (C₂H₂) y etileno (C₂H₄). Para utilizar el triángulo de Duval, primero se convierten las concentraciones de gas en porcentajes que suman el 100 %. A continuación, estos valores se representan en un diagrama triangular, en el que la posición del punto revela la naturaleza de la avería. El diagrama se divide en zonas diferenciadas, cada una de las cuales corresponde a un tipo de fallo concreto, como el sobrecalentamiento térmico o las descargas eléctricas. Cada gas se representa a lo largo de un eje en un gráfico triangular.

Gases clave e indicadores de fallos

Ciertas combinaciones de gases sirven como indicadores de problemas específicos:

• Hidrógeno (H₂): Indicador primario de descargas parciales.
• Metano (CH₄): Asociado con fallas de baja energía.
• Acetileno (C₂H₂): Indica un arco eléctrico de alta energía.
• Etileno (C₂H₄): Sugiere sobrecalentamiento del aceite o de los conductores.
• Monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO₂): marcadores de la degradación del aislamiento sólido, en particular la celulosa.

Por ejemplo, los niveles elevados de CO₂ y CO suelen indicar una degradación térmica del aislamiento de celulosa, especialmente cuando su concentración combinada supera el 1 %.