Pruebas que se realizan al aceite dieléctrico

El aceite es un componente muy importante del aislamiento del transformador. El aceite aislante debe tener una rigidez dieléctrica alta, un bajo factor de potencia, una estabilidad química y física y de preferencia un bajo costo. Es un producto natural que contiene una variedad de impurezas en diferentes cantidades.

1.1 Tipos de aceite

Existen dos tipos de aceites aislantes, los sintéticos y los derivados del petróleo.

Aceites sintéticos

Estos aceites son comúnmente llamados bifenilos policlorados y son compuestos sintéticos no flamables, los cuales una vez descompuestos por arqueo eléctrico producen mezclas gaseosas, son estables y difíciles de destruir, son contaminantes ambientales y tóxicos. Además, producen acné por contacto o disturbios al hígado o riñones por inhalación de sus gases. Los más comunes son el tricloro difenil, pentacloro difenil y el triclorobenceno. Actualmente su uso está prohibido, por lo que la CFE requiere confinarlos para su destrucción posterior.

El problema principal de los bifenilos policlorados, es que cuando están en contacto con el agua, sólo una cantidad de 125 pmm se disuelve en el aceite y el resto flota sobre la superficie. La resistencia dieléctrica de los bifenilos policlorados disminuye rápidamente, conforme se incrementa la concentración de humedad. Cuando en el aceite se presenta un arqueo eléctrico severo, éste se descompone y adquiere un color negruzco debido a las partículas de carbón en suspensión.

Los hidrocarburos aromáticos clorados están constituidos por una amplia gama de compuestos químicos orgánicos, obtenidos a partir de agregar átomos de cloro (entre 42% y 51%) a las moléculas de bifenilos de origen sintético, entre los que destacan los “bifenilos policlorados“ (BPC’s) y los “trifenilos policlorados” (TPC’s).

1.2. Pruebas que realizan al aceite

Para determinar la calidad de un aceite, se recomienda realizar una evaluación de sus características físicas, químicas y eléctricas. También se requiere comprender la finalidad de las pruebas y los criterios de análisis de los resultados de prueba.

Las normas que describen los procedimientos de prueba son las siguientes:

· IEC 60422 3ra Edition-10 Mineral insulating oils in electrical equipment-supervision and maintenance guidance

· NMX-J-123-ANCE-Transformadores Aceites minerales aislantes para transformadores. Especificaciones, muestreo y métodos de prueba.

A continuación, se describen brevemente las pruebas que se realizan al aceite aislante, con la finalidad de conocer las diferentes mediciones y pruebas que existen para su evaluación.

Pruebas al aceite en laboratorio

1.3. Densidad

Es la relación del peso del volumen de una sustancia, con respecto a un peso igual de un volumen de agua. La densidad varía con la temperatura, por lo tanto, los resultados se deben corregir a una temperatura de referencia. Esta medición se utiliza para determinar la densidad relativa (gravedad específica) de los aceites minerales. Con el resultado obtenido se determina el tipo de aceite: el nafténico tiene valores de alrededor de 0.88 y el parafínico de entre 0.84 y 0.86.

1.4 Viscosidad

Esta prueba mide el grado de fluidez del aceite. Se realiza con un equipo llamado Viscosímetro Saybolt, el cual contiene un orificio capilar estandarizado, por el que se hace pasar una cantidad volumétrica de aceite en un tiempo determinado. El tiempo representa la viscosidad del aceite a la temperatura de prueba y el resultado se reporta en segundos Saybolt universales (SSU). El límite máximo de viscosidad es 60 SSU.

1.5 Temperatura de inflamación e ignición

El punto de inflamación es la temperatura mínima a la que se generan gases en una muestra de aceite, bajo condiciones de prueba determinadas. Los resultados son corregidos a una presión barométrica de 101,3 kPa. Para el punto de inflamación se especifica un valor mínimo de 145ºC.

1.6 Temperatura de congelación

Es la temperatura a la cual el aceite deja de fluir. Es conveniente que el aceite tenga una baja temperatura de congelación, para asegurar que fluya a bajas temperaturas. En los aceites nafténicos, la congelación se debe al aumento de la viscosidad de los componentes no cristalizables, y en los aceites parafínicos, la congelación se debe a la separación de la cera que inhibe su flujo. En aceites parafínicos, la especificación indica un valor de -26ºC o inferior.

1.7 Análisis estructural

Esta medición determina el contenido de carbonos que están presentes en un aceite, por correlación de sus propiedades físicas básicas. El método es aplicable en aceites con peso molecular entre 200 y 600. Se requiere que el aceite tenga una cantidad óptima de hidrocarburos aromáticos. La aromaticidad se mide principalmente por medios ópticos de dispersión. El contenido de aromáticos es inversamente proporcional a las propiedades de gasificación del aceite, sin embargo, una aromaticidad alta provoca un incremento en la formación de lodos, cuando el aceite está en operación. Se ha determinado que, para el aceite, la concentración óptima de aromáticos sea de entre el 8% y el 12%.

1.8 Tensión interfacial

La tensión interfacial es una indicación confiable de la presencia de compuestos hidrofílicos. Estos compuestos son considerados como indicadores de productos de oxidación. La determinación de la tensión interfacial, se efectúa por dos métodos principales, el de gota y el del anillo.

1.9. Contenido de partículas

Esta medición tiene como objetivo, determinar la cantidad de partículas que contiene una muestra de aceite que se hace pasar a través de un filtro, calculando el peso de las impurezas retenidas, relacionándolo con el volumen previamente determinado. 1.6.4.4.8 Número de neutralización Esta medición también se conoce como “índice de acidez” o simplemente “acidez”, y consiste en determinar la cantidad de material alcalino necesario para neutralizar los ácidos del aceite. Se considera un valor aceptable de 0.009 mg KOH/g, para un aceite nuevo.

1.10 Número de saponificación

Esta prueba mide en forma absoluta el ácido presente en el aceite. Para realizarla se necesita un soporte, una bureta con un aparato para digestión y una placa para calentamiento. Una muestra de 20 g se mezcla y calienta con 25 ml de metil-etil cetona y 25 ml de solución alcohólica 0.54. El resultado final es la desaparición del color con ácido clorhídrico (HCl) usando fenoftaleína como indicador. Esta prueba se realiza con poca frecuencia, debido al tiempo que se requiere y la dificultad para efectuarla.

1.11 Punto de anilina

Esta medición determina la temperatura mínima a la que una mezcla, con partes iguales de aceite y anilina, se hace soluble por completo. El punto de anilina es útil para el análisis de mezclas de hidrocarburos. Es un método rápido y directo para conocer en forma general, el contenido de hidrocarburos aromáticos y el grado de refinación de un aceite. Para un aceite nuevo del tipo nafténico, se especifica un valor de 78ºC y para aceites parafínicos, los valores de referencia son más altos.

1.12 Contenido de agua

Esta medición ayuda a determinar la cantidad de agua presente en líquidos aislantes por titulación coulométrica Karl Fisher. Este método de prueba se utiliza normalmente para muestras por debajo del 100% de saturación relativa, de agua en aceite. Para la prueba se utiliza un reactivo compuesto de bióxido de azufre, piridina metanol y yodo.

Otro método para la medición de humedad en forma automática y continua dentro de un flujo constante de aceite, consiste en medir el punto de rocío por medio de una celda. Con ayuda de datos obtenidos de tablas para el vapor de agua y con la ecuación de solubilidad de Henry, se calcula el contenido de agua en el aceite.

La concentración máxima de agua en el aceite del transformador antes de entrar en operación, debe ser de:

· Para equipos hasta 115 kV 15 ppm máximo

· Para equipos hasta 230 kV 12 ppm máximo

· Para equipos hasta 400 kV 10 ppm máximo

1.13 Contenido de inhibidor

Esta medición tiene como finalidad determinar el contenido de inhibidor en un aceite nuevo o usado. La determinación puede ser cualitativa o cuantitativa. Los inhibidores o antioxidantes tienen como propiedad principal reaccionar con los peróxidos y destruirlos, disminuyendo la velocidad de oxidación. Cuando existen oxidantes en el aceite, los inhibidores no logran evitar que disuelvan el cobre que cataliza la peroxidación.

Por lo tanto, la sensibilidad de un aceite respecto a la acción de los inhibidores, se considera inversamente proporcional a la cantidad de oxidantes que tienen influencia en el factor de potencia. El uso de inhibidores se justifica cuando se utilizan en aceites no oxidantes. El aceite que produce PEMEX, no debe contener inhibidores.

Los aceites del tipo nafténico utilizan inhibidores en diferentes concentraciones, debido a problemas que se presentan en su refinación, dando como resultado dos tipos:

· Tipo I: hasta 0.08% en peso

· Tipo II: hasta 0.3% en peso

1.14 Cloruros y sulfatos

Los cloruros y sulfatos inorgánicos contenidos en el aceite aislante, generan corrosión al estar en contacto con superficies metálicas del transformador. El grado de deterioro de la superficie metálica, depende en gran medida de la cantidad de agentes corrosivos y del medio ambiente de operación. Aunque no es cuantitativo, este método es un medio para conocer el nivel de deterioro. Los aceites nuevos deben estar libres de estos compuestos.

1.15 Azufre total

Este método se utiliza para determinar el contenido de azufre en aceites aislantes, en el intervalo de 0.015% a 0.50% en masa de azufre, por espectroscopia de rayos X. En aceites para transformadores el contenido de azufre debe ser mínimo, ya que el azufre elemental y los compuestos de azufre, pueden ser corrosivos a los componentes de cobre del transformador.

1.16 Azufre corrosivo

Esta prueba detecta la presencia de azufre libre y de compuestos corrosivos de azufre que reaccionan con metales como el cobre o la plata, bajo condiciones determinadas del aceite. Cuando el azufre reacciona con estos metales, sus iones se introducen hacia el papel originando su degradación, y por otro lado contaminan el aceite. Esto ocasiona que la rigidez dieléctrica del sistema aislante se reduzca y se originen fallas.

La norma ASTM D-1275 Standard Test Method for Corrosive Sulfur in Electrical Insulation Oils, ayuda a determinar los componentes de azufre corrosivo en aceites aislantes derivados del petróleo.

1.17 Tensión de ruptura

Por definición, la tensión de ruptura de un aceite aislante es una medida de su habilidad para soportar un esfuerzo eléctrico. Esta prueba se realiza frecuentemente y ayuda a determinar dos cualidades: la resistencia momentánea de un aceite al paso de la corriente y su nivel de degradación o grado de contaminación.

Para un aceite nuevo, se especifica un valor mínimo de 30 kV, utilizando un medidor con electrodos planos y separados 2.5 mm, y cuando se utilizan electrodos semiesféricos, el valor mínimo debe ser de 20 kV. Para aceite usado en buenas condiciones, se considera un valor mínimo de 25 kV, estos valores dependen del equipo en que se utiliza y de su voltaje de operación.

1.18 Tendencia a la gasificación

Es la capacidad de un líquido aislante para absorber o generar gases, cuando se somete a una tensión eléctrica determinada. Al ser sometidos a un campo eléctrico, los aceites con un contenido adecuado de aromáticos, tienen la cualidad de absorber el gas generado; mientras que los aceites con un contenido menor de dichos aromáticos, se caracterizan por una emisión continua de gas, lo cual se vuelve crítico al ser usado en un equipo eléctrico.

El método Pirelli se utiliza para medir la velocidad de desprendimiento o absorción de gas en aceites aislantes, sujetos a tensión eléctrica, provocando ionización. Aún cuando no hay valores recomendados para esta prueba, se considera que el aceite debe absorber hidrógeno.

1.19 Resistividad

Es numéricamente igual a la resistencia entre dos caras opuestas de un centímetro cúbico de aceite. La resistividad de un aceite es una medida de sus propiedades dieléctricas. Una resistividad baja, refleja la presencia de iones libres. De acuerdo con lo anterior y como no se tienen valores recomendados, un aceite ideal sería aquél que tuviera un valor mayor de 250 x 106 MΩ-cm.

1.20 Oxidación acelerada

Esta medición se utiliza para evaluar la estabilidad de oxidación de aceites minerales nuevos no inhibidos, bajo condiciones aceleradas, logrando obtener su vida útil, y consiste en acelerar el procedimiento de envejecimiento en condiciones controladas y comparar los resultados con los de operación. Las causas principales que provocan la oxidación son la temperatura elevada y la presencia de oxígeno. El cobre se utiliza como catalizador para acelerar el proceso. El grado de oxidación del aceite se manifiesta de acuerdo con la cantidad de ácidos o lodos formados, el incremento de la viscosidad, el número de neutralización o con el tiempo requerido para llegar a los valores finales especificados. Las normas NMX-J123-ANCE-2005 e IEC 60422-2005 indican el procedimiento de prueba.

1.21 Porcentaje total de gases

Con esta medición, se determina la cantidad total de gases disueltos en el aceite aislante. Esta prueba normalmente se efectúa en aceites nuevos que van a ponerse en servicio. Se verifica que el contenido de oxígeno disuelto sea el mínimo. También se efectúa en transformadores que están en operación.

1.22 Análisis infrarrojos

La finalidad de esta medición es detectar en forma rápida, la concentración de inhibidor y los productos de oxidación, antes de que ocurra la generación de lodos y otras impurezas disueltas en el aceite.

1.23 Análisis de metales

Esta medición ayuda a detectar la presencia de metales en los aceites aislantes. Con esto se logra identificar ciertos tipos de problemas mecánicos o de sobrecalentamiento en transformadores. Una técnica para esta medición consiste en filtrar una muestra de aceite, retener las partículas y efectuar un análisis químico cuantitativo o cualitativo. Otra técnica consiste en utilizar un espectrofotómetro de absorción atómica, con la cual se determina directamente la cantidad de los metales contenidos en el aceite.

1.24 Contenido de bifenilos policlorados (BPC’s)

La medición tiene como objetivo identificar y determinar cuantitativamente, el contenido de bifenilos policlorados (BPC’s) en líquidos aislantes, por medio de cromatografía de líquidos. Los bifenilos policlorados o BPC´s, es un grupo de hidrocarburos clorados aromáticos, que son muy estables, bioacumulables y tóxicos, con efectos diversos que dependen del grado y tiempo de exposición. Los reglamentos ambientales exigen que los equipos eléctricos y los fluidos eléctricos aislantes que contengan BPC’s, sean manejados y almacenados, utilizando procedimientos específicos.

1.25 Determinación de furanos

Su finalidad es determinar la concentración de furanos en el sistema aislante aceite-papel. Los furanos son compuestos orgánicos que se producen por la degradación del papel en contacto con el aceite, debido a sobrecalentamientos, oxidación y humedad.

La norma IEC 61198-1st Edition 1993-09, indica el procedimiento para determinar el 2-furfural y compuestos relacionados, utilizando cromatografía de líquidos. De acuerdo con esta norma, la concentración mínima de los compuestos debe ser 0.05 mg/kg o menor.

Pruebas en sitio

1.26 Medición del porcentaje de gases

La presencia de gases disueltos en el aceite se puede determinar en sitio, usando equipos portátiles con los que se puede identificar el contenido de gases, tales como el hidrógeno, el monóxido de carbono, el dióxido de carbono, el metano, el acetileno y el etano, así como el contenido de agua. Los resultados de la medición deben ser interpretados por los métodos de Doernenburg, Duval, Rogers, etc., con la finalidad de obtener una mejor evaluación y detección de fallas incipientes.

La tabla 1.1 muestra los valores de referencia, de acuerdo con la experiencia de la Comisión Federal de Electricidad (CFE).

Tabla 1.1 Contenido de gases en aceite para transformadores de potenci

Pruebas en fábrica

1.27 Color ASTM

Una variación en el color del aceite, indica una posible contaminación con otro producto. Para un aceite nuevo, el valor máximo es de 0.5 grados. El color de los aceites se incrementa con su uso y con algunas sustancias que contiene. Si un aceite tiene un color de 1 grado, se puede establecer que no es nuevo, pero si en el transcurso de algunos años adquiere un color de 4 y en un año aumenta a 7, deben investigarse las causas que provocaron dicho cambio, para tomar las acciones correctivas necesarias.

1.28 Factor de potencia

La prueba tiene como finalidad medir el nivel de contaminación o degradación del aceite. El factor de potencia depende de la acción bipolar de los contaminantes.

Un alto nivel de factor de potencia en el aceite aislante, se atribuye a la formación de pequeñas cantidades de compuestos que conducen electrones.

En estos compuestos siempre se han encontrado trazas de cobre. La presencia de mercaptanos (compuestos tóxicos y de un olor desagradable) en el aceite, produce una reacción con el óxido de cobre, formando compuestos cuprosos y solubles que elevan el factor de potencia. Los valores recomendables para dicho factor en un aceite nuevo son 0.05% a 25ºC y 0.3% a 100ºC. Para aceites en servicio, el criterio a seguir varía de acuerdo con los años de servicio y el tipo de aislante líquido que se utilice.

Pruebas que se realizan al aceite dieléctrico del Transformador