Análisis de gases disueltos

El análisis de gases disueltos (DGA) es un examen de los contaminantes del aceite de los transformadores eléctricos. Los materiales aislantes dentro de los equipos eléctricos liberan gases a medida que se descomponen lentamente con el tiempo. La composición y distribución de estos gases disueltos son indicadores de los efectos del deterioro, como la pirólisis o la descarga parcial, y la tasa de generación de gases indica la gravedad. El DGA es beneficioso para un programa de mantenimiento preventivo.

La recolección y el análisis de gases en un transformador aislado en aceite se discutió ya en 1928. A partir de 2018, se han dedicado muchos años de estudio empírico y teórico al análisis de gases de falla del transformador.

La DGA generalmente consiste en tomar muestras del aceite y enviarlas a un laboratorio para su análisis. Las unidades DGA móviles también se pueden transportar y utilizar en el lugar; algunas unidades se pueden conectar directamente a un transformador. El monitoreo en línea de los equipos eléctricos es una parte integral de la red inteligente.

Los transformadores de gran potencia se llenan con aceite que enfría y aísla los devanados del transformador. El aceite mineral es el tipo más común en los transformadores para exteriores; también se utilizan fluidos resistentes al fuego, como los bifenilos policlorados (PCB) y la silicona.

El líquido aislante está en contacto con los componentes internos. Los gases, formados por eventos normales y anormales dentro del transformador, se disuelven en el aceite. Al analizar el volumen, los tipos, las proporciones y la tasa de producción de gases disueltos, se puede reunir mucha información de diagnóstico. Dado que estos gases pueden revelar las fallas de un transformador, se los conoce como "gases de falla". Los gases se producen por oxidación, vaporización, descomposición del aislamiento, descomposición del aceite y acción electrolítica.

Un tubo de muestra de aceite se utiliza para extraer, retener y transportar la muestra de aceite de transformador en las mismas condiciones en que se encuentra dentro del transformador con todos los gases defectuosos disueltos en él.

Es un tubo de vidrio de borosilicato hermético con una capacidad de 150 ml o 250 ml, que tiene dos válvulas de teflón herméticas en ambos extremos. Las salidas de estas válvulas están provistas de una rosca que ayuda a conectar cómodamente los tubos sintéticos mientras se extrae la muestra del transformador. Esta disposición también es útil para transferir el aceite a la bureta de aceite de muestra del extractor de gases múltiples sin exposición a la atmósfera, reteniendo así todo su contenido de gases defectuosos disueltos y desprendidos.

Tiene un tabique en un lado del tubo para extraer una muestra de aceite y comprobar su contenido de humedad.

Se utilizan cajas de espuma térmica para transportar los tubos de muestra de aceite antes mencionados sin exponerlos a la luz solar.

Las jeringas de aceite son otro medio para obtener una muestra de aceite de un transformador. El volumen de las jeringas varía mucho, pero se pueden encontrar comúnmente en el rango de los 50 ml. La calidad y la limpieza de la jeringa son importantes, ya que mantienen la integridad de la muestra antes de los análisis.

La técnica DGA implica extraer o despojar los gases del petróleo e inyectarlos en un cromatógrafo de gases (GC). La detección de concentraciones de gas generalmente implica el uso de un detector de ionización de llama (FID) y un detector de conductividad térmica (TCD). La mayoría de los sistemas también emplean un metanizador, que convierte cualquier monóxido de carbono y dióxido de carbono presente en metano para que pueda quemarse y detectarse en el FID, un sensor muy sensible.

El método original, ahora ASTM D3612A, requería que el aceite se sometiera a un alto vacío en un elaborado sistema sellado con vidrio para eliminar la mayor parte del gas del aceite. Luego, el gas se recogía y se medía en un tubo graduado rompiendo el vacío con un pistón de mercurio. El gas se extraía de la columna graduada a través de un septo con una jeringa hermética y se inyectaba inmediatamente en un cromatógrafo de gases.

Un extractor de gas de múltiples etapas es un dispositivo para tomar muestras de aceite de transformador. Durante 2004, el Central Power Research Institute, Bangalore, India, introdujo un método novedoso en el que una misma muestra de aceite de transformador podría exponerse al vacío muchas veces, a temperatura ambiente, hasta que no haya aumento en el volumen de gases extraídos. Este método fue desarrollado posteriormente por Dakshin Lab Agencies, Bangalore para proporcionar un extractor de gas de múltiples etapas de aceite de transformador. Este método es una versión improvisada de ASTM D 3612A para realizar múltiples extracciones en lugar de una única extracción y se basa en el principio de Toepler.

En este aparato, un volumen fijo de aceite de muestra se extrae directamente de un tubo de muestra y se introduce en un recipiente desgasificador al vacío, donde se liberan los gases. Estos gases se aíslan utilizando un pistón de mercurio para medir su volumen a presión atmosférica y, posteriormente, se transfieren a un cromatógrafo de gases utilizando una jeringa hermética.

En Sydney (Australia) se utiliza desde hace más de 30 años un aparato de diseño muy similar que, en principio, permite la extracción de múltiples gases mediante vacío y bomba Toepler. El sistema se utiliza para transformadores de potencia y de instrumentos, así como para aceites para cables.

La extracción del espacio de cabeza se explica en la norma ASTM D 3612-C. La extracción de los gases se logra agitando y calentando el aceite para liberar los gases en un "espacio de cabeza" de un vial sellado. Una vez que se han extraído los gases, se envían al cromatógrafo de gases.

Existen técnicas especializadas, como la extracción por sorción en el espacio de cabeza (HSSE) o la extracción por sorción con barra agitadora (SBSE).

Cuando se produce la formación de gases en los transformadores, se generan varios gases. Se puede obtener suficiente información útil de nueve gases, por lo que normalmente no se examinan los gases adicionales. Los nueve gases examinados son:

• gases atmosféricos: nitrógeno y oxígeno
• óxidos de carbono: monóxido de carbono y dióxido de carbono
• hidrocarburos: acetileno, etileno, metano y etano
• hidrógeno

Los gases extraídos de la muestra de aceite se inyectan en un cromatógrafo de gases, donde las columnas separan los gases. Los gases se inyectan en el cromatógrafo y se transportan a través de una columna. La columna retarda selectivamente los gases de la muestra y se los identifica a medida que pasan por un detector en diferentes momentos. Un gráfico de la señal del detector en función del tiempo se denomina cromatograma.

Los gases separados se detectan mediante un detector de conductividad térmica para los gases atmosféricos, mediante un detector de ionización de llama para los hidrocarburos y los óxidos de carbono. Un metanizador se utiliza para detectar los óxidos de carbono reduciéndolos a metano, cuando se encuentran en concentraciones muy bajas.

Las fallas térmicas se detectan por la presencia de subproductos de la descomposición del aislamiento sólido. El aislamiento sólido se construye comúnmente con material de celulosa. El aislamiento sólido se descompone de forma natural, pero la velocidad aumenta a medida que aumenta la temperatura del aislamiento. Cuando se produce una falla eléctrica, libera energía que rompe los enlaces químicos del fluido aislante. Una vez que se rompen los enlaces, estos elementos vuelven a formar rápidamente los gases de falla. Las energías y las velocidades a las que se forman los gases son diferentes para cada uno de los gases, lo que permite examinar los datos de los gases para determinar el tipo de actividad de falla que se produce dentro del equipo eléctrico.

• Los enrollamientos de sobrecalentamiento suelen llevar a la descomposición térmica del aislamiento de la celulosa. En este caso los resultados de la DGA muestran altas concentraciones de óxidos de carbono (monóxido y dióxido). En casos extremos se detectan metano y etileno en niveles superiores.
• El sobrecalentamiento de aceite resulta en la degradación del líquido por calor y formación de metano, etano y etileno.
• Corona es una descarga parcial y detectada en un DGA por hidrógeno elevado.
• El arcing es la condición más grave en un transformador e indicado por niveles incluso bajos de acetileno.

La interpretación de los resultados obtenidos para un transformador en particular requiere conocer la edad de la unidad, el ciclo de carga y la fecha de mantenimiento importante, como el filtrado del aceite. La norma IEC 60599 y la norma ANSI IEEE C57.104 brindan pautas para la evaluación del estado del equipo en función de la cantidad de gas presente y las relaciones de los volúmenes de pares de gases.

Una vez que se han tomado y analizado las muestras, el primer paso para evaluar los resultados del análisis de gases disueltos es considerar los niveles de concentración (en ppm) de cada gas clave. Los valores de cada uno de los gases clave se registran a lo largo del tiempo para poder evaluar la tasa de cambio de las distintas concentraciones de gases. Cualquier aumento brusco en la concentración de gases clave es indicativo de un posible problema dentro del transformador.

El análisis de gases disueltos como técnica de diagnóstico tiene varias limitaciones. No permite localizar con precisión una falla. Si el transformador se ha rellenado con aceite nuevo, los resultados no son indicativos de fallas.