Por qué es esencial el control continuo en línea de los gases disueltos en el aceite de los transformadores

Implantación de un sistemaDispositivo de control en línea del aceite y el gas del transformadorEs el eslabón técnico central en la transformación del sistema moderno de evaluación del estado de los transformadores, que pasa de la revisión pasiva al mantenimiento predictivo activo. El método tradicional fuera de línea de muestreo periódico de apagones y envío al laboratorio para análisis cromatográfico tiene las siguientes limitaciones técnicas insalvables:

• Discontinuidad y desfase en los datos de seguimientoLos intervalos de muestreo fuera de línea suelen ser de varios meses a un año. En el caso de averías rápidas y repentinas, como las descargas de arco de alta energía, el gas característico (acetileno) puede alcanzar niveles peligrosos en cuestión de horas o días. La "ceguera temporal" de la vigilancia fuera de línea impide captar la evolución de tales fallos, con lo que se pierde el mejor momento para intervenir.

• Incapacidad para reflejar la relevancia de las condiciones de trabajo: La tasa de producción de gas de un transformador está estrechamente relacionada con sus condiciones reales de funcionamiento (corriente de carga, temperatura ambiente, temperatura del aceite). El análisis fuera de línea sólo puede proporcionar una instantánea estática de los datos en un único punto en el tiempo, y no puede revelar la correlación dinámica entre la tasa de crecimiento del gas de avería y una condición de funcionamiento concreta, que es fundamental para determinar la naturaleza de la avería (por ejemplo, si se trata de un sobrecalentamiento relacionado con la carga).

• Contaminación de las muestras y problemas de representatividadA lo largo de la cadena de muestreo, transporte y análisis de laboratorio, existe el riesgo de contaminación atmosférica de las muestras de aceite o de escape de gas, lo que puede distorsionar los resultados de las pruebas. Al mismo tiempo, un único punto de muestreo puede no ser totalmente representativo del estado general de gas disuelto de decenas de miles de litros de aceite aislante.

Por lo tanto, el despliegue deDispositivo de control en línea del aceite y el gas del transformadorProporciona un flujo de datos de estado interno continuo y en tiempo real mediante la realización de mediciones automáticas de alta frecuencia (minutos u horas) de la concentración de gas característica de la avería, lo que resuelve fundamentalmente los problemas anteriores y constituye un requisito técnico previo necesario para la alerta temprana y el diagnóstico preciso.

¿Qué gas monitoriza específicamente un dispositivo de monitorización en línea de gas de aceite de transformador? ¿Cuál es la importancia técnica de su diagnóstico de fallos?

Dispositivo de control en línea del aceite y el gas del transformadorLa tarea principal es el análisis cuantitativo de pequeños gases moleculares específicos disueltos en el aceite aislante. Estos gases son productos de la ruptura de enlaces químicos entre el aceite aislante (aceite mineral) y el material aislante sólido (papel/cartón aislante de celulosa) dentro del transformador bajo tensiones eléctricas y térmicas de diferentes energías. La presencia y concentración de cada gas, o de una combinación particular de gases, constituye una "huella química" para diagnosticar fallos internos.

¿Cuál es el principio básico de funcionamiento y la trayectoria tecnológica de un conjunto de dispositivos de monitorización en línea de gas en aceite de transformador?

patrón de conducta establecidoDispositivo de control en línea del aceite y el gas del transformadorEl núcleo de la tecnología reside en su tecnología de separación de petróleo y gas y en su tecnología de detección de gas. En la actualidad, las dos tecnologías principales son las más utilizadas en todo el mundo:

• Principios técnicosLa técnica GC es una técnica clásica de alta precisión para la separación y detección de mezclas. El flujo de trabajo es el siguiente: en primer lugar, los gases disueltos en la muestra de aceite medida se extraen mediante una unidad de separación aceite/gas incorporada (normalmente por el método de equilibrio de recirculación del espacio de cabeza o de membrana permeable a polímeros). A continuación, un gas portador de alta pureza (por ejemplo, argón) inyecta con precisión esta muestra de gas mezclado en una columna capilar recubierta de un polímero especial (fase estacionaria). A medida que la mezcla de gases fluye a través de la columna con el gas portador (fase móvil), las distintas moléculas de gas se separan secuencialmente en el tiempo debido a las diferentes fuerzas fisicoquímicas (adsorción, disolución, etc.) con las que interactúan con la fase estacionaria, lo que da lugar a sus distintas velocidades de movimiento a través de la columna. Por último, en el extremo de salida de la columna, un detector de alta sensibilidad (por ejemplo, el detector de conductividad térmica TCD o el detector de ionización de helio por descarga pulsada PDD) calcula con precisión la concentración de cada gas basándose en la secuencia temporal de los distintos componentes y en la intensidad de la respuesta de la señal.

• Características técnicasVentajas: Las ventajas incluyen la capacidad de separar con precisión y analizar cuantitativamente los siete o nueve gases (incluidos el O₂ y el N₂) a la vez, una alta resistencia a la interferencia cruzada y los resultados de diagnóstico más completos y fidedignos. Las desventajas son la relativa complejidad del sistema, el largo periodo de análisis (normalmente 30-60 minutos) y la necesidad de reponer periódicamente el gas portador y otros consumibles.

• Principios técnicosEl PAS es una técnica de detección espectroscópica de alta sensibilidad. El principio básico es que la muestra de gas extraída se introduce en una cámara de gas de medición sellada (célula fotoacústica). Un haz de luz láser o infrarroja, modulado a una frecuencia específica y con una longitud de onda que coincide exactamente con los picos de absorción de las moléculas de gas que se van a medir, se proyecta en la cámara de gas. Si las moléculas de gas absorben la energía luminosa, su energía interna aumenta, lo que provoca una intensificación del movimiento térmico de las moléculas, que hace que la temperatura y la presión del gas en la cámara de gas cambien periódicamente de forma sincronizada con la frecuencia de la modulación de la luz. Esta fluctuación de presión se conoce como onda sonora. En el interior de la célula fotoacústica se coloca un micrófono en miniatura muy sensible para detectar esta señal acústica extremadamente débil. La intensidad de la señal acústica es estrictamente proporcional a la concentración del gas que debe medirse. La medición simultánea de varios gases puede lograrse integrando varias fuentes láser y filtros con espectros de absorción específicos para distintos gases (por ejemplo, C₂H₂, CH₄, CO, etc.).

• Características técnicasLas ventajas son una velocidad de detección muy rápida, con una respuesta en tiempo real en el rango de los minutos, y la ausencia de cualquier reacción química o consumo de gas durante todo el proceso, lo que lo hace realmente libre de mantenimiento. La desventaja es el alto nivel de integración técnica necesario para la detección simultánea de varios componentes y la necesidad de algoritmos avanzados para eliminar los efectos de interferencia cruzada de los espectros de absorción de los distintos gases.

¿Cuáles son los subsistemas clave que componen un dispositivo completo de control en línea de gas en aceite de transformador?

Un conjunto deDispositivo de control en línea del aceite y el gas del transformadorSe trata de un sofisticado sistema de integración óptica, mecánica, eléctrica y aritmética, que suele constar de los siguientes subsistemas plenamente funcionales:

• Subsistema de circulación y pretratamiento del aceiteContiene tuberías resistentes al aceite conectadas a las válvulas de entrada y salida de aceite del transformador, bombas especiales de microcirculación, filtros de precisión multietapa, sensores de caudal y módulos de control termostático. Su función es garantizar la circulación segura del aceite aislante sometido a prueba desde el cuerpo del transformador hasta la unidad de análisis a una temperatura estable, pura y constante.

• Subsistema de separación de petróleo y gasMódulo físico central del dispositivo: se trata del módulo físico central del dispositivo, y las principales tecnologías incluyen el equilibrio del espacio de cabeza, la separación por membrana permeable a polímeros o la desgasificación por descompresión con bomba de vacío, cuyo rendimiento determina directamente la eficacia y la estabilidad de la extracción de gas.

• Subsistema de detección y análisis de gasesCromatografía de gases (GC)tal vezLa unidad central de medición de la tecnología de espectroscopia fotoacústica (PAS)** contiene componentes ópticos y analíticos de precisión, como una fuente de luz, una columna, un detector y una célula fotoacústica.

• Subsistemas integrados de control y tratamiento de datosComputadoras o microprocesadores (MCU) industriales de alto rendimiento incorporados que ejecutan programas de firmware que controlan el flujo de trabajo automatizado de toda la unidad y realizan la resolución de datos, los cálculos de concentración y los algoritmos de resolución de problemas incorporados (por ejemplo, el método de triple relación) basados en normas internacionales como la IEC 60599.

• Subsistemas de comunicación e interacción persona-ordenador: Proporciona una variedad de interfaces físicas, como Ethernet de fibra óptica, RS-485, y admite protocolos de comunicación industrial estándar como Modbus, DNP3, IEC 61850, etc., para garantizar que los datos de monitorización puedan integrarse sin problemas en el sistema de automatización de la subestación (SCADA) o en la estación maestra de control centralizado remoto. Al mismo tiempo, suele estar equipado con una pantalla local y una interfaz de funcionamiento.

• Armarios de alta clase de protección adaptables al entornoCarcasa: carcasa metálica robusta con un nivel de protección IP66 o superior y aire acondicionado o calefactor industrial interno integrado para un control preciso de la temperatura y la humedad, lo que garantiza que la unidad pueda funcionar de forma fiable durante un largo periodo de tiempo en una amplia gama de temperaturas, desde -40 °C hasta +55 °C, y en entornos exteriores adversos, como niebla salina y humedad elevadas.

¿Cómo funciona el dispositivo de control en línea de gas en aceite de transformador con otros sistemas de control?

En los sistemas modernos de evaluación del estado de los transformadores, elDispositivo de control en línea del aceite y el gas del transformadorLa fusión de datos no suele funcionar de forma independiente, sino como componente central de una plataforma de vigilancia integrada, y se realiza con otros sistemas de vigilancia para formar una cadena lógica de diagnóstico con validación cruzada y puntos fuertes complementarios.

• Sinergia con los sistemas de control de descargas parciales (DP) en línea: CuandoDispositivo de vigilancia en línea de la DGASe detectaron aumentos traza sostenidos de hidrógeno (H₂) y metano (CH₄), lo que indica la presencia de descargas de baja energía cuando elSistema de supervisión en línea de descargas parciales(especialmente el método UHF) pueden proporcionar una mayor sensibilidad para la captura de la señal de descarga y la discriminación inicial de los tipos de descarga (por ejemplo, descargas suspendidas, a lo largo del plano y con entrehierro). Por el contrario, cuando el acetileno (C₂H₂) es detectado por la DGA, indica que la descarga parcial ha progresado hasta un arco de alta energía, momento en el que la amplitud y la tasa de repetición de la señal de descarga parcial aumentan drásticamente.

• Sinergia con los sistemas de supervisión en línea de la carcasa:: A veces.Dispositivo de vigilancia en línea de la DGALos gases sobrecalentados detectados (por ejemplo, etileno C₂H₄) pueden tener su origen en un sobrecalentamiento causado por una mala conexión de la varilla conductora a los cables dentro de la carcasa de alta tensión. En este punto, laSistema de supervisión en línea de la carcasaSi también muestra un factor de pérdida dieléctrica (tanδ) anormalmente alto para esa fase del buje, el punto de fallo se puede localizar en el componente del buje, evitando la necesidad de una inspección innecesaria del blindaje de elevación del cuerpo del transformador.

• Sinergia con los sistemas de supervisión en línea para la medición de la temperatura de los devanados por fibra óptica: CuandoDispositivo de vigilancia en línea de la DGACuando existe la alarma por sobrecalentamiento a baja y media temperatura (aumento del contenido de metano CH₄ y etano C₂H₆), si el transformador está dotado de unSistema de monitorización en línea de la medición de la temperatura del bobinado de fibra ópticaLa distribución real de la temperatura de los puntos calientes en el interior del devanado puede leerse directamente. Si se detecta que la temperatura en una zona es significativamente más alta que en otras y coincide con la tendencia de la producción de gas, se puede confirmar la ubicación y la gravedad del fallo de sobrecalentamiento, lo que proporciona la base más directa para ajustar la carga u organizar el mantenimiento.

¿Cuáles son algunos casos típicos de aplicación que demuestran la eficacia de los dispositivos de control de gas en línea en el aceite de los transformadores?

• Caso 1: Alerta precoz de fallos de arco de alta energía en transformadores convertidores de alta tensión (UHV)
  En la estación convertidora de un proyecto de transmisión de corriente continua de ±800kV UHV, un transformador convertidor instalado en elDispositivo de control en línea de cromatografía de gases DGADurante una actualización rutinaria de datos cada hora, se detectó repentinamente que el contenido de acetileno (C₂H₂) había saltado a varias ppm desde el estado cero a largo plazo. el sistema activó inmediatamente el nivel más alto de alarma y cargó los datos al centro de control centralizado en tiempo real. Aunque en ese momento no había ninguna anomalía evidente en otros parámetros eléctricos del transformador, basándose en el reconocimiento del grave peligro del gas acetileno, el departamento de operación y mantenimiento solicitó con decisión el desmantelamiento del transformador. Tras una investigación interna, se descubrió que los contactos de conmutación de su cambiador de tomas bajo carga (OLTC) se habían desajustado por razones mecánicas, generando un arco continuo de alta energía durante el proceso de conmutación. Esta advertencia acertada evitó consecuencias catastróficas que podrían haber provocado el bloqueo unipolar del convertidor o incluso un incendio en la sala de válvulas.

• Caso 2: Identificación de fallos progresivos de sobrecalentamiento causados por fallos del sistema de refrigeración
  Un transformador principal de 220 kV con unEspectroscopia fotoacústica Dispositivo de vigilancia en línea DGAEl análisis de tendencias de los datos durante varias semanas consecutivas mostró que los niveles de etileno (C₂H₄) y metano (CH₄) mostraban una tendencia al aumento lenta pero constante en sincronía con los picos de carga diarios, lo que sugería la presencia de un sobrecalentamiento relacionado con la carga. Sin embargo, sus medidores convencionales, como la temperatura del aceite de bobinado, no superaban los límites. Basándose en las pistas proporcionadas por los datos de la DGA, el personal de O&M llevó a cabo una inspección detallada del sistema de refrigeración del transformador, y finalmente descubrió que uno de los motores del ventilador de uno de los refrigeradores de aceite fuerte refrigerados por aire se había dañado, lo que provocó una grave reducción de la eficacia de refrigeración de este grupo de refrigeración, lo que desencadenó que la temperatura localizada del aceite de los devanados se sobrecalentara y produjera gas cuando el transformador estaba sometido a una carga elevada. Tras sustituir a tiempo el motor del ventilador, los datos de la DGA mostraron que la tendencia a la producción de gas se detuvo de inmediato y se estabilizó, evitando eficazmente un fallo progresivo a largo plazo que aceleraría el envejecimiento del aislamiento.