Sistema de monitorización en línea de microagua en aceite de transformadores: tecnología, datos y diagnóstico

En el sistema de aislamiento de un transformador de potencia, el aceite aislante y el papel aislante (celulosa) forman el aislamiento compuesto de aceite y papel. El agua (H₂O) es una de las impurezas más peligrosas de este sistema, y el control preciso de su contenido es un aspecto fundamental para evaluar la salud del transformador, evitar accidentes por rotura del aislamiento y prolongar la vida útil del equipo. El sistema de monitorización en línea del microagua en el aceite del transformador es la tecnología clave de mantenimiento preventivo (PdM) para lograr este objetivo.

Parte I: Mecanismo peligroso de la humedad en el sistema de aislamiento de papel-aceite

Los daños causados por la humedad en el sistema de aislamiento de los transformadores son múltiples, siendo los principales riesgos el envejecimiento acelerado del aislamiento y la reducción de su resistencia.

1. Envejecimiento acelerado del aislamiento sólido (papel aislante): El agua es el principal catalizador de la reacción de hidrólisis de la celulosa. Cada rotura de la cadena molecular de la celulosa consume una molécula de agua. Cuanto mayor es el contenido de humedad, más rápida es la velocidad de la reacción de hidrólisis, lo que provoca una fuerte disminución del grado de polimerización (DP) del papel aislante, una disminución de la resistencia mecánica y, finalmente, fragilidad y fallo.

2. Reduce la tensión de ruptura del aceite aislante: El agua disuelta en el aceite tiene un pequeño efecto en la tensión de ruptura, pero cuando el agua alcanza la saturación y existe en forma de agua libre (minúsculas gotas de agua), la tensión de ruptura del aceite caerá significativamente. Bajo la acción del campo eléctrico, las gotitas de agua se polarizarán y se alargarán, y es muy fácil que formen un camino conductor, desencadenando la ruptura.

3. Descarga parcial inducida (DP): La humedad reduce el inicio de la tensión de descarga de los materiales aislantes. Especialmente en la interfaz aceite-papel y en los minúsculos espacios de aire del aislamiento, la presencia de humedad aumenta significativamente el riesgo de descargas parciales.

4. Riesgo de "efecto burbuja": Cuando la carga del transformador aumenta repentinamente o la temperatura sube bruscamente, el agua del papel aislante se evapora rápidamente pero no puede disolverse en el aceite a tiempo, lo que da lugar a la formación de burbujas de gas en la superficie del bobinado. La rigidez dieléctrica del gas es muy inferior a la del aceite, y estas burbujas son muy susceptibles de romperse bajo el campo eléctrico de funcionamiento, lo que puede provocar cortocircuitos catastróficos entre espiras o entre capas.

Parte II: Fuentes de humedad en el interior del transformador

• Residuos de fabricación: Tratamiento de secado al vacío incompleto del cuerpo del transformador, lo que provoca que quede humedad inicial en el material aislante.

• Intrusión externa: Sellado deficiente (por ejemplo, envejecimiento de casquillos, juntas), absorción de humedad en el respiradero, inyección de aceite no cualificada o procesos de filtración de aceite, que provocan la entrada de humedad en el aire del interior del transformador.

• Generado internamente: En el proceso normal de envejecimiento del papel aislante, la rotura de su cadena molecular de celulosa generará subproductos de moléculas de agua. Se trata de un proceso de envejecimiento autoacelerado.

Parte III: Principio de funcionamiento y composición del sistema de supervisión en línea

El sistema de monitorización en línea de microagua permite la medición continua del contenido de humedad en el aceite aislante mediante la instalación de una sonda de detección en el circuito de aceite del transformador.

1. Unidad de Sensores y Medidas (Básica):

   • Principios técnicos: ampliamente utilizadoSensores capacitivos de capa fina (Thin-Film Sensors). En el corazón del sensor hay una película de polímero cuya constante dieléctrica cambia con el número de moléculas de agua absorbidas, provocando un cambio en el valor de la capacitancia. Midiendo el cambio en el valor de la capacitancia, se pueden calcular con precisión los parámetros del agua en el aceite.

   • Método de montaje: Suele montarse en la válvula de drenaje o de reserva de aceite del cuerpo del transformador mediante una válvula de bola y la sonda se sumerge directamente en el aceite. Para garantizar mediciones representativas, es preferible instalarla en un lugar que refleje la circulación principal del aceite (por ejemplo, conductos de entrada y salida del refrigerador).

2. Unidad de adquisición y transmisión de datos:

   • Convierte la señal capacitiva de salida del sensor en una señal digital o analógica normalizada.

   • Sensor de temperatura incorporado para compensar la temperatura de las mediciones de humedad y proporcionar lecturas más precisas.

   • Normalmente integrado con la sonda de detección en una estructura integrada.

3. Unidad de comunicación y visualización:

   • Proporciona la función de pantalla digital local, fácil para los inspectores del sitio para leer los datos.

   • Los datos se transmiten al sistema de monitorización de back-office de la subestación (SCADA) o a un servidor de datos dedicado a través de RS-485 (protocolo Modbus) o de una salida analógica de 4-20 mA.

Parte IV: Interpretación de los principales indicadores de seguimiento: ppm frente a actividad del agua (aw)

Los sistemas de supervisión en línea suelen proporcionar dos indicadores básicos y es fundamental comprender la diferencia entre ellos.

• Contenido absoluto de humedad (ppm - Partes por millón).

  • Definición: Relación de masa, que indica cuántos miligramos de agua contiene cada kilogramo de aceite aislante (mg/kg).

  • Limitaciones: Es unMuy dependiente de la temperaturaLos parámetros. Con la condición de que la cantidad total de humedad permanezca invariable, cuando la temperatura del aceite aumenta, la solubilidad del aceite para el agua aumenta, y la humedad del papel aislante migrará al aceite, dando lugar a un valor ppm más alto en el aceite; por el contrario, cuando la temperatura del aceite baja, el valor ppm en el aceite disminuye. Por lo tanto, el simple valor en ppm no puede reflejar con exactitud el grado de humedad del aislamiento sólido.

• Actividad del agua (aw - Water Activity) o Saturación relativa (%RS).

  • Definición: aw = P / P₀, donde P es la presión de vapor del agua en el aceite y P₀ es la presión de vapor de saturación del agua pura a la misma temperatura. Indica la tendencia o "viveza" del agua en el aceite a escapar, oscilando entre 0 (completamente seco) y 1 (saturado).%RS = aw × 100%.

  • Ventaja: La actividad del agua esParámetro de estado de equilibrio que caracteriza la humedad en los sistemas de aislamiento de papel-aceiteCuando el aceite y el papel están en equilibrio de humedad, la actividad de agua del aceite es igual a la del papel. En equilibrio de humedad aceite-papel, la actividad de humedad del aceite es igual a la del papel. aw es un reflejo directo de la presión de "humectación" de la humedad sobre el aislamiento sólido, y es independiente de los cambios de temperatura.Por lo tanto, la actividad del agua (aw) es un indicador más fundamental y fiable de si un aislamiento sólido está expuesto a la humedad.

Parte V: Parámetros técnicos típicos

Parte VI: Preguntas más frecuentes (FAQ)

P1: ¿Cómo pueden utilizarse los datos de vigilancia en línea para determinar el estado del aislamiento de un transformador?
Contesta: Debe centrarse enActividad del agua (aw)responder cantandoTendencias de los datos.

• aw < 0,2: El aislamiento está seco y en buen estado.

• 0,2 ≤ aw < 0,4: Hay que prestar atención a una ligera humedad en el aislamiento, combinada con los datos de la cromatografía del aceite para emitir un juicio exhaustivo.

• aw ≥ 0,4: El aislamiento se ve seriamente afectado por la humedad y existe el riesgo de que se produzca un "efecto burbuja", por lo que debe planificarse su secado.

• Análisis de tendencias: Un valor aw constante durante un largo periodo de tiempo indica un buen sellado. Si el valor aw muestra una tendencia constante y de lento aumento, puede indicar que el aislamiento se está deteriorando o que hay una lenta entrada de humedad externa. Si el valor aw fluctúa drásticamente con la temperatura, también indica que el aislamiento sólido contiene un alto nivel de humedad.

P2: ¿Es necesario que haya un corte de electricidad para instalar un dispositivo de control de microagua en línea?
Contesta: Normalmente no es necesario. La unidad está diseñada para su instalación bajo presión. Mediante el uso de una válvula de bola especial de alta presión, se puede instalar de forma segura en la válvula de un transformador en funcionamiento. Todo el proceso de instalación no afecta al funcionamiento normal del transformador.

P3: ¿Por qué hay una diferencia entre el valor en ppm del seguimiento en línea y el valor en ppm del ensayo de laboratorio?
Contesta: Las diferencias se deben principalmente aDiferentes temperaturas durante el muestreo y la medición. La temperatura de la muestra de aceite se ha cambiado a temperatura ambiente antes del ensayo de laboratorio, mientras que el control en línea se mide a la temperatura del aceite en tiempo real. Dado que el valor ppm es sensible a la temperatura, los dos valores no suelen ser comparables. Por otro lado, la actividad de la humedad (aw) se ve muy poco afectada por la temperatura en equilibrio, por lo que los valores de aw en línea deberían coincidir mejor con los valores de aw en laboratorio.

P4: ¿Puede el sistema sustituir por completo las pruebas tradicionales de aceite fuera de línea?
Contesta: No son un sustituto completo, sino complementarios. La supervisión en línea proporcionaDatos continuos y tendenciasEsto no es posible con las pruebas fuera de línea y es esencial para la detección oportuna de anomalías y el análisis de tendencias. Por el contrario, las pruebas periódicas del aceite en el laboratorio (por ejemplo, cromatografía de aceite DGA, pruebas de tensión de ruptura, etc.) proporcionan información más completa sobre la calidad del aceite. La mejor práctica consiste en combinar los datos de monitorización en línea con los resultados periódicos de laboratorio para formar una evaluación completa y tridimensional del estado del transformador.