PROCEDIMIENTO PARA SECADO DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA.pdf

PROCEDIMIENTO PARA SECADO DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA. 1. Recomendaciones y alcances El procedimiento para secado de interiores de transformadores de potencia utilizado actualmente para puesta en servicio en campo, así como en talleres propios habilitados para este objetivo, para su reparación o mantenimiento preventivo o cuando han sufrido alguna falla durante la operación. 2. Objetivo: Optimización de operación de transformadores El objetivo de realizar el proceso de eliminación de gases a un transformador es minimizar la humedad y los gases que permanecen en el embobinado y el núcleo, logrando que estos elementos se encuentren dentro de los límites normativos y confiables para la correcta operación del transformador. 3. Principios teóricos 3.1. General Normalmente los aislamientos sólidos de los transformadores de potencia, están compuestos principalmente por papel, cartón o madera, los cuales llegan a representar el 95% de los aislamientos. Estos materiales en sus diferentes tipos y variantes son altamente higroscópicos conteniendo hasta 8 o 10 % de su peso en humedad en malas condiciones de operación. 3.2. Humedad El papel aislante tiene una gran afinidad por el agua y mucho menor por el aceite aislante por lo que generalmente absorberá agua además de aceite. La cantidad de agua en el papel siempre será mayor que en el aceite; el papel seco absorbe agua mas rápidamente que el papel impregnado de aceite, el cual tiene un rango más bajo de absorción de humedad. La humedad dentro del papel afecta la rigidez dieléctrica, el factor de potencia, envejecimiento y rigidez mecánica.

3.3. Eliminación de humedad La eliminación de la humedad presente en los aislamientos es necesario transformarla en vapor y expulsarla a la atmosfera. Lo anterior se puede lograr disminuyendo la temperatura de ebullición del agua, por medio de alto vacío o sea bajar la presión interna en la cuba o tanque a niveles donde el agua se vaporice y se pueda extraer en forma de gas.

La aplicación del vacio tiene dos propósitos: a) Expansión y extracción del gas (en su mayoría aire) contenido dentro de un espacio cerrado, en este caso de una cuba o tanque cerrad. Esta expansión de los gases ayuda a la expulsión de la humedad presente. En la grafica se muestra la expansión del gas, al reducirse la presión a la que se encuentra sujeto; esta curva está basada en una presión de 759.98 mm hg, o sea la presión atmosférica a nivel del mar. b) Reducción del punto de ebullición del agua contenida en forma de humedad dentro de los aislamientos, con lo cual su evaporación se acelera. Al convertirse el agua en vapor, este puede ser evacuado rápidamente, junto con los gases por medio de la bomba de vacio.En la grafica se muestra el punto de ebullición del agua en función de la presión absoluta.

4. Grados de secado Puesto que la humedad presente en los aislamientos, afecta gradualmente sus características dieléctricas es necesario determinar los límites máximos permisibles de acuerdo con los niveles de

voltaje de los transformadores. 4.1. Para transformadores con niveles de voltaje menores a 69 kv, se debe alcanzar una humedad residual de 0.7 %. 4.2. Para transformadores con niveles de voltaje entre 69 y 150 kv se debe alcanzar una humedad residual de 0.7 %. 4.3. Para transformadores con niveles de voltaje de 230 y 400 kv, se debe de alcanzar una humedad residual de 0.3% 5. Método con alto vacio Uno de los métodos para eliminar humedad en un transformador dentro de su tanque, consistente en someterlos a vacios muy altos a temperatura ambiente durante largos periodos de tiempo, de acuerdo con la expansión y extracción de su humedad a los límites establecidos. Para lograr los vacios muy altos requeridos es necesario utilizar bombas de alto vacio de pistón rotatorio de un solo paso o doble paso, selladas con aceite y capaces de alcanzar vacios del orden de 10 micrones (0.01 mm hg) y en algunos casos complementar estas bombas con un reforzador o BOOSTER en serie con las mismas, con lo que es posible alcanzar mejores vacios de un micrón (0.001mm Hg) y mejorar los tiempos de secado. Procedimiento 5.1. Desconectar y dejar fuera de servicio el transformador que se va a secar. 5.2. Extraer completamente su aceite aislante e inyectar nitrógeno seco (punto de roció -40° C). 5.3. Eliminar los radiadores y el tanque conservador por medio de sus válvulas en cuanto sea posible, así como las válvulas o dispositivos de sobrepresión. 5.4. Medir la humedad residual de acuerdo al procedimiento SGP-A005-S. 5.5. Verificar que no haya fuga, aumentando la presión del nitrógeno hasta 10 lbs/pulg2, y localizándolas con espuma de jabón. 5.6. Instalar la bomba de vacio conectada al tanque del transformador en su parte superior, ya sea en el registro-hombre o en el tubo de alivio. La tubería de conexión especial para alto vacio debe ser de un diámetro de 2 a 4 pulgadas. Dependiendo de la capacidad de la bomba, la longitud debe ser lo más corta posible. 5.7. Entre la bomba de vacio y el tanque del transformador, se instalara en cuanto sea posible una trampa de hielo seco o SILICA gel para atrapar la humedad extraída por la bomba y conservar las cualidades del aceite del equipo de vacio 5.8. Expulsar el nitrógeno del tanque hasta tener una presión manométrica de aproximadamente cero. 5.9. Poner en servicio la bomba de vacio y dejarla operando continuamente, hasta alcanzar un vacio correspondiente a la humedad residual detectada por la norma. 5.10. Cerrar la válvula principal de vacio y detener la bomba, verificar el abatimiento de vacio para detectar fugas en el tanque, al tenerse una tendencia de disminución del mismo. 5.11. En caso de haber fugas, es necesario detectarlas y corregirlas repitiendo el método de presurizar con nitrógeno. 5.12. Continuar con el proceso vigilando la acumulación de humedad en la trampa de SILICA gel (cambio de color) y por otro lado la colección de agua en la trampa, detener el proceso y determinar la humedad residual alcanzada de acuerdo al procedimiento SPG-A005-S, si se ha alcanzado el grado de secado deseado se da por terminado el proceso. 6. Método con alto vacio y calor El método de secado con alto vacio y calor aplicado tiene por objeto acelerar la evolución, expansión y extracción del agua en forma de vapor, obteniéndose el secado de transformadores en tiempos más cortos. El alto vacio se logra de la misma manera que en el método anterior, el calor es proporcionado por aceite previamente calentado por circulación a través de un grupo de resistencias y a su vez circulado dentro del tanque del transformador por un rociador bañando los devanados. Este método se puede aplicar en dos variantes, dependiendo del equipo disponible en sitio y de

acuerdo con los siguientes métodos. 6.1 Método continúo con alto vacio y calor aplicado 6.1.1 Desconectar y dejar fuera de servicio el transformador que se va a secar. 6.1.2 Extraer completamente el aceite aislante e inyectar nitrógeno seco, (punto de roció -40°C). 6.1.3 Eliminar los radiadores y el tanque conservador por medio de sus válvulas o dispositivos de sobrepresión. 6.1.4. Medir la humedad residual, de acuerdo al procedimiento SGP-A005-S. 6.1.5. Instalar dentro del transformador el sistema de regaderas o boquillas; al efectuar este trabajo se expulsara el nitrógeno, por lo que se deben tomar las medidas de seguridad necesarias. 6.1.6 Instalar las tuberías del EQUIPO DESGASIFICADOR DE ACEITE. 6.1.7 Instalar la bomba de vacio, conectarla al tanque del transformador en su parte superior ya sea en el registro- hombre o en el tubo de alivio; la tubería de conexión especial para alto vacio debe ser de un diámetro de 2 a 4 pulgadas. 6.1.8 Entre la bomba de vacio y el tanque del transformador se instalara, en cuanto sea posible, una trampa de hielo seco, o SILICA gel (los des-gasificadores de aceite VACCUTECH ya incluyen esta trampa), para atrapar la humedad extraída por la bomba de vacio. 6.1.9 Verificar fugas, aumentando la precisión del nitrógeno hasta 10 lbs/pulg, y localizándolas con espuma de jabón (incluyendo el sistema de aceite). 6.1.10 Poner en servicio la bomba de vacio y dejarla operando continuamente hasta alcanzar un vacio correspondiente a la humedad residual detectada en el punto 6.1.4. 6.1.11 Cerrar la válvula principal de vacio y detener la bomba; verificar el abatimiento de vacio para detectar fugas en el tanque al tenerse una tendencia “lineal” pronunciada en la perdida de vacio. 6.1.12 En el caso de haber fugas es necesario detectarlas, corregirlas y repetir el proceso de detención de fugas, hasta satisfacción técnica. 6.1.13 Introducir aceite al transformador por medio de una maquina DESGASIFICADORA DE ACEITE en una cantidad entre 10 y 20% del volumen de aceite total, procurando que el nivel se mantenga a la altura de la parte inferior de las bobinas y que tenga como mínimo una altura de un metro. NOTA: El aceite empleado en el proceso será usado exclusivamente para esto y nunca se usara como aislante en condiciones normales de operación. 6.1.14 Poner en servicio el sistema o circuito de aceite, hacerlo circular y calentarlo hasta alcanzar una temperatura máxima de 70°C en el aceite. 6.1.15 Poner en servicio la bomba de vacio y continuar con el proceso en el alto vacio y por otro lado la colección de agua en la trampa de SILICA de acuerdo con los parámetros establecidos. 6.1.16 Detener el proceso y determinar la humedad residual alcanzada de acuerdo al procedimiento SPG-A005-S, si se ha alcanzado el grado de secado deseado, se da por terminado el proceso. 6.2 Método cíclico con alto vacio y calor aplicado Cuando el método anterior no se pueda realizar de forma continua por no disponer de una MAQUINA DESGASIFICADORA DE ACEITE capaz de recircular aceite en condiciones de alto vacio dentro del transformador, se procede a efectuar ciclos alternados de calentamiento y de vacio considerando los mismos pasos indicados en los puntos 6.1.1, al 6.1.13 y a continuación se procede como sigue: 6.2.1 Suspender la circulación del aceite deteniendo la bomba y cerrando las válvulas de entrada y salida de aceite en el tanque del transformador, cuando la temperatura que se alcance en los devanados, sea como mínimo de 70°C. 6.2.2 Proceder a poner en servicio la bomba de vacio y mantenerla operando hasta que la temperatura en los devanados descienda hasta 30°C. 6.2.3 Romper el vacio con nitrógeno o aire seco (punto de roció -40°C) y volver a iniciar un ciclo de calentamiento con circulación de aceite caliente, hasta alcanzar nuevamente un mínimo de 70°C en los devanados. 6.2.4 Repetir la operación del punto 6.2.1.

6.2.5 Continuar con los ciclos necesarios, hasta que los parámetros de medición de batimiento de vacio de vacio al final de cada ciclo y el control de agua extraída de la trampa de SILICA gel, indique que se ha alcanzado el grado de secado deseado. 6.2.6 Detener el proceso y determinar la humedad residual alcanzada de acuerdo al procedimiento SGP-A005-S, si se ha logrado el grado de secado deseado se da por terminado el proceso. 7. Método con aire caliente Este método se aplica excepcionalmente en transformadores de mediana potencia y tensión sobre todo en los casos cuando no se puede someter a altos vacios el tanque del transformador y por lo tanto no son aplicables los procedimientos según los puntos 5,6.1 y 6.2. En este método la eliminación de humedad se realiza por la aplicación directa de calor por medio de aire a temperaturas altas, no se alcanzan puntos de ebullición, ya que por efecto superficial, la evaporación sucede a temperaturas más bajas. 7.1 Método con aire caliente (abierto) Este método consiste en la colocación del núcleo y bobinas dentro de un recipiente o en su propio tanque, haciendo pasar a través de los ductos de refrigeración, aire limpio a una temperatura entre 100 y 110 °C. 7.1.1 El tanque del transformador debe ser cubierto completamente (forrado) con lonas o materiales que se puedan servir como aislantes térmicos. Para mantener caliente el núcleo y bobinas. 7.1.2 En la parte inferior del tanque se conecta una manguera de 6 pulgadas de diámetro para la entrada de aire caliente. 7.1.3 Colocar en el interior del tanque, a la altura de la entrada del aire caliente (en cuanto sea posible), mamparas de asbesto como deflectores para tratar de dirigir el flujo del aire. 7.1.4 Utilizar un calentador del aire del tipo industrial. También se puede improvisar uno por medio de de un tambo de vacio de 200 L, un grupo de resistencias eléctricas y un ventilador, de tal manera que se alcance la temperatura especifica y el flujo necesario. 7.1.5 Entre el calentador de aire y el tanque de transformador se instala una trampa, para prevenir incendios por el paso de partículas de aceite o partículas inflamables entre el tanque y transformador. Reviste peligros de incendio.

Cfm= pies cúbicos/min

8. Apéndice y recomendaciones generales 8.1 Vacio Por definición, el término “vacio” significa un espacio cuyo contenido de aire o gases es teóricamente cero; con el concepto anterior se define el “vacio absoluto”. En la practica el termino vacio se aplica a cualquier espacio cuyo contenido de aire o gases provocan una presión absoluta, menor que la atmosférica medida a nivel del mar, el rango de variación de la presión de los gases debajo de la atmosférica es lo que determina los diferentes “grados” de vacio.

8.1.1 Medición de vacio Existen varios tipos de medidores que pueden usarse en campo para la medición del vacio alcanzado dentro de los tanques de los transformadores y su aplicación depende del grado de vacio que se pretende medir: a) Medidor de bourdon. Este medidor consiste de un tubo o diagrama conectado al sistema bajo vacio, ligado mecánicamente a una aguja la cual indica la presión sobre una caratula graduada, este medidor se emplea generalmente en bajos vacios (presiones absolutas altas). b) Medidor de termopar. Este medidor consta de un par termoeléctrico, encerrado en un tubo de vidrio o metal el cual es insertado en el recipiente bajo vacio. cualquier cambio de presión provoca un cambio de temperatura en el termopar lo que a su vez provoca un potencial en MV, que convertido a medición de presión puede dar lecturas directas en una caratula graduada. Estos medidores tienen un rango de 1 m hg a 20 Torrs y se emplean generalmente en altos vacios (presiones absolutas bajas). c) Medidor tipo Mc Lead. Este medidor consiste básicamente de un tubo capilar de vidrio el cual contiene mercurio; el arreglo o conformación de este tubo depende de los rangos que se pretendan medir, así como los diseños de los propios fabricantes de este medidor. Este tubo se conecta al recipiente bajo vacio midiendo directamente la presión absoluta por el peso del mercurio desplazado estos medidores son de muy alta presión sus rangos pueden variar desde 20 Torrs hasta 1 um. Recomendaciones En resumen es un proceso de secado de transformadores se pueden usar los tres tipos de medidores mencionados, según avance el proceso de vacio. 8.1.2 Conductancia Las pérdidas por conductancia en las tuberías o mangueras bajo vacio pueden ser relevantes durante un proceso de evacuación de aire y gases para lograr altos vacios es necesario tener presente que los diámetros de las tuberías abajo vacio, deben ser de acuerdo con la capacidad de las bombas de vacio así como la longitud de estas tuberías o mangueras puesto que tanto las mangueras como las propias tuberías no pueden ser directas y rectas entre la bomba de vacio y el tanque del transformador los cambios de dirección aumentan las perdidas por conductancia como una regla general se recomienda usar un factor de 10 por cada 90 totales en cambios de dirección aplicado al diámetro utilizando y agregando esta cantidad como longitud extra (pulgadas) de manguera en el cálculo de perdidas. 8.2 Bombas de vacio 8.2.1 Bombas de pistón rotatorio De la gran variedad de bombas disponibles en el mercado, la unidad más comúnmente usada para el secado y llenado de transformadores, es la del pistón rotatorio con sello de aceite de una sola etapa. Estas bombas son capaces de llegar a una presión de 10 micrones a brida ciega en rango normal de operación es entre 0.05 y 100 Torr, la bomba mas común para el secado de transformadores es la de 150 cfm marca KINNEY o similar. 8.2.2 Efecto del vapor de agua A una temperatura de 21 °C el agua comienza a desprenderse del tanque del transformador así como del núcleo y bobinas a una presión absoluta de 20 Torr, esta agua causa varios problemas en las bombas de vacio el vapor de agua entra a la bomba y es mezclado y barrido con el aire alrededor de la carcasa en el punto la mezcla de vapores es comprimida ocasionando que el vapor de agua se condense y se mezcle con el aceite de la bomba , como el aceite es recirculado dentro de la bomba y el agua mezclada es expuesta al alto vacio, se vuelve a evaporar y expandir ocupando eventualmente la cavidad de la bomba y evitando la entrada de cualquier cantidad de aire o gases en este momento se suspende el proceso de vacio sobre el transformador por lo que el aceite de la bomba debe ser remplazado. 8.2.3 Booster (reforzador mecánico) Las bombas de un solo paso mencionadas en el punto 8.2.1 pueden manejar gases y vapores hasta que se alcanzan presiones de 20 Torr y que a temperaturas de 21.5 °C, el agua empieza a desprenderse rápidamente de los aislamientos del transformador. El bombeo de grandes cantidades de agua limita severamente la habilidad de estas bombas para alcanzar y mantener las bajas presiones absolutas necesarias para el secado de transformadores. En las condiciones normales mencionadas, se puede usar un BOOSTER el cual es un soplador

seco con una presión de 20 Torr o menos en la descarga y no es afectado por vapores condensables, estos vapores pasan atreves del booster y son expulsados a la atmosfera por la bomba de un solo paso , a pesar de que algo de vapor de agua es retenido y mezclado con el aceite de esta bomba, como mencionamos anteriormente la alta presión en la succión de la bomba ocasiona que se pueda manejar más agua y en consecuencia la capacidad dl sistema BOOSTERBOMBA DE VACIO se ve aumentada considerable. 8.2.4 Trampa fría para humedad Los requerimientos actuales para lograr un mejor vacio en los procesos de secado en campo incluyen el uso indispensable de la trampa fría la cual básicamente sirve para dos propósitos: a) Minimiza la contaminación del aceite propio de la bomba e incrementa la eficiencia de esta para producir un alto “alto” vacio. b) Proporciona la oportunidad para determinar la condición de secado del transformador, con la medición de la cantidad del condensado extraído del mismo. Existen dos tipos de trampas frías, la de hielo seco y la refrigerante en esta última se usa un sistema igual al de los refrigerados domésticos ambas deben de lograr temperaturas de -40 °C o mas bajas, con objeto de condesar los vapores de agua muy bajas presiones absolutas, la trampa fría básicamente consiste en dos recipientes, uno es localizado dentro del otro, el recipiente interno se coloca acetona y hielo seco. El recipiente externo tiene dos conexiones las cuales permiten colocar la trampa en la línea de vacio entre el transformador y la bomba, los vapores extraídos de la parte activa del transformador hacen contacto con la pared excesivamente fría del recipiente interno condensándose. La extracción de este condensado periódicamente permitiría determinar el grado de secado en el transformador. En la operación de trampas frías deben tomarse en cuenta las siguientes recomendaciones. a) Cuando la capa de hielo sobre la superficie de condensación (fría) excede un centímetro de espesor la diferencia de temperatura entre la superficie fría y la de hielo es muy grande originando que la condensación del vapor de agua no sea completa por lo que parte de este vapor será expulsado a la atmosfera y no es cuantificado. b) Al destapar la trampa para cuantificar la humedad, la exposición del condensado a la atmosfera ocasiona condensación de la humedad presente en la misma ocasionado un error en la medición de humedad. c) Cuando se usa la trampa fría para colectar y retener la humedad, se recomienda tener dos unidades condensadoras, de tal manera que al quitar una, con el condesado por cuantificar, se coloque inmediatamente en una bolsa de plástico y sellarla para evitar su exposición a la atmosfera. 8.4 Medición de temperatura La medición de temperatura de los aislamientos del transformador en proceso de secado es muy importante ya que esta representa el parámetro más útil para el control de proceso y sobre todo para la determinación exacta del grado de sacado alcanzando (humedad residual) esta medición es difícil de realizarse prácticamente en campo por lo que se recomiendan los siguientes métodos. 8.4.1 Instalar previamente al proceso de secado de una manera provisional un mínimo de tres termopares haciendo contacto directo con el papel y/o cartones aislantes de las bobinas localizados estratégicamente de acuerdo al tipo de bobinas y aislamientos se debe poner especial cuidando en sellar perfectamente la entrada de estos termopares al tanque del transformador, a través de la brida especial para este uso. 8.4.2 Con la medición de resistencia óhmica utilizando preferentemente un puente doble de Kelvin, hacer la conversión de variaciones de resistencia por temperatura considerado como base las mediciones a temperatura ambiente. 8.4.3 El criterio actualmente utilizado aunque es de uso general y es el menos recomendable debido a que la temperatura de los aislamientos es estimada en base a las temperaturas indicadas en los termómetros instalados en el circuito de aceite y en el termómetro que se encuentra sobre el tanque del transformador, esta ultima indicación no es confiable, pues el pozo de medición esta en un medio de alto vacio, que actúa como aislante del calor entre este y los aislamientos. 8.5 Recomendaciones para supervisión y control 8.5.1 Sistema de vacio Para la instalación del sistema de vacio se deben tomar determinadas recomendaciones, con

objeto de lograr mayor eficiencia en el proceso de secado: a) Colocación de manguera o tubería de succión por la parte superior del tanque de transformador preferentemente por el tubo de alivio o algún registro-hombre. b) El medidor del vacio se conecta a la parte superior del tanque del transformador y no a la tubería de succión debe contar con una válvula con objeto de aislar el medidor después de cada lectura. c) La succión debe contar con dos válvulas, una para el aislamiento del transformador y la otra conectada directamente a la atmosfera, esta se usa para que la bomba de vacio arranque sin carga. d) Cuando se utilice tubería rígida debe colocarse un conector flexible entre la bomba y el transformador. e) En las conexiones de la succión nunca se debe usar teflón pues ocasiona obstrucciones en los ductos de lubricación de la bomba. Se deberá usar “loctite 70”, “permatex” o algún otro sellador adecuado, preferentemente se usaran bridas con empaque de neopreno o silicón. f) La tubería de succión, manguera, válvula y bridas deben estar completamente limpias y libres de rebaba de metal, pues ocasiona daños en el pistón de las bombas y obstruccionan el sistema de circulación del aceite. 8.5.2 Sistema de aceite calentamiento En el sistema de calentamiento y circulación de aceite se deben tomar determinados cuidados con su control para proteger el equipo de posibles daños. a) Se instalaran dos termómetros de 0 a 150°C cada uno a la salida del transformador y otro a la salida de las resistencias. b) Las resistencias deben tener un termostato confiable, conectado a su circuito de control de arranque y paro. c) Se instalara un interruptor de flujo entre la bomba y las resistencias y estará conectado en el circuito de control y paro. d) El circuito de control de las resistencias debe contar con un contacto permisivo que evitar que estén conectadas cuando la bomba de aceite no funcione. e) El circuito de circulación del aceite de la MAQUINA DES-GASIFICADORA, cuenta con dos válvulas para aislar el tanque del transformador. f) La bomba de aceite debe ser de características especiales de tipo de doble sello de aceite capaz de mantener la circulación continua de aceite a través del tanque bajo vacio, lo que representa una columna negativa en su succión. 8.5.3 Control de proceso de secado Para la determinación del avance en el grado de secado del transformador cuando se utilice la trampa de hielo es necesario medir el agua recolectada en periodos que pueden variar entre 12 y 24 horas y llevar una grafica para detectar el punto de colección mínima y casi constante. En parámetro con la determinación anterior se hacen mediciones de abatimiento de vacio, de la misma manera se grafican para detectar la presión mínima absoluta alcanzada y casi constante dentro del transformador. Al inicio y al final del proceso de secado se debe medir con exactitud la humedad residual por el método del punto de rocío de acuerdo al procedimiento SGP-A005-S. 8.5.4 Fugas Es raro disponer de un detector sensible a fugas en el tanque bajo vacio para uso en campo, sin embargo se recomienda el uso del detector de gases halógenos asi como el detector ultrasónico, que en algunos casos pueden ser de utilidad.