Humedad en Transformadores de Potencia: Fuentes, Riesgos y Métodos de medición Juan L. Velásquez
Seminario DMTP Centro America 2011
1 June 2011
Agenda 1.
Fuentes de humedad
2.
Procesos de deterioro del aislamiento
3.
Efectos perjudiciales de la humedad
4.
Definiciones básicas
5.
Comportamiento de la humedad
6.
Métodos de medición
7.
Conclusiones
© OMICRON
Page 2
1. Fuentes de humedad 3 Filtración a través de empacaduras
4 Instalación, reparación
RSGran= 1 % 2
RHAire= 50%
Envejecimiento
1
© OMICRON
Page 3
2. Procesos de deterioro del aislamiento CO2
CO
Oxidación del aceite
Oxidación de la celulosa
H2O
O2
Ácidos
H2O
Hidrólisis
Pirólisis
Depolimerización
División de la molécula y desprendimiento de levoglucosane
Dehidratación
Fragmentación de Levoglucosane
Compuestos furánicos Ácidos
CO2
Oxígeno residual + ingresado
Temperatura
O2 CO Page 4
3. Efectos perjudiciales de la humedad Transformador falla antes de lo esperado
Ocurrencia de un evento
Envejecimiento acelerado?
Transformador falla como se esperaba
Spare margin Estrés (eventos) Valor critico
NORMAL
Disminución de la rigidéz dieléctrica?
DEFECTO
FAULTY
FALLADO
4. Definiciones básicas Contenido de agua en la celulosa (%)
Contenido de agua en el aceite(ppm)
W=
mH 2 O mtotal
W=
⋅1.000.000
Curva típica para aceites nafténicos
700
Solubility (ppm)
600 500
WSol = K .e
400
−
mdry
⋅100%
Saturación relativa
Solubilidad del agua en el aceite 800
mtotal − mdry
H T
300
Woil RS = ⋅ 100% WSol Actividad de agua, aw
200 100 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Temperature (ºC) Shell Diala D
Typical oil VAISALA
Typical oil Hydran M2 Page 6
100
RS (%) aw = 100
35
45
33
40
31
35
29
Temp. (ºC)
27
30
Relative saturation (%) 25
25
20
23 21 13:12
Temperature (ºC)
Relative saturation (%)
5. Comportamiento de la humedad
14:24
15:36
16:48
18:00
19:12
20:24
21:36
22:48
15 00:00
Time
Moisture (ppm)
27 25
Temp. (ºC) Moisture (ppm)
40 35
23 21
30
19
25
17 15 13:12
14:24
15:36
16:48
18:00
19:12
Time (min)
20:24
21:36
22:48
20 00:00
Temperature (ºC)
45
29
5. Comportamiento de la humedad Caso A
Caso C
Caso B Aceite
Aceite
Celulosa
Celulosa
Gradiente=+
Gradiente=-
Aceite
Celulosa
Gradiente=0
Transferencia de humedad: •Gradiente de humedad (cambio de aceite, reparación en sitio) •Gradiente de temperatura (operación normal) •Gradiente de presión (durante el secado)
5. Comportamiento de la humedad Equilibrio de humedad significa que no hay migración de moléculas de agua ni internalmente en los materiales ni entre el aceite y la celulosa
pCellulose = pOil = p Air RSCellulose = RSOil = RS Air
5. Comportamiento de la humedad Sensor VAISALA
Condición de equilibrio
Sensor de temperature
Case Study 1: From 29.04.08 till 30.04.08 36
Moisture (ppm)
35
45 44.8
T, °C Moisture (ppm)
44.6
35
44.4
34
44.2
34
44
33
43.8
33
43.6
32
43.4
32
43.2
31 19:33 21:28 23:24
43 1:19
3:14
5:09
7:04
Time (hh:mm)
Contenido de agua absoluto apartir de la saturación relativa:
Woil = aw .10 ( B + A / T ) (VAISALA)
9:00
10:55 12:50 14:45 16:40
Temperature (ºC)
36
6. Métodos de medición 6.1 Mediciones directas en el aceite y en la celulosa a) Titración de KF en el aceite + Diagramas de equilibrio b) Titración de KF en la celulosa c) Sensores capacitivos (Vaisala, Hydran, Kelman, Treetech) 6.2 Mediciones indirectas: Métodos de resp. del dieléctrico a) Tensión de recuperación (RVM, 1991) b) Corrientes de polarización y depolarización (PDC) c) Espectroscopía en el dominio de la frecuencia (FDS) Page 11
6. Métodos de medición 6.1(a) Titración KF en aceite + Diag. Equilibrio
Medida del peso de agua Agua relativa al peso [µg, %, ppm]
2 H2O + SO2 + I2
H2SO4 + 2 HI
Errores asociados:
Transporte al laboratorio Preparación de la muestra Sistema de tritación La condición de equilibrio es utópica Las curvas de equlibrio dependen del envejecimiento del sistema de aislamiento (celulosa+aceite)
% Wassergehalt im Papier Contenido de agua en papel
Paso 1: Medición del contenido de agua absoluto en el aceite
Paso 2: Estimación del contenido de agua en la celulosa mediante diagramas de equilibrio 11 20 °C
10
30 °C
40 °C
9
50 °C
8
niedrig Baja
7 6
60 °C Temperatur Temperatura
5 4
80 °C
hoch Alta
3 2
100°C
1 0 0
10
20
30 40 50 Wassergehalt im Öl
60
70
80
Contenido de agua en el aceite
Paso 3: Evaluación de acuerdo a normas (IEC 60422)
Page 12
ppm
90
Moisture in oil (ppm)
6. Métodos de medición 25 19,8
20 16,2 15
15,2 12,2 8,9
10
7,5
5,8 5 0 US
B
C
D
E
F
G
Round Robin test de una prueba de aceite en diferentes laboratorios
Page 13
6. Métodos de medición 6.1(a) Titración KF en aceite + Diag. Equilibrio State 2
68 Moisture (ppm)
60
1 St at e
78
58
65
State3
55
Equilibrio
50
State 0
45 40
48
35
38 28 18 16:48
State 0 State 2 State 3
Moisture (ppm) T, °C 02:24
19:12
12:00
04:48
21:36
25 20 14:24
Mois. in oil (ppm) 36.11 59.08 75.22
4.0% 3.4%
Time (hh:mm)
Curva de equilibrio Oommen
Temp. (ºC) 41.39 57.55 58.18
30
Equilibrio 09:36
Temperature (ºC)
88
State
Agua en celulosa (%) Estado 0
4.0
Estado 2 Estado 3
2.8
3.4
Page 14
2.8%
6. Métodos de medición 6.1(a) Titración KF en aceite + Diag. Equilibrio El envejecimiento del sistema aislante altera las curvas de equilibrio:
Aging
Page 15
6. Métodos de medición 6.1(b) KF Titration in paper Errores asociados:
Sample injection
Transporte al laboratorio Electrolysis Preparación de la muestra electrodes Sistema de tritación La medición del agua adherida depende de la temperatura de calentamiento y del tiempo
Page 16
Water Vapour
Detection electrode
Sample Heating
6. Métodos de medición 6.1(c) Sensores capacitivos + Diag. Equilibrio difusión
electrodo superior con poros
Paso 1: Medición de RS(%)
película de polimero electrodo inferior
Pelicula de polimero higroscópica Cambio en la capacidad
Resultado: 0-100 % o 0-1 aw Posibles errores: Difusión de productos derivados del envejecimiento Corrosión de los electrodos Necesidad de calibración
Paso 2:Cálculo del contenido de agua en ppm (coeficientes típicos o especificos) Poca correlación con KFT y subéstimación del contenido de agua en aceites envejecidos cuando coeficientes típicos son usados ( B+ A / T ) w Page 17
ppm = a .10
6. Métodos de medición
Time, date
Page 18
10
8
6
4
2
0
Moisture in aged Kraft paper / %
65 60 55 Oil temperature 50 45 40 35 RS in oil 30 25 20 RS in cellulose 15 10 5 0 01.06.2003 05.06.2003 09.06.2003 13.06.2003 17.06.2003
Relative saturation / %
Top oil temperature / °C
6.1(d) Sensores capacitivos + Diag. Equilibrio adapatados 5 4 3 2,2 2
Aged KP 21°C Aged KP 40°C
1
Aged KP 60°C 4,1
0 0
Aged KP 80°C
10 20 30 40 Moisture relative to saturation / %
June 1, 2011
Page: 18
6. Métodos de medición
6.2 Métodos de respuesta del dieléctrico
Page 19
6. Métodos de medición
6.2 Métodos de respuesta del dieléctrico i(t) iT u(t)
iP iCV
iP
iS iCV + iS 10^-15s
Naturaleza resistiva: desplazamiento de cargas libres iCV:corriente volumetrica de conducción iS:corriente de fuga superficial
t
Naturaleza reactiva: desplazamiento de cargas enlazadas al material iP:corriente de polarización Page 20
6. Métodos de medición Circuito equivalente de un material dieléctrico
iT u(t)
iP iCV
iCV
iP
iS
… Conducción Polarización volumetrica instantanea
Polarización de relajación
Modelo Debye extendido Page 21
6. Métodos de medición i(t) Rq U0
RK
uR(t) V
RE
U0
R0
C1
0
u0(t)
i(t) C ⋅U ⋅δ(t) 0 0
RE
R0
A
RN
R1
C0
C1
CN
0
tan δ
V
U A
Corriente de polarizacióni(t) TK
TL
t
-C0⋅U0⋅δ(t)
I U0
t
TK
Rq U0
α
TL
CN
uR(t)
i(t)
UR,max
RN
R1
C0
Tensión de recuperación uR(t)
uR(t)
C0 R0
R1 C1
RN
Espectroscopía en el dominio de la frecuencia tan δ(f)
CN Page 22
f
6. Métodos de medición Espectroscopía en el dominio de la frecuencia
V
A tan δ
A
f
CH
CHL
CL Page 23
ˆI (ω ) = jωC0 ε ∞ + χ ' (ω ) − j σ + χ ' ' (ω )Uˆ (ω ) ε 0ω Iˆ(ω ) = jω{C ' (ω ) − jC ' ' (ω )}Uˆ (ω )
ε ' ' (ω ) C ' ' (ω ) tgδ (ω ) = = ε ' (ω ) C ' (ω )
6. Métodos de medición Espectroscopía en el dominio de la frecuencia Dissipation factor
10
1
moisture of cellulose, aging high high low
0,1
insulation geometry
moisture of cellulose and aging
0,01
low
high
oil conductivity
low
0,001 0,0001
0,001
0,01
0,1
1
10
100
Frequency (Hz) Page 24
1000
6. Métodos de medición
Proceso automático de ajuste "Fitting" Base de datos
Medida Temperatura Aceite
Y
Modelo XY Oil
Spacers
Barriers
Comparación
X
Contenido de humedad Conductividad del aceite
Page 25
6. Métodos de medición
Page 26
7. Conclusiones Los métodos tradicionales para medir el contenido de humedad en transformadores tal como KF y sensores capacitivos juegan una rol importante en la detección de cambios en el contenido de humedad de transformadores. Las desventajas encontradas en los métodos tradicionales pueden conducir a tomas de decisión erroneas. Los métodos de respuesta dieléctrica (PDC,FDS) son en la actualidad las técnicas más exactas para la determinación del contenido de humedad en el aislamiento solido de transformadores de potencia. Page 27
¿Preguntas? © OMICRON
Page 28
Muchas Gracias por su Atención © OMICRON
Page 29
