Espectroscopia Foto-Acústica Una Nueva Técnica para Análisis de Gases Disueltos en Aceite de Transformadores Transformadores Autor Dr. Colin Mcllroy (Kelman UK), Adaptación Ing. Luis Angel Balderas Monter (Kelman Latin America, México)
Abstracto El Análisis de Gases Disueltos en Aceite es una técnica de diagnóstico bien conocida para la detección de fallas incipientes en transformadores y cambiadores de derivaciones. La práctica convencional requiere la extracción de una muestra de aceite que es enviada a un laboratorio para un análisis de cromatografía de gases (CG). Este documento describe la aplicación de la Espectroscopia Foto-Acústica para el Análisis de Gases Disueltos en Aceite de Transformador y Cambiadores de Derivaciones y muestra como los beneficios de esta técnica pueden ser aplicados para suministrar un equipo robusto y adecuado para su uso portátil o fijo en subestaciones. Otros documentos similares se han presentado ya en diferentes foros pero es intención del presentador difundir en Latinoamérica esta tecnología moderna utilizada ya ampliamente en todo el mundo.
El Efecto Foto-Acústico Los principios de la Espectroscopía Foto-Acústica han sido conocidos desde hace ya algún tiempo, de hecho, los primeros experimentos fueron efectuados en los años de 1880 por Alexander Graham Bell. El observó que cuando un rayo de luz golpeaba un recipiente de vidrio sellado con humo de cigarro en su interior, el incremento de la presión resultante debido al calor podría ser detectado por el oído humano. Mientras que esto fue causa solamente de la curiosidad científica, desarrollos relativamente recientes como micrófonos electrostáticos han permitido que el efecto foto-acústico se cuantificable con la suficiente exactitud para permitir efectuar mediciones para diagnósticos confiables. El efecto foto-acústico es causado por la habilidad de un gas de absorber radiación electromagnética (como luz infrarroja). Absorbiendo esta radiación la temperatura del gas se incrementa y si el gas se mantiene en un contenedor
sellado, este incremento de temperatura producirá un incremento proporcional en la presión. La parte interesante ocurre cuando la fuente luminosa es pulsada. El resultado es una presión fluctuante en el contenedor del gas de acuerdo a la velocidad de los pulsos y estas ondas de presión pueden ser detectadas usando micrófonos sensibles. Este efecto puede ser fácilmente demostrado pero requiere dos refinamientos más antes de que pueda ser usado para mediciones analíticas. Lo primero es que puede mostrarse que cada gas tiene un espectro de absorción único permitiendo que la frecuencia de la fuente infrarroja sea sintonizada para excitar una sustancia dada. La segunda es que el nivel de absorción es directamente proporcional a la concentración del gas dado. Por lo tanto, seleccionando una longitud de onda adecuada y midiendo el nivel de la señal resultante es posible detectar no solo la presencia sino también la concentración de cualquier gas dado, incluso en una mezcla compleja de otros componentes. Esto conforma el principio central del Espectroscopio Foto-Acústico (PAS).
Espectroscopio Foto-Acústico para Análisis de Gases Disueltos Una de las más grandes ventajas del PAS es su gran sensibilidad cuando es comparado a muchas otras técnicas espectroscópicas. Esto ha llevado su uso a una gran variedad de aplicaciones desde el campo médico al monitoreo de la contaminación en el medio ambiente, y desde el análisis científico general al control de procesos en la industria y en la agricultura. Sin embargo esto es especialmente útil cuando puede ser configurado para explorar una gama de compuestos conocidos. En este aspecto, es ideal para el Análisis de Gases Disueltos en muestras de aceites eléctricos.
En esta aplicación los “gases de falla” de interés son bien conocidos y el análisis de estos gases y sus concentraciones relativas son descritas en la literatura. Hidrógeno – H 2 Metano – CH4 Etano – C2H6 Etileno – C 2H4 Acetileno – C 2H2 Monóxido de Carbono – CO Dióxido de Carbono – CO 2
Figura 2. Concepto del Espectróscopio Foto-Acústico
Módulo del Espectrómetro Foto-Acústico Figura 1. Gráfica del Espectro de Absorción IR de Gases de Falla en el Aceite de Transformadores típica
El módulo PAS mostrado en la figura 3 forma el núcleo de la instrumentación portátil o fija para efectuar el análisis de gases disueltos en el aceite de transformadores.
El examen del espectro de absorción IR de estos compuestos (Figura 1) muestra que, mientras existen algunos traslapes entre las huellas espectrales, existen regiones únicas suficientes del espectro que permiten que todos los compuestos sean medidos exactamente en presencia de los otros. Módulo de Medición El diseño conceptual de un módulo de medición PAS práctico es mostrado a continuación. Una fuente térmica simple produce una radiación de ancho de banda a través del rango IR que es enfocada dentro de la celda de medición usando un espejo parabólico. El disco cortador (chopper) gira a una velocidad constante proporcionando un efecto estroboscópico a la fuente luminosa. Antes de alcanzar la celda de medición la radiación pasa uno a uno a través de varios filtros ópticos. Estos filtros están diseñados para transmitir las longitudes de onda específicas elegidas para excitar cada uno de los compuestos bajo investigación. La muestra es introducida previamente dentro de la celda de medición y el nivel de señal es registrado por los micrófonos conforme los filtros acondicionan la forma de la fuente luminosa. La serie de lecturas producidas proporcionan entonces las concentraciones deseadas de los compuestos en la muestra.
Figura 3. Módulo del Espectrómetro Foto-Acústico El módulo mide aproximadamente 169 x 150 x 140 mm (6.5 x 6 x 5.5 in), tiene un peso menor a 2 Kg (5 lbs). Esta totalmente integrado con todos los componentes de procesamiento electrónico para efectuar las mediciones y controlar el sistema. Todo lo que se requiere para usar el sistema en cualquier aplicación dada es una muestra de aceite apropiada y un módulo de extracción de gas La especificación típica es proporcionada a continuación: Hidrógeno (H2) 5 - 5,000 ppm Metano (CH4) 1 - 50,000 ppm Etano (C2H6) 1 - 50,000 ppm Etileno (C2H4) 1 - 50,000 ppm Acetileno (C 2H2) 0.5 - 50,000 ppm Monóxido de Carbono (CO) 1 - 50,000 ppm Dióxido de Carbono (CO 2) 2 - 50,000 ppm
Exactitud La exactitud básica del PAS es determinada por la selectibilidad de la frecuencia de la radiación IR y la sensibilidad de los micrófonos. La longitud de onda de la radiación incidente puede ser continuamente variada usando otros elementos tales como rejillas de difracción o efectos de interferencia para explorar la muestra. Sin embargo en esta aplicación con un número finito de compuestos a detectar, es más efectivo usar una serie de filtros ópticos.
permanentemente o como una herramienta analítica portátil para los ingenieros de las compañías suministradoras de energía. Como tal, fueron tres los criterios de diseño principales a considerar: Resistencia Mecánica Equipo para uso en campo que debe ser resistente para uso rudo por personal de campo. Tamaño Compacto El equipo debe ser fácilmente integrado o manejado como un equipo fijo o portátil
Estos filtros son componentes de alta precisión hechos de acuerdo a las necesidades del usuario para transmitir solamente las longitudes de onda especificas. La selección de las longitudes de onda apropiadas es por lo tanto una decisión de diseño crítico, particularmente si existe la posibilidad de interferencia entre el espectro del compuesto en cuestión. Sin embargo una vez que los filtros correctos están en su lugar, su funcionamiento no es afectado por el tiempo o el uso y por lo tanto no requiere calibración o ajustes posteriores.
No consumibles El sistema no requiere equipo adicional especial o consumibles para hacer la medición
Los micrófonos electrostáticos modernos tienen un desempeño impresionante con un r ango dinámico de más de siete órdenes de magnitud y una sensibilidad mínima de al menos dos veces más que la del oído humano. Las figuras de estabilidad típicas muestran que la sensibilidad variará < 1% en alrededor de 200 años a temperatura normal. En esta aplicación su funcionamiento permite que los compuestos en cuestión sean analizados < 1 ppm en la mayoría de los casos, sobre un rango medición típico de hasta 50,000 ppm.
Como un primer paso Kelman utilizó el módulo PAS en el diseño de un instrumento de Análisis de Gases Disueltos (AGD) verdaderamente portátil. El Transport-X es del tamaño de un portafolio e incluye una interface a PC, un módulo de medición y una salida de resultados impresos en un solo dispositivo muy conveniente. Esta diseñado para aceptar muestras de aceite en botellas de vidrio convencionales y usa excitación magnética para extraer los gases a ser analizados al el espacio superior por encima arriba de la muestra de aceite (headspace). Su propósito primario es proporcionar una herramienta a los ingenieros de mantenimiento eléctrico de compañías suministradoras de energía eléctrica, para hacer pruebas de Análisis de Gases Disueltos más rápidas y más exactas en campo sin necesidad de consumibles como gases de arrastre o calibración.
Ventajas de la Espectroscopía Foto-Acústica •
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Una ventaja fundamental de la técnica Foto-Acústica es que el nivel de absorción es directamente proporcional al nivel de concentración de los componentes analizados. La estabilidad inherente de los componentes críticos significa que los problemas de calibración normalmente asociados con lo análisis tipo GC pueden ser enormemente reducidos. La técnica PAS no requiere materiales consumibles a diferencia de equipo GC típico tales como gases de arrastre / portadores y/o calibración. El pequeño volumen de una celda PAS (típicamente 2-3 ml) significa que solo se requieren muestras pequeñas para el análisis y que la celda puede ser inundada rápidamente permitiendo que diferentes muestras sean medidas rápidamente.
Confiabilidad El equipo debe trabajar eficientemente en cualquier momento
Aplicaciones Comerciales
Requerimientos para uso en campo La teoría del PAS es muy clara y la técnica es usada cada día en laboratorios, sin embargo, la tarea de producir un instrumento capaz de operar en el ambiente de una subestación es más complejo. A fin de proporcionar una máxima flexibilidad, la meta del diseño fue producir un módulo capaz de operar como un monitor instalado
Figura 4. Sistema de Análisis de Gases Disueltos Transport-X portátil
Figura 5. Inyección muestra de aceite en equipo Transport X
La muestra de aceite es extraída del transformador de la misma manera como se hace para enviar muestra de aceite a un laboratorio de cromatografía de gases. Una vez inyectada la muestra de aceite y alojada en la botella de prueba es requerido extraer los gases disueltos en el aceite a analizar. El proceso de extracción es muy importante ya que de este depende en gran medida la confiabilidad de cualquier equipo de Análisis de Gases Disueltos sin importar la tecnología empleada. El equipo Transport X realiza esta extracción automáticamente de una forma muy ingeniosa, lo cual representa una ventaja muy importante para el usuario que no tendrá que preocuparse por este procedimiento reduciendo enormemente el error humano y permitiendo a la vez obtener resultados extremadamente precisos. La extracción de los gases de la muestra de aceite de lleva a cabo a una modificación del método de extracción del Headspace (método C) del estándar ASTM 3612. Los gases disueltos en la muestra de aceite colocada en la botella de prueba buscaran por si mismos desplazarse al headspace (espacio comprendido sobre del aceite dentro de la botella, tubos de conducción y el espectroscopio foto-acústico mismo) por consecuencia de un fenómeno físico natural hasta alcanzar el “equilibrio dinámico” (condición en la que la misma cantidad de gases disueltos se ubicarán tanto en el headspace como disueltos en el aceite del transformador). Este procedimiento por si mismo tomaría algunas horas para completarse por lo que previamente se coloca un agitador magnético dentro de la botella el cual agitará el aceite para forzar la salida de los gases disueltos más rápidamente y obtener la circulación de gases requerida en el módulo foto-acústico para realizar las mediciones. Para completar el esquema y como base de la modificación del método se coloca una pequeña bomba que recirculará los gases de vuelta a la botella en un arreglo de lazo cerrado para forzar un burbujeo de la muestra y acelerar aún más el establecimiento del equilibrio dinámico.
Figura 6. Proceso de extracción Transpor X Como se ha citado este proceso es automático y el usuario no debe preocuparse del mismo, simplemente aguardar, los resultados entregados por el equipo. El Transport X representa una herramienta muy valiosa en la actualidad para ingenieros de mantenimiento que no poseen personal químico especializado pero eso no implica que el equipo pueda ser utilizado en forma complementaria en laboratorios químicos. Monitoreo en línea Como un desarrollo paralelo, se aplicó el mismo módulo de medición a un sistema de monitoreo en línea montado en forma permanente al transformador. La meta de este desarrollo llamado Transfix es producir un sistema que combine la tecnología foto-acústica y técnicas de monitoreo modernas para proporcionar un reporte completo del estado del transformador con una visión, control y seguimiento más eficiente en una base de mediciones diarias que permita calcular el tiempo de vida útil del transformador. Este sistema tiene la capacidad de monitorear humedad del aceite e incluso temperatura en los devanados en forma directa. Estas variables son de suma importancia ya que ambas son catalizadoras de las reacciones químicas en el interior del transformador y que reducen su vida útil. Este es una de los pocos sistemas que es multi-gas que realiza la medición de todos los gases de falla relevantes: Hidrógeno – H 2, Metano – CH 4, Etano – C 2H6, Etileno – C2H4. Acetileno – C 2H2, Monóxido de Carbono –CO, Dióxido de Carbono – CO 2, pero a diferencia de la cromatografía de gases, no requiere gases de arrastre
Este esquema permite también automatizar los análisis y eliminar por completo contacto con el ambiente, contaminación de las muestras y el error humano.
Figura 9. Diagrama de bloques. Sistema de Monitoreo en línea de gases Transfix Conclusión
Figura 7. Sistema de Monitoreo en línea Transfix En esencia el concepto es el mismo, es solo necesario hacer un arreglo conveniente para llevar aceite a una cámara que extraerá de aceite los gases disueltos para hacer el análisis en el mismo módulo foto-acústico. Para ellos, se utilizará una de las múltiples válvulas del transformador como válvula de suministro de aceite y otra como válvula de retorno, típicamente la de muestreo conformando así un sistema de lazo cerrado. La interconexión es realizada a través de tubería de acero inoxidable de ¼” por lo que el volumen requerido para ejecutar los análisis es reducido. Este esquema conveniente instalar o desinstalar al equipo de monitoreo en línea con el transformador energizado.
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JIB RI SH
La Espectroscópia Foto-Acústica es una tecnología moderna que proporciona las mediciones exactas necesarias para competir con los métodos de GC comunes ofreciendo ventajas significativas en tamaño, velocidad, resistencia mecánica y estabilidad. La eliminación de la necesidad de gases consumibles hace que esta técnica sea ideal para su uso en ambientes agresivos encontrados en subestaciones. Con esta tecnología es posible construir un equipo portátil extremadamente útil para el personal de mantenimiento eléctrico que carece del equipo y conocimiento especializado para realizar la prueba con la tecnología de cromatografía de gases. Un equipo portátil permitirá desplazar la prueba a terreno en locaciones alejadas de complicado y hacer pruebas a pie de transformador en forma oportuna. Esta misma tecnología permite crear un sistema de monitoreo en línea multi-gas capaz de proveer gráficas de tendencias de todos los gases de falla de interés en forma individual sin necesidad de consumibles tales como gases de arrastre / portadores y/o calibración reduciendo haciéndolo prácticamente libre de mantenimiento. Referencias
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Oil From Transformer
ALARM
¼ "
TRANSFIX Transformer Gas Analyzer
8 1 6 0 0 4 0 0 0 JIB RI SH
CAUTION
POWER
SERVI CE
Oil back to 1 2
Transformer
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EIRLIN Transformer N a m eP l a t e /- /7/< 1 ? = 1 1-I/ /
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GE V400T S
UNI T3 A
[1] Photo-Acoustic Spectroscopy. A new technique for dissolved gas analysis in oil. Dr. Collin Macllroy (Kelman) EPRI Substation Equipment Diagnosis Conference. New Orleans, LA, USA, February 2003
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NOT TO SCALE OR PROPORTION Figura 8. Representación esquemática para conexión del sistema de monitoreo Transfix
[2] DGA in a Box. A utility perspective. Dany Bates. Alabama Power Company
