R2070S Guía de análisis de gases disueltos

Fluido Envirotemp™ FR3™
Guía de Gases Disueltos
R2070S
Agosto 17, 2006
Cargill Industrial Specialties
9320 Excelsior Blvd
Hopkins, MN 55343-3444
www.envirotempfluids.com
P: 800-842-3631
Envirotemp™ y FR3™ son marcas valiosas de Cargill, Incorporated.
Normas IEEE C57.104™ e IEEE C57.147™ son marcas del Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc (IEEE).
IEC® es una marca registrada del International Electrotechnical Commission (IEC).
©2013 Cargill, Incorporated. Todos los Derechos Reservados.
1
Análisis de Gases Disueltos e Fluido Envirotemp™ FR3™
¿Hasta dónde es confiable la interpretación de
los datos de gases?
Aunque algunas fallas se pueden diagnosticar
usando el análisis de gases disueltos (fallas con
producción de arco activas, por ejemplo), muchas
veces evaluar los datos requiere informaciones
históricas operativas, de mantenimiento y de
ensayos del transformador. Aún así, la
interpretación puede en el ser definitiva. La sección
“Limitaciones” de la guía de gases del IEEE [1]
sintetiza esto de la siguiente manera:
¿Qué es análisis de gases disueltos?
El análisis de gases disueltos (DGA) es una técnica
de diagnóstico muy útil en el mantenimiento
preventivo, evaluación de las condiciones e
identificación de fallas de transformadores en
aceite (equivale a un análisis de sangre en los
transformadores como parte de un examen físico
de rutina). El análisis determina la cantidad de
gases disueltos en el aceite: hidrógeno, gases
hidrocarburos (metano, etano, etileno, acetileno, y
a veces propano, propileno, n-butano e isobutano),
óxidos de carbono (monóxido y dióxido de
carbono), oxígeno y nitrógeno.
“Entretanto, se debe admitir que el
análisis de estos gases y la
interpretación de su significado en este
momento en el es una ciencia sino un
arte sujeto a variaciones.”
¿Por qué es útil?
Los tipos de gases disueltos en aceite, juntamente
con sus cantidades, proporciones relativas y
alteraciones en el tiempo nos dan pistas sobre lo
que está ocurriendo con el transformador.
¿Dónde puedo encontrar instrucciones
concisas sobre DGA?
Hay excelentes discusiones acerca de la teoría de
los gases disueltos y sus aplicaciones prácticas en
los manuales Facilities Instructions, Standards, and
Techniques publicados por el Bureau of
Reclamation [2,3] del EE.UU.
¿De dónde vienen los gases?
Los gases se forman durante los procesos
normales de envejecimiento, descomposición
térmica, operación de fusibles o llaves, por defectos
eléctricos o durante eventos anormales.
- Los gases formados durante la descomposición
del aceite son típicamente hidrógeno y gases
hidrocarburos.
- Los gases formados a partir de la
descomposición del aislamiento de papel
(celulosa) son típicamente hidrógeno, óxidos de
carbono y metano.
- Diferentes tipos de fallas generan gases con su
propia marca característica y proporciones.
¿El DGA se puede usar con el fluido Envirotemp
FR3?
Aquí llegamos al quid de la cuestión. La respuesta
es SÍ.
INTRODUCCIÓN
Los datos de gases disueltos de miles de
transformadores en aceite mineral operando
normalmente y con fallas, colectados, examinados
y ponderados a lo largo de décadas forman la base
empírica de un recurso para evaluar las
condiciones de un determinado transformador. El
IEEE, IEC, U.S. Bureau of Reclamation y otros,
publican guías para ayudar en la interpretación de
datos de gases disueltos para el diagnóstico de
fallas [1-4]. Como los transformadores que utilizan
™
™
ésteres naturales como el fluido Envirotemp FR3
son un desarrollo relativamente reciente, las
oportunidades
de
evaluar
transformadores
realmente con fallas van llegando lentamente. Las
pocas disponibles, juntamente con los datos de
transformadores en operación normal y una
variedad de estudios de laboratorio ayudaron a
validar la aplicación del DGA al fluido Envirotemp
FR3.
¿Cómo se usan los resultados?
El análisis de gases nos informa las cantidades de
gases disueltos en el aceite. Aunque todos los datos
de gases son informativos, los gases combustibles
disueltos son muy útiles en el diagnóstico de fallas.
Las guías para ayudar en la interpretación de los
gases disueltos usan diversos métodos para obtener
informaciones acerca de las condiciones del
transformador. Las cantidades, proporciones y tasas
de generación de gases son usadas para ayudar a
determinar si la falla existe e identificar el tipo de falla.
Más importante que los datos de una única muestra
de gas son las tasas de generación de gas (como
los gases cambian a través del tiempo). El esfuerzo
aplicado en interpretar y actuar sobre los datos de
los gases está casi siempre en proporción directa
con la tasa de generación.
2
RESUMEN
gas combinadas con el método IEEE de “Gases
Clave” o el método IEC Duval.
Las muestras de fluido Envirotemp FR3 para
determinaciones de gases disueltos son retiradas y
analizadas usando los mismos procedimientos y
técnicas usadas para el aceite mineral [5-7]. Los
datos son interpretados prácticamente de la misma
manera que para los gases en el aceite mineral. Los
gases combustibles generados por fallas en fluidos
de ésteres naturales son similares a los del aceite
mineral: niveles elevados de hidrógeno pueden ser
una indicación de que esté ocurriendo una descarga
parcial; óxidos de carbono en determinadas
proporciones sugieren papel recalentado; gases de
hidrocarburos pueden ser el resultado de una falla
térmica en el aceite; acetileno apunta para la
ocurrencia de arcos. Siempre, el primer paso es
determinar si la falla existe, usando las cantidades y
las tasas de generación de gases disueltos antes de
intentar interpretar la información. Los métodos más
útiles para análisis de gases disueltos en el fluido
Envirotemp FR3 usan las tasas de generación de
DIFERENCIAS CON EL ACEITE
MINERAL
Solubilidad de los Gases
La solubilidad de los gases en el fluido Envirotemp
FR3 difiere un poco de la solubilidad en aceite
mineral (Tabla 1). El volumen de gases generado
por algunas fallas, mas notablemente fallas con
producción de arco, también puede ser diferente.
Las fallas con producción de arco de baja corriente
en el fluido Envirotemp FR3 generan volúmenes
menores de gas (los ensayos producen volúmenes
de gas de aproximadamente 75% del volumen
generado en aceite mineral). Estas diferencias
podrían afectar la utilidad de algunos métodos de
análisis de proporciones y estimaciones de
contenido de gas combustible en el headspace.
Tabla 1. Coeficientes de solubilidad de gases (Ostwald) para el fluido Envirotemp FR3 y aceite mineral
Gases
25°C
Fluido Envirotemp FR3 [8] aceite mineral [1]
Hidrógeno H2
Oxígeno O2
Nitrógeno N2
Monóxido de Carbono CO
Dióxido de Carbono CO2
Metano CH4
Etano C2H6
Etileno C2H4
Acetileno C2H2
Propano C3H8
Propileno C3H6
0.05
0.15
0.07
0.09
1.33
0.30
1.45
1.19
1.63
-
0.05
0.17
0.09
0.12
1.08
0.43
2.40
1.70
1.20
-
Etano e Hidrógeno
Muchos (pero no todos) transformadores que
operan normalmente usando fluido Envirotemp FR3
tienen un contenido de etano superior que los que
usan aceite mineral. Los otros gases de
hidrocarburos permanecen bajos – sólo el etano es
elevado. Ocasionalmente, un nivel invariable pero
un poco elevado de hidrógeno es encontrado en los
transformadores que operan normalmente usando
fluido Envirotemp FR3. Esto puede indicar
incorrectamente una falla de descarga parcial.
Estas anomalías requieren un estudio adicional
para su explicación.
70°C
Fluido Envirotemp FR3 [8] aceite mineral [8]
0.097
0.255
0.141
0.148
1.187
0.387
1.677
1.389
1.763
4.041
4.078
0.092
0.208
0.127
0.143
0.921
0.432
2.022
1.419
0.992
6.844
5.369
un tiempo de elusión próximo al tiempo del acetileno.
A veces este pico no es más que una elevación de
la línea de base que rápidamente se nivela y puede
ser fácilmente distinguido del acetileno (Fig. 1a). En
otros casos el pico parece ser genuino (más que una
elevación de la línea base) y eluye tan próximo del
acetileno que puede ser confundido con acetileno
(Fig. 1b). Como la presencia de pequeñas
cantidades de acetileno sugiere un examen adicional
más minucioso del transformador, el responsable de
la cromatografía debe estar atento a la posible
ocurrencia de este pico engañoso. Se debe realizar
un trabajo adicional para identificar esta sustancia y
elaborar criterios para distinguirla confiablemente del
acetileno.
Acetileno
Durante la adaptación de la cromatografía y análisis
de gases para el fluido Envirotemp FR3, muchas
veces vemos un pico (de identidad desconocida) con
3
30
25
etileno
20
pA
pico
sospechoso
acetileno
15
etano
10
5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
9.5
10.0
10.5
11.0
11.5
12.0
Figura 1a. Cromatografía que muestra un pequeño pico de “falso acetileno” eluyendo antes del acetileno
60
50
etileno
pA
40
pico
sospechoso
30
acetileno
20
10
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
9.5
10.0
Figura 1b. Cromatografía que muestra un pico más grande de “falso acetileno” que puede ser confundido con
acetileno
MÉTODOS DE INTERPRETACIÓN
IEEE
L tabla 2 muestra los gases generados por tipo de
falla de la guía de gases IEEE para aceite mineral.
La tabla 3 indica los métodos IEEE para la
interpretación de los datos de gases del aceite
mineral y su aplicabilidad en el fluido Envirotemp
FR3. Un requisito previo para aplicar los métodos
de interpretación debe ser determinar si la falla
existe, usando las cantidades y las tasas de
generación. La guía IEEE divide la tasa de
generación de gases en tres rangos: <10 ppm/día,
10-30 ppm/día, e >30 ppm/día. La tasa de
formación de gases es usada en conjunto con la
cantidad de gas presente (método “condición”) para
recomendar acciones.
La guía de gases del IEEE [1] fue escrita teniendo
en mente grandes transformadores en aceite
mineral. Aplicar los métodos IEEE para
transformadores de distribución puede requerir
algunas desviaciones de la guía: switches y
fusibles generan gases durante su operación
normal; las proporciones y cantidades de papel y
aceite difieren de las de los transformadores
grandes; volúmenes de aceite dan como resultado
mayores concentraciones de gas; tensiones más
bajas usadas en la distribución son menos
propensas a causar descargas parciales.
4
Tabla 2. Gases por tipo de falla de la guía de gases IEEE
Tipo de Falla
Térmica
aceite mineral:
Temperatura baja
Temperatura moderada
Temperatura alta
papel
Elétrica
descargas de baja energía
producción de arco de alta intensidad
Gases Criado
hidrógeno, metano; vestigios de etano, etileno
hidrógeno > metano; etano, etileno
hidrógeno, etileno; vestigios de acetileno
monóxido de carbono, dióxido de carbono
hidrógeno, cantidad decreciente de metano, vestigios de acetileno
acetileno
Tabla 3. Métodos de análisis de la guía de gases IEEE
Método
Condición
Proporción
Rogers
Doerenburg
CO2/CO
Gases Clave
Análisis
cantidades de gases combustibles
Aplicación en el fluido Envirotemp FR3
parcialmente aplicable, pero los límites para etano, óxidos de
carbono e hidrógeno deben ser bajos (los límites pueden ser
bajos para transformadores de distribución en general)
combinaciones de varias proporciones
de hidrógeno y hidrocarburo
combinaciones de varias proporciones
de hidrógeno e hidrocarburo
proporción de óxidos de carbono
no confiable
proporción de gases combustibles
muchas veces no aplicable; está de acuerdo con el método
IEC Duval cuando este se aplica.
aplicable
aplicable; las proporciones para fluido FR3 difieren un poco de
las del aceite mineral, y típicamente tienen una proporción
relativa más alta de etano.
MÉTODOS DE INTERPRETACIÓN
IEC
Tasas de aumento de gas
De acuerdo con la guía IEC, un aumento en las
concentraciones de gas de más del 10% al mes
sobre los valores de concentración típicos es
considerado, generalmente, un requisito previo
parara determinar que la falla sea activa, siempre
que esté claro que la precisión de los valores del
DGA sea mejor que 10% después de un mes.
Tasas mucho más elevadas de aumento de gases,
tales como 50% por semana, y/o evolucionando
para fallas de energía más elevada (por ejemplo,
D2 o T3) son generalmente consideradas muy
graves, especialmente si exceden los valores de
concentración de alarma. En el caso de
transformadores de potencia, las tasas típicas de
producción de gas en mililitros por día también son
informadas (véase Tabla A.3). Se debe prestar
especial atención a los casos donde hay una
aceleración en la tasa de aumento de gas.
Los métodos de proporción básica y proporción
simplificada de la guía de gases IEC [4] usan varias
proporciones
de hidrógeno
y gases
de
hidrocarburos para ayudar a identificar tipos de
fallas. El método IEC Duval observa las
proporciones relativas de metano, etileno y
acetileno para identificar el tipo de falla, suponiendo
que haya una presente. El método Duval
representa gráficamente los datos en un gráfico
ternario dividido en áreas de tipos de fallas. Este ha
sido hasta ahora el método más confiable de
identificación de fallas para el fluido Envirotemp
FR3.
Así como la guía IEEE, el usuario debe determinar
si la condición de falla existe para que los métodos
de interpretación tengan sentido. El usuario
establece la presencia de una falla usando la tasa
de generación de gas y los niveles típicos de gas
de transformadores en operación normal. El
método Duval revisa el desarrollo y las aplicaciones
de los métodos IEC [9,10].
IEC utiliza clases genéricas de fallas detectables:
descarga parcial, descargas de alta o baja energía,
y fallas térmicas en aceite y/o papel. Los métodos
básico y Duval subdividen éstas en tipos más
específicos. El método simplificado identifica
solamente el tipo principal de falla.
5
Tabla 4. Métodos de análisis de la guía de gases IEC
Método
Duval
Proporciones Básicas
Proporciones Simplificadas
CO2/CO
Análisis
Aplicación para el fluido Envirotemp FR3
proporciones de metano, etileno y acetileno
aplicable (método más confiable)
combinaciones de proporciones de metano/hidrógeno,
aplicable
etileno/etano, y acetileno/etileno
proporciones de metano/hidrógeno, etileno/etano y acetileno/etileno
aplicable
proporciones de óxidos de carbono
aplicable
CONCLUSIONES
EJEMPLOS
Las determinaciones en laboratorio de los tipos y
cantidades de gases generados en el fluido
Envirotemp FR3, así como sus características de
absorción, vistas en conjunto con los presentes
datos de campo, confirman que los métodos
“Gases clave” y “Condición” del IEEE y los métodos
IEC pueden auxiliar en la identificación de tipos de
fallas en transformadores llenos con el fluido
Envirotemp FR3. El método IEC Duval ha sido
hasta ahora el más confiable. Las guías de gases
IEEE e IEC requieren que una falla exista
realmente antes de aplicar los métodos de
interpretación. Las cantidades de gases disueltos y
las tasas de formación de gases en el fluido
Envirotemp FR3 son utilizadas para ayudar a
determinar si una falla activa existe de la misma
manera que con el aceite mineral.
Quizás, la mejor manera de entender el DGA del
fluido Envirotemp FR3 sea ver algunos ejemplos. A
continuación siguen algunos datos de varios
transformadores con fallas, en operación normal y
prototipos.
Transformadores en Servicio con Fallas
A. falla de fábrica
B. descarga de rayo
C. conmutador de derivaciones sin carga –
contactos carbonizados (relleno)
Transformadores en Operación Normal
D. relleno tipo pedestal
E. pedestal nuevo #1
F. pedestal nuevo #2
Estudios de Ingeniería y Laboratório
G. vida operacional del regulador
6
REFERENCIAS
[1]
“IEEE Guide for the Interpretation of Gases
Generated in Oil-Immersed Transformers”, IEEE
Std. C57.104-1991, Institute of Electrical and
Electronics Engineers, New York, USA
(http://www.ieee.org)
[6]
“Oil-filled electrical equipment - Sampling of gases
and of oil for analysis of free and dissolved gases Guidance”, IEC Standard 60567, Edition 3.0, 200506, International Electrotechnical Commission,
Geneva, Switzerland (http://www.iec.ch)
[2]
“Transformer Maintenance”, Facilities Instructions,
Standards, and Techniques, Vol. 3-30, pp. 35-53,
Hydroelectric Research and Technical Services
Group, Bureau of Reclamation, U.S. Dept. of
Interior, Denver, CO, October 2000
(http://www.usbr.gov/power/data/fist_pub.html)
[7]
“Standard Test Method for Analysis of Gases
Dissolved in Electrical Insulating Oil by Gas
Chromatography”, D3612, ASTM International,
West Conshohocken, USA (http://www.astm.org)
[8]
Jalbert, J., Gilbert, R., Tétreault, P., El Khakani,
M.A., “Matrix Effects Affecting the Indirect
Calibration of the Static Headspace-Gas
Chromatographic Method Used for Dissolved Gas
Analysis in Dielectric Liquids”, Analytical Chemistry,
Vol. 75, No. 19, October 1, 2003
[9]
Duval, M., "Interpretation of Gas-In-Oil Analysis
Using New IEC Publication 60599 and IEC TC 10
Databases", IEEE Electrical Insulation, Vol. 17, No.
2, March/April 2001, pp. 31-41
[3]
[4]
[5]
“Transformer Diagnostics”, Facilities Instructions,
Standards, and Techniques, Vol. 3-31, pp. 5-13,
Hydroelectric Research and Technical Services
Group, Bureau of Reclamation, U.S. Dept. of
Interior, Denver, CO, June 2003
(http://www.usbr.gov/power/data/fist_pub.html)
“Mineral oil-impregnated electrical equipment in
service – Guide to the interpretation of dissolved
and free gases analysis”, IEC Standard 60599,
Edition 2.0, 1999-03, International Electrotechnical
Commission, Geneva, Switzerland
(http://www.iec.ch)
[10] Duval, M., "A Review of Faults Detectable by Gasin-Oil Analysis in Transformers", IEEE Electrical
Insulation, Vol. 18, No. 3, May/June 2002, pp. 8-17
“Standard Practice for Sampling Insulating Liquids
for Gas Analysis and Determination of Water
Content”, D3613, ASTM International, West
Conshohocken, USA (http://www.astm.org)
7
Ejemplo A
Transformador con falla de fábrica
Un transformador de subestación nuevo, en aceite mineral (1.5MVA, 13.2kV-480V), presentó un rápido
aumento en los niveles de gases poco después de la instalación (Figuras A1, A2). Después de verificar dos
veces los resultados, el cliente reprocesó el aceite mineral para reducir los niveles de gases. Esto no solucionó
la falla como demuestra la posterior tasa de generación de gases (Figura A3). El transformador fue drenado y
rellenado con fluido Envirotemp FR3 (en la esperanza que el fluido Envirotemp FR3 solucionase el defecto). El
fluido FR3 inicialmente limpio desarrolló los mismos gases hidrocarburos característicos y elevadas cantidades
vistas en el aceite mineral (Figuras A4, A5). La Figura A6 muestra las proporciones de los “Gases clave” del
IEEE y muestra los mismos gases característicos de la falla para el aceite mineral y fluido Envirotemp FR3. La
Figura A7 muestra el diagrama ternario IEC (Duval). De nuevo, el mismo tipo de falla es indicado para ambos.
Los resultados de otros métodos son mostrados en las Tablas A1 (IEEE) y A2 (IEC). Una autopsia del
transformador reveló una cinta metálica de 19cm dentro de la ventana de la bobina de la fase B, causando una
perforación carbonizada a través del aislamiento de 2mm.
100000
Gases Disueltos (ppm)
antes de energizar
10000
1000
100
10
1
hidrógeno
monóxido de
carbono
metano
etano
etileno
acetileno
gas
combustible
total
dióxido de
carbono
Figura A1. Niveles de aceite mineral disuelto antes de la energización del transformador
Gases Disueltos (ppm)
100000
10000
antes de energizar
en servicio
1000
100
10
1
hidrógeno
monóxido de
carbono
metano
etano
etileno
acetileno
gas
combustible
total
dióxido de
carbono
Figura A2. Niveles de gases después de 7, 8, y 9 meses en servicio (barras rojas) indican falla térmica en el
aceite mineral.
Página A1
Gases Disueltos (ppm)
100000
antes de energizar
en servicio
después de reprocesar el aceite
10000
1000
100
10
1
hidrógeno
monóxido de
carbono
metano
etano
etileno
acetileno
gas
combustible
total
dióxido de
carbono
Figura A3. Niveles de gases después de reprocesar el aceite mineral (barras verdes) muestran una disminución
inicial debido a la desgasificación del aceite, pero porcentajes significativos de gasificación después del
procesamiento indican una falla activa.
Gases Disueltos (ppm)
100000
antes de energizar
en servicio
después de reprocesar el aceite
después del relleno con FR3
10000
1000
100
10
1
hidrógeno
monóxido de
carbono
metano
etano
etileno
acetileno
gas
combustible
total
dióxido de
carbono
Figura A4. El aceite mineral de transformador fue reemplazado por el fluido Envirotemp FR3 (barras amarillas).
El fluido inicialmente libre de gas presentó niveles elevados de gases combustibles a los 4 meses del relleno.
Las cantidades de gases generadas por la falla en el fluido Envirotemp FR3 son equivalentes a las ocurridas en
el aceite mineral.
Página A2
100
Proporción Relativa (%)
antes de energizar
en servicio
después de reprocesar el aceite
después del relleno con FR3
80
60
40
20
0
hidrógeno
monóxido
de carbono
metano
etano
etileno
acetileno
100
80
60
40
20
0
(%)
Figura A6. Ejemplo de proporciones de “Gases Clave” IEEE
en falla térmica en aceite. Los productos de la
descomposición incluyen etileno y metano, juntamente con
pequeñas cantidades de hidrógeno y etano. Se pueden
formar vestigios de acetileno si la falla es severa o involucra
contactos eléctricos. Gas Principal: etileno.
Proporciones Relativas (%)
Figura A5. Las proporciones de gases combustibles en fluido Envirotemp FR3 y en aceite mineral son similares
y típicas de una falla de metal caliente.
H2
CO
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
PD
aceite mineral – antes de energizar
100 0
aceite mineral – en servicio
aceite mineral – después de reprocesar
10 T1
90
después de relleno con fluido FR3
20
80
Tipo de Falla
Descarga
parcial
baja energía
alta energía
Térmico
Mixto
30
70
Designación
PD
D1
D2
T2
40
60
% CH4
T < 300ºC (punto caliente en papel)
T1
300ºC < T < 700ºC (punto caliente en papel) T2
T > 700ºC (punto caliente en aceite)
T3
40
% C2H4
50
50
60
D1
70
30
DT
20
80
D2
T3
DT
90
10
0
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
% C2H2
Figura A7. Un diagrama de Duval atribuye el mismo tipo de falla para aceite mineral y para fluido Envirotemp FR3.
Página A3
100
0
TABLA A1. Métodos IEEE aplicados a un transformador en aceite mineral con falla de fábrica, rellenado con
fluido Envirotemp FR3. Las indicaciones de fallas son similares para aceite mineral y fluido Envirotemp FR3.
Método
Condición
Aceite Mineral
Fluido FR3
Antes de la Instalación
En Servicio
Después de Reprocesar el Aceite Después del Relleno
Ene '02
Oct '02 Nov '02 Dic '02
Fe `03 May `03 Jul `03 Oct `03 Ene `04 May `04
H2
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
CO
CO2
a
TDCG
Proporción
Doerenburg
Rogers
CO2/CO
1
1
1
1
1
1
1
1
3
4
4
4
4
1
1
4
n/a
n/a
n/a
Gases Clave
n/a falla térmica-aceite →
b
3
4
4
4
4
1
1
4
3
4
4
4
3
1
1
4
1
2
3
4
1
1
1
2
1
2
4
4
1
1
1
2
1
3
4
4
1
1
1
2
1
3
4
4
1
1
1
2
1
3
4
4
2
1
1
3
3
4
4
4
2
4
2
4
falla térmica →
c
d
Caso 5 Caso 5 Caso 4 Caso 5 Caso 5
Caso 5
Caso 5 Caso 5 Caso 5
→
a
TDCG: gas combustible disuelto total
n/a: no aplicable
c
Caso 5: falla térmica > 700 °C
d
Caso 4: falla térmica < 700 °C
b
TABLA A2. Métodos IEC aplicados a un transformador con falla de fábrica producen los mismos resultados
para el transformador con aceite mineral y después del relleno con fluido Envirotemp FR3.
Aceite mineral
Fluido FR3
Antes de la Instalación
En Servicio
Después de Reprocesar el Aceite Después del Relleno
Método
Ene '02
Oct '02 Nov '02 Dic '02
Feb `03 May `03 Jul `03 Oct `03 Ene `04 May `04
a
b
Duval
T2 /T3
T3
T3
T3
T3
T3
T2
T3
T3
T3
Básico
T2
T3
T3
T3
T3
T3
T2
T2
T2
T2
c
Simplificado
T →
a
T2: falla térmica, 300°C < T < 700°C
T3: falla térmica, T > 700°C
c
T: falla térmica
b
Página A4
Ejemplo B
Descarga Eléctrica
Un transformador de poste de 25 kVA lleno con Envirotemp FR3 falló después de una descarga de rayo
próxima. Fue enviado a la fábrica para análisis. Los gases disueltos encontrados en el fluido Envirotemp FR3
fueron consistentes con los esperados en un transformador en aceite mineral con la misma falla. El método
“Gases Clave” del IEEE fue el único método de guía de gas que indicó la falla. Los métodos IEC Duval y
Relación Simplificada indicaron una falla de descarga.
Gases Disueltos (ppm)
10000
1000
100
10
1
hidrógeno
monóxido
de carbono
metano
etano
etileno
acetileno
gas
combustible
total
Dióxido de
carbono
Figura B1. Niveles elevados de gases hidrocarburos disueltos, principalmente etileno y acetileno.
100
Proporción Relativa
(%)
80
60
40
20
0
hidrógeno
Monóxido
de carbono
metano
etano
etileno
acetileno
Figura B2. Proporciones de “Gases Clave” del IEEE indican una combinación de fallas: arco eléctrico y una falla
térmica en el aceite.
Página B1
Proporciones Relativas (%)
100
80
60
40
20
0
H2
CO
CH4
(a)
C2H6
C2H4
C2H2
Proporciones Relativas (%)
100
80
60
40
20
0
H2
CO
CH4
C2H6 C2H4 C2H2
(b)
Figura B3. Marcas típicas de “Gases Clave” del IEEE para una falla térmica en aceite (a) y arco eléctrico (b).
PD
100 0
después de descarga de rayo
10 T1
90
Mixta
20
80
Tipo de Falla
Designación
Descarga
parcial
PD
baja energía
D1
alta energía
D2
Térmica
T < 300ºC (punto caliente en papel)
T1
300ºC < T < 700ºC (punto caliente en papel) T2
T > 700ºC (punto caliente en aceite)
T3
30
70
T2
40
60
% CH4
% C2H4
50
50
DT
40
60
D1
70
30
20
80
D2
T3
DT
90
10
0
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
%C2H2
Figura B4. Diagrama IEC Duval indica descarga de alta energía, consistente con una descarga de rayo.
Página B2
100
0
Tabla B1. Resultados de los métodos IEEE e IEC
Método IEEE
Proporción
Doerenburg
Rogers
CO2/CO
Gases Clave
Condición
H2
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
CO
CO2
e
TDCG
b
fni
n/a
n/a
falla térmica - aceite, arco eléctrico
Método IEC
a
Duval
D2
c
Básico
n/a
d
Simplificado
D
1
2
3
4
4
1
1
3
a
D2: descarga de alta energía
fni: proporción es aplicable, falla no identificable
c
n/a: no aplicable
d
D: descarga
e
TDCG: gas combustible disuelto total
b
Página B3
Ejemplo C
Transformador rellenado c/ contactos carbonizados (conmutador sin carga)
Un transformador en aceite mineral de 28 años fue rellenado con fluido Envirotemp FR3 en mayo de 1998. No
había disponible registro histórico de gas disuelto para el transformador. Durante el proceso de relleno, fue
observado que los contactos del conmutador de derivaciones presentaban una significativa carbonización.
Después de un año en servicio, fueron encontrados un gran aumento en las tasas de formación de gas y
elevados niveles de acetileno (Figura C1). Después de verificar los gases disueltos, fue programada una
interrupción para examinar el transformador. Los contactos del conmutador de derivaciones estaban muy
carbonizados. El switch fue reemplazado y fue adicionado un nuevo fluido Envirotemp. Después de este
mantenimiento, los gases volvieron a los niveles estables normales (Figura C2).
100000
Gases Disueltos (ppm)
contactos carbonizados (Jul 1998 – Ago 1999)
10000
1000
100
10
hidrógeno
monóxido
de carbono
metano
etano
etileno
acetileno
gas
combustible
total
dióxido de
carbono
Figura C1. Niveles de gas combustible disuelto de un transformador en aceite mineral de 28 años después de
relleno con fluido Envirotemp FR3. La cantidad elevada de acetileno encontrada durante el muestreo de rutina
en julio de 1999 fue confirmada retirando una segunda muestra. Fue programada una interrupción, durante la
cual fueron encontrados contactos del conmutador de derivaciones muy carbonizados. El conmutador de
derivaciones fue reemplazado.
Gases Disueltos (ppm)
100000
contactos carbonizados (Jul 1998 – Ago 1999)
después de sustituir el switch (Jul 2000 – Set 2005)
10000
1000
100
10
hidrógeno
monóxido
de carbono
metano
etano
etileno
acetileno
gas
combustible
total
dióxido de
carbono
Figura C2. Después de reemplazar el conmutador de derivaciones y rellenar con fluido Envirotemp FR3, los
niveles posteriores de gas disuelto volvieron a lo normal (barras verde oscuro).
Página C1
100
Proporciones Relativas (%)
contactos carbonizados (Jul 1998 – Ago 1999)
80
60
40
20
0
hidrógeno
Monóxido
de carbono
metano
etano
etileno
acetileno
Proporciones Relativas (%)
Figura C3. Las proporciones de gases combustibles en el fluido Envirotemp FR3 antes del mantenimiento del
switch son típicas de aquellas vistas en una falla de metal caliente en aceite mineral.
100
80
60
40
20
0
H2
CO
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
Figura C4. Ejemplo de “Gases Clave” IEEE de proporciones de gases vistas en una falla térmica típica en aceite
mineral. Los productos de descomposición incluyen etileno y metano, juntamente con pequeñas cantidades de
hidrógeno y etano. Vestigios de acetileno se pueden formar si la falla es severa o involucra contactos eléctricos.
Gas principal: etileno.
Página C2
Proporciones Relativas (%)
100
contactos carbonizados (Jul 1998 – Ago 1999)
después de sustituir el switch (Jul 2000 – Sep 2005)
80
60
40
20
0
hidrógeno
monóxido
de carbono
metano
etano
etileno
acetileno
Figura C5. Las proporciones de gases combustibles en fluido Envirotemp FR3 vuelven a lo normal después del
mantenimiento del transformador. Nótese que la proporción de etano sería atípica para un transformador en
aceite mineral operando normalmente, pero es vista comúnmente en transformadores en fluido Envirotemp FR3
operando normalmente.
PD
100 0
contactos carbonizados del
conmutador de derivaciones
llave nueva
10 T1
90
20
80
Tipo de Falla
Descarga parcial
baja energía
alta energía
Térmica
Mixta
Designación
PD
D1
D2
T < 300ºC (punto caliente en papel)
300ºC < T < 700ºC (punto caliente en papel)
T > 700ºC (punto caliente en aceite)
30
70
T2
40
60
% CH4
T1
T2
T3
% C2H4
50
50
40
DT
60
D1
70
30
20
T3
D2
80
DT
90
10
0
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
100
0
% C2H2
Figura C6. Diagrama Duval indica falla T3, o falla de metal caliente en fluido Envirotemp FR3. Esta indicación es
consistente con contactos de switch carbonizados.
Página C3
Tabla C1. Resultados de los métodos IEEE: los métodos “Gases Clave” y “Condición” indican el tipo de falla
correcto en el fluido Envirotemp FR3 en este ejemplo.
Método
Condición
H2
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
CO
CO2
a
TDCG
Proporción
Doerenburg
Rogers
CO2/CO
Jul '98
Feb '99
Jul '99
Ago '99
Jul `00
Jul `01
Jul `02
Jul `03
Set ‘05
1
1
4
4
1
1
2
2
1
1
4
4
1
1
1
2
2
4
4
4
4
3
3
4
1
2
4
4
4
1
1
4
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
4
1
1
1
1
1
1
1
3
1
1
2
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
n/a
n/a
fnic sin indicación
n/a →
d
e
Caso 4 Caso 4
n/a
n/a
n/a
n/a
Caso 0
n/a
Caso 0
n/a →
b
Gases Clave falla térmica – aceite --→
sin falla →
a
TDCG: gas combustible disuelto total
n/a: no aplicable 
c
fni: proporción es aplicable, falla no identificable
d
Caso 4: falla térmica < 700 °C
e
Caso 0: sin falla
b
Tabla C2. Cuando la falla existe, los métodos IEC indican el tipo de falla correcto en este ejemplo. Nótese que
la presencia de la falla debe ser conocida. Las proporciones indican un tipo de falla cuando no existe falla.
Método
Duval
Básico
Simplificado
Jul '98
Feb '99
Jul '99
Ago '99
Jul `00
Jul `01
Jul `02
Jul `03
Set ‘05
a
b
T3
T3
T3
DT
T3
T3
T3
T3
T2
c
d
e
T2
T3
n/a
T1
T1
T1
T1
T1
T2
f
T →
a
T3: falla térmica, T > 700°C
DT: fallas mixtas
c
T2: falla térmica, 300°C < T < 700°C
d
n/a: no aplicable
e
T1: falla térmica, T < 300°C
f
T: falla térmica
b
Página C4
Ejemplo D
Transformador Tipo Pedestal Rellenado
Un transformador en aceite mineral, de 25 años, tipo pedestal fue rellenado con fluido Envirotemp FR3 en mayo
de 1998. No había ningún registro histórico de gas disuelto para el transformador. El transformador fue
monitoreado en forma rutinaria desde el relleno. Las cantidades de gases combustibles disueltos
permanecieron inalteradas, indicando una operación estable. La proporción de etano comparada con el metano
y el etileno es mayor que lo visto típicamente en el aceite mineral, pero es común en transformadores que
operan normalmente con fluido Envirotemp FR3.
10,000
Jul 98
Feb 99
Gases Disueltos (ppm)
1,000
Ago 99
Jul 00
100
Jul 01
10
Jul 02
Jul 03
1
May 04
0
Hidrógeno H2
Monóxido de
carbono CO
Metano CH4
Etano C2H6
Etileno C2H4
Acetileno C2H2
gas
combustible
total
Dióxido de
carbono CO2
Set 05
Figura D1. Las cantidades de gases combustibles disueltos son estables a través del tiempo. El hidrógeno es
un poco más elevado que lo típico para un transformador operando normalmente en aceite mineral, pero eso es
visto ocasionalmente en transformadores que operan con fluido Envirotemp FR3.
100
Jul 98
Feb 99
Proporciones Relativas (%)
80
Ago 99
60
Jul 00
Jul 01
40
Jul 02
20
Jul 03
May 04
0
H2
CO
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
Set 05
Figura D2. Las proporciones de “Gases Clave” muestran la mayor proporción de etano comúnmente vista en
transformadores que operan con fluido Envirotemp FR3.
Página D1
Tabla D1. Métodos IEEE aplicados a un transformador que opera normalmente en aceite
mineral, rellenado con fluido Envirotemp FR3.
Método
Condición
H2
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
CO
CO2
a
TDCG
Proporción
Doerenburg
Rogers
CO2/CO
Gases Clave
Jul
1998
2
1
1
1
1
1
1
1
Feb
1999
Ago
1999
Jul
2000
Jul
2001
Jul
2002
Jul
2003
May
2004
Set
2005
2
2
1
2
2
1
2
2
→
→
→
→
→
→
2
→
n/a →
c
d
Caso 1 Caso 1 Caso 1 Caso 1 Caso 1 Caso 1 Caso 0 Caso 1 Caso 1
n/a →
b
n/a →
a
TDCG: gas combustible disuelto total
n/a: no aplicable
c
Caso 1: descarga parcial
d
Caso 0: sin falla
b
Tabla D2. Métodos IEC aplicados a un transformador que opera normalmente en aceite
mineral, rellenado con fluido Envirotemp FR3. Nótese que las proporciones indican un tipo
de falla sin considerar la condición del transformador.
Método
Duval
Básico
Simplificado
Jul
Feb
Ago
Jul
Jul
Jul
Jul
May
Set
1998
1999
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
a
b
T3
T3
T3
T3
T3
T3/T2
T2
T2
T2
c
d
T1 /PD T1/PD T1/PD T1/PD T1/PD T1/PD
T1
T1/PD T1/PD
e
T /PD →
a
T3: falla térmica, T > 700°C
T2: falla térmica, 300°C < T < 700°C
c
T1: falla térmica, T < 300°C
d
PD: descarga parcial
e
T: falla térmica
b
Página D2
Ejemplo E
Transformador Tipo Pedestal Nuevo
Un transformador trifásico nuevo, de 225 kVA, tipo pedestal, lleno con Envirotemp FR3 fue instalado en junio de
1996 y fue monitoreado periódicamente desde ese momento. Las tasas de generación de gases combustibles
son nulas, indicando una operación estable. Nótese el aumento de gases de óxido de carbono debido al
envejecimiento normal del transformador.
después
lleno
10,000
Set 96
Dic 96
Gases Disueltos (ppm)
1,000
Ene 97
May 97
100
Mar 98
Feb 99
10
Jul 99
Jul 00
1
Jul 01
Jul 02
0
Jul 03
hidrógeno H2
monóxido de
carbono CO
metano CH4
etano C2H6
etileno C2H4 acetileno C2H2
gas
combustible
total
dióxido de
carbono CO2
May 04
Set 05
Figura E1. Los niveles de gases combustibles permanecen esencialmente inalterados, indicando una operación
estable.
después lleno
100
Proporciones Relativas (%)
Set 96
Dic 96
80
Ene `97
May 97
60
Mar 98
Feb 99
40
Jul 99
Jul 00
Jul 01
20
Jul 02
Jul 03
0
H2
CO
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
May 04
Set 05
Figura E2. Las proporciones “Gases Clave” no equivalen a una marca característica de falla. Nótese que la
proporción de etano sería atípica para un transformador en aceite mineral operando normalmente, pero es vista
comúnmente en transformadores con fluido Envirotemp FR3 operando normalmente.
Página E1
Tabla E1. Métodos IEEE aplicados a un transformador que opera normalmente con fluido Envirotemp FR3.
después Set
Dic Ene
May Mar
Feb Jul
Jul
Jul
Jul
Jul
May Set
Método
lleno
1996 1996 1997
1997 1998
1999 1999
2000 2001
2002 2003
2004 2005
Condición
1 →
H2
CH4
1 →
C2H6
1 →
C2H4
1 →
C2H2
1 →
CO
1 →
CO2
1 →
a
TDCG
1 →
Proporción
b
Doerenburg n/a →
c
n/a Caso 0
n/a
n/a
n/a
n/a
Rogers n/a
n/a
n/a
n/a
n/a
n/a
Caso 0 n/a
CO2/CO n/a →
Gases Chave n/a →
a
TDCG: gas combustible disuelto total
n/a: no aplicable
c
Caso 0: sin falla
b
Tabla E2. Métodos IEC aplicados a un transformador que opera normalmente con fluido Envirotemp FR3.
después Set
Dic Ene
May Mar
Feb Jul
Jul
Jul
Jul
Jul
May Set
Método
lleno
1996 1996 1997
1997 1998
1999 1999
2000 2001
2002 2003
2004 2005
a
b
c
d
Duval
n/a
n/a
n/a
n/a
D1
D1
T2
T2
T2
T2
T2
T2
T1
T1
Básico
n/a
T1→
e
f
D
T →
Simplificado n/a
n/a
n/a
n/a
D
a
n/a: no aplicable
D1: descarga de baja energía
c
T2: falla térmica, 300°C < T < 700°C
d
T1: falla térmica, T < 300°C
e
D: descarga
f
T: falla térmica
b
Página E2
Ejemplo F
Transformador Tipo Pedestal Nuevo #2
Un transformador trifásico nuevo, de 225 kVA, tipo pedestal, lleno con Envirotemp FR3 fue instalado en junio de
1996 y fue monitoreado periódicamente desde ese momento. Las tasas de generación de gases combustibles
son nulas, indicando una operación estable. El transformador presenta la proporción más alta de etano
comúnmente vista y un contenido de hidrógeno un poco elevado visto ocasionalmente en transformadores con
fluido Envirotemp FR3 operando normalmente. Nótese el aumento de gases de óxido de carbono debido al
envejecimiento normal del transformador.
después
lleno
Oct 96
10,000
Nov 96
Gases Disueltos (ppm)
1,000
Ene 97
Ene 97
100
Mar 98
Jul 99
10
Jul 00
Jul 01
1
Jul 02
Jul 03
0
hidrógeno H2 monóxido de
carbono CO
metano CH4
etano C2H6
etileno C2H4 acetileno C2H2
gas
combustible
total
dióxido de
carbono CO2
May 04
Set 05
Figura F1. Las cantidades de gases combustibles disueltos permanecen esencialmente inalteradas. La cantidad
de hidrógeno es mayor de lo que debería ser esperado en un transformador en aceite mineral operando
normalmente, pero es vista algunas veces en el fluido Envirotemp FR3.
después lleno
100
Proporciones Relativas (%)
Oct 96
Nov 96
80
Ene 97
Ene 97
60
Mar 98
Jul 99
40
Jul 00
Jul 01
20
Jul 02
Jul 03
0
May 04
H2
CO
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
Set 05
Figura F2. Las proporciones de “Gases Clave” equivalen a una marca característica de descarga parcial. La
baja tasa de formación de gases indica que no hay una falla activa presente. Nótese la elevada proporción de
etano comparada con el metano y el etileno, comúnmente vista en transformadores que operan normalmente
con fluido Envirotemp FR3.
Página F1
Tabla F1. Métodos IEEE aplicados a un transformador que opera normalmente con fluido
Envirotemp FR3. El contenido un poco elevado de hidrógeno está reflejado en los resultados de los
métodos de Condición y Rogers.
Método
Condición
H2
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
CO
CO2
a
TDCG
Proporción
Doerenburg
Rogers
CO2/CO
Gases Chave
Jun Oct
1996 1996
Nov Ene
1996 1997
Mar
Jul
1998 1999
Jul
Jul
2000 2001
Jul
Jul
2002 2003
May Set
2004 2005
2
2
2
1
2 →
→
→
→
→
→
→
→
1
1
1
1
1
1
1
1
b
n/a
n/a
n/a
→
c
n/a
n/a
n/a
n/a Caso 1 Caso 1Caso 1 Caso 1Caso 1 Caso 1 n/a
→
corona→
a
TDCG: gas combustible disuelto total
n/a: no aplicable
c
Caso 1: descarga parcial
b
Tabla F2. Métodos IEC aplicados a un transformador que opera normalmente con fluido Envirotemp FR3.
Método
Duval
Básico
Simplificado
Jun Oct
1996 1996
a
n/a
n/a
n/a
n/a
n/a
PD
Nov Ene
Mar
Jul
Jul
Jul
Jul
Jul
May Set
1996 1997
1998 1999
2000 2001
2002 2003
2004 2005
b
c
n/a
n/a
D1
DT
T2
T1
T2
T2
T2
DT
n/a PD/T1 →
e
PD
PD
PD/D PD/T
PD/T PD/T
PD/T PD/T
PD/T PD/D
a
n/a: no aplicable
D1: descarga de baja energía
c
T2: falla térmica, 300°C < T < 700°C
d
T1: falla térmica, T < 300°C
e
D: descarga
f
T: falla térmica
b
Página F2
Ejemplo G
Ensayo de Vida Operacional del Regulador
Dos reguladores de voltaje idénticos fueron sometidos a un ensayo de vida operacional. Un regulador fue
llenado con aceite mineral y otro con fluido Envirotemp FR3. Fueron retiradas muestras de fluido después de
60.000, 120.000 y 173.000 operaciones. Cada operación consistió en un ciclo completo a través de los taps del
regulador. Ambos fluidos generaron los mismos tipos y cantidades de gases. Los métodos IEEE de “Gases
Clave” e IEC Duval indicaron descarga de baja energía en ambos fluidos.
100000
Gases Disueltos (ppm)
fluido Envirotemp FR3
aceite mineral
10000
1000
100
10
hidrógeno
monóxido
de carbono
metano
etano
etileno
acetileno
gas
combustible
total
dióxido de
carbono
Figura G1. Gases disueltos generados en ensayos de vida de reguladores. Las barras verde oscuro son el
fluido Envirotemp FR3, las barras verde claro son el aceite mineral. Fueron retiradas muestras de fluido
después de 60.000, 120.000 y 173.000 operaciones. Cada operación consistió en un ciclo completo a través del
intervalo del regulador Nótese la similitud entre los gases generados en el aceite mineral y en el fluido
Envirotemp FR3 durante la operación del regulador.
Proporciones Relativas (%)
100
80
fluido Envirotemp FR3
aceite mineral
60
40
20
0
hidrógeno
Monóxido
de carbono
metano
etano
etileno
acetileno
Figura G2. Las proporciones de “Gases Clave” IEEE son las mismas para ambos fluidos y corresponden a la
marca característica IEEE para arcos eléctricos.
Página G1
Tipo de Falla
Descarga parcial
baja energía
alta energía
Térmica
Designación
PD
D1
D2
T < 300ºC (punto caliente en papel)
300ºC < T < 700ºC (punto caliente en papel)
T > 700ºC (punto caliente en aceite)
Mixta
PD
100 0
fluido Envirotemp FR3
aceite mineral
10 T1
90
T1
T2
T3
20
80
30
70
DT
T2
40
60
% CH4
% C2H4
50
50
40
60
D1
70
30
20
80
D2
T3
DT
90
10
0
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
% C2H2
Figura G3. El método IEC Duval indica correctamente la descarga de baja energía para ambos fluidos.
Tabla G1. Métodos IEEE aplicados a los gases generados durante los ensayos de vida
del regulador. Los métodos de Doerenburg y de Gases Clave indicaron correctamente la
presencia de arcos eléctricos en ambos fluidos.
Método
Condición
H2
CH4
C2H6
C2H4
C2H2
CO
CO2
a
TDCG
Proporción
Doerenburg
Rogers
CO2/CO
Gases Chave
Número de Ciclos Completos
Fluido Envirotemp FR3
Aceite Mineral
60,000
120,000 173,000
60,000
120,000 173,000
2
2
1
4
4
2
1
4
b
DA
c
n/a
n/a
d
A
3
2
3
4
4
2
1
4
2
2
4
4
4
2
1
4
4
4
4
4
4
1
1
4
4
4
4
4
4
1
1
4
4
4
4
4
4
1
1
4
DA
n/a
n/a
A
DA
n/a
n/a
A
DA
n/a
n/a
A
DA
n/a
n/a
A
DA
n/a
n/a
A
a
TDCG: gas combustible disuelto total
DA: descarga de arcos eléctricos
c
n/a: no aplicable
d
A: arcos eléctricos
b
Página G2
100
0
Tabla G2. Métodos IEC aplicados a los gases generados durante los ensayos de vida del
regulador. Todos los métodos indicaron correctamente para el fluido Envirotemp FR3. El
método Básico no identificó consistentemente los arcos eléctricos en los taps en aceite
mineral.
Método
Duval
Básico
Simplificado
Número de Ciclos de Regulación Completos
Fluido Envirotemp FR3
Aceite Mineral
60,000
120,000 173,000
60,000
120,000 173,000
a
D1
D1
D1
D1
D1
D1
b
D1
D1
D1
D1
n/a
n/a
c
D
D
D
D
D
D
a
D1: descarga de baja energía
n/a: no aplicable
c
D: descarga
b
Página G3