Anlisis de aceiteTribologaIntegrantes del equipo: Esteban Ral Garca Suarez y Jesus Jhovan Brea Olvera

13-4-2012

Resumen:En el presente trabajo se desarrolla un ejemplo sobre la aplicacin de tcnicas de mantenimiento predictivo en base a anlisis de aceite. Utilizando tcnicas de anlisis fsicoqumico instrumental que son detalladas, es posible detectar en forma incipiente la aparicin de problemas que evitan el desarrollo de fallas catastrficas en los transformadores de

potencia considerados como equipos crticos para cualquier empresa o industria. La deteccin a tiempo de problemas en las unidades adems de evitar daos severos pretende evitar catstrofes tales como incendios o explosiones que puedan originarse en un transformador por falta de mantenimiento. Esta metodologa es aplicable a todos los transformadores de potencia sumergidos en aceite.

Introduccin:Tiempos atrs, el anlisis de aceites se usaba principalmente para detectar la condicin del lubricante. Las tcnicas modernas de anlisis de aceites se usan hoy en da solo para evaluar la condicin del lubricante sino para evaluar tambin la condicin de la maquinaria. Debido a los ambientes industriales y a los diferentes procesos productivos pueden existir diversos tipos de desgaste dentro de las piezas de la maquinaria de la planta. Sin embargo, se pueden distinguir claramente unas pocas fuentes primarias de desgaste. Los problemas relacionados con el tipo de aceite, su degradacin o por contaminacin. O por problemas en la condicin de la maquina, por ejemplo si esta desbalanceada, sobrecalentada, etc. Cuando el anlisis de aceite se usa rutinariamente, es posible establecer un patrn para cada elemento que compone un transformador. Conforme los datos de los anlisis se desvan del patrn original se pueden identificar patrones de desgaste anormales. Y se implementa la accin correctiva. Una combinacin de conocimiento en el anlisis de aceites, equipo de anlisis y bases de datos aseguran la mejor proteccin para el aceite de un transformador.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN TRANSFORMADOR:

Existen dos tipos de transformadores: de potencia y de distribucin de los cuales e derivan otros mas que son distinguidos por sus caractersticas propias de trabajo, sin importar cual fuese su aplicacin en el presente trabajo nos dedicaremos exclusivamente a los transformadores que trabajan con aceite, estos pueden ser ya sea de potencia o de distribucin, la razn por la que se decidi darle especial importancia a estos fue debido a que su uso es muy comn y a pesar de sus distintas aplicaciones y caractersticas el mtodo de anlisis de aceite siempre ser el mismo al igual que las fallas que de este se puedan encontrar. El funcionamiento de un transformador esta basado en el fenmeno de induccin electromagntica en su forma mas simple estn constituidos por dos ncleo de hierro denominados primario y secundario, dependiendo la aplicacin el transformador lo que hace es tomar la corriente que proviene del primario y dependiendo su aplicacin disminuye la corriente para poder ser utilizada o redistribuida. eleva o

PARA QUE SIRVE EL ACEITE EN UN TRANSFORMADOR? En el proceso de conversin de corriente de un transformador la corriente que circula por las bobinas del primario hacia el secundario genera calor, a el cual de no ponerse especial atencin puede provocar que se funda las bobinas ocasionando un corto circuito , es aqu en donde el aceite acta como refrigerante al estar sometido al fenmeno de conveccin , el aceite caliente circula por los radiadores para ser enfriado por un choque trmico entre las placas radiales y el aire que circula atreves de este. Otra funcin del aceite dielctrico es aislar a cada bobina con el propsito de evitar que por el fenmeno de induccin magntica se produzca un arco elctrico que de paso a un corto circuito. POR QU EL ANLISIS DE ACEITE ES TAN IMPORTANTE? El anlisis de aceite es la herramienta mas confiable y verstil que pueda haber existido en el mantenimiento predictivo a transformadores debido a que para obtener una muestra de aceite no es necesario tener el transformador desconectado, as como tambin una sola muestra nos puede permitir hacer un historial que muestre la tendencia de comportamiento de ciertos gases, humedad, materiales disueltos en el aceite, dichos datos trazan una tendencia de comportamiento que ayudan a predecir una futura falla con anticipacin por lo cual es posible establecer acciones preventivas antes de que ocurra el incidente. MTODO DE EXTRACCIN DE MUESTRA DE ACEITE: El proceso de toma de muestra pudiera, generara contaminacin al aceite que va ser enviado al laboratorio se debe tener en cuenta que hay que minimizar la distorsin de la informacin que pudiera surgir por consecuencia de medio ambiente donde se extrae la muestra. En la figura 1 se esta realizando la extraccin de aceite para ser mandada as un laboratorio el cual

determinara las fallas, gases, rigidez dielctrica, niveles de concentracin de minerales con los que cuenta el aceite. Figura 1: en ella se puede apreciar que aunque la persona traiga guantes el ambiente donde se esta extrayendo la muestra en un lugar abundante de polvo.

En la mayora de casos al extraer el aceite el ambiente esta viciado por polvo, metales, humedad, etc... En el momento que se toma la muestra con el siempre hecho de destapar la botella figura 2, se esta permitiendo el paso de partculas de la contaminacin al interior de recipiente, muchas de las personas que toman las muestras retiran la tapa de la botella y la colocan sobre cualquier superficie, o simplemente la colocan en el bolcillo del pantaln para posteriormente colocar el recipiente en la bomba de vaco, y colocar la manguera y tomar la muestra. Figura 2: en esta imagen se muestra que muchas veces el recipiente donde se alojara el aceite para ser analizado es abierto sin tomar ninguna medida sanitaria adecuada.

Desafortunadamente la informacin de es aceite que ya va en el recipiente es afectado por las partculas que hay en su entorno donde se extrajo las muestras, y al colocar la tapa en el recipiente esta capturando todas esas partculas dentro del recipiente. En el peor de los casos el aceite es estriado y almacenado en cualquier otro, recipiente sin ningn tipo de esterilizacin figura 3 y figura 4.

Figura 3: almacenaje de aceite incorrecto, muestra alojada en unas botellas de refresco

Figura 4: extraccin de aceite de un transformador tipo pedestal en una garrafa comn y corriente.

Para evitar este tipo de inconvenientes se ha desarrollado tcnicas para realizar la toma de muestreo llamado procedimiento de muestreo limpio el cual es considerado como una de las mejores practicas en la toma de muestra, tiene que ver con la eliminacin de suciedad y partculas que pudiera distorsionar la informacin la prueba de anlisis de aceite. Para llevar acabo las buenas prcticas es necesario un buen mtodo, extremo cuidado, y seguir el siguiente procedimiento paso a paso. 1.-Para comenzar vamos a colocar todas las botellas o recipientes dentro de una bolsa de plstico del tipo resellable, tomando en cuenta que la bolsa debe ser nueva limpia, para que la botella que es nueva se aloje en el interior de la bolsa 2.-todos los elementos y dispositivos que tienen que ver con la toma de muestra deben estar contenidos en una bolsa de plstico, que igual manera se impedir que estos se contaminen durante el tiempo que estn almacenados antes de ser llevados a la maquinaria, o al lugar de toma de muestra, esto coadyuva a mino rizar la necesidad de tener que limpiar los dispositivos de muestra cada vez, que se extraiga aceite.

3.- Al llegar a la maquinaria, en este caso la subestacin ( transformador), al tomar la muestra lo que se tiene que hacer, es abrir la botella ( recuerda que la botella debe esta dentro de una bolsa de plstico), la botella debe ser abierta sin abrir o romper la bolsa, la tapa queda en el interior de la bolsa y todava se conserva la botella alejada de la contaminacin del exterior, se coloca la boca de la botella a una de las paredes de la bolsa ( ata que haga contacto). 4.- la bomba se saca de la bolsa de plstico que es donde esta contenida, la manguera tambin es sacada (la bomba de vaco y la manguera siempre se almacenan juntos para que no se pierdan) 5.- se coloca la bomba de vaco sobre la botella de forma que la bolsa quede presada por la bombilla de vaco y el recipiente, (recordando que es para evitar la entrada de impurezas del exterior hacia el interior del recipiente). 6.- la manguera es introducida en la bombilla de vaco y ejerciendo un poco de presin para rompe la bolsa de plstico, de forma que sea introducida en el recipiente. 7.-ahora esta listo para conectar el otros extremo de la manguera a un dispositivo de apertura o directamente a la maquinaria, pero en este caso se conectara hacia la vlvula de toma de muestra del transformador 8.- se comienza a bombear a travs la bombilla de vaco asta que llegue el liquido al nivel deseado, una vez realizado esto se deja de bombear y se retira la manguera donde fue conectada para realizar la toma de muestra 9.- se elimina el aire (se deja escapar), para posteriormente desenroscar el recipiente que contiene la muestra de la bomba de vaco, y esta es coloca nuevamente en la bolsa de plstico, de ah la importancia de que la bolsa sea resellable. 10.- se procede a dirigir la tapadera del recipiente hacia la boquilla de la botella, se debe enroscar la tapadera para que quede sellada la botella (recordando que esto realiza sin abrir la bolsa)

11.- una vez cerrado el recipiente se puede abrir la bolsa y sacar el recipiente (asegurndose que este bien cerrado) para poder colocarle la etiqueta que contenga la informacin del transformador, la hora, la temperatura, fecha etc. Prueba de aceite Dentro de los equipos de potencia ms importantes en el proceso de transmisin de energa elctrica, se encuentran los transformadores de potencia, los cuales adicionalmente es uno de los equipos que requiere de una mayor inversin en su adquisicin y puesta en servicio. Durante su vida til los transformadores se ven expuestos a diferentes fenmenos naturales tales como descargas elctricas, corrosin ambiental, y fallas propias de la operacin de un sistema de transmisin que afectan sus componentes y como consecuencia la confiabilidad y vida til del mismo. De lo anterior se deriva la importancia de implantar un programa de mantenimiento que garantice la disponibilidad del transformador que permita obtener una alta confiabilidad y continuidad de la transmisin de energa el anlisis de aceite resulta ser la mejor opcin como herramienta del mantenimiento predictivo para identificar prevenir fallas que podran resultar catastrficas.

Existen diversas pruebas a las que son sometidas los aceites dielctricos , en general las pruebas aplican para todos tipos de transformadores debido a que las fallas que presentes en los transformadores son las mismas por consiente la sintomatologa del estado del aceite siempre ser la misma independientemente el tipo de transformador y su aplicacin. Las pruebas realizadas al aceite dielctrico se concentran en la deteccin del estado de los aislamientos de los devanados y el estado dielctrico del aceite as pruebas mas comunes de anlisis de aceite son las siguientes: Anlisis fsico qumico: Rigidez dielctrica Tensin interfacial Cantidad de agua. ndice de neutralizacin Prdida dielctrica a 25C

ndice de Neutralizacin ( Acidez Total) Indica el total de compuestos cidos presentes en el aceite aislante. Los cidos aceleran el deterioro del aceite y del papel Los cidos atacan a las partes metlicas del transformador. En aceite nuevo, l ndice de miligramos de hidrxido de potasio por gramos de aceite debe ser menor a 0,03 mgKOH/g aceite. Para aceite en servicio considerar hasta 0,15 mgKOH/g aceite, sobre este valor se debe programar un posible cambio o regeneracin del aceite en un periodo de 6 meses. No permitir que este valor sobrepase a 0,4 mgKOH/g aceite, que origina la formacin de sedimento insoluble. Tensin Interfacial Es la medida de la fuerza necesaria para que un anillo plano de platino rompa la interfase formada por el agua y el aceite. Una disminucin de la tensin interfacial indica la presencia de productos que son el resultado de deterioro del aceite. Para aceites nuevos el valor mnimo es de 30 mN/m. Para aceites en servicio, el valor mnimo es de 23 mN/m, la formacin de lodos comienza cuando la tensin interfacial alcanza valores inferiores a este. Prdidas Dielctricas ( Factor de Potencia / Tangente Delta ) El factor de potencia indica las perdidas dielctricas por corrientes de fuga de el aceite, un alto factor de potencia indica deterioro y/o contaminacin por productos como el agua, carbn o otras partculas. Es la medida de la tangente del ngulo de fase entre la tensin y la corriente, al aplicarse una diferencia de potencial predeterminado a dos electrodos entre los cuales se coloca el liquido aislante.

Es extremadamente sensible a contaminaciones y puede indicar si los valores obtenidos en los ensayos provienen de contaminantes o de la propia deterioracin del aceite. El factor de potencia de un aceite nuevo y en buenas condiciones es de 0,05% o menos a 25 C. En aceite usado el factor de potencia hasta 0,5% a 25C es aceptable, de 0,5% a 2% a 25C, el aceite debe ser analizado detalladamente para determinar las causas de esta elevacin. Rigidez Dielctrica Es la medida de la resistencia que el aceite aislante presenta al impacto elctrico. Esta prueba es la indicada para comprobar la presencia de agentes contaminantes como el agua, impurezas, fibras celulsicas hmedas, partculas metlicas o conductoras en el aceite, pudiendo existir concentraciones significativas cuando se presenta bajo tensin. Aceite Nuevo : ASTM D 1816 48 kV mnimo Aceite Usado : ASTM D 1816 32 kV mnimo Nota: observe que el aceite nueva tiene un aguante dielctrico a mayor voltaje mientras que el otro es usado aguanta una cantidad de voltaje menor ya que pierde su caracterstica dielctrica Recuerde que los valores de caractersticas dielctricas dependen de la potencia del transformador, pero es recomendable utilizar un aceite que tega un nivel dielctrico sobrado con respecto a la potencia del transformador Contenido de Agua Las caractersticas elctricas del aceite son fuertemente influenciadas por la presencia de agua. Un alto contenido de agua en el aceite puede reducir su Rigidez Dielctrica al punto de volverlo inutilizable. Se consideran como valores mximos aceptables para servicio continuo: 35 ppm para equipos con tensin hasta 69 kV. 25 ppm para equipos con tensin mayor a 69 kV y menor a 230 kV

20 ppm para equipos con tensin mayor a 230kV y menor a 345kV

Anlisis Cromatogrfico El conocimiento que se tenga de la composicin de gases disueltos en el aceite aislante, hace posible detectar la existencia de fallas, an cuando stas se encuentren en el inicio. Gases analizados: Hidrgeno Oxgeno Nitrgeno Metano Monxido de carbono Etileno Acetileno Cabe sealar que el anlisis cromatografico es la prueba mas comn debido a que es sencilla, barata, brinda un historial para posteriores anlisis y por qu ayuda a detectar diferentes tipos de fallas. Mtodo del Total de Gases Combustibles: Por muchos aos el mtodo de anlisis de gases disueltos en el aceite es una herramienta en el diagnostico de transformadores. Este mtodo es usado para diferentes propsitos como por ejemplo detectar fallas incipientes, para tener una hiptesis o explicacin de una posible falla. Procedimiento: Consiste esencialmente de 4 pasos: Tomar muestra del aceite de transformador Extraccin de gases del aceite. Anlisis de gases mediante cromatografa. Interpretacin de anlisis

REGENERACION: La regeneracin de un aceite mineral envejecido, consiste en su tratamiento por procesos fsico-qumicos especficos, a fin de restituirle sus propiedades originales. El mtodo mas utilizado para la regeneracin es el de percolacin o colado. La percolacin consiste en hacer pasar el aceite por tierra fuller con el objeto de retirar sus impurezas. La percolacin puede realizarse por presin o por gravedad. En la percolacin por gravedad una columna de aceite (por su propio peso), pasa a travs de un tanque conteniendo el absorbente. En la percolacin por presin el aceite es forzado a pasar por el absorbente con el auxilio de una bomba.

CASO PRCTICO

Figura. 4.1 datos arrojados del anlisis de aceite de un transformador por cromatografa (datos obtenidos de la empresa MarsMxico )

Anlisis de datos: Losdatos pertenecen a un transformador secundario con los siguientes datos: 500kva Voltaje primario 69kv Voltaje secundario 34.5 kv Fluidos compatibles segn fabricante ABB :

R-Temp Silicone BIOTEMP

En el anlisis de aceite que se no fue proporcionado se tienen dos valores correspondientes a dos temporadas , el mes de junio que es el mes cuando la produccin esta a un nivel normal y el mes de septiembre que es cuando la produccin esta en su nivel alto , en este nivel en particular se tuvo un incidente con el transformador el cual por exceso de carga y otros factores que mas adelante se describirn ocasiono un conato de incendio afortunadamente se pudo ocasionar y no paso a mayores, el incendio sucedi en el mes de diciembre poco despus de haberse tomado la muestra . En el mtodo por anlisis de cromatografa los distintos gases nos muestran el tipo de falla que esta ocurriendo dentro del transformador a continuacin se muestran los tipos de gases caractersticos de la falla que se presento en el transformador de la empresa. Gas etilenoetileno jun-03 %volumen 0.11 ppm 67 sep-03 %volumen 4.86 ppm 4430

De la figura se pueden ver perfiles cromatogrficos indicando el tipo de falla mediante el mtodo del gascaracterstico. El gas acetileno es caracterstico cuando los transformadores trabajan a sobre carga, la cual provoca un sobrecalentamiento al aceite causando la emisin de este gas.

Monxido de carbono.

El monxido de carbono tambin es un indicativo del sobrecalentamiento del aceite pero particularmente seala la degradacin del aislante en los bobinados del transformador a causa del sobrecalentamiento del aceite.

Monxido de carbono jun-03 %volumen 0.11 ppm 67 sep-03 %volumen 0.10 ppm 88

Hidrogeno El hidrogeno es signo caracterstico del efecto corona responsable de el fenmeno de arco elctrico por induccin electromagntica, en este caso en particular se puede observar un cambio drstico que fue originado por la degradacin del aceite al extremo.

Monxido de carbono jun-03 sep-03 %volumen ppm %volumen ppm 0.6 35 239 2176

Acetileno El acetileno confirmo las sospechas de que la falla se produjo por la degradacin prematura de los aislantes que fue a su vez provocada por la degradacin del aceite la cual se dio de forma temprana debido a la sobrecarga que se someti durante un periodo de 2 meses.

Monxido de carbono jun-03 sep-03 %volumen ppm %volumen ppm 0.0 1 5 0.66 601

Conclusiones: El anlisis es parte del mantenimiento predicativo, ayuda a la temprana deteccin de fallas, no solo en transformadores como fue en nuestro caso, sino tambin en sistemas hidrulicos de potencia los cuales son bastantes costosos, y si no se cuidan y mantiene adecuadamente podran generar costos grandsimos tanto del equipo como por paros de planta y produccin. El mantenimiento ya no se considera como una forma anticuada donde lo mas moderno era el mantenimiento preventivo, el mantenimiento predictivo es una metodologa que acompaada de la tecnologa se pueden realizar mediciones, hacer pruebas que en aos anteriores simplemente no se poda y que muchos equipos y maquinarias eran la cusa de perdidas considerables por no tener las tecnologas de hoy en das.

AnexoACTIVIDAD FRECUENCIA PROCEDIMIENTO A BIMESTRAL Revisar el balanceo entre las tres lneas del transformador, y calcular el factor de potencia para mantenerlo dentro de un rango confiable, para evitar sobre cargas, mala calidad en la energa elctrica, recargos por CFE, y calentamiento excesivo. B MENSUAL Revisar la temperatura de cada fase del transformador, (evitar sobrecargas), para que no se obtengan datos errneos, la temperatura entre faces debe ser lo ms semejante entre ellas. C SEMESTRAL Revisar las actividades del checklist de este transformador, que fue elaborado por la empresa y el cual no nos fue proporcionado por polticas internas. D ANUAL Realizar el anlisis de aceite, y compara los resultados obtenidos con los datos del anlisis anterior. De acuerdo con la comparacin, tomar decisiones de mantenimiento para que estos datos en los anlisis sean lo mas parecidos en cada ao (esto equivale a que las condiciones y operaciones de mantenimiento son las adecuadas).