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La calidad del aceite marca la diferencia
¿Ha descubierto ABB la solución para los fallos de transformadores?
El trabajo realizado por los especialistas de ABB en tecnología de transformado-res y en química ha descubierto una nueva razón para ser cautos al seleccio-nar el aceite para los transformadores. Este descubrimiento se basa en un mejor conocimiento de los fenómenos que tie-nen lugar en los transformadores aisla-dos con aceite.
La química del aceite aislante influye so-bre la vida útil del transformador más de lo que se creía, especialmente en presen-cia de fenómenos transitorios repetitivos originados, por ejemplo, por un gran nú-mero de fallos en una línea HVDC. De ello resultan nuevas recomendaciones y métodos de diagnostico que ayudarán a nuestros clientes a eliminar una causa de averías de transformadores.
ABB ha estudiado una posible causa de avería de un transformador de potencia que, aunque no muy frecuente, puede producirse dependiendo de los materia-les y de las condiciones de operación. A partir de una amplia base de transfor-madores instalados de AC y HVDC y de su larga experiencia de campo, ABB ha investigado este tipo de fallo de trans-formadores, poco frecuente y limitado a determinadas zonas geográficas. Estudiando diversos transformadores averiados se consiguió establecer las semejanzas siguientes:
Existencia de fenómenos transitorios frecuentes de gran amplitud Las averías se producen durante el funcionamiento normal, poco des-pués de fenómenos transitorios exter-nos, sin que se hayan encontrado causas externas directas de la avería. Cortocircuitos entre espiras de los devanados
No se han encontrado derivaciones a tierra en los transformadores. Partiendo de estas observaciones se ini-ció la investigaini-ción con un claro obje-tivo en mente: desenmascarar al ‘ase-sino de transformadores’.
La investigación
El primer paso fue buscar buscar defi-ciencias de fabricación o de diseño. Una minuciosa inspección de los devanados no reveló nada en la zona de ruptura que indicara algún fallo de fabricación. Se estudió a fondo el diseño utilizando herramientas de la más avanzada tecno-logía. El comportamiento de los devana-dos ante las tensiones transitorias se eva-luó por medio de cálculos y mediciones, realizadas por el método de oscilación de ondas de impulsos periódicos (RSO, Recurrent Surge Oscillation). Los dos mé-todos dieron aproximadamente el mismo resultado. También se verificó experi-mentalmente la resistencia del aisla-miento a los fenómenos transitorios re-petitivos. El aislamiento entre espiras fue sometido a tensiones transitorias repetiti-vas con forma de onda similar a las cau-sadas por las averías de la línea. Durante el experimento no se produjo ruptura al-guna, a pesar de que el pico de tensión transitoria fue el doble que el valor medido y que el número de transitorios correspondía a millones de averías de la línea. Los devanados han de resistir estos fenómenos transitorios con un amplio margen de seguridad. En conclusión, las averías no son causadas por deficiencias del diseño constructivo.
Depósitos de sulfuro de cobre
Al desmontar completamente un deva-nado averiado, espira por espira, se descubrió una nueva evidencia. En al-gunos lugares había un depósito bri-llante en los espaciadores y en el aisla-miento de los conductores, especial-mente en las cuñas entre espaciador y conductor . Este depósito se identificó como sulfuro de cobre, Cu2S.
Influencia sobre la rigidez dieléctrica
La conductividad eléctrica del Cu2S es
considerablemente mayor que la del pa-pel y el aceite. Esto significa que la pre-sencia de Cu2S puede cambiar la
distri-bución del campo eléctrico, reduciendo asi la resistencia eléctrica de los devana-dos. Para comprobarlo se llevó a cabo una serie de ensayos en modelos de es-pira a eses-pira, a los que se denominó arrollamientos ‘cola de cerdo’. Se investi-garon los conductores y espaciadores de un devanado averiado y se realizaron pruebas tanto en materiales contamina-dos con Cu2S como en materiales no
afectados.
Las pruebas se realizaron con corriente alterna. Se registraron las tensiones de iniciación de las descargas parciales (PD, Partial Discharge) y la tensión de ruptura dieléctrica.
Los resultados de las pruebas eviden-cian que:
la tensión de iniciación de las PD y la tensión de ruptura dieléctrica del ma-terial recubierto con Cu2S son
nota-blemente menores en comparación con el material sin depósito ; el aislamiento del material sin recu-brimiento de Cu2S, no afectado,
tiene la misma resistencia que un ais-lamiento completamente nuevo. El resultado de la prueba muestra que, en los materiales recubiertos, el nivel de iniciación de las PD se reduce a niveles comparables a los que tienen lugar du-rante las tensiones transitorias.
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Parte de un devanado con depósitos de sulfuro de cobre en el aislamiento del conduc-tor y en un espaciador 1
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Efecto de los transitoriosAunque el Cu2S reduce el nivel de
inicia-ción de las PD, los depósitos de sulfuro de cobre en los devanados no bastan para crear un cortocircuito o desencade-nar una descarga parcial entre espiras. Para que ocurra una de estas dos cosas, el aislamiento ha de degradarse también por efecto de transitorios repetitivos fre-cuentes. De hecho, tales transitorios pue-den producirse en aplicaciones HVDC. Un transformador HVDC está expuesto a un proceso de conmutación cuando se transfiere la corriente de una fase a otra. Un aumento rápido de la tensión final durante este proceso origina rápi-damente tensiones transitorias en los devanados, que debilitan el aislamiento en puntos localizados del devanado. Estos transitorios pueden ser de nivel elevado, pero incluso los transitorios más desfavorables durante el funciona-miento serán notablemente inferiores a los impuestos en el devanado durante los ensayos del transformador antes de la entrega de éste.
El ángulo de control a(ángulo de dis-paro) es un factor crítico para
la severidad de los transito-rios. La tensión de disparo in-troduce transitorios propor-cionales a sen a.
Durante el funcionamiento continuo normal, las válvulas rectificadoras se disparan con un ángulo a »15°C y las ten-siones en el devanado son ba-jas. Sin embargo, los converti-dores HVDC pueden operar de forma continua con mayores ángulos de control. Un hecho extraordinario y grave es el funcionamiento con un ángulo
a-90, que causa tensiones muy altas en los aislamientos entre espiras. Este funcionamiento se produce, por ejemplo, durante averías de la línea, normal-mente poco frecuentes y de corta duración .
Así pues, este tipo de fallo se produce posiblemente del
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modo siguiente: durante los transitorios se producirá la ignición de una descarga parcial PD en el aislamiento contami-nado con Cu2S. Esta descarga,
final-mente, no desaparecerá. De hecho per-manece también durante la tensión nor-mal de servicio hasta que se rompe el aislamiento y por tanto aparece un cor-tocircuito entre espiras.
Mecanismo de formación de Cu2S
El cobre está presente en grandes canti-dades en un transformador, pero la cuestión es saber de dónde procede el azufre que reacciona con el cobre. Antes de responder a esta pregunta debemos exponer algunos aspectos de la química del aceite. El aceite usado en los trans-formadores es básicamente aceite mine-ral muy refinado. Está formado funda-mentalmente por una mezcla de hidro-carburos, es decir, compuestos de car-bono e hidrógeno. Pero algunos com-puestos presentes contienen oxígeno, nitrógeno y azufre. En condiciones ex-tremas, la mayoría de los compuestos de azufre pueden reaccionar con el cobre.
Sin embargo, sólo los mercaptanos son reactivos en condiciones normales. Los mercaptanos reaccionan fácilmente con muchos metales, por ejemplo con el co-bre, para formar mercapturos. Algunos aspectos de la química de los mercapta-nos de cobre han sido estudiados a fondo y permiten explicar nuestros ha-llazgos. Creemos que la formación del sulfuro de cobre se produce según la siguiente cadena de sucesos:
1. El aceite disuelve el óxido de cobre. 2. El cobre reacciona con los mercapta-nos formando mercapturos de cobre solubles en aceite.
3. Los mercapturos de cobre son trans-portados por el aceite y, si las condicio-nes son propicias, se descomponen for-mando Cu2S y un residuo orgánico
solu-ble en aceite.
Las reacciones básicas pueden represen-tarse de este modo:
Cu2O + 2RSH => 2 CuSR + H2O
(pasos 1 y 2)
2 CuSR => Cu2S + RSR (paso 3)
donde RSH es un mercaptano y R es cualquier alquilo u otro radical
hidrocar-búrico. Existen, por supuesto, muchos radicales R diferentes. Las reacciones anteriores pueden tener lugar, en cierta medida, en cualquier transfor-mador. Los problemas surgen cuando se emplean aceites poco refinados de tipo no inhibido o poco inhibido. Si los pasos 1 a 3 tienen lugar en las proximidades del con-ductor de cobre, el sulfuro de cobre sólo se encontrará en la capa más profunda de papel. Sin embargo, si una parte del cobre es transportada lejos de la superficie del conductor, la descomposición final puede te-ner lugar en otro lugar. En este proceso intervendrán otros componentes del aceite distin-tos de los mercaptanos. Com-puestos básicos de nitrógeno y primeros productos de oxida-ción, como los peróxidos, ayu-99 95 90 80 70 60 50 40 30 20 10 5 3 2 1 Pr obability (% ) 0.5 1.0 2.0 5.0 10.0 20.0 50.0 PD-initiation voltage (kV) D A
Diagramas de Weibull donde se compara el nivel de tensión de iniciación de descarga parcial PD 2
La serie A corresponde a un aislamiento sin recubrimiento de Cu2S (sin pérdida), mientras que la serie D muestra el comportamiento de un aislamiento recubierto con Cu2S.
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darán a movilizar el cobre. En general, los aceites poco refi-nados contienen más mercap-tanos que los aceites de cali-dad y proporciones considera-blemente mayores de otros componentes perjudiciales. En el laboratorio se ha repro-ducido la precipitación de sul-furo de cobre, de tipo similar al encontrado en algunos de los transformadores desmonta-dos, a partir de aceite rico en mercaptanos y también aña-diendo directamente un mer-capturo de cobre al aceite. El contenido de mercaptanos de los aceites nuevos para
transfor-madores es muy variable, de 0,2 a 10 ppm. El contenido de mercaptanos es mucho menor en un aceite utilizado durante varios años, ya que los mercaptanos se consumen por reacción con los metales. Además del aceite se han investigado otras fuentes posibles de sulfuro de mercaptano en un transformador. Con los llamados ‘experimentos de lixivia-ción’ sólo se pudieron encontrar canti-dades insignificantes.
Esto nos lleva a la conclusión de que sólo el aceite virgen poco refinado puede ser el origen del Cu2S, el ‘asesino
de transformadores.
Métodos de diagnóstico Contenido de mercaptanos
Mediante un sencillo análisis químico podemos determinar el contenido de mercaptanos en el aceite. Sin embargo, este análisis sólo es significativo para el aceite virgen, ya que los mercaptanos se consumen con el tiempo.
Identificación del aceite
No siempre se conoce el tipo de aceite que contiene un transformador. Sin em-bargo, disponemos de varias técnicas de identificación que permiten distinguir diferentes productos. Es posible identifi-car los aceites que se sabe causan pro-blemas y los que resultan inofensivos.
Medición DFR
Un método importante de verificación eléctrica para diagnosticar el estado del aislamiento del transformador es la me-dición de la respuesta dieléctrica en fre-cuencia (DFR, Dielectric Frequency Res-ponse). Este procedimiento proviene del método tradicional del factor de poten-cia o medición de la tangente de d. En lugar de realizar sólo mediciones a la frecuencia de la red, las capacitancias y pérdidas se miden en función de la fre-cuencia, normalmente de unos pocos mHz hasta 1000 Hz.
La medición DFR es sensible a la hume-dad de la celulosa y a la conductivihume-dad del aceite, pero se puede utilizar también para detectar la contaminación en la su-perficie del aislamiento. Aunque la medi-ción DFR no pueda detectar directa-mente la contaminación de sulfuro de cobre dentro de las espiras, sin embargo indicará si existen depósitos de sulfuro de cobre en otros puntos del transforma-dor. La presencia de la contaminación se pondrá de manifiesto con un perfil característico en el espectro DFR. Para interpretar los resultados DFR es importante conocer el diseño y las pro-piedades dieléctricas de los materiales aislantes. ABB es líder en la creación de modelos y en las mediciones DFR. Además, ABB trabaja permanentemente para atender mejor a sus clientes con
medidas eficaces de diseño y fabricación, así como con ser-vicios locales de diagnóstico y mantenimiento.
Conclusiones
El aceite agresivo produce sulfuro de cobre.
El sulfuro de cobre debilita el aislamiento.
Los transitorios repetitivos degradan adicionalmente el aislamiento. En las aplicacio-nes HVDC, los transitorios ori-ginados por la operación a-90 o por el funcionamiento conti-nuo con potencia reactiva muy alta (Mvar) bastan para iniciar descargas parciales.
En un aislamiento degradado no des-aparecerá una descarga parcial. Si el aislamiento está suficientemente degradado, la descarga parcial seguirá existiendo a tensiones normales de servicio.
Una descarga parcial origina un fallo entre espiras y finalmente la avería del transformador.
Con nuestro estudio hemos conseguido explicar el proceso químico con más detalle que las investigaciones y estu-dios anteriores. Además, ahora sabemos por qué ciertas condiciones de servicio, combinadas con el uso de aceites inade-cuados, degradan más rápidamente el aislamiento.
La conclusión final es que la ‘calidad del aceite marca la diferencia’. 350 250 150 50 u (k V ) 58 58.2 58.4 58.6 58.8 59 59.2 59.4 59.6 59.8 60 t (ms)
Tensión transitoria durante una operación a-90 3
La forma de onda es similar a una sobretensión por descarga atmosférica estándar entre el aislamiento sin recubrimiento (serie A) y el aislamiento con depósitos de sulfuro de cobre (serie D).
UR-UN
Jan Hajek Mats Dahlund Lars Pettersson
ABB Power Technologies AB Power Transformers Ludvika, Suecia [email protected] Gunnar Bennstam ABB AB Ludvika, Suecia
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Centro I+D del Grupo ABB en Bangalore (India)
El primer centro I+D de ABB fuera de Europa y Estados Unidos se creó a prin-cipios de 2002 en Bangalore (India). El centro centra su actividad en Indus-trialIT, la plataforma tecnológica ba-sada en la arquitectura abierta de ABB, que tiene por objeto interconectar la au-tomatización de plantas, optimizar la disponibilidad y el rendimiento de los activos e integrar información para mejorar la visión de conjunto y reducir el tiempo necesario para tomar y poner en práctica las decisiones. Dado que lo hace en tiempo real, las decisiones em-presariales son mejores y más rápidas, y por tanto aumenta el rendimiento de los activos. Con Industrial IT, ABB quiere ofrecer a las compañías eléctricas
y empresas industriales la posibilidad de ejecutar sus procesos de forma más productiva y eficiente.
El centro de Bangalore es parte integral de la red mundial I+D de ABB, que cuenta con laboratorios en Estados Uni-dos, Suecia, Alemania, Noruega, Finlan-dia, Polonia y Suiza. Interrelacionando e integrando las operaciones a través de estos centros, ABB puede reunir un equipo global de científicos altamente cualificados en un clima innovador cuya actividad se centra en desarrollar solucio-nes tecnológicas para las clientes. Esta red de expertos y de conocimientos es-pecializados desempeña también un pa-pel destacado en la garantía de la calidad
Expertos en distintos campos, altamente cualificados, trabajando en el centro de investigación de Bangalore
de futuros productos y servicios de ABB. En sus estatutos está la tarea de gestionar el proceso de certificación dentro de ABB.
Las instalaciones de investigación de Bangalore tienen también un papel im-portante de apoyo a la estrategia de ABB de expansión en el mercado asiá-tico. Está previsto que el centro dirija los esfuerzos del Grupo impulsando la gran capacidad de desarrollo de la India –en ingeniería, tecnología de información y software–, para conseguir una impor-tante ventaja competitiva. También tra-baja en productos más ajustados a las exigencias de los mercados de Asia, una región clave en expansión, que ABB ha fijado como objetivo de crecimiento. Una proporción cada vez mayor de la cartera de productos de ABB está siendo habilitada con la tecnología IT; los labo-ratorios I+D del Grupo contribuyen a que los centros de desarrollo de las divi-siones de ABB en todo el mundo pue-dan acelerar el proceso de configuración IT para sus productos y sistemas. El centro de tecnología Industrial IT de la India desarrolla y da soporte a pro-ductos que exigen una intensa progra-mación, y proporciona conocimientos especializados para el Laboratorio de Automatización Global al desarrollar y adoptar nuevas tecnologías para ABB. El centro de Bangalore, un asociado tec-nológico estratégicamente fundamental para los negocios de ABB en el sector de la automatización, tiene la misión de supervisar, evaluar y desarrollar tecnolo-gías de futuro.
La misión del centro es crear software de alta calidad para ABB, desempe-ñando un papel esencial en el desarro-llo y despliegue mundial de Industrial IT. También desarrolla, mantiene y da soporte a una gama de productos que requieren intensa programación y actúa como socio para centros I+D de ABB y áreas comerciales dentro del grupo. El concepto del centro se basa en dos puntos principales:
Un núcleo central de personal de ABB con gran experiencia y
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miento en diversos sectores industria-les, que trabaja en estrecha colabora-ción con unidades de ABB y asocia-dos de la India.
Un conjunto seleccionado de compa-ñías ‘asociadas’, especializadas en las tecnologías fundamentales de soft-ware y procesos.
ABB ha realizado una gran inversión en términos de capital intelectual. El centro agrupa a hombres y mujeres muy cualifi-cados en distintos campos, que constitu-yen el equipo esencial de investigación que selecciona a los asociados de inge-niería de software y colabora con ellos.
Logros principales hasta hoy:
El centro de la India es uno de los cuatro centros mundiales autorizados para certificar productos y sistemas basados en tecnología Industrial IT. Los otros tres están localizados en Suecia, Alemania y Estados Unidos. El Grupo ABB se ha visto muy alen-tado por los resulalen-tados obtenidos tras dos años de operaciones en el centro, que está entrando actualmente en una fase de rápido crecimiento. Alrededor de 30 proyectos se han completado ya con éxito en colabora-ción con otros laboratorios y divisio-nes de I+D.
Más de 1.000 productos han sido certificados por el centro de la India hasta la fecha y unos 25 proyectos están en marcha.
Los productos fabricados en la India llevan la certificación de Industrial IT emitida por este centro.
El centro ha ayudado a reducir consi-derablemente los costes y el tiempo requerido hasta la comercialización para diversos proyectos de habilita-ción de tecnología Industrial IT, entre ellos el nuevo sistema de automatiza-ción 800xA en diciembre de 2003. En total, más de 800 personas, de las que 50 procedían del centro de la India, han colaborado en la realiza-ción de este proyecto.
El centro de investigación centra sus actividades en las áreas siguientes:
Tecnologías de buses de campo Verificación automatizada Herramientas de migración Nuevas tecnologías gráficas Las instalaciones de los laboratorios pueden manejar los mismos niveles de complejidad que otros centros de Europa y Estados Unidos.
De acuerdo con Markus Bayegan, Direc-tor y Jefe Ejecutivo de Tecnología del Grupo ABB, “Nuestra experiencia de I+D en la India ha sido muy satisfacto-ria. Durante los dos años en funciona-miento, nuestro laboratorio de automa-tización ha realizado un excelente tra-bajo en Bangalore. Actualmente esta-mos ampliando el campo, la compleji-dad, la infraestructura y el personal del centro para darle un nuevo impulso al alto nivel de conocimiento técnico espe-cializado, de competencia en distintos campos y de experiencia ya disponibles en el centro. Además, nuestro centro de Bangalore ampliará su misión para participar activamente en la aplicación de la automatización a las tecnologías
de la energía, mientras continúa am-pliando sus funciones en el desarrollo de las tecnologías de automatización.” Centro de demostración
Se ha construido un centro de demos-tración de primera clase combinado con las instalaciones de investigación de Bangalore.
En él se exhiben muchos productos de ABB en aplicaciones simuladas, que ilustran la capacidad de producción in-mediata de la oferta de productos y la versatilidad del software básico del sis-tema 800xA. Los responsables de des-arrollo disponen de sistemas ‘en directo’ para probar el nuevo software y las nuevas aplicaciones.
Con grandes expectativas y rebosando creatividad, el último laboratorio I+D de ABB está preparado para acoger y acep-tar importantes desafíos.
Centro de demostración de Bangalore
Bazmi Husain
ABB Automation Technologies abb.com
