El análisis de furanos, regulado por la norma ASTM D5837, es una técnica de evaluación que se utiliza para detectar y cuantificar la presencia de compuestos químicos llamados furanos en el aceite aislante. Los furanos son subproductos de la degradación del papel aislante, que es un componente crítico en los transformadores. La detección de furanos es un indicador importante del estado del transformador y del papel aislante.
El proceso de envejecimiento del papel aislante en un transformador, que puede deberse a factores como la temperatura, la oxidación, la humedad y otros, puede generar furanos como resultado de la descomposición de los componentes del papel. La presencia de furanos en el aceite aislante es un signo de un proceso de envejecimiento en curso y puede indicar un deterioro progresivo del papel aislante.
En general, niveles crecientes de furanos en el aceite aislante indican un mayor grado de degradación del papel aislante y, por lo tanto, pueden sugerir la necesidad de acciones correctivas, como el reemplazo del papel aislante o el mantenimiento del transformador en cuestión. El análisis de furanos es una herramienta importante en la gestión de activos de transformadores eléctricos, ya que ayuda a prevenir posibles fallas y a mantener la confiabilidad del equipo a largo plazo.
El Papel aislante
El material empleado en transformadores, denominado papel Pressboard, se produce a partir de pulpa de madera mediante el proceso Kraff. Este método de fabricación confiere al papel notables cualidades de impregnación de aceite, lo que se traduce en un rendimiento excepcional en aplicaciones eléctricas.
El papel Pressboard es altamente maleable y se distingue por su elevada resistencia mecánica, flexibilidad sobresaliente y una rigidez dieléctrica de alto nivel.
Envejecimiento del papel aislante
El envejecimiento del papel aislante en transformadores eléctricos sumergidos en aceite es un fenómeno gradual que se produce debido a una combinación de factores. Estos factores incluyen:
1. Calentamiento cíclico: Los transformadores eléctricos funcionan continuamente y experimentan ciclos de carga y descarga. Este calentamiento repetido provoca cambios físicos en el papel aislante con el tiempo, lo que puede debilitar su estructura y propiedades dieléctricas.
2. Oxidación del aceite: A lo largo del tiempo, el aceite aislante dentro del transformador puede oxidarse debido a la exposición al oxígeno y las altas temperaturas. La oxidación del aceite puede generar subproductos que afectan negativamente al papel aislante, reduciendo su vida útil.
3. Hidrólisis: El agua presente en el aceite aislante o que se infiltra a través de juntas y conexiones puede causar la hidrólisis del papel aislante. La hidrólisis es un proceso químico que descompone las fibras del papel y reduce su resistencia dieléctrica.
4. Contaminación: Partículas sólidas y gases disueltos en el aceite pueden contaminar el papel aislante con el tiempo. Estas impurezas pueden afectar las propiedades dieléctricas del papel y promover la formación de arcos eléctricos, lo que acelera el proceso de envejecimiento.
5. Esfuerzos eléctricos y mecánicos: Los transformadores están sometidos a esfuerzos eléctricos y mecánicos que pueden causar daños al papel aislante. Estos esfuerzos pueden provocar la formación de microdefectos que, con el tiempo, debilitan el papel.
6. Temperatura: Las altas temperaturas generadas por la carga eléctrica y la pérdida de energía en el transformador pueden acelerar el proceso de envejecimiento del papel aislante. El calor excesivo puede degradar las propiedades del papel.
Grado de polimerización del papel aislante
El grado de polimerización del papel aislante es una medida importante que indica la longitud promedio de las cadenas de polímeros en el papel. En otras palabras, refleja la calidad y la integridad del material de papel aislante. Cuanto mayor sea el grado de polimerización, mejor será la calidad del papel y, por lo tanto, su capacidad para resistir el envejecimiento y las tensiones eléctricas en un entorno de transformador.
Un alto grado de polimerización implica que las cadenas de polímeros en el papel son largas y, por lo tanto, tienen una mayor resistencia mecánica y dieléctrica. Esto es crucial para mantener las propiedades aislantes del papel a lo largo del tiempo y para garantizar que pueda soportar las tensiones eléctricas en el interior del transformador.
El grado de polimerización se puede determinar mediante pruebas de laboratorio en muestras de papel aislante. Cuanto más alto sea el valor de grado de polimerización, mejor será la calidad del papel y su capacidad para soportar las condiciones adversas como esfuerzos eléctricos en un transformador.
Compuestos furanicos presentes y sus posibles causas
La norma ASTM D5837 se centra en la determinación de 5 compuestos específicos de furanos en el aceite aislante de transformadores eléctricos, los cuales son los siguientes:
Alcohol furfurílico (2-FOL): Este compuesto se forma al estar en presencia el papel con un gran contenido de humedad y es una prueba que el papel se encuentra en condición de descomposición.
2-furaldehído (2-FAL): Este el compuesto se forma por la reacción del sobrecalentamiento general de la celulosa o envejecimiento normal del papel aislante.
5-hidroximetilo-2-furaldehído (5-HMF): Se forma por la descomposición del papel aislante en presencia de grandes cantidades de oxígeno.
2-acetil furano (2-ACF): Este compuesto aún no se encuentra claramente definido sus causas.
5-metilo-2-furaldehído (5-MEF): Este compuesto es el resultado de un sobrecalentamiento intenso y localizado en un punto específico de la celulosa.
Indicadores de envejecimiento del papel aislante en función del contenido de furanos:
1. Niveles de furanos de hasta 700 ppb: En esta franja, el estado del transformador se considera saludable. La Disipación de Potencia (DP) se encuentra en el rango de 1200 a 454. Se recomienda realizar pruebas de evaluación anualmente.
2. Niveles de furanos entre 701 y 1000 ppb: En este intervalo, la condición del transformador es motivo de preocupación. La DP se encuentra en el rango de 453 a 399. Se aconseja llevar a cabo pruebas de evaluación cada 6 meses.
3. Niveles de furanos entre 1001 y 2500 ppb: En esta zona, el transformador ha experimentado un deterioro significativo. La DP oscila entre 398 y 272. Se sugiere realizar pruebas de evaluación trimestralmente.
4. Niveles de furanos entre 2501 y 5000 ppb: En esta franja, la fiabilidad del transformador es baja. La DP se encuentra en el rango de 271 a 213. Se recomienda efectuar pruebas de evaluación mensualmente.
5. Niveles de furanos por encima de 5000 ppb: En esta situación, la fiabilidad del transformador es muy deficiente, lo que sugiere la necesidad de considerar su rebobinado.
¿Cuál es la importancia del análisis de furanos?
El análisis de furanos en transformadores eléctricos sumergidos en aceite es una práctica importante y tiene varias conclusiones clave para garantizar la operación segura y eficiente de estos equipos:
1. Detección temprana de problemas: El análisis de furanos permite detectar tempranamente la presencia de compuestos derivados de la degradación del papel aislante. Esto proporciona una advertencia anticipada de problemas potenciales en el transformador, lo que facilita la toma de medidas preventivas antes de que se conviertan en fallos costosos o catastróficos.
2. Evaluación del estado de salud: La concentración y el tipo de furanos detectados proporcionan información sobre el grado de envejecimiento del papel aislante. Esto ayuda a los ingenieros a evaluar el estado de salud del transformador y a tomar decisiones informadas sobre su mantenimiento.
3. Optimización del mantenimiento: El análisis de furanos ayuda a planificar y programar el mantenimiento de los transformadores de manera más efectiva. Permite determinar cuándo es necesario realizar actividades de mantenimiento, como la inspección de la parte activa, rebobinado del transformador o reemplazo.
4. Extensión de la vida útil: Al identificar y abordar los problemas de envejecimiento antes de que se vuelvan críticos, el análisis de furanos puede contribuir a prolongar la vida útil de los transformadores y a maximizar su inversión a largo plazo.
5. Reducción de costos operativos: La detección temprana de problemas y el mantenimiento programado ayudan a reducir los costos operativos al evitar reparaciones de emergencia costosas y minimizar el tiempo de inactividad no planificado.
En resumen, el análisis de furanos es una herramienta esencial en la gestión de activos de transformadores eléctricos. Proporciona información valiosa que ayuda a los ingenieros a tomar decisiones fundamentadas, a prolongar la vida útil de los transformadores y a garantizar una operación segura y confiable del sistema eléctrico en su conjunto.
