El envejecimiento de los Transformadores de Potencia

Para contrarrestar las consecuencias negativas del proceso de envejecimiento en los transformadores de potencia, los usuarios deben optimizar el funcionamiento de sus transformadores instalados desde el punto de vista técnico y comercial. Este es un asunto complejo sin respuestas definitivas. El envejecimiento implica la degradación natural del sistema de aislamiento que consta de componentes sólidos tradicionales, como papel, cartón prensado y madera contrachapada, y fluidos, como el aceite mineral aislante. De estos, los materiales aislantes sólidos son los más importantes, ya que no se pueden reemplazar ni reconstruir completamente en el transformador. Esto significa que los usuarios deben comprender los procesos de envejecimiento de estos materiales para realizar una evaluación viable de la vida útil general y restante de los transformadores.

El diseño y la tecnología de los transformadores han experimentado cambios significativos en los últimos 40 años. Esto dificulta la tarea de evaluar cómo envejecerá un transformador porque el envejecimiento dependerá del comportamiento de los materiales nuevos y los fluidos aislantes alternativos. No obstante, las flotas de transformadores existentes todavía incluyen sistemas aislados con materiales tradicionales como la celulosa y el aceite mineral. Los usuarios también deben asumir que las evaluaciones «estandarizadas» (por ejemplo, las Guías de carga en IEC e IEEE) son, por su naturaleza, poco confiables. Estas guías no consideran el diseño, ni los materiales, ni los modos de funcionamiento específicos del transformador. En este sentido, no existe el «transformador» ideal.

Comprender el comportamiento de envejecimiento de estos materiales por sí solo no es suficiente para determinar la condición de un transformador específico. Los materiales aislantes mencionados anteriormente juegan un papel importante. Hay más influencias por considerar. Estas influencias incluyen aceleradores del envejecimiento, el diseño de los transformadores y el historial del análisis de gas disuelto (Dissolved Gas Analysis, DGA). Agregar una gama completa de factores aumenta la complejidad de evaluar cómo un transformador determinado envejece y requiere un enfoque integrado. Cualquier método basado en un valor único, por ejemplo, el grado de despolimerización, es de poca utilidad, particularmente si ese valor se obtiene del análisis de furanos.

Lo guiaré a través de un enfoque integrado que ayudará a evaluar lo siguiente: los factores individuales, los aceleradores, las condiciones
de funcionamiento y la influencia de los diferentes diseños de transformadores.

Perfil de envejecimiento

La bibliografía a menudo supone que el envejecimiento es un proceso lineal. Sin embargo, esto contradice la experiencia real en el campo, que ha demostrado que el envejecimiento en realidad no es lineal. El proceso de envejecimiento es impulsado por una serie de aceleradores que se potencian entre sí.

El siguiente gráfico ilustra este proceso no lineal:

El gráfico muestra las trayectorias de varios fenómenos químicos y físicos que se generan a medida que el transformador envejece. El concepto clave se muestra en la línea verde del diagrama, que representa lo que se puede llamar la sustancia residual. Esta trayectoria parabólica aparece una y otra vez en las evaluaciones de envejecimiento de transformadores y descarta la presunción de un proceso de envejecimiento lineal.

Reemplazar el término «vida útil restante» por «sustancia residual» puede ser útil. La vida útil es relativa y depende de las condiciones del mantenimiento y otros factores. La sustancia residual es similar al contenido de agua en una botella. Se puede consumir de forma rápida, lenta o incluso puede conservarse activamente. Aplique este principio a cada transformador para optimizar su vida útil.

Los transformadores son los activos «más discretos» en una planta. Una vez que un transformador ingresa al rango «C» (Figura 1), es posible que no falle en absoluto. Existen muchos casos en los que los transformadores permanecieron en funcionamiento durante varios años después de entrar en el fin de su vida útil (EOL). Sin embargo, una vez que un transformador ha alcanzado esta etapa, su rendimiento futuro ya no se puede estimar de manera confiable.

Desde el punto de vista de un operador responsable, el transformador ahora deja de ser viable y calculable. En este punto, es una «apuesta» donde cada día adicional es una especie de «bonificación». Muchos operadores aceptan esta apuesta y, en ciertas condiciones, esta apuesta puede incluso considerarse apropiada. Sin embargo, el riesgo general debe seguir siendo un riesgo calculable, incluida la gran posibilidad de incendio en caso de una falla catastrófica. En esta etapa, es importante supervisar constantemente el transformador.

Velocidad de envejecimiento

Los transformadores envejecen de diferentes maneras y a diferentes velocidades. Esto se debe a la interacción de varios aceleradores de envejecimiento.

Aceleradores

• Temperatura: al igual que con todos los procesos químicos, el proceso de envejecimiento en el sistema de aceite/celulosa se acelera con la temperatura. Sin embargo, este efecto no es lineal. Por debajo de una temperatura de aceite de 50 °C, prácticamente no hay envejecimiento por calor.
• Oxígeno: el oxígeno hace su trabajo de la misma manera que en cualquier otro lugar y oxida tanto los materiales de aislamiento orgánicos como el aceite.
• Ácido: la interacción química entre los materiales de celulosa, el aceite y el oxígeno produce diversos ácidos orgánicos que, a su vez, aceleran la degradación de la celulosa.
• Agua: recientemente se ha escrito mucho sobre el papel del agua como acelerador del envejecimiento. También es cierto que se produce agua durante la degradación de la celulosa. No obstante, la mayor parte del agua proviene del exterior del transformador, principalmente a través de fugas causadas por las diferencias en el gradiente de humedad relativa dentro y fuera del tanque del transformador.

En futuros artículos, abordaré cómo lidiar con estos aceleradores de envejecimiento y cómo se puede mejorar la vida útil del transformador con las medidas apropiadas.

Diseño del transformador

El diseño de un transformador tiene una gran influencia en su vida útil y en la formación y el efecto de los aceleradores de envejecimiento. Un diseño desfavorable puede generar una condición de EOL mucho más rápida que el impacto diario que los aceleradores pueden sufrir en el proceso de envejecimiento.

Las diferencias en el diseño también pueden generar diferencias en el comportamiento de envejecimiento. Por lo tanto, el diseño del transformador debe tenerse en cuenta al evaluar su condición. Dos transformadores con datos de placa idénticos, pero de distintos fabricantes, rara vez exhibirán un comportamiento de envejecimiento idéntico. Lo más probable es que su comportamiento de envejecimiento sea muy diferente.

La regla de Montsinger

La correlación o regla establecida por Montsinger establece que cada aumento de temperatura de 8 °C genera una duplicación de la velocidad de envejecimiento de la maquinaria. Para fines prácticos, se puede usar de forma segura un aumento de 10 °C. Además, prácticamente no hay envejecimiento térmico por debajo de los 50 °C. Sin embargo, los componentes individuales del sistema pueden superar esta temperatura. Aquí es donde puede producirse el envejecimiento acelerado. Los indicadores que confirman este efecto generalmente se pueden encontrar en el DGA. En cualquier caso, la experiencia ha demostrado que la Regla de Montsinger es realista y confiable.

Resumen y perspectivas

Este artículo aborda solo el comportamiento de envejecimiento de los transformadores clásicos con sistemas de aislamiento de aceite/celulosa. Dichos transformadores aún conforman la mayoría de las poblaciones de transformadores en todo el mundo. Además, hay unidades muy antiguas en este grupo, algunas de las cuales han estado en funcionamiento durante 50 años o más. Esto presenta un dilema para el operador, es decir, determinar si estas unidades antiguas aún son seguras para operar y la mejor manera de abordar el reemplazo de la flota.

No caben dudas de que la edad por sí sola no es un criterio para el reemplazo. Esto es evidente por las diferentes condiciones de los transformadores antiguos, que pueden variar desde la vida útil restante de «cero» o EOL hasta otros 20 años de vida.

El grupo de la población de transformadores envejecidos y sobrepasados requieren un mapeo extenso y un enfoque de evaluación integrado para garantizar que se gestionen adecuadamente. Lo que debe evitarse es eliminar gradualmente las unidades estables y utilizables simplemente debido a su edad, mientras que inesperadamente se pierden transformadores más jóvenes y de diseño inadecuado. Esto perjudicaría la fiabilidad del suministro de energía, mientras que los escasos fondos de reinversión se gastarían en el lugar equivocado.

En mi próximo artículo, analizaré cómo la temperatura y el agua influyen en el envejecimiento de los transformadores.

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