Entendiendo la Nueva Guía IEEE C57.104-2019 Publicada en Noviembre 1 de 2019 – Interpretación de Gases Generados en Transformadores

En Transequipos nos hemos caracterizado por estar actualizados en la normativa, y hemos dedicado estos seis primeros meses del año 2020 a digerir y estudiar a fondo los lineamientos de esta importante Norma que prácticamente ha derogado la versión de 2008 con la que veníamos trabajando por estos años y nos entrega novedosos criterios sustentados en serios estudios estadísticos realizados por un grupo de trabajo (WG, Working Group) de expertos y estudiosos de la materia.

Un buen complemento es el Brochure Técnico de la CIGRE TB 771 de Julio de 2019.

A continuación los aspectos más relevantes de la nueva versión de la Norma IEEE C57.104-2019 publicada en Noviembre de 2019:

  1. Objetivo de la Cromatografía.

Todos sabemos de la utilidad de la Cromatografía que nos permite:

  • Monitorear, aviso anticipado de una falla
  • Supervisión de la evolución de los gases en una unidad con posible falla
  • Determinar la naturaleza de la falla
  • Verificar una unidad nueva en período de garantía.

2. Gases a ser analizados: O2,N2, que en la nueva versión de la Norma son de mucha utilidad para aplicar el concepto del tipo de respiración de los transformadores y los gases de falla CO,CO2,CH4,C2H6,C2H4, C2H2, que en su orden requieren de menos a más energía  para ser generados por una disrupción al interior del transformador.

3. Cambios más relevantes en la nueva Norma IEEE C57.104-2019 con respecto a la versión anterior:

  • TODAS las cláusulas fueron revisadas y actualizadas.
  • Reducción de la Tabla 1 de la versión 2008 de cuatro condiciones a tres Status de DGA basados en los valores percentiles  90° y  95° (Valores bajo los cuales se encuentran el 90% o el 95% de las observaciones)
  • Modificación de la Tabla 1 versión 2008 para incluir varias subcategorías y dividirla en Tabla 1 (percentil 90°) y Tabla 2 (percentil 95°), basados en los resultados de amplios estudios estadísticos (Anexo A)
  • Remoción de la interpretación de los conceptos Total de Gases Combustibles TCG y Total de Gases Combustibles Disueltos TDCG.
  • Introducción del concepto O2/N2 según del tipo de respiración que tenga el transformador.
  • Introducción del concepto EDAD DEL TRANSFORMADOR, de mucha utilidad y que no consideraba la versión anterior.
  • Introducción del delta y tablas rata de generación de gases: Tabla 3 y Tabla 4.
  • Nuevo flujograma más sencillo y práctico para interpretación y metodología con ejemplos ilustrativos (Anexo B)
  • Definiciones actualizadas de fallas en Anexo C.
  • Introducción de los métodos de interpretación de los Triángulos 1,4 y 5  y Pentágonos 1 y 2  de Duval
  • Casos de estudio Anexo E
  • Adición de la metodología Intensidad de Energía Normalizada (NEI)

4. Relación O2/N2

  • La relación O2/N2: Es una muy útil aproximación para distinguir unidades selladas de unidades de respiración libre.(5.4)
    • O2/N2<0.2: Transformadores sellados con chonchón de N2, y para el 60% de transformadores sellados con membrana.
    • O2/N2>0.2: Transformadores con respiración libre y para aproximadamente el 40% de los transformadores sellados con membrana

5. Nuevas Tablas 1, 2, 3, y 4 para la calificación del Status de generación gases.

  • Definición de los 3 Status según Resultados de DGA acompañados de seguimiento:
    • Status 1 de DGA: Bajo nivel de gases y ninguna indicación de gasificación. (DGA normal)
    • Status 2 de DGA: Niveles intermedios de gases y/o posible gasificación. (DGA posiblemente sospechoso). PD, T1, stray gases. Aumento frecuencia de muestreo, monitoreo en línea.
    • Status 3 de DGA: Alto nivel de gases y/o probable gasificación activa. (DGA probablemente sospechoso). Seguimiento y pruebas adicionales. Consultar a fabricante y a expertos.

6. Flujograma de decisiones

7. Tipificación de los Tipos y Subtipos de fallas.

  • Seis Tipos Básicos de Falla:
    • Descargas Parciales (PD) por corona, resultante de posible deposición de cera X en el aislamiento del papel.
    • Descargas de baja energía (D1), en el aceite mineral y/o en el papel, evidenciadas por grandes perforaciones a través del papel, carbonización de la superficie del papel (tracking), partículas de carbón en el aceite mineral (como la operación del intercambiador de derivaciones), o descargas parciales de tipo chisporroteo, induciendo pinchazos o  perforaciones carbonizadas en el papel.
    • Descargas de alta energía (D2), en el aceite mineral o en papel, con poder de seguimiento, evidenciado por la extensiva destrucción y carbonización del papel, fusión de metales en los extremos de la descarga, extensiva carbonización en el aceite mineral y en algunos casos, salida del equipo, confirmando el gran seguimiento presente.
    • Fallas térmicas, en el aceite mineral y/o en el papel, < 300°C si el papel se ha vuelto marrón (T1),
    • Fallas térmicas > 300°C si se ha carbonizado (T2).
    • Fallas térmicas de temperaturas >700°C (T3) si hay una fuerte evidencia de carbonización del aceite mineral, decoloración del metal (800 °C) o fusión del metal (>1000 °C)
  • Cuatro subtipos de fallas adicionales:
    • Stray Gases (“gases primarios”) del aceite mineral (S) a temperaturas <200 °C (solamente en el aceite mineral), debido a la inestabilidad química de los aceites minerales producidos por algunas técnicas modernas de refinación. Podría también ocurrir debido a la incompatibilidad entre los materiales (p.e. algunos pasivadores de metales).
    • Sobrecalentamiento (O) del papel o del aceite mineral <250°C (por supuesto que sin carbonización del papel o pérdida de sus propiedades dieléctricas.
    • Posible carbonización del papel (C).
    • Fallas térmicas T3 en el aceite mineral solamente (papel no involucrado) (T3-H). (La H viene del francés Huil, aceite)

8. Que son los “Stray Gases” (gases primarios)

  • Stray Gases: son los producidos por el solo calentamiento del aceite a relativas bajas temperaturas (90°C a 200°C)
  • Los aceites Inhibidos típicamente producen menos “Stray “ gases que los no inhibidos (IEC 60296  nota  A NUMERAL 6.22)
  • El gas más importante formado como stray gases es usualmente el H2 (CIGRÉ 771 3.2)

9. Triángulos de Duval :

  • Triángulo 1:

    • Los 6 tipos básicos definidos por IEC 60599 (T3, T2, T1, D2, D1, PD) son identificables con el Triángulo 1 y el Pentágono DT zona mixta de descargas y de T.
    • NOTA: Los 4 subtipos adicionales de fallas térmicas o esfuerzos son identificables con los Triángulos 4, 5 y Pentágono 2 (S, O, C, T3-H)
    • Cuando hay fallas de baja Temperatura identificadas en el Triángulo 1 (PD, T1, o T2) se puede tener más información usando Triangulo 4.
    • Cuando hay fallas de alta o muy alta T (T2 o T3) que se han identificado con el Triángulo 1 se puede tener más información con el Triángulo 5.
    • Zonas D1,D2, y DT en Triángulo 1, no se analizan en Triángulos 4 y 5

El Triángulo 1 de Duval tiene las siguientes ventajas: Siempre propone una identificación de falla, hay pocos errores de diagnóstico, se basa en un gran número de casos de transformadores fallados en servicio, rápida visual de las fallas y su evolución, siempre da un diagnóstico, el hecho de que una posible falla es identificada no es per se una confirmación de la presencia de una falla, y NO debe usarse con muy bajos niveles de gases, ello puede conducir a diagnósticos no confiables e imprecisos.

  • Triángulos de Duval 4 y 5
Triángulo 4
Triángulo 5
    • Triángulos 4 y 5 nunca deben ser usados cuando hay fallas eléctricas D1 o D2 en Triángulo 1.
    • Triangulo 4 solo en PD, T1 o T2 en Triángulo 1.
    • Triangulo 5 solo en casos de T2 o T3 en Triangulo 1.
    • Puntos en zona C indican posible carbonización del papel no con 100% de certeza, y se deben hacer investigaciones más profundas sobre CO, CO2 y Furanos.
    • El Triángulo 5 permite al usuario distinguir entre fallas de alta T T3/T2 en el aceite mineral solamente, de menor preocupación y potencialmente fallas más graves C que involucran una posible carbonización del papel

10. Pentágonos de Duval 1 y 2

    • Si se identifican fallas térmicas (T1, T2, y T3) con el Pentágono 1, más información se puede obtener con el Pentágono 2.
    • El Pentágono 2 permite la detección de 3 de las fallas básicas (PD, D1, D2) como en el Pentágono 1 y para mejor distinción entre las 4 subtipos adicionales de fallas (S, O, C y T3 en el aceite mineral únicamente indicado como T3-H).
    • Puntos que ocurran en la zona C indican una posibilidad de carbonización del papel no con el 100% de certidumbre, y se requiere más investigación sobre CO, CO2 y Furanos.
    • Los Pentágonos 1 y 2 ayudan a caracterizar la condición cuando los gases no corresponden al Triangulo 1.

11. Introducción del concepto NEI (Normaized Energy Intensity) en el aceite y en el papel aislante, nuevo concepto asociado al nivel de energía que cada gas requiere para ser generado:

ANEXO F (Informativo), Evaluación de la severidad de la falla- Método alternativo.

  • NEIOIL: Normalized Energy Intensity en el aceite, reciente investigación, está asociada a la energía requerida para liberar los gases de menos a más (H2, CH4, C2H6, C2H4, C2H2).

NEIOIL= (77.7(CH4) +93.5(C2H6) +104.1(C2H4) +278.3(C2H2))/22400         (F.1)

  • NEIPAPER: Normalized Energy Intensity en el papel calculada de las concentraciones de CO y CO2, útil para calificar fallas provenientes del papel, especialmente el papel que envuelve los conductores.

NEIPAPER= (101.4(CO)+30.2(CO2)/22400                          

En las ecuaciones F.1 y F.2 las fórmulas químicas entre paréntesis significan las concentraciones de gases en µL/L (ppm), corregidas a condiciones de presión y temperatura standards (273.15 K, 101.325 kPa). La unidades del NEI con Kilojulios por kilolitro (kJ/kL).

Los coeficiente de concentraciones de gases en las formulas NEI son los respectivos calores standard de formación de gases de una molécula típica de aceite mineral (NEIOIL), o un monómero típico de celulosa (NEIPAPER)

12. Conclusiones y recomendaciones

  • DGA no es una técnica predictiva, es una herramienta de detección y de diagnóstico.
  • La calidad de la toma de las muestras, su transporte y manipuleo es un factor relevante.
  • El fenómeno “stray gassing” (generación de “gases primarios”) hay que saberlo identificar e interpretar (Triangulo 4 y Pentagonos 1 y 2).
  • La sola concentración no es suficiente, es muy importante la velocidad de generación de gases, suministra la mejor base. Llevar juiciosamente los históricos constituye una muy acertada disciplina.
  • Múltiples fallas pueden ocurrir al tiempo o a diferentes tiempos que pueden confundir el análisis. Examinar el cambio de concentración ayuda a revelar el proceso.
  • Ayudas de monitoreo en línea (IEEE C55.143) y fuera de línea y PEC (Pruebas Eléctricas de Campo),EA (Emisiones Acústicas), SFRA (Barrido de Respuesta en Frecuencia), FDS (Espectroscopia Dieléctrica), TERM (Termografía) , IV (Inspección Visual interna) y otras pruebas al aceite son necesarias para un completo diagnóstico, como también consultar a expertos.

Ing. Ernesto Gallo Martínez
Presidente – Fundador
Transequipos S.A.

                                  

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