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Importancia de la caracterización del contenido de furanos en el diagnóstico de equipos inductivos

La caracterización del aislante sólido de los transformadores es un parámetro tan importante, que se asocia con la vida del equipo. El papel utilizado en el arrollamiento de bobinas y cables sufre la degradación de la celulosa por acción de la temperatura, la humedad, el oxígeno y el tiempo, situación potencialmente peligrosa ya que disminuye la resistencia mecánica del papel. Para la determinación de la vida remanente de un transformador se deben detectar y cuantificar los subproductos de degradación de la celulosa como los Furanos mediante ensayos normalizados. Pero existe una ambigüedad que es la existencia de papeles térmicamente estabilizados que presentan una menor cantidad en formación de estos compuestos Furanicos.

Fig 1. Diagrama de descomposición de la celulosa

Los equipos Inductivos como los Transformadores de Potencia  fueron construidos inicialmente con el papel tipo kraft o crepe. El aislante sólido (papel), es uno de los elementos más importantes de los equipos inductivos. Estos, por lo habitual de su uso, son llamados comúnmente “papel convencional” ya que están constituidos por celulosas no modificadas y junto con el aceite dieléctrico, conforman un sistema sólido-líquido, al cual se le conoce como “Sistema de Aislamiento” de los equipos eléctricos.

La función del papel dieléctrico, no solo es mantener las mejores propiedades dieléctricas, sino, literalmente, mantiene unido el “corazón” del equipo. Es por esto, que se debe cuidar su resistencia mecánica para que la maquina pueda permanecer en operación el mayor tiempo posible.

Los factores que más intervienen en la descomposición del papel son el oxígeno, la humedad, las altas temperaturas y los productos de descomposición del aceite (ver figura 1). Cuando el papel ha sido afectado lo suficiente como para que éste no pueda recuperar su fuerza mecánica, el funcionamiento del equipo se ve afectado a tal punto que se ha detectado que cerca del 85% de las fallas de los equipos inductivos son generadas por esta degradación en el papel.

El mejor método de análisis para conocer la condición del aislamiento sólido es el análisis del Grado de Polimerización (DP). Sin embargo, dado que no es posible acceder hasta el papel, cuando el equipo se encuentra en servicio, se vio la necesidad de relacionar el DP con otra u otras moléculas que se pudieran encontrar disueltas en el aceite y de esta manera realizar con métodos indirectos un diagnóstico del estado del papel. Las moléculas más estudiadas relacionadas con el DP son Monóxido de Carbono (CO) con Dióxido de Carbono (CO2) y una familia de compuesto Furánicos en todo tipo de papel convencional y se puede relacionar el deterioro del aislante sólido, con la vida remanente del transformador.

Los papeles son macromoléculas de celulosa, es decir, están formados por la unión de cientos de moléculas de celulosa formando una red, dando al papel unas propiedades específicas y para el uso en transformadores esta propiedades son principalmente formar una capa aislante en combinación con el aceite del transformador, allí el papel soporta esfuerzos térmicos y mecánicos durante toda la vida dentro del equipo, durante este tiempo el papel se va degradando por la acción de la temperatura, la humedad, el oxígeno y los compuestos de oxidación presentes en el aceite, (ver Figura 2) la degradación continua, hace que esta red de moléculas de celulosa se averíe ocasionando una disminución incesante de las propiedades del papel.

Fig 2. Compuestos de oxidación

En los papeles convencionales este proceso de degradación genera unos subproductos llamados Furanos: 5-Hidroximetil 2-Furfural, Furfuril Alcohol, 2-Furfuraldehído, Acetil Furano y 5-Metil 2- Furfural, de los cuales uno de ellos es acumulable con el tiempo en el aceite y con la cuantificación de este Furano (2 Furfuraldehido), se ha desarrollado una metodología para determinar de la vida remanente en los transformadores.

Los compuestos Furanicos que se forman en el proceso de degradación del papel se muestran en la Figura 3.

Los furanos presentan características especiales y son las siguientes:

El 2 Furfuraldehido también conocido como Furfural o furfuraldehido, es el compuesto más estable y de mayor abundancia de los 5 furanos, formado en la descomposición del papel por sobrecalentamiento general de la celulosa, su concentración en el aceite aislante del transformador puede afectarse sustancialmente con los procesos de tratamiento del aceite ocasionando la perdida de la trazabilidad, sin embargo en un corto tiempo la concentración del 2 Furfuraldehido llega a concentraciones de equilibrio [5].

  Figura 3. Moléculas de los compuestos furanicos [5]
El 5 Hidroxymetyl Furfural se relaciona con condiciones de Oxidación dentro del transformador. [5]

El 5 Metyl Furfural Compuesto asociado a sobrecalentamientos severos localizados en la celulosa, “hotspot”. [5] El Furfuryl Alcohol, también conocido como Furfurol o Furfural Alcohol, es un compuesto asociado con altos contenidos de humedad dentro del papel aislante e indica una descomposición activa del sistema aislante solido ligada a altos contenidos de humedad. Su presencia también se asocia como indicativo de fallas recientes. [5]

El 2 Acetyl Furano, por lo general es escaso encontrarlo en transformadores en servicio, [5].

 

Análisis de los compuestos furánicos

Los laboratorios a nivel mundial cuentan básicamente con dos normas para la determinación de los compuestos furanicos y ambas son muy similares entre las metodologías utilizadas El método IEC 61198 realiza la determinación de los furanos por cromatografía líquida de alto rendimiento ("Aceites aislantes minerales - métodos para la determinación de 2-furfural y compuestos relacionados") esta norma presenta dos tipos de extracción una es liquido-liquido descrito en el método A y la otra es liquido-sólido descrita en el método B. [2] El método ASTM D5837 ("Método de prueba estándar para compuestos furanos en líquidos aislantes eléctricos mediante cromatografía líquida de alta resolución (HPLC)"), esta norma americana también presenta los mismos dos métodos de extracción de la norma IEC, pero además referencia un método de inyección directa del aceite. [1]

Limitantes en el diagnóstico de transformadores

Tabla 1. Correlación de furanos con papeles convencionales y térmicamente estabilizados [5]
Existen dos tipos de transformadores con base al papel utilizado en su construcción, unos que están construidos con papel térmicamente mejorado o estabilizado y los que son construidos con papel convencional estos últimos son los que generan mayor cantidad de compuestos furanicos y están ampliamente conocidos con la relación con grado de polimerización (GP) y consecuentemente con la vida remanente del equipo, mientras que los que tienen papel térmicamente estabilizado presentan menor formación de estos compuestos lo que ocasiona que la relación con el grado de polimerización y la vida remanente no sean las correctamente estimadas.

La Tabla 1 muestra la diferente correlación en la formación del total de compuestos furanicos en papeles térmicamente mejorados y la concentración de 2 FAL en los papeles convencionales. De estos datos se puede concluir, que cuando una muestra de un transformador con papel térmicamente mejorado, se analiza en un laboratorio, se pueden presentar errores muy significativos, en el cálculo de la estimación de la vida remanente, considerando la baja tendencia que tiene el papel térmicamente mejorado a generar furanos, lo cual puede dar resultados que lleven a concluir erróneamente que el papel aún no se ha degradado, cuando efectivamente si lo está.

Diagnóstico de transformadores basado en los resultados obtenidos de furanos

La tasa de crecimiento de furanos puede indicar una falla latente en el transformador, porque el deterioro del papel se indica a través de la rata de crecimiento de los furanos. Pero, además, se debe determinar el grado de polimerización calculado que tiene el papel. Este parámetro es el más importante para evaluar el estado de envejecimiento del aislamiento sólido, es decir, el envejecimiento del papel o la celulosa en los equipos eléctricos inmersos en aceite. Esta, hasta ahora, es la única forma de estimar la vida remanente del aislamiento sólido sin tomar una muestra invasiva en el transformador.

Se ha verificado la correlación entre la pérdida de propiedades mecánicas del papel, que están intrínsecamente relacionadas con una disminución en su grado de polimerización, y los cambios en algunos compuestos furanos (principalmente 2- furfuraldehido) relación logarítmica establecida y aceptada en 1991, por Xue Chendong [4] quien propuso la correlación logarítmica entre el grado de polimerización y la concentración de 2-FAL ver Ecuación 1. Ecuación 1. Estimación del DP con la ecuación de Xue Chendong [4]

Log (2-FAL in mg/l) = 1,51-0,0035DP

También existen otras ecuaciones que correlacionan el contenido de 2 furfuraldehido con el grado de polimerización del papel. “De Pablo”, relaciona el contenido total de furanos con el grado de polimerización, ver la Ecuación 2. Ecuación 2. Estimación del DP con la ecuación “De Pablo” [4]

La Figura 4 muestra la correlación entre los diferentes autores que relacionan los furanos con el grado de polimerización. Entre estos autores se pueden observar que hay diferencias significativas en la determinación del grado de polimerización.

Fig 4. Diferentes métodos de cálculo del DP [4]
Es importante aclarar que todas las ecuaciones propuestas y los gráficos de correlación son desarrollados con papeles convencionales no térmicamente estabilizados. El análisis de los compuestos Furánicos permite, de manera indirecta, la estimación de la condición del papel. Altas concentraciones de 2-FAL (2-Furfuraldehído) es un indicativo del envejecimiento del transformador, pero la limitante de esta metodología es que pese a que es muy útil en transformadores fabricados con papel tipo Kraft, no se obtienen resultados muy confiables en papeles térmicamente estabilizados.

La calificación de un transformador por el contenido Furanos se determina teniendo en cuenta el compuesto 2 Furfuraldehido y se clasifican así:

Calificación 2 – Para unidades con concentraciones de 2 Furaldehido <1000 µg/Kg

Calificación 3 - Para unidades con concentraciones de 2 Furaldehido entre 1000 - 2000 µg/Kg

Calificación 4 - Para unidades con concentraciones de 2 Furaldehido >2000 µg/Kg

Otras evaluaciones importantes en el diagnóstico del aislante sólido (papel)

En los últimos años se ha presentado un gran auge en los análisis del metanol (CH3OH) y etanol (CH3CH2OH), los cuales son utilizados como nuevos indicadores para evaluar la condición del aislamiento de papel [8].

Desde años atrás, aproximadamente desde el año 2007, se viene estudiando la posibilidad de utilizar metanol como un marcador de la degradación química del aislamiento sólido, en condiciones normales de funcionamiento de los equipos inmersos en aceite dieléctrico.

Un alto porcentaje de las muestras de aceite aislante en servicio presentan concentraciones de metanol. Este resultado ha sido apoyado por una investigación realizada por Gilbert et al [9] y [10]. Estas pruebas han demostrado que el metanol no es un producto generado por la oxidación y que se forma como resultado de la degradación del papel, incluso en papeles que han sido térmicamente estabilizados o mejorados de acuerdo con investigaciones realizadas durante los últimos años [9].

Asimismo, una importante conclusión obtenida fue que este marcador no se ve afectado por la condición de envejecimiento del aceite. Adicionalmente en el estudio comparativo entre metanol y 2FAL arrojan como resultado que en las primeras etapas de la degradación del papel se genera mucho más rápido el metanol que el 2FAL. Estas investigaciones muestran una correlación lineal entre DP y la formación de metanol incluso en las primeras etapas de su formación [8] y [11].

En una investigación realizada por Hydro-Québec de Canadá y Electricité de Francia, acerca de una situación de enfriamiento en un transformador con papel térmicamente estabilizado, se encontró que la concentración de 2-FAL era de aproximadamente 100µg/Kg, mientras que la concentración de metanol (CH3OH) era de aproximadamente 650µg/Kg. Si se realiza un análisis con la concentración de 2-FAL se puede decir que el papel no se ha visto afectado. Sin embargo, la concentración del metanol (CH3OH) demuestra que efectivamente el problema de calentamiento del equipo ha afectado la vida remanente del aislante sólido. Es por esto, que se recomienda el uso del análisis tanto de furanos, como de Metanol para calcular el estimativo de vida remanente del equipo, con mejor precisión [12].

Conclusiones

La estimación de la vida remanente de un transformador en un insumo fundamental para hacer una adecuada gestión de un parque de transformadores.

Los otros compuestos furanicos diferentes al 2 furfuraldehido, tienen una información importante sobre los posibles problemas que están ocurriendo en un transformador.

La generación del tipo de compuesto furanico está influenciada por condiciones como humedad temperatura y oxígeno.

Es importante considerar, no sólo las concentraciones puntuales del 2 furfuraldehido (2-FAL), en el diagnóstico de las unidades, sino además, las ratas de generación del 2 FAL, para detectar fallas latentes.

El ensayo de contenidos de furanos es una prueba muy importante para el diagnóstico de la vida remanente de los transformadores, y es realizada en Colombia por el Laboratorio de Análisis Químico de CIDET, ensayo acreditado bajo la norma ISO IEC 17025.

La interpretación y aplicación adecuada de las técnicas de diagnóstico para el aislante sólido estudiadas, requiere de conocimientos y experiencia previa de los profesionales responsables, considerando la gran incertidumbre que pueden tener estos resultados debido a la complejidad de los procesos de generación de gases combustibles disueltos en el aceite, otros compuestos o marcadores de contaminación presentes en los equipos, los efectos en los resultados derivados de los procesos de muestreo, la incertidumbre intrínseca de los resultados de laboratorio, el tipo de aceite, temperatura del aceite y los efectos ambientales, entre otros factores.

Debido a que el papel térmicamente estabilizado no genera la cantidad de compuestos furánicos que se espera por la descomposición del papel, es importante el uso de otros marcadores de la descomposición del aislante sólido, como el metanol y el etanol que son independientes de la degradació del aceite, para identificar de manera univoca el envejecimiento del papel. Usar de manera adecuada la concentración de metanol y etanol es una herramienta importante en el seguimiento adecuado a la vida remanente de los equipos inductivos, pero aun la comunidad científica está trabajando en los algoritmos adecuados para calcular con mayor precisión el DPv a partir de estos dos nuevos marcadores.

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Óscar Londoño
Analista Laboratorio de Análisis Químico CIDET
Autor

Astrid Margarita Álvarez C
Coordinadora Laboratorio de Análisis Químico CIDET
Autor

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