Funcionamiento y Mantenimiento de Transformadores Eléctricos

Averías Internas y Degradación del Aceite

En caso de avería interna, el aceite se descompone, generando gases. El envejecimiento del aceite se debe a factores como el oxígeno (que produce lodos), la temperatura (que activa la oxidación), la luz y ciertos metales como el cobre (que catalizan las reacciones de envejecimiento). Cuando el aceite se oxida, los lodos se depositan en la superficie de los arrollamientos.

El agua es el elemento más perjudicial, ya que incluso en pequeñas concentraciones (partes por millón) reduce drásticamente la rigidez dieléctrica del aceite.

Tipos de Transformadores y Sistemas de Expansión

Los transformadores pequeños son de llenado integral. Cuando el aceite se dilata, la cuba aumenta su volumen gracias a unas aletas de refrigeración con cierta elasticidad.

Los transformadores grandes disponen de un depósito conservador o de expansión, que representa aproximadamente el 8% del volumen de la cuba. Este depósito evita el envejecimiento prematuro del aceite al alejarlo de los focos de calor y mejorar la refrigeración, ya que la superficie de evacuación de calor es mayor en relación con el volumen.

En estos depósitos, el aceite está en contacto con el aire, pero esto no es preocupante debido a que la superficie de contacto es reducida y el aceite se mantiene frío. Esto genera un equilibrio químico donde el aceite puede contener hasta 800 ppm de oxígeno. Para reducir la humedad del aire, se instala un desecante (silicagel) al final de la tubería. Sin embargo, en condiciones de lluvia, niebla o si el transformador se desconecta de la red, el silicagel puede saturarse, cambiando de color e indicando la necesidad de reemplazo o secado.

El Relé Buchholz: Detección de Gases y Flujo Anormal

El relé Buchholz se instala en la tubería que conecta la cuba con el depósito de expansión. Su función es detectar tanto la presencia de gases como una velocidad del aceite superior a la normal.

El relé Buchholz está compuesto por un pequeño depósito de líquido aislante que contiene un flotador y un diafragma sumergido en el aceite. Ambos están conectados a un circuito de desconexión que se activa en caso de presencia de gas en el aceite. Cuando el aceite se descompone, se generan gases que se desplazan hacia el depósito de expansión o se acumulan en el relé. Esto provoca un desplazamiento del nivel del líquido y la inclinación del flotador, activando una alarma sin desconectar el transformador. La desconexión no se produce inicialmente porque los gases acumulados pueden deberse a factores como la acumulación a lo largo de los años o el transporte.

Si el defecto del transformador es grave, se genera una gran cantidad de gas que desplaza el aceite a alta velocidad por la tubería. Si la velocidad es suficiente, el diafragma se levanta y activa el interruptor que desconecta el transformador, impidiendo su rearme hasta que un operario lo reinicie manualmente.

Análisis de Aceite: Diagnóstico del Estado del Transformador

Análisis Fisicoquímicos

Los análisis fisicoquímicos informan sobre el estado del aceite y si se está degradando de forma acelerada. Se evalúan parámetros como:

• Color: Un aceite nuevo es amarillo claro, mientras que uno viejo es casi negro.
• Contenido de agua.
• Rigidez dieléctrica.
• Tangente de delta.

La tangente de delta se mide llenando un condensador con el aceite dieléctrico y utilizando un puente de Schering para medir la capacidad y las pérdidas de potencia activa. En un condensador ideal, la intensidad consumida está 90° adelantada respecto a la tensión aplicada. Con un aceite en buen estado, el condensador no consume potencia activa y el intercambio con la fuente se limita a la potencia reactiva. Si el dieléctrico contiene partículas polares, al aplicar una tensión sinusoidal, estas se orientan. Sin embargo, en el siguiente semiciclo, la polaridad cambia y los dipolos rotan, chocando entre sí y generando calor (histéresis dieléctrica). Esto provoca que el condensador consuma cierta potencia activa de la fuente y que la intensidad se desfase menos de 90° respecto a la tensión. Este nuevo desfase se denomina φ, pero en Europa se utiliza su complemento δ. La tangente de δ indica si el aceite debe ser desechado (si es muy elevada) o si puede ser reacondicionado mediante filtrado y centrifugado. En casos de aceites más envejecidos, se utilizan tierras de Fuller.

Análisis de Gases

El análisis de gases evalúa la descomposición del aceite bajo la acción de la temperatura, que genera gases como metano, etano, etileno y acetileno. En condiciones normales, la proporción de estos gases se mantiene constante, pero si existen puntos calientes, esta proporción cambia. Se toma una muestra de aceite en un recipiente opaco y se determina la concentración de gases. Esta concentración se compara con los umbrales establecidos en la norma UNE. Si se superan los umbrales, se calculan los cocientes de gases y se asignan valores. Con este código de tres valores, se consulta una tabla que indica el defecto más probable del transformador. Si el cociente entre CO y CO2 es inferior al umbral, indica que se está descomponiendo el papel aislante.

Es fundamental conocer la evolución de la avería, por lo que se realizan análisis periódicos, aumentando la frecuencia si es necesario.

La generación excesiva de H es sintomática de una descarga parcial, que normalmente se produce en burbujas de gas dentro del aceite. Para estudiar la distribución del campo eléctrico entre los distintos aislamientos, se representa un condensador con diferentes permitividades dieléctricas (ej., papel, aceite y gas).

Como el gas tiene una permitividad dieléctrica menor, está sometido a un campo eléctrico mayor y, además, tiene una rigidez dieléctrica menor. Esto provoca pequeñas descargas eléctricas entre las paredes de la burbuja, descomponiendo el aceite y generando gases.

Tipos de Aceites Aislantes y sus Características

El aceite mineral presenta el inconveniente de su bajo punto de inflamación, a pesar de ser un buen aislante y refrigerante. Por esta razón, en transformadores instalados dentro de edificios, se suelen utilizar otros tipos de aislantes.

Existen transformadores en seco, con los arrollamientos encapsulados en resina. El problema de estos transformadores es la dificultad de evitar la formación de burbujas, lo que puede provocar descargas parciales. Por lo tanto, se utilizan solo para tensiones reducidas (hasta 30 kV) y potencias limitadas (hasta 10 MVA) debido a la menor capacidad de refrigeración del aire.

Los transformadores con aceite de silicona ofrecen un buen aislamiento, pero la silicona tiene una alta viscosidad, lo que dificulta la refrigeración, especialmente a altas temperaturas.

Los aceites vegetales, obtenidos del refino de aceites de girasol, colza, etc., son buenos aislantes y tienen un alto punto de inflamación. Sin embargo, se oxidan fácilmente, por lo que se utilizan principalmente en transformadores herméticos sin respiración o con preservador de caucho. Además, son muy higroscópicos, es decir, atraen el agua tanto en forma de vapor como en forma líquida.

Mantenimiento de Transformadores

El mantenimiento de los transformadores es una gran responsabilidad, ya que un fallo puede ocasionar la interrupción del suministro eléctrico. Los transformadores de grandes potencias se fabrican a medida, y el tiempo de entrega desde el pedido puede superar un año. Es más sencillo reparar una avería cuando afecta a una pequeña parte del transformador que cuando es más global. Para conocer el estado del transformador, se realizan diversos ensayos.

Entre los ensayos realizados se encuentran la medida de la capacidad entre arrollamientos, la corriente de excitación monofásica (intensidad necesaria para crear el flujo magnético), la relación de transformación, el FRA (respuesta al barrido de tensiones de frecuencias variables) y el FDS (para estimar el contenido de humedad de los aislamientos sólidos).