El proposito de
este post es debatir sobre los modelos de evaluación de la degradación del
papel en Transformadores para tener claro cual representa mejor la correlación DP-Furanos,
para ello, cuento con la participación del experto internacional en aceites
Alfonso de Pablo (ex-miembro del grupo de trabajo A2.32 del CIGRE).
Revisión
Bibliográfica:
La mayoría de laboratorios
utilizan la relación:
DP [Log(= 2FAL 0.88) − 4.51]/(−0.0035)
la cual es una modificación de la
ecuación Chendong (
“Monitoring Paper Insulation Aging by Measuring Furfural Contents in Oil”, 7th
International Symposium on High Voltage Engineering, 1991).
Aunque aparentemente adecuada
para transformadores sin papel térmicamente enriquecido, la correlación no es
buena cuando dicha ecuación es aplicada a datos pertenecientes a
transformadores con papel térmicamente enriquecido según: R. D. Stebbins, S. D.
Myers and A. B. Shkolnik, “Furanic compounds in dielectric liquid samples:
Review and update of diagnostic interpretation and estimation of insulation
ageing,” IEEE Proc. of the 7th International Conf. on Properties and
Applications of Dielectric Materials, June 1-5 2003 Nagoya).
Alfonso de Pablo desarrolla un
modelo de degradación del papel basado en un programa común de investigación
llevado a cabo por el grupo de trabajo 15.01.03 de la CIGRE. (Furfural and ageing: how are they related”,
Insulating Liquids (Ref. No. 1999/119), IEE Colloquium on, 27 May 1999)
Alfonso de Pablo encuentra la
correlación entre el DP y el 2-FAL:
DP = (8.88 DP0)/(8.88+2FAL)=(7100)/(8.88+2FAL)
asumiendo un DP inicial (DPo) de
800 y el 2-FAL en ppm,
Alfonso de Pablo demuestra que
esta correlación debe cambiar para distintas condiciones de operación p.e.
sobrecarga del equipo, puntos calientes, etc.
M. Dong, Z. Yan, G.J. Zhang, (Comprehensive
diagnostic and aging assessment method of solid insulation in transformer”,
Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 2003. Annual Report.
Conference on 19-22 Oct. 2003, pp. 137– 140). sugieren una relación lineal
entre el logaritmo del contenido total de furanos versus el contenido de agua y
el tiempo de operación del equipo. Este modelo está basado en el análisis de
correlación y correlación parcial entre las variables.
Además, estos autores sugieren una
relación lineal entre el DP y el logaritmo del contenido total de furanos, la
cual está basada en el análisis de correlación entre estas variables
(R=-0.770). Obteniendo el valor de DP al utilizar:
DP=402.4 7- 220.87 Log(2FAL)
y utilizando este valor para
estimar la vida del equipo.
Z. Yan, M. Dong, Y. Shang and M. Muhr, (“Ageing
diagnosis and life estimation of paper insulation for operating power
transformer”, International Conf. On Solid Dielectric, Toulouse, France,
4-5 July 2004) muestran otra ecuación similar a la anterior pero las constantes
de la ecuación son algo distintas (418.95 y 233.48, respectivamente).
Y. Shang, L. Yang, Z. J. Guo and Z. Yan,
(“Assessing aging of large transformers by furfural investigation”, IEEE 7th
Intern. Conf. On Solid Dielectrics, June 2001) .de acuerdo con el
análisis de regresión entre 2- FAL (ppm) y el DP, obtienen la relación:
Log(2FAL)=1.5062 – 0,035 DP
Siendo los resultados distintos a
los encontrados utilizando la primera relación.
Los autores Alfonso de Pablo y Y.
Shang, L. Yang, Z. J. Guo and Z. Yan, no mencionan si el papel de los
transformadores muestreados es enriquecido térmicamente o no.
Posteriormente se obtiene: (IEC “Mineral
insulating oils - Methods for the determination of 2- furfural and related compounds”.
IEC 61198) la cual es una relación entre el 2-FAL (ppm) y el tiempo de
operación continua (años) del transformador :
Log(2FAL) = 1.8308 + 0.0578 t
Alfonso de Pablo
Andrés, muy buena la revisión
bibliográfica que has hecho.
Antes de nada una aclaración, yo
derivé mi modelo de degradación a partir de papeles kraft normales (no
mejorados térmicamente).
No obstante, la correlación entre
el resultado de contenido en furfural disuelto en aceite y el grado de
polimerización del papel tiene muy difícil solución por varios motivos:
- En el laboratorio, cuando se analiza una muestra de aceite, se obtiene un único resultado. Sin embargo, el papel está inmóvil en el devanado y dentro de un transformador hay tantos grados de polimerización como muestras de papel puedas tomar, debido a que dentro del transformador existe un gradiente de temperaturas (zonas térmicas).
- El grado de polimerización del papel depende de varios factores. El principal es la temperatura, a mayor temperatura menor grado de polimerización. El segundo es el contenido en humedad del papel (hidrólisis del papel, el factor dominante a las temperaturas habituales de trabajo). Igualmente, a mayor humedad menor grado de polimerización. También influye el contenido en oxígeno disuelto en el aceite (oxidación), aunque en menor medida que los factores anteriores.
- Otro aspecto que se sabe que influye mucho en el grado de polimerización del papel pero no se ha cuantificado convenientemente es el contenido en lodos y sedimentos. Sí se han hecho algunos intentos de relacionar la acidez del aceite con el grado de polimerización, pero la acidez no es el único factor que afecta.
Todos los modelos de degradación
que mencionas, menos el mío, están basados en una correlación logarítmica entre
furfural y DP, pero yo creo que esto es un artificio matemático (la escala
logarítmica tiene menos dispersión que la normal) que no tiene ninguna
justificación desde el punto de vista químico. Por ello, yo estudié el
rendimiento de la reacción de descomposición del papel y vi que, entre 100 y
150ºC, el rendimiento de la reacción es del 30%, es decir, cada rotura de la
molécula de celulosa rinde 0,3 moléculas de furfural y 0,7 moléculas de otros
productos (otros furanos distintos al furfural, levoglucosano y otros
azúcares).
A temperaturas superiores, cambia
la cinética de la degradación y el rendimiento puede llegar al 85% de furfural,
por lo que mi modelo solo puede usarse a estas temperaturas con muchísimo
cuidado.
Por último y quizás lo más importante,
en un transformador en servicio es imposible saber qué cantidad de papel se
está degradando en cada momento como consecuencia de un punto caliente (se
estima que esto puede ser entre un 2% y un 10% de la cantidad total de papel,
pero solo es una estimación).
Por todo ello, es prácticamente
imposible correlacionar furfural y DP en un transformador en servicio, sin
cometer grandes errores derivados de todas estas incertidumbres (salvo que se trate
de un calentamiento generalizado, pues entonces todo el papel tiene un DP muy
parecido).
Aclaración:
El análisis de furanos difícilmente permite
distinguir entre papel Kraft normal o mejorado térmicamente. Como bien dices,
el papel kraft normal produce más furanos, posiblemente porque las bases que se
usan para mejorar térmicamente el papel (diciandiamida, acronitrilo, melanina,
poliacrilamida...) destruyen parte del furfuraldehído a medida que se forma. El
único método es analizar el contenido en nitrógeno en el papel. Si aparece
nitrógeno es papel mejorado térmicamente, si no es papel kraft normal. Pero
este método es cuestionado y difícil de realizar por laboratorios de aceites de
transformador como JORPA.
Andrés Granero
Según indica la literatura
técnica y mi experiencia de cuando trabaje en Schneider como empresa fabricante
de transformadores, en Norte América se fabrican con papel térmicamente
enriquecido a partir de los años sesenta y casi todos los transformadores
manufacturados fuera de Norte América el papel no está térmicamente enriquecido.
Sólo recientemente, fabricantes de transformadores de Europa y Japón han
fabricado equipos con papel térmicamente enriquecido y esto se mantiene en la
actualidad como una opción que el comprador tiene que solicitar
específicamente.
Por esta razón y ante la duda
creo que sin conocer estas características no se puede dar un diagnóstico
adecuado del envejecimiento del papel, el contenido de furanos o su grado de
polimerización. Bajo mi humilde punto de vista creo que el método más fiable y
sencillo es preguntar al fabricante. Este es el motivo de mi pregunta: ¿Qué
método utilizáis para poder discriminar si un transformador utiliza o no papel
térmicamente enriquecido?
Alfonso de Pablo
Completamente de acuerdo contigo.
La solución más adecuada es preguntar al fabricante (si todavía existe...).
Como regla general, he podido
constatar que en América utilizan generalmente papel mejorado térmicamente y en
Europa usamos papel kraft normal
Andrés Granero
He escuchado hablar sobre
modernas técnicas de inteligencia computacional para el monitoreo y diagnóstico
del papel aislante que obtienen un panorama más real que el de las técnicas de
análisis estadístico y físico químico, tales como:
- Método que utiliza redes neuronales artificiales para evaluar la edad del papel aislante
- Método que usa la teoría borrosa para evaluar la condición de envejecimiento del aislamiento sólido.
¿Tienes experiencia o
conocimiento de estas nuevas técnicas?
Alfonso de Pablo
La interpretación de los
resultados de los análisis de furfuraldehído en el laboratorio es un problema
de enorme magnitud. El laboratorio obtiene un valor, y sólo uno, que se expresa
como mg de furfural/g de aceite, pero dentro del transformador el papel
aislante tiene tantos grados de polimerización como muestras pudieras recoger
(suponiendo que puedas tomar muestras de papel, que generalmente no es
posible). Esto es así porque dentro de un transformador hay diferentes
gradientes térmicos que hacen que el papel en esa parte del devanado tenga un
grado de polimerización diferente al de unos centímetros más allá. Es más, yo
mismo comprobé como cada capa de papel alrededor de un trozo de conductor de
pocos centímetros de longitud tenía un grado de polimerización distinto entre
680 y 845 unidades (A. de Pablo, CIGRE TF 15.01.03, Bled (Slovenia) 1996).
Desde que Peter Burton
descubriera la presencia de furfuraldehído en el aceite de transformadores que
fallaron por fallo del aislamiento sólido (P. J. Burton, J. Graham, A. C. Hall,
J. A. Laver and A. J. Oliver. “Recent
developments by CEGB to improve the prediction and monitoring of transformer
performance”, CIGRE 1984 Session, Paper 12-09. Paris), muchos
investigadores han perseguido la fórmula mágica que permitiera correlacionar el
furfuraldehído con el grado de polimerización del papel, pero con poco éxito
porque la solución es extremadamente compleja.
El modelo de Luiz Cheim es quizás
el más elaborado, pero hay otros autores que conducen a resultados parecidos,
tales como: Burton, Chendong, Dominelli, Duart y la mía.
Por último, recientemente IEC ha
aprobado la publicación de un TR (Technical Report) 62874, pero a mí personalmente
me parece muy pobre.
Andrés Granero
Efectivamente Alfonso, la
interpretación de los resultados de los análisis de furfuraldehido en
laboratorio es un problema de enorme magnitud, tú mismo modelo de degradación
ha experimentado diferencias notables con otros modelos propuestos por otros
investigadores tales como: C. D. Xue, P.J. Burton, P. Vuarchex, X. Chendong,
etc.
Incluso, H. Lutke, (Transformer
ageing research on furanic compounds dissolved in insulating oil CIGRE, Paris,
2002) va más allá y concluye: “debido al gran número de parámetros que afectan
a la generación de compuestos furánicos y a la pérdida de vida de un transformador,
no es posible predecir la vida útil del transformador en base al contenido de
compuestos furánicos”
Desgraciadamente no es sencillo
extrapolar los datos obtenidos en el laboratorio al análisis de transformadores
en servicio. Al analizar datos obtenidos sobre transformadores reales aparece
una gran variabilidad en los datos, lo que hace que no sea posible aplicar de
manera fiable ninguna de las ecuaciones propuestas en la literatura a la hora
de tomar una decisión sobre el estado del transformador.
El mismo Luiz Cheim que mencionas,
indica que existen otros parámetros que deben ser analizados y tenerse en
cuenta en la futura evaluación del análisis de furanos, tales como: el tipo de
aislamiento, el contenido de humedad del aislamiento, la cantidad de oxígeno en
el aislamiento, la presencia de ácidos u otros contaminantes, los inhibidores
en el aceite, la partición de furanos entre el papel y el aceite y los
tratamientos del aceite (tales como la desgasificación y el secado o la
regeneración), pueden desempeñar un papel significativo en la velocidad de
producción de furanos.
Y con relación a las estadísticas
de análisis desarrollados sobre grandes cantidades de muestras de
transformadores, concluye: Otro punto que debe tenerse en cuenta es la
variación en el diseño del transformador. Dos transformadores que operan bajo
las mismas condiciones, pero de diferente modelo o fabricante, es común que se
comporten de manera diferente desde el punto de vista térmico. A menudo,
incluso los propios arrollamientos de un transformador poseen diferente
gradiente de temperaturas bajos unas determinadas condiciones de carga. Estas
variaciones en el gradiente de temperatura pueden ser aún más significativas
cuando se comparan los diseños de dos fabricantes diferentes. Así, un análisis
comparativo de dos transformadores diferentes bien puede indicar similares DP
pero cantidades muy diferentes de los furanos producidos durante un tiempo de
funcionamiento dado.
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