Puntos clave del diseño a prueba de explosiones para transformadores sumergidos en aceite: ¿Cómo funcionan conjuntamente los dispositivos de alivio de presión y los relés de gas?

Los transformadores sumergidos en aceite se utilizan ampliamente en la infraestructura eléctrica mundial debido a su excelente aislamiento y capacidad de disipación de calor. Sin embargo, las fallas internas pueden provocar un rápido aumento de la presión y la descomposición del aceite aislante, lo que supone un grave riesgo de explosión. Las normas de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) y del IEEE destacan la importancia de los sistemas a prueba de explosiones para la seguridad de los transformadores. Este artículo profundiza en los principios de funcionamiento, los mecanismos de interacción y las consideraciones de diseño de dos componentes esenciales a prueba de explosiones: el dispositivo de alivio de presión (PRD) y el relé de gas (relé Buchholz), con el fin de ayudar a los ingenieros eléctricos y al personal de mantenimiento a comprender plenamente este sistema de seguridad crítico.

1. Fallas internas en transformadores sumergidos en aceite y requisitos a prueba de explosiones

● Tipos y consecuencias de las fallas internas

Las fallas internas en los transformadores sumergidos en aceite se clasifican en dos categorías: fallas eléctricas y fallas térmicas. Las fallas eléctricas incluyen cortocircuitos entre espiras, cortocircuitos entre capas y fallas a tierra, mientras que las fallas térmicas implican sobrecalentamiento localizado del núcleo y una disipación de calor deficiente debido a la obstrucción del flujo de aceite. Según las normas IEEE C57.12.00, estas fallas desencadenan las siguientes reacciones en cadena:

Tabla 1: Tipos de fallas internas en transformadores y sus efectos físicos

● Dinámica de la generación de gas

La descomposición del aceite aislante (normalmente aceite mineral) en condiciones de falla sigue la ecuación de Arrhenius:

k = A·e^(-Ea/RT)

Lugar:

k: Constante de velocidad de reacción
A: Factor de frecuencia (dependiente del aceite, típicamente)        10^12~10^14 s^-1)
Ea: Energía de activación (~210 kJ/mol para el aceite mineral)
R: Constante del gas ideal (8.314 J/mol·K)
T: Temperatura absoluta (K)

Esta ecuación muestra que la velocidad de reacción se duplica por cada aumento de 10 °C en la temperatura. Cuando la temperatura de la falla supera los 500 °C, se pueden generar varios metros cúbicos de gas en cuestión de minutos.

2. Dispositivo de alivio de presión (DAP): La primera línea de defensa contra la sobrepresión transitoria

● Principio de funcionamiento y diseño mecánico

El PRD utiliza un mecanismo de diafragma con resorte. Su presión de apertura (P_open) está determinada por:

P_apertura = (F_resorte - F_precarga)/A_sellado

Lugar:
F_resorte: Fuerza del resorte (N)
F_precarga: Fuerza de precarga de instalación (N)
A_seal: Área de sellado (m²)

El ajuste típico es 70±5 kPa (según IEC 60076), por debajo del límite de resistencia del tanque (normalmente 140 kPa) pero por encima de la presión de funcionamiento normal (<35 kPa).

● Parámetros clave de rendimiento y selección

Tabla 2: Comparación del rendimiento de PRD (basada en IEEE Std C57.12.10)

Nota: Cv se define como el caudal (en galones por minuto) de agua a 60 °F con una caída de presión de 1 psi, lo que refleja la capacidad de ventilación.

3. Gas Relay: El guardián de precisión para la monitorización de gases

● Mecanismo de doble flotación

Los modernos relés de gas utilizan flotadores acoplados magnéticamente:
(1) Flotador superior:Responde a la velocidad del flujo de aceite (alarma). disparador, típicamente 0.6-1.2 m/s)
(2) Flotador inferior:Responde a la acumulación de gas (viaje)              disparador, generalmente 250±50 mL)

La tasa de acumulación de gas (dv/dt) se correlaciona con la gravedad de la falla. Una tasa >12%/h requiere una parada inmediata (según IEC 60599).

● Cromatografía de gases y diagnóstico de fallas

Los gases recogidos se analizan utilizando el método del triángulo de Duval:

%CH4 = [CH4]/([H2]+[CH4]+[C2H4]) × 100%
%C2H4 = [C2H4]/([H2]+[CH4]+[C2H4]) × 100%

Zonas de falla típicas:
(1) PD (descarga parcial): CH4 >70%
(2) T1 (sobrecalentamiento a baja temperatura): CH4 30-70%, C2H4   <15%
(3)T2 (sobrecalentamiento a temperatura media): C2H4 15-50%
(4)T3 (sobrecalentamiento a alta temperatura): C2H4 >50%

4. Mecanismo colaborativo e integración del sistema

La seguridad a prueba de explosiones de los transformadores sumergidos en aceite se basa en las acciones sincronizadas en el tiempo y espacialmente complementarias del dispositivo de alivio de presión (PRD) y el relé de gas. Juntos, forman una cadena de protección completa, desde la alerta temprana hasta el alivio de presión de emergencia. A continuación se muestra su flujo de trabajo colaborativo:

● Cronología de la respuesta ante fallos

Lógica clave: El PRD maneja los picos de presión (físicos), mientras que el relé monitorea el gas (químico).

● Disposición espacial (Según IEC 60296 e IEEE C57.12.00)

(1) Elevación:Se debe instalar un relé de gas en la tubería entre el conservador y el tanque, con una inclinación ≥5° (≥7° en Europa) para asegurar que el gas fluya hacia el relé.

(2)Aislamiento de presión:La ventilación PRD debe estar a ≥1.8 m del relé, con un ángulo ≥45° para evitar interferencias.

(3) Dinámica del flujo de aceite:El caudal mínimo Qmin=0.26×D^2.5 (L/min) (D = diámetro de la tubería en cm) garantiza un movimiento fiable del flotador.

● Simulación de caso (cortocircuito entre espiras)

(1)t=0s: El cortocircuito calienta el aceite a >1000°C, generando H₂ y C₂H₂.

(2)t=15s: La tasa de acumulación de gas alcanza los 50 mL/s → se dispara el relé.

(3)t=18s: Si falla el interruptor, la presión aumenta repentinamente a 70 kPa → se abren las válvulas PRD.

(4)t=30s: La válvula PRD libera una mezcla caliente de petróleo y gas, evitando una explosión.

(5)t=5min: El análisis de gases confirma el tipo de falla.

En resumen

Los modernos sistemas antiexplosivos para transformadores sumergidos en aceite integran la monitorización de múltiples parámetros y la protección por capas. Para mejorar la seguridad y la fiabilidad, los operadores deben:

(1) Pruebe los PRD anualmente (incluidas las comprobaciones de sellado).

(2) Verifique el funcionamiento del relé de gas cada 6 meses.

(3) Simular las respuestas del sistema completo cada dos años.

Estas medidas cumplen con las normas IEC 60599 e IEEE C57.104, lo que prolonga la vida útil del transformador y mejora la seguridad operativa.

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