¿Cómo evaluar el envejecimiento del papel aislante de un transformador?

—Método de ensayo del grado de polimerización (valor DP) y predicción de la vida útil restante

Con el envejecimiento progresivo de la infraestructura de la red eléctrica global, los transformadores, como equipos centrales de los sistemas de energía, desempeñan un papel fundamental en la fiabilidad operativa. El envejecimiento del papel aislante de los transformadores es una de las principales causas de fallos en los equipos, lo que repercute directamente en la seguridad, la estabilidad y la gestión de la vida útil de los activos de la red. La evaluación científica del estado del papel aislante y la predicción de su vida útil restante se han convertido en un factor clave para la toma de decisiones de mantenimiento en el sector eléctrico. Este artículo ofrece un análisis exhaustivo del método de ensayo del Grado de Polimerización (valor DP), reconocido internacionalmente, y su aplicación para predecir la vida útil restante de los transformadores, proporcionando una guía científica para la gestión del estado de sus equipos.

Contenido

1. Mecanismo principal del envejecimiento del papel aislante: Ruptura de las cadenas de celulosa

El papel aislante para transformadores se compone principalmente de celulosa. El nuevo papel presenta moléculas de celulosa de cadena larga (con un grado de polimerización [DP] típicamente entre 1000 y 1300), lo que proporciona una excelente resistencia mecánica y eléctrica.

(1) Factores desencadenantes del envejecimiento (Causa):El calor (temperatura), el oxígeno, la humedad y las sustancias ácidas (subproductos del envejecimiento del aceite aislante) actúan inevitablemente sobre la celulosa durante el funcionamiento del transformador.

(2)Reacciones químicas (Efecto):Estos factores desencadenan reacciones químicas complejas (principalmente hidrólisis y oxidación), que provocan la ruptura de los enlaces glucosídicos en las moléculas de celulosa.

(3) Degradación del rendimiento (Efecto):A medida que aumentan las roturas de cadena, las moléculas de celulosa se acortan (el grado de polimerización disminuye), lo que conlleva una reducción significativa de la resistencia mecánica (resistencia a la tracción, tenacidad). El papel se vuelve quebradizo, y su rigidez dieléctrica (resistencia a la tensión) y su capacidad de absorción de aceite también disminuyen, lo que puede provocar descargas eléctricas o fallos de aislamiento.

2. Grado de polimerización (valor DP): El método de referencia para cuantificar el envejecimiento del papel aislante.

El valor DP (Grado de Polimerización) refleja directamente la longitud promedio de las cadenas moleculares de celulosa y es el indicador más preciso y reconocido internacionalmente (por ejemplo, IEC 60450, ASTM D4243) para evaluar el envejecimiento del papel aislante.

(1) Principio de prueba (causa):La prueba del valor DP se basa en la viscosidad o el comportamiento reológico de la celulosa en disolventes específicos (por ejemplo, solución de cuprietilendiamina). Las moléculas de cadena larga dan como resultado una mayor viscosidad, mientras que las moléculas de cadena corta dan como resultado una menor viscosidad.

(2) Método de medición (Efecto):En un laboratorio, se mide con precisión la viscosidad de muestras de papel aislante disuelto y se compara con estándares conocidos para calcular el valor DP promedio. Esta es una prueba destructiva que se realiza normalmente durante el mantenimiento de transformadores mediante el muestreo de áreas clave (por ejemplo, cerca de puntos calientes).

(3) Evaluación de la condición (Efecto):El valor DP proporciona una "instantánea" precisa del estado de envejecimiento del papel aislante.

Tabla: Relación entre el valor DP y el estado de envejecimiento del papel aislante (Basado en las directrices IEEE Std C57.91)

3. Modelos de predicción de vida útil restante de transformadores basados ​​en el valor DP

Una única prueba de valor DP evalúa el estado actual, mientras que la predicción de la vida útil restante requiere la combinación de modelos cinéticos de envejecimiento. El más utilizado es el modelo de velocidad de reacción de Arrhenius basado en el envejecimiento térmico.

(1)Base del modelo (causa):La temperatura es el principal factor que acelera el envejecimiento del papel aislante. La ecuación de Arrhenius describe la relación entre la constante de velocidad de reacción (k) y la temperatura absoluta (T):

                                     k = A * exp(-Ea / (R * T))

                – k: Constante de velocidad de reacción (representa la velocidad de envejecimiento)
 – A: Factor preexponencial (material/ambiente-                   constante dependiente)
 – Ea: Energía de activación (típicamente ~111 kJ/mol para      Degradación de la celulosa (ajustada para sistemas de aceite y papel)
– R: Constante de los gases ideales (8.314 J/mol·K)
– T: Temperatura absoluta (Kelvin, K = °C + 273)

(2)Disminución del valor del PIB y consumo de vida (Causa):Los experimentos y los datos operativos muestran que, a temperatura constante, la disminución del valor DP (o envejecimiento) sigue una relación aproximadamente lineal (o funciones específicas como la cinética de primer orden). El tiempo necesario para alcanzar el valor DP de fin de vida útil (por ejemplo, 200 o 250) representa la «vida útil» a esa temperatura.

(3) Aceleración de la temperatura (Causa):Según Arrhenius, cada aumento de 6–10 °C (dependiendo de Ea) duplica las tasas de envejecimiento, acortando drásticamente la vida útil a temperaturas más altas.

(4) Pasos de predicción (Efecto):

a.       Recopile los valores históricos de DP (al menos dos pruebas) y los años operativos correspondientes.

b.      Estimar las temperaturas de funcionamiento, especialmente las de los puntos calientes (utilizando registros de carga, datos ambientales o parámetros de diseño).

c.       Desarrolle un modelo de envejecimiento ajustando la disminución histórica de DP y el estrés térmico equivalente para derivar una ecuación de tasa de envejecimiento específica para el transformador (puede requerir software/ingeniería especializada).

d.         Extrapole la vida útil restante proyectando la disminución del valor DP actual hasta el umbral de fin de vida útil bajo las temperaturas futuras esperadas.

Tabla: Comparación de modelos de predicción de la vida útil restante de un transformador

4. Pasos clave de las pruebas y estrategia de evaluación integral

(1) Muestreo representativo:Siga las normas (p. ej., IEC 60544) para recoger muestras no contaminadas de zonas calientes (p. ej., cerca de las cabezas de los devanados). La calidad de la muestra influye directamente en la precisión.

(2) Pruebas de laboratorio de precisión:Utilice laboratorios acreditados para las pruebas DP basadas en la viscosidad (según IEC 60450 o ASTM D4243).

(3) Análisis holístico de datos: Combinar:

–         Tendencias históricas de DP para realizar un seguimiento de las tasas de envejecimiento.

–         Análisis de gases disueltos (DGA) para CO/CO₂ (marcadores de envejecimiento de la celulosa) y gases combustibles.

–         Análisis de furanos (por ejemplo, los niveles de 2-FAL se correlacionan con la disminución de DP).

–         Contenido de humedad (acelera la hidrólisis).

–         Índice de acidez (una acidez elevada cataliza la degradación).

–         Historial operativo (perfiles de carga, interrupciones, mantenimiento).

(4) Toma de decisiones experta:Los ingenieros deben integrar los datos para evaluar los riesgos y planificar las acciones: mejora de la monitorización, reducción de la carga/temperatura, mantenimiento o sustitución.

5. Estrategias de mantenimiento proactivo para prolongar la vida útil del transformador

Comprender los mecanismos del envejecimiento permite intervenciones específicas:

● Control de las temperaturas de funcionamiento (Máximo efecto):

(1) ¿Por qué? Las temperaturas más bajas en los puntos calientes ralentizan exponencialmente el envejecimiento (según Arrhenius). Ejemplo: Reducir la temperatura en los puntos calientes de 110 °C a 100 °C puede multiplicar la vida útil.

(2)¿Cómo? Optimice la refrigeración (limpie los radiadores, asegúrese de que el ventilador y la bomba de aceite funcionen correctamente), evite sobrecargas y controle los puntos calientes.

● Minimizar la humedad y el oxígeno:

(1)¿Por qué? La humedad alimenta la hidrólisis; el oxígeno acelera la oxidación.

(2)¿Cómo? Utilice respiraderos de alto rendimiento (tipos desecante/membrana), realice filtrado de aceite al vacío, alcance una saturación de humedad <3%.

● Controlar los niveles de acidez:

(1)¿Por qué? Los ácidos catalizan la descomposición de la celulosa.

(2)¿Cómo? Controle la acidez del aceite; regenere o reemplace el aceite si >0.1 mgKOH/g.

● Monitoreo regular del estado:Integre las pruebas DP, DGA, análisis de furanos y pruebas de aceite en los planes de mantenimiento predictivo.

En resumen

Las pruebas de valor DP son fundamentales para evaluar el estado del aislamiento de los transformadores y predecir su vida útil. Al cumplir con las normas IEC/ASTM, utilizar modelos de Arrhenius y combinar datos multiparamétricos (DGA, furanos, humedad), los operadores obtienen información precisa sobre las condiciones del aislamiento. Las estrategias proactivas —control de temperatura, gestión de la humedad, el oxígeno y la acidez— pueden prolongar considerablemente la vida útil y optimizar el retorno de la inversión.

En el contexto de las transiciones energéticas globales y los objetivos de sostenibilidad de las infraestructuras, el dominio de estas tecnologías avanzadas de evaluación y longevidad garantiza sistemas eléctricos más seguros, fiables y rentables. Invertir en la evaluación científica del aislamiento es invertir en la resiliencia futura de la red eléctrica.

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