¿Cómo restaurar el aislamiento humedecido en transformadores en ambientes húmedos?

—Comparación en profundidad entre los procesos de circulación de aceite caliente y secado al vacío

Los ambientes húmedos representan un grave problema para los sistemas de aislamiento de transformadores. Cuando la humedad penetra en el cartón aislante y el aceite aislante, reduce significativamente su rigidez dieléctrica y su rendimiento mecánico, lo que puede provocar descargas parciales o incluso fallos en el aislamiento. Si observa una disminución en la resistencia de aislamiento o un aumento en el factor de pérdida dieléctrica (tanδ), un tratamiento de secado eficiente y fiable resulta fundamental para restablecer un funcionamiento seguro. Este artículo ofrece una comparación detallada de dos técnicas de secado comunes: la circulación de aceite caliente y el secado al vacío. Se explican sus principios, características y escenarios de aplicación para ayudarle a tomar una decisión informada.

Contenido

1. Diagnóstico preciso: Confirmar el grado de humedad del aislamiento es el primer paso

Antes de realizar cualquier proceso de secado, es crucial diagnosticar con precisión el estado y el grado de humedad del aislamiento, ya que esto determina la elección del método de secado y la configuración de los parámetros.

● Parámetros y estándares de diagnóstico clave:

(1)Resistencia de aislamiento (IR) e índice de polarización (PI):Medir la resistencia de aislamiento entre los devanados y entre los devanados y tierra es el método de detección más básico y rápido (normalmente con un megóhmetro de 2500 V o 5000 V). Según la norma IEEE 43, el Índice de Polarización (PI = R10min / R1min) es más eficaz para eliminar los efectos de la temperatura y evaluar el estado real del aislamiento. Un valor de PI inferior a 2.0 se considera generalmente una clara señal de advertencia de aislamiento amortiguado o degradado.

(2)Factor de pérdida dieléctrica (Tanδ) y capacitancia:Medido mediante un puente de Schering o modernos medidores automáticos de tangente de pérdida (Tanδ). La humedad aumenta significativamente el valor de Tanδ del aislamiento de celulosa (valores superiores al 0.5 % indican posible humedad, mientras que valores superiores al 1 % sugieren humedad severa). El control de los cambios en la capacitancia ayuda a evaluar la uniformidad de la humedad o la presencia de defectos localizados.

(3)Contenido de humedad en el aceite:Determinada con precisión mediante el método culombimétrico de Karl Fischer según IEC 60422 o ASTM D1533 (nivel de ppm). Si bien la humedad del aceite no representa completamente la humedad del aislamiento sólido, ambas mantienen un equilibrio dinámico. Un exceso de humedad en el aceite (p. ej., >25 ppm) es un indicador clave de la humedad general del aislamiento.

(4)Tensión de ruptura del aceite (BDV):El aceite puro y seco tiene una tensión de ruptura muy alta (>60 kV). La humedad y las impurezas reducen significativamente la tensión de ruptura (<30 kV suele indicar humedad o contaminación). Las pruebas se realizan según las normas IEC 60156 o ASTM D1816.

Tabla 1: Parámetros de diagnóstico clave y umbrales de referencia para el aislamiento de transformadores

● Orientación diagnóstica:Con base en estos parámetros, se puede determinar si la humedad es superficial o profunda. Una humedad leve (por ejemplo, si solo la humedad del aceite supera los límites, con un índice de perfusión cercano a 2) puede ser adecuada para la circulación de aceite caliente. Una humedad moderada a severa (índice de perfusión significativamente menor que 2, y una tangente de pérdida muy elevada) recomienda encarecidamente el secado al vacío.

2. Secado por circulación de aceite caliente: principios y análisis en profundidad

● Principio: Se utiliza aceite aislante seco, de bajo contenido de humedad y calentado (entre 65 y 85 °C), procedente generalmente de una planta de tratamiento de aceite, que circula continuamente dentro del tanque del transformador. El aceite caliente y seco entra en contacto con el aislamiento sólido humedecido (cartón, cilindros de papel, aislamiento de los cables del devanado), transfiriendo calor por conducción y convección. Esto calienta la humedad interna, proporcionando la energía necesaria para su migración. Debido al significativo gradiente de humedad entre el aceite seco y el aislamiento húmedo, las moléculas de agua se difunden espontáneamente desde las zonas de alta concentración (dentro del aislamiento) hacia las de baja concentración (en el aceite en circulación). La humedad es transportada por el aceite a un purificador de aceite externo al vacío (donde se calienta, se somete a vacío y se filtra) antes de ser bombeada de vuelta al transformador.

● Ventajas:

(1)Funcionamiento sencillo, equipo fácilmente disponible: Se basa principalmente en purificadores de aceite de vacío estándar (con calefacción) y tuberías de circulación, lo que facilita su implementación in situ.

(2)Menor riesgo operativo: El proceso normalmente se mantiene por debajo de la temperatura nominal del aceite del transformador (<85°C), minimizando el estrés térmico en componentes críticos como los devanados electromagnéticos y reduciendo los riesgos de envejecimiento del aislamiento.

(3)Económico:No se necesitan grandes tanques de vacío ni equipos complejos, lo que hace que los costes de mano de obra y alquiler sean significativamente inferiores a los del secado al vacío.

● Limitaciones:

(1)Cuello de botella en la eficiencia del secado:La velocidad de eliminación de la humedad está limitada por las tasas de difusión dentro del aislamiento sólido. El flujo de aceite afecta principalmente a las capas superficiales, lo que hace que el secado profundo sea lento o incompleto, especialmente en aislamientos gruesos o zonas de bobinado muy compactadas.

(2)Tiempo de procesamiento prolongado: Para lograr resultados óptimos (especialmente un secado profundo) pueden ser necesarios días o incluso semanas de circulación continua, lo que implica cortes de energía prolongados.

(3)Dependencia de la calidad del petróleo y la capacidad de procesamiento:La sequedad del aceite circulante y la eficiencia del purificador influyen directamente en los resultados. Un aceite degradado o un procesamiento ineficiente pueden reducir la eficacia.

● Mejores aplicaciones: Humedad leve (por ejemplo, humedad elevada del aceite pero el aislamiento sólido permanece estable), mantenimiento preventivo, secado suplementario después del secado al vacío o secado menor durante el mantenimiento rutinario del aceite para transformadores grandes.

3. Proceso de secado al vacío: principios y análisis en profundidad

● Principio:Un proceso físico por fases centrado en la reducción del punto de ebullición y la mejora de la difusión:

(1)Fase de precalentamiento: Utiliza la circulación de aceite caliente o corriente de bajo voltaje en los devanados (raramente aire caliente) para calentar uniformemente el núcleo del transformador (devanados y aislamiento) a 90-110 °C. Esto proporciona energía de vaporización para la humedad sin una eliminación significativa. El calentamiento uniforme evita el sobrecalentamiento localizado.

(2)Fase de deshidratación al vacío (núcleo):Para mantener la temperatura, se aplica un alto vacío (<100 Pa, idealmente <10 Pa) dentro del tanque del transformador. Esto reduce drásticamente el punto de ebullición del agua.

Fundamento científico de la reducción del punto de ebullición:
La relación entre la presión de vapor saturado (P) y la temperatura (T) se aproxima como:

ln(P) ≈ A - B/T

(donde A y B son constantes del material).
En condiciones de vacío, la presión ambiental reducida (P_env) disminuye la temperatura de ebullición (T_boil) donde P_sat = P_env.

Ejemplos:

(1)A presión atmosférica (101.3 kPa), el agua hierve a 100 °C.
(2)A una presión absoluta de 1 kPa, el punto de ebullición es ≈7°C.
(3)A 0.1 kPa (100 Pa), punto de ebullición ≈-20°C.

Así, a una temperatura central de 90 °C y un vacío de 100 Pa, el agua líquida presente en los poros del aislamiento se vaporiza violentamente. Fundamentalmente, la migración de la humedad pasa de una lenta difusión líquida a una rápida difusión de vapor y flujo de permeación.

El fuerte gradiente de presión (ultra bajo vacío frente a presión casi atmosférica dentro del aislamiento) impulsa el vapor desde el interior del aislamiento hacia el espacio del tanque. Las bombas de vacío extraen continuamente el vapor, manteniendo una baja presión de vapor para un secado sostenido. Esta fase elimina la mayor parte de la humedad mucho más rápido que la circulación de aceite caliente.

● Ventajas:

(1)Secado profundo y completo: Elimina eficazmente la humedad de aislamientos gruesos o profundos, logrando niveles de humedad tan bajos como el 0.5% (estándar de fábrica), restaurando >90% de la resistencia eléctrica y mecánica.

(2)Tiempo de secado más rápido: En condiciones ideales (temperatura, vacío), el secado profundo suele completarse en días o una semana, mucho más rápido que la circulación de aceite caliente para casos de humedad severa.

(3)Resultados cuantificables: La eliminación de la humedad se controla mediante la salida del condensador, la estabilidad del vacío y los criterios de punto final (por ejemplo, ausencia de condensación durante horas con un vacío estable).

● Limitaciones:

(1)Altas exigencias técnicas y de equipamiento:Requiere bombas de vacío de gran tamaño (de paletas rotativas + tipo Roots), sensores de vacío de precisión, condensadores, calentadores de alta potencia y juntas herméticas. Los operarios necesitan experiencia.

(2)Costos más altos:Los gastos de alquiler/compra de equipos y de mano de obra son mayores.

(3)Control estricto del proceso:El calentamiento desigual puede dañar el aislamiento; un vacío insuficiente o fugas reducen la eficiencia; un sellado deficiente permite la entrada de humedad. Es fundamental una monitorización rigurosa.

(4)Riesgos de seguridad: Integridad estructural y estanqueidad del tanque ante altas temperaturas y vacío

Tabla 2: Comparación básica entre la circulación de aceite caliente y el secado al vacío

4. ¿Cómo elegir el método de secado adecuado?

La decisión depende de un diagnóstico preciso de la humedad. gravedad y evaluación de las condiciones in situ:

● Priorizar el secado al vacío para:

(1)Humedad moderada a severa confirmada: PI << 2.0, Tanδ >> 1%, alta humedad de aceite con degradación del aislamiento sólido.

(2)Transformadores de potencia críticos o de gran tamaño: Donde máximo La recuperación del aislamiento y la fiabilidad a largo plazo son innegociables.

(3)Reformas o nuevas instalaciones planificadas: Estándar procedimiento para restaurar el aislamiento a un estado como nuevo.

(4)Entrada de agua severa o exposición prolongada a alta humedad:Penetración profunda de la humedad.

● Considere la circulación de aceite caliente para:

(1)Humedad leve con tiempo de inactividad flexible: Solo los parámetros del aceite están desfasados, PI ≈ 2.0, ligero aumento de Tanδ y tiempo suficiente para un secado lento.

(2)Suplemento post-vacío: Tras el secado al vacío, la circulación de aceite caliente equilibra la humedad del papel aceitado y elimina los restos residuales.

(3)Limitaciones de recursos o del sitio: Falta de equipo de vacío o condiciones inadecuadas.

Recordatorio importante: La supervisión profesional, el control estricto de parámetros y la correcta evaluación del punto final son fundamentales. Los ajustes incorrectos, las fugas de vacío o la finalización prematura pueden provocar fallos o daños. Contrate siempre proveedores de servicio cualificados y con experiencia.

En resumen

La amenaza que representa la humedad para el aislamiento de los transformadores no puede ignorarse. La elección entre la circulación de aceite caliente y el secado al vacío depende del grado y la gravedad de la humedad. La circulación de aceite caliente, por su simplicidad y menor riesgo, es adecuada para casos leves de humedad o para el mantenimiento preventivo. Para casos de humedad moderada a severa o para la recuperación según los estándares de fábrica, el secado al vacío es la mejor opción: su eficiencia basada en principios físicos (reducción del punto de ebullición, difusión por presión) garantiza la fiabilidad a largo plazo.

Ante la presencia de humedad en el aislamiento, realice pruebas exhaustivas (IR/PI, Tanδ, humedad del aceite, etc.), utilice los datos para evaluar la gravedad del problema y consulte con ingenieros especializados. Adapte el método al estado de su transformador, las limitaciones del emplazamiento y el presupuesto para proteger sus activos de energía.

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