¿Cómo el transformador sumergido en aceite logra un voltaje de ruptura de 60 kV mediante el llenado al vacío?

Los datos de la industria indican que aproximadamente el 30% de las fallas prematuras de los transformadores son directamente atribuibles al contenido excesivo de humedad y gas en el aceite aislante. Un aumento de humedad de sólo 15 partes por millón (ppm) puede reducir el voltaje de ruptura del aceite de transformador de 60 kV a menos de 30 kV. Esta drástica reducción de la rigidez dieléctrica subraya la importancia crítica del proceso de llenado al vacío en la fabricación de transformadores. para untransformador sumergido en aceiteCon una clasificación de 33 kV o superior, lograr y mantener un voltaje de ruptura de 60 kV no es un objetivo de calidad; es un requisito fundamental para una operación confiable durante la vida útil de 30 a 40 años del transformador.

Este artículo proporciona un análisis técnico sistemático de cómo los transformadores sumergidos en aceite alcanzan un voltaje de ruptura de 60 kV mediante llenado al vacío. La discusión cubre cuatro etapas esenciales del proceso: pretratamiento del aceite y verificación de la calidad, secado al vacío del núcleo y aislamiento del devanado, proceso de llenado al vacío con parámetros controlados y pruebas posteriores al llenado de acuerdo con las normas IEC y ASTM. Cada etapa se examina con referencia a parámetros de proceso específicos, requisitos de equipo y puntos de control de calidad. El artículo también aborda modos de falla comunes y proporciona un marco práctico de control de calidad para fabricantes y usuarios finales de transformadores.

Tabla de contenido

• 1. Pretratamiento del aceite y normas de calidad
• 2. Secado al vacío del núcleo y el devanado del transformador.
• 3. Parámetros del proceso de llenado al vacío
• 4. Prueba de aceite y verificación del voltaje de ruptura
• 5. Modos de falla comunes y puntos de control de calidad
• 6. Preguntas frecuentes (FAQ)
• 7. Conclusión

1. Pretratamiento del aceite y normas de calidad

El camino para lograr una tensión de ruptura de 60 kV comienza con el pretratamiento del aceite del transformador antes de que ingrese al tanque del transformador. Incluso el aceite de transformador nuevo y refinado normalmente contiene humedad disuelta, gases y partículas contaminantes que deben eliminarse para lograr la rigidez dieléctrica requerida. El proceso de pretratamiento se lleva a cabo en una planta de procesamiento de aceite exclusiva, que incluye sistemas de calefacción, unidades de deshidratación al vacío y equipos de filtración de múltiples etapas. Se deben verificar los siguientes parámetros antes de que el aceite se considere adecuado para el llenado del transformador:

• Tensión de ruptura (BDV):≥ 60 kV (medido según IEC 60156)
• Contenido de humedad:≤ 10 ppm (medido mediante valoración Karl Fischer)
• Contenido de gas disuelto (DGA):≤ 0,5% en volumen (medido por cromatografía de gases)
• Factor de disipación (tan δ):≤ 0,001 a 90°C (medido según IEC 60247)
• Recuento de partículas:≤ 500 partículas por 100 ml (tamaño ≥ 5 μm)
• Resistividad:≥ 10¹² Ω·cm a 90°C

El proceso de purificación del aceite sigue una secuencia de tres etapas. La primera etapa es el calentamiento: el aceite se calienta a 60-70°C para reducir la viscosidad y facilitar la liberación de gases disueltos y humedad. La segunda etapa es la deshidratación al vacío: el aceite calentado se introduce en una cámara de vacío que funciona a 0,1-0,5 mbar. Bajo este vacío, el punto de ebullición del agua se reduce, lo que hace que la humedad se evapore y sea extraída por la bomba de vacío. El tiempo típico de deshidratación es de 4 a 8 horas, dependiendo del volumen de aceite y el contenido de humedad inicial. La tercera etapa es la filtración: el aceite deshidratado pasa a través de una serie de filtros con clasificaciones de 5 μm y 1 μm para eliminar las partículas contaminantes. Luego, el aceite procesado se recircula a través del sistema hasta que se alcanzan todos los parámetros especificados.

La siguiente tabla resume los parámetros de pretratamiento y los criterios de aceptación correspondientes.

EnLugao Power Co., Ltd., mantenemos una instalación de procesamiento de aceite dedicada equipada con un tanque de aceite de 10,000 litros, una unidad de deshidratación al vacío de 300 L/min y un sistema de filtración de circuito cerrado con filtros absolutos de 1 μm. Cada lote de aceite procesado es muestreado y probado antes de ser aprobado para el llenado de transformadores. Los resultados de las pruebas se documentan en un certificado de lote que acompaña al transformador durante toda su vida útil. Este riguroso protocolo de pretratamiento garantiza que el aceite que ingresa al transformador cumpla con los mismos estándares de calidad que el aceite que se probará después del llenado, estableciendo la base para lograr el voltaje de ruptura de 60 kV.

2. Secado al vacío del núcleo y el devanado del transformador.

El aislamiento de los transformadores se compone principalmente de materiales a base de celulosa (papel, cartón prensado y madera) que son inherentemente higroscópicos. En condiciones atmosféricas normales, estos materiales pueden absorber hasta un 8% de humedad en peso. Cuando se energiza un transformador, el aislamiento se calienta y la humedad presente se vaporiza, lo que reduce la rigidez dieléctrica tanto del aislamiento sólido como del aceite circundante. El secado al vacío es el proceso de eliminar esta humedad del sistema de aislamiento antes de llenar el transformador con aceite. El proceso de secado es fundamental porque incluso después de purificar el aceite, la humedad atrapada en el aislamiento se filtrará en el aceite con el tiempo, reduciendo el voltaje de ruptura.

El proceso de secado al vacío normalmente implica las siguientes etapas. Primero, el transformador se coloca en un horno de secado o se calienta haciendo circular aceite caliente a través del sistema de enfriamiento. El núcleo y el devanado se calientan a 85-105°C para acelerar la liberación de humedad. A continuación, se evacua el tanque del transformador mediante una bomba de vacío para reducir la presión a 0,1-0,5 mbar. Bajo este vacío, el punto de ebullición del agua se reduce a aproximadamente 40-50°C, permitiendo que la humedad del aislamiento se evapore. La humedad evaporada se extrae del depósito mediante una bomba de vacío. El proceso de secado continúa hasta que el contenido de humedad del aislamiento cae por debajo del 0,5% en peso.

El punto final del secado se determina mediante uno de dos métodos:

• Método de aumento de presión:La bomba de vacío está aislada del tanque del transformador y la tasa de aumento de presión se mide durante un período definido. Si la tasa de aumento de presión es inferior a 0,1 mbar por hora durante un período de 4 horas, el secado se considera completo.
• Método del punto de rocío:El punto de rocío del gas que se evacua del transformador se controla continuamente. Cuando el punto de rocío cae por debajo de -40°C, el secado se considera completo.

La duración del proceso de secado al vacío varía según el tamaño del transformador, el tipo de aislamiento y las condiciones ambientales. Para un transformador típico de 10 MVA, el proceso de secado puede tardar entre 48 y 72 horas. Para transformadores de potencia más grandes, el proceso puede extenderse a varios días. La siguiente tabla proporciona parámetros de secado típicos para diferentes clases de transformadores.

En Lugao., utilizamos una combinación de secado térmico al vacío y circulación de aceite caliente para lograr la eliminación de humedad requerida. El transformador se calienta haciendo circular aceite caliente a través del sistema de enfriamiento, mientras que el tanque se evacua simultáneamente. Este método proporciona un calentamiento uniforme y acelera el proceso de secado. Una vez finalizado el ciclo de secado, el transformador se mantiene al vacío hasta que comienza el proceso de llenado de aceite, evitando la reabsorción de humedad de la atmósfera. Este enfoque garantiza que el contenido de humedad del aislamiento se mantenga por debajo del umbral del 0,5%, que es esencial para lograr y mantener un voltaje de ruptura de 60 kV.

3. Parámetros del proceso de llenado al vacío

Una vez que el núcleo y el devanado del transformador se han secado hasta alcanzar el contenido de humedad requerido, comienza el proceso de llenado de aceite. Esta es la etapa más crítica en la fabricación de un transformador, ya que cualquier error durante esta etapa puede comprometer la rigidez dieléctrica del sistema de aislamiento. El proceso de llenado al vacío se realiza mientras el tanque del transformador se mantiene al vacío. El aceite purificado se introduce en el fondo del tanque y asciende lentamente, desplazando el vacío. Los parámetros del proceso deben controlarse cuidadosamente para evitar la formación de burbujas, asegurar la penetración completa del aislamiento y evitar daños a los devanados.

Los parámetros clave del proceso para el llenado al vacío son los siguientes:

• Nivel de vacío previo al llenado:0,1-0,5 mbar, mantenido durante al menos 2 horas después de completar el ciclo de secado.
• Temperatura del aceite al llenar:60-70°C, mantenido para asegurar una baja viscosidad y buenas características de flujo.
• Velocidad de llenado:≤ 300 L/h (para transformadores pequeños y medianos; los transformadores más grandes pueden usar caudales proporcionalmente más altos, pero no deben exceder la velocidad a la que el aceite puede penetrar el aislamiento).
• Presión de llenado:En el fondo del tanque, se aplica una ligera presión positiva (0,1-0,2 bar) para garantizar que el aceite entre en los devanados.
• Vacío durante el llenado:El vacío se mantiene durante el proceso de llenado para eliminar los gases que puedan liberarse del aceite o del aislamiento.
• Asentamiento posterior al llenado:Una vez lleno el tanque, se deja reposar el transformador durante 12 a 24 horas al vacío o bajo una presión positiva de nitrógeno seco para permitir que escapen las burbujas de gas restantes.

La velocidad de llenado es particularmente crítica. Si el aceite se introduce demasiado rápido, la turbulencia puede crear burbujas y es posible que el aceite no penetre completamente en el aislamiento. Si el aceite se introduce demasiado lentamente, el proceso se vuelve ineficaz. La velocidad de llenado generalmente se controla ajustando el caudal de la bomba de aceite o usando una válvula reductora de presión. Para transformadores grandes, el proceso de llenado puede realizarse en etapas, con pausas para permitir que el aceite penetre en el aislamiento antes de que comience la siguiente etapa. La siguiente tabla proporciona velocidades de llenado recomendadas para diferentes capacidades de transformador.

Una vez completado el llenado, el transformador normalmente se calienta a 50-60 °C utilizando el sistema de enfriamiento para mejorar la capacidad del aceite para absorber el gas y la humedad residuales. Luego, el transformador se somete a un tratamiento final de vacío, conocido como "desgasificación final", para eliminar los gases que puedan haber sido absorbidos por el aceite. Este último paso garantiza que el voltaje de ruptura del aceite permanezca en el nivel objetivo de 60 kV o más. En Lugao Power Co., Ltd., mantenemos registros detallados de todos los parámetros del proceso para cada transformador, incluidos registros con marca de tiempo de niveles de vacío, temperaturas y caudales. Estos registros forman parte de la documentación de calidad del transformador y se conservan durante la vida útil del equipo.

4. Prueba de aceite y verificación del voltaje de ruptura

Después de llenar el transformador con aceite y permitir que se asiente, se debe probar el sistema de aislamiento para verificar que cumpla con las especificaciones de voltaje de ruptura requeridas. La prueba principal es la prueba de voltaje de ruptura del aceite, realizada de acuerdo con IEC 60156 o ASTM D1816. Esta prueba implica aplicar un voltaje a una muestra de aceite del transformador a una velocidad controlada hasta que el aceite se descomponga. La prueba se realiza en múltiples muestras para garantizar que el resultado sea repetible. Además de la prueba de aceite, todo el sistema de aislamiento del transformador se somete a pruebas dieléctricas para verificar su integridad.

La prueba de tensión de ruptura del aceite se realiza utilizando una celda de prueba estándar, que consta de dos electrodos separados por una separación de 2,5 mm. La tensión de prueba se aplica a una velocidad de 2 kV/s. La prueba se realiza con seis muestras de aceite. Se descartan los resultados de la primera prueba y se calcula el promedio de las cinco pruebas restantes. El valor medio debe ser ≥ 60kV. Si el valor medio es inferior a 60 kV, se considera que el aceite no ha pasado la prueba. El procedimiento de prueba y los criterios de aceptación se resumen en la siguiente tabla:

Además de la prueba de rotura de aceite, el transformador se somete a las siguientes pruebas dieléctricas para verificar la integridad de todo el sistema de aislamiento:

• Prueba de resistencia a la frecuencia eléctrica:El transformador se somete a un voltaje de 2 a 3 veces su voltaje nominal durante 60 segundos. No se permiten averías ni descargas parciales.
• Prueba de sobretensión inducida:El transformador se somete a una frecuencia de 100-400 Hz a un voltaje de 2 veces el voltaje nominal durante 60 segundos. No se permiten roturas ni deformaciones visibles del aislamiento.
• Prueba de descarga parcial:El transformador se prueba para descarga parcial a un voltaje de 1,1 veces el voltaje nominal. El nivel de descarga parcial se mide y debe estar por debajo del límite especificado (normalmente 20-50 pC para transformadores llenos de aceite).
• Prueba de tan delta:El factor de disipación del sistema de aislamiento se mide a 90°C. El valor debe estar dentro de los límites especificados en IEC 60076.

En Lugao Power Co., Ltd., realizamos estas pruebas en cada transformador antes de enviarlo. Los resultados de las pruebas están documentados en un informe de prueba completo que acompaña al transformador. La prueba de tensión de ruptura del aceite se realiza en muestras de aceite tomadas del tanque del transformador después del proceso de llenado y sedimentación. Esto asegura que el aceite en el transformador sea el mismo aceite que se probó. Si el aceite no pasa la prueba de voltaje de ruptura, todo el proceso se repite hasta que el aceite cumpla con las especificaciones. Este riguroso régimen de pruebas garantiza que nuestro transformador sumergido en aceite cumpla con los más altos estándares de calidad y confiabilidad.

5. Modos de falla comunes y puntos de control de calidad

A pesar de los rigurosos controles del proceso descritos anteriormente, aún pueden ocurrir fallas durante el llenado al vacío. Comprender los modos de falla comunes y establecer puntos de control de calidad sólidos es esencial para mantener una calidad de fabricación constante. Esta sección identifica los modos de falla más frecuentes y proporciona un marco de control de calidad para cada etapa del proceso.

Modo de falla 1: Secado al vacío incompleto.Si el aislamiento del transformador no se seca hasta alcanzar el contenido de humedad requerido, se reducirá el voltaje de ruptura. La causa más común de un secado incompleto es un nivel de vacío insuficiente o un tiempo de calentamiento inadecuado. Para evitar esta falla, el nivel de vacío debe monitorearse continuamente durante el ciclo de secado. Se debe utilizar la prueba de aumento de presión o punto de rocío para verificar el punto final.

Modo de falla 2: Recontaminación del aceite.El aceite puede volver a contaminarse durante la manipulación, el almacenamiento o el llenado si el equipo no se limpia adecuadamente. Contaminantes como polvo, agua u otras partículas pueden ingresar al aceite a través de las conexiones o durante la transferencia. Para evitar esto, todo el equipo debe limpiarse y secarse minuciosamente antes de su uso. Los tanques de almacenamiento de petróleo deben mantenerse cerrados y llenos de nitrógeno seco.

Modo de falla 3: Atrapamiento de aire.Si queda aire atrapado en el transformador durante el llenado, se pueden formar burbujas que reducen el voltaje de ruptura. Es más probable que quede aire atrapado si la velocidad de llenado es demasiado rápida o si el nivel de vacío no se mantiene durante el llenado. Para evitarlo, se debe reducir la velocidad de llenado y mantener el vacío durante todo el proceso.

Se recomiendan los siguientes puntos de control de calidad para cada etapa del proceso de llenado al vacío:

En Lugao, implementamos un sistema de gestión de calidad que incorpora estos puntos de control en nuestros procedimientos operativos estándar. Cada etapa del proceso está documentada y cualquier desviación se investiga y corrige. Este enfoque sistemático del control de calidad es esencial para mantener los altos niveles de confiabilidad que nuestros clientes esperan de nuestros productos de transformadores sumergidos en aceite.

6. Preguntas frecuentes (FAQ)

Pregunta 1: ¿La tensión de ruptura de 60 kV es un valor garantizado durante toda la vida útil del transformador o disminuye con el tiempo?

Respuesta: 60 kV es un valor mínimo garantizado en el momento de la fabricación y puesta en servicio. Durante la vida operativa del transformador, el voltaje de ruptura disminuirá gradualmente debido a la degradación del aceite, el ingreso de humedad y la acumulación de partículas. Sin embargo, con un mantenimiento adecuado, incluidas pruebas periódicas del aceite, filtración y secado, el voltaje de ruptura se puede mantener por encima de niveles aceptables. Los estándares de la industria generalmente requieren que se reemplace o reacondicione el aceite cuando el voltaje de ruptura cae por debajo de 30 kV.

Pregunta 2: ¿Cuál es la diferencia en el voltaje de ruptura entre los transformadores llenos al vacío y los transformadores llenos convencionalmente?

Respuesta: Un transformador lleno convencionalmente (lleno bajo presión atmosférica sin secado al vacío) normalmente alcanza un voltaje de ruptura de 30-40 kV. Un transformador lleno de vacío, con un presecado y procesamiento de vacío adecuados, alcanza consistentemente 60 kV o más. Esta diferencia de 20-30 kV representa una mejora significativa en el margen de seguridad y confiabilidad. El voltaje de ruptura más alto reduce el riesgo de falla del aislamiento, particularmente durante sobretensiones o rayos.

Pregunta 3: ¿Es necesario el llenado al vacío para transformadores de distribución pequeños (≤ 10 kV)?

Respuesta: Para transformadores de distribución con capacidad nominal de 10 kV o menos, el llenado al vacío no siempre es obligatorio, pero cada vez se considera más una mejor práctica. Si bien estos transformadores pueden operar con un voltaje de ruptura de 30-40 kV, el llenado al vacío proporciona un mayor margen de seguridad y una confiabilidad mejorada a largo plazo. Muchas empresas de servicios públicos ahora especifican el llenado al vacío para todas las compras de transformadores nuevos, independientemente del voltaje nominal, como parte de sus requisitos de garantía de calidad. En Lugao Power Co., Ltd., aplicamos llenado al vacío a todos nuestros productos de transformadores sumergidos en aceite.

Pregunta 4: ¿Cómo puede el aceite del transformador mantener su voltaje de ruptura durante la operación?

Respuesta: Mantener el voltaje de ruptura durante la operación requiere un programa de mantenimiento integral. Se deben tomar muestras periódicas de aceite y analizarlas para determinar el voltaje de ruptura, el contenido de humedad y el contenido de gases disueltos. Si el voltaje de ruptura cae por debajo de 45 kV, el aceite debe filtrarse y deshidratarse. Si el contenido de humedad excede las 20 ppm, se debe secar el aceite. Algunos transformadores están equipados con sistemas de filtración de aceite en línea que eliminan continuamente la humedad y las partículas, manteniendo la calidad del aceite en un nivel óptimo.

Pregunta 5: ¿Cuál es la acción correctiva si la prueba de voltaje de ruptura del aceite falla después del llenado?

Respuesta: Si la prueba de voltaje de ruptura del aceite falla después del llenado, generalmente se reprocesa el transformador. Se drena el aceite defectuoso y el transformador se somete a un nuevo ciclo de secado al vacío para eliminar la humedad del aislamiento. Luego se introduce aceite fresco y purificado mediante el mismo proceso de llenado al vacío. Después del llenado, se vuelve a probar el aceite. Es posible que sea necesario repetir este proceso hasta que el voltaje de ruptura cumpla con el requisito especificado. En casos raros en los que el aceite en sí es la fuente del problema, es posible que sea necesario reemplazar el aceite con un nuevo lote.

7. Conclusión

El logro de un voltaje de ruptura de 60 kV en un transformador sumergido en aceite es el resultado de un proceso de fabricación meticulosamente controlado que comienza con la purificación del aceite y se extiende hasta el secado al vacío, el llenado controlado y pruebas rigurosas. Cada etapa de este proceso requiere un control preciso de los parámetros críticos (temperatura, nivel de vacío, velocidad de llenado y condiciones de prueba) para garantizar que el producto final cumpla con las especificaciones de rigidez dieléctrica requeridas. Los estándares y prácticas descritos en este artículo, basados ​​en IEC 60156, ASTM D1816 e IEC 60076, proporcionan la base técnica para lograr este punto de referencia de calidad crítico.

En Lugao Power Co., Ltd., hemos implementado un sistema integral de gestión de calidad que incorpora estos controles de proceso y estándares de prueba en nuestras operaciones de fabricación de transformadores. Nuestros productos de transformadores sumergidos en aceite están diseñados y fabricados para ofrecer un rendimiento confiable durante su vida útil. Para obtener información técnica más detallada, documentación de procesos o especificaciones de productos, comuníquese con nuestro equipo de ingeniería.

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