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29 mayo, 2013

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Empaques y Sellos de Transformadores inmersos en aceite

Considerando que el sello de los transformadores inmersos en líquido refrigerante, generalmente aceite, juega un papel preponderante en la vida útil de estos equipos, se considera de vital importancia que el personal involucrado en las labores de fabricación o reparación posea un conocimiento básico sobre este componente.

 

Arriba: Transformador para Exterior (SAB hasta 400 KVA., potencias mayores sobre lozas especiales)
Abajo: Transformadores para Interior (Celdas).

De acuerdo con lo anterior se consignarán en este apartado algunas consideraciones sobre este tema.

El transformador de distribución o potencia sumergido en aceite es un equipo que, generalmente, opera bajo condiciones ambientales a la intemperie, por lo tanto estará sometido a cambios de temperatura, contaminación ambiental, lluvia, luz solar (rayos ultravioleta), además de las condiciones propias de operación del transformador como variación de temperatura por carga. De acuerdo con estas características, se deduce que el diseño y construcción de un transformador debe ser tal que no permita que la parte interna del mismo esté sometida a la acción de agentes externos debido a las fluctuaciones del medio ambiente.

 

Teniendo en cuenta lo anterior, encontramos que los empaques por su función y ubicación, son elementos con alta probabilidad de permitir el ingreso de humedad (agua) al interior del transformador o fugas de aceite del tanque causadas por el deterioro del empaque o deficiencias en el diseño del sello.

 

Adicionalmente, el empaque puede convertirse en un elemento contaminador del aceite por descomposición y/o, en algunos casos, conductor ayudando a producir fallas o descargas a tierra. Este funcionamiento anómalo es causado por la calidad misma del empaque utilizado, la cual depende del proceso de fabricación y materiales empleados en su elaboración.

 

Dada la importancia que cobra el empaque en el desarrollo de la vida útil del transformador, en esta parte se harán algunas consideraciones sobre sellos y sus componentes como el empaque mismo y la junta. Posteriormente se hará una descripción de las distintas pruebas a las que se someten los empaques para verificar su calidad.

DISEÑO DEL SELLO

En el diseño de un sello, la junta y el empaque deben ser considerados en conjunto. La junta debe ser diseñada y construida, teniendo en cuenta que se haga el mejor uso de las características propias del material del empaque. Los factores que determinan la efectividad de un sello son agrupados en dos categorías: “SELLO INICIAL” y “MANTENIMIENTO DEL SELLO INICIAL”.

 

Estos dos grupos no son independientes uno del otro, por ejemplo, cuando se aplica un ajuste severo para lograr el sello inicial, sobrepasando la capacidad elástica del empaque, esto va en detrimento de la junta y de la vida útil del empaque.

SELLO INICIAL

En el sello inicial se tendrán en cuenta los factores que pueden incidir en que no se logre este o que vayan a impedir el mantenimiento del mismo. El primer deterioro del sello puede presentarse al aplicar fuerzas excesivas en el ajuste de la junta (cuando no se logra el sello y se toma como solución apretar más) que llevan al empaque a niveles de compresión que producen su fatiga o rotura; adicionalmente, en los sellos para baja presión, que es el caso de los transformadores, se presentan frecuentemente distorsiones de la junta por el mismo motivo.

 

En el sello inicial, también es importante el tratamiento que se da a los empaques cuando se hacen cortes y uniones deficientes.

En resumen, para el sello inicial se deben tener en cuenta tres factores:

• Presión de la junta
• Distorsión de la junta
• Características del empaque y su utilización

Presión de la junta: al efectuar el ajuste de la junta debe considerarse que sus partes (láminas o flanches) quedan sometidos a presión tanto por los tornillos como por la reacción del empaque, la cual dependerá de las características de este. Estas presiones en ningún caso pueden superar la capacidad de la junta. Siendo el sello una combinación empaque-junta, el diseño debe contemplar:

• Cuantificación de la fuerza aplicada por la junta al empaque, o en su defecto alojamientos que limiten la compresión de este, al grado que toleren sus características y a su vez le permita la expansión resultante de la compresión.

• Y la mínima fuerza de compresión necesaria para lograr el sello con el empaque de caucho (empaque no metálico)

 

Para lograr lo anterior, el diseño debe definir el torque, cantidad de tornillos, distancia entre ellos, características del empaque y condiciones de acabado de las superficies de las juntas.

 

Distorsión de la junta: Las juntas normalmente están sujetas a diferentes tipos de distorsión, las cuales deben ser tenidas en cuenta en el diseño:

• Rugosidad de la superficie.
• Alabeos
• No-paralelismo
• Distorsión alrededor de los huecos de los tornillos.

 

• Rugosidad de la superficie: La superficie de las juntas en transformadores no es pulida y presenta rugosidades e imperfecciones (en soldaduras), que deben ser tenidas en cuenta al especificar el empaque previendo que esté en condiciones de fluir y compensarlas sin necesidad de ser sometido a un nivel alto de compresión (compresión-Vs-dureza). A más dureza se necesitará una superficie “más uniforme”.

 

Alabeos: Normalmente se crea un efecto brazo entre los centros de tornillos que ajustan una junta, resultando un alabeo de las láminas o flanches. La magnitud del alabeo dependerá del material de la junta, del espesor de la lámina, distancia entre centros de tornillos, torque aplicado a ellos y del material del empaque. El doblez de las láminas puede llegar a ser una causa de pérdida del sello.

 

• No paralelismo: Si no hay paralelismo entre las superficies de la junta al ser ajustada, el empaque queda sometido a una mayor compresión en unos puntos que en otros. El no-paralelismo puede deberse a una mala secuencia de ajuste de la tornillería o a defectos propios de las láminas que conforman la junta.

 

• Distorsión alrededor de los huecos de los tornillos: Las juntas fabricadas en lámina (lámina de bajo espesor) son particularmente susceptibles a formar distorsión alrededor de los huecos de los tornillos. Generalmente, esto ocurre en combinación con el alabeo de la lámina y es una clara indicación de que se están aplicando fuerzas de compresión excesivas al ajustar los tornillos. Este tipo de distorsión puede causar la rotura del empaque o la extrusión de él hacia el orificio cuando su dureza lo permite.

MANTENIMIENTO DEL SELLO INICIAL

Una vez creado el sello inicial, debe mantenerse y tener una vida útil acorde con la que se espera del transformador.

 

Los factores que inciden sobre el sello, después que la junta ha sido ajustada y el equipo puesto en servicio, son: temperatura, pérdida de ajuste, vibraciones mecánicas y los efectos físicos y químicos del aceite sobre el empaque, así como el medio ambiente.

 

Todos estos factores pueden reunirse en dos grupos: Pérdidas de ajuste y condiciones de operación.

 

Pérdidas de ajuste: Generalmente, después que una junta ha sido ajustada, se experimenta una pérdida del torque inicial aplicado a los tornillos, lo que implica una pérdida de fuerza de compresión sobre el empaque, la cual debe asumir este con su capacidad de recuperación para mantener el sello. Así mismo puede haber una pérdida de ajuste (en el caso de los transformadores) por la relajación del empaque debido a exceso de compresión en el ajuste inicial con el cual se ha deteriorado el caucho

Condiciones de operación: Dentro de las condiciones de operación se debe considerar la temperatura y su efecto sobre el empaque, las condiciones ambientales, compatibilidad del material del empaque con el aceite.

 

Temperatura: La temperatura a la que estará sometido el empaque es un factor de suma importancia en el mantenimiento del sello inicial. El empaque debe tener las características adecuadas para soportar la temperatura de trabajo permanente, ya que este factor entra en combinación con la compresión, a crear condiciones de envejecimiento las cuales lo afectarán en menor o mayor grado dependiendo de la especificación del empaque dada por el diseñador.

 

Condiciones ambientales: Las partes de los empaques que quedan sometidas a condiciones ambientales, pueden acelerar su proceso de deterioro según el grado de compresión, la temperatura y la atmósfera que esté en contacto con ellos. Es así como el diseño, debe considerar las características de los empaques, y de la junta para que ninguno de estos factores se haga crítico para el mantenimiento del sello.

 

Compatibilidad del material del empaque con el aceite: Este es uno de los aspectos que debe definir el diseñador en forma muy precisa ya que, si bien es cierto, el efecto de la incompatibilidad del empaque con el aceite no es detectable al tiempo de crear el sello inicial, si se notará su efecto en el mantenimiento de dicho sello durante la vida útil del transformador, produciéndose la degradación total o parcial del empaque y por ende la falta de hermeticidad. (Esta condición no se detecta en una prueba de hermeticidad en fábrica).

DESCRIPCIÓN DE PRUEBAS

A continuación se hará una descripción de las pruebas a que se someten las probetas o los empaques para dar una descripción en la que se aclare el significado de cada una y la información que reporta acerca del material y proceso de fabricación de acuerdo al resultado obtenido.
Determinación de la dureza: La dureza es una de las características, que con mayor frecuencia se especifica para un empaque de caucho. Muchas veces se emplea para establecer las distintas clases en una especificación. Las razones para tener esta aceptación son:

 

• Es una propiedad que se puede determinar de forma sencilla y rápida con un equipo poco costoso.
• Es un ensayo no destructivo, frecuentemente, se puede realizar directamente sobre el artículo terminado.
• Aunque se exprese en unidades empíricas, está relacionada con una característica fundamental del material, su módulo de elasticidad o módulo de Young.

 

El método más común de medida de dureza (en cauchos) es el Shore A, basado en la medición de la penetración de una punta tronco-cónica en contra de la reacción de un resorte metálico calibrado.

 

La dureza de un caucho es una indicación de su rigidez frente a esfuerzos moderados, como los que frecuentemente ha de soportar en servicio.

 

Determinación de la densidad: La determinación de la densidad se hace por el procedimiento de la relación peso/volumen, frecuentemente con balanzas especiales con dos escalas, peso en aire y peso en agua (volumen = peso en aire – peso en agua).

 

Esta característica solo permite detectar variaciones de cargas o plastificantes, para el caso de un control continuado. Además conociendo la densidad del elastómero base, da una idea de la proporción elastómero-carga que posee el producto terminado.

 

Ensayos de resistencia a la tensión; Las características a tensión son, junto con la dureza las que con mayor frecuencia se incluyen en las especificaciones o en la evaluación de la calidad de un caucho.

 

Aunque los empaques de caucho para transformadores no trabajan sometidos a tracción, estas características si son un indicador de la calidad.

 

Para una formulación dada, cualquier anomalía en las dosificaciones, en la preparación de la mezcla (por ejemplo, una dispersión insuficiente) o en el grado de vulcanización, se detectará en los resultados del ensayo de resistencia a la tensión, siendo estos valores dispersos o muy diferentes entre probetas de una misma formulación.

 

Deformación remanente por compresión: La deformación remanente, fluencia y relajación de esfuerzos son tres características íntimamente relacionadas entre sí, ya que reflejan el efecto de un esfuerzo o de una deformación aplicados durante un tiempo prolongado. En dicho efecto intervienen factores físicos y químicos. Por una parte debido a la visco-elasticidad del caucho, la reacción de una pieza de este, frente a un esfuerzo o una deformación impuestos, cambia en función del tiempo. Si se aplica un esfuerzo constante, además de la deformación instantánea resultante inicialmente, tiene lugar una deformación adicional más lenta (fluencia). Si por el contrario es el valor de la deformación impuesta el que se mantiene constante el esfuerzo necesario para producir dicha deformación irá disminuyendo paulatinamente (relajación de esfuerzos). Al suprimir la fuerza deformante el caucho experimentará una recuperación instantánea pero incompleta, quedará una deformación residual (deformación remanente) que a veces se reduce algo con el tiempo sin llegar a desaparecer por completo; dada la variabilidad de esta recuperación con el tiempo, se denomina “DEFORMACIÓN REMANENTE Y NO PERMANENTE”.

 

Cuando el tiempo en que el caucho permanece deformado es suficientemente largo, o cuando la deformación tiene lugar a temperaturas elevadas, a los procesos puramente físicos se suman procesos químicos tales como envejecimiento, roturas de cadenas o de enlaces, creación de enlaces nuevos entre cadenas, cuyos efectos modifican significativamente la deformación remanente.

 

Generalmente se especifican ensayos de deformación remanente por compresión a temperatura elevada para los cauchos. Aunque es un buen indicador de las características elásticas de un caucho y de su grado de reticulación (la deformación remanente aumenta considerablemente con una vulcanización insuficiente), se debe tener cuidado al establecer las condiciones de ensayo y los límites de la especificación y también en la interpretación de los resultados.

Ensayo de envejecimiento acelerado: Esta prueba consiste en someter la probeta durante 70 horas a 100ºC con recirculación de aire.

Las características de un artículo de caucho pueden sufrir alteraciones más o menos severas a lo largo del tiempo de servicio. Estas alteraciones que se conocen como envejecimiento pueden resultar aceleradas por condiciones de servicio adversas, tales como temperatura elevada, exposición a la intemperie, ambiente oxidante, o ambiente agresivo. Por lo tanto, es necesario contar con métodos de ensayo que permitan juzgar en forma rápida el comportamiento del caucho de acuerdo a las condiciones a las cuales va a operar.

 

Siendo necesario obtener estos resultados en un plazo corto, se deben extremar las condiciones adversas, pero se debe tener presente que cuanto más se extremen estas condiciones en comparación con la condición de servicio, peor será la correlación entre el resultado de los ensayos y el comportamiento previsible en servicio real. El que un tipo de caucho falle en corto tiempo en un ensayo realizado, por ejemplo, a 120ºC, no es indicativo de que no pueda durar varios años en un servicio a 70ºC.

 

Otro factor que se debe considerar es el volumen del empaque cuya duración se pretende evaluar. En el caso de la degradación por el oxígeno del aire, la magnitud del ataque depende de la difusión del oxígeno en el caucho el cual disminuye exponencialmente con el espesor. Por esto en los ensayos de envejecimiento acelerado se deben utilizar probetas de poco espesor, para que la degradación sea lo más homogénea posible.

 

El efecto del envejecimiento se sigue por la variación de una o varias propiedades físicas, con frecuencia la dureza, resistencia a la tensión y elongación.

 

Prueba de resistencia al ozono: Otro de los factores que activan la degradación de un caucho es su exposición a la intemperie. Esta activación se atribuye al efecto de las radiaciones ultravioleta y al efecto del ozono. Dado que el negro de humo es un excelente absorbedor de las radiaciones ultravioleta, estas solo son perjudiciales para vulcanizados de color claro, en los que puede producir alteraciones y un fino agrietamiento superficial no orientado. Más importante y general es la acción del ozono, aunque está limitada al caso en que los vulcanizados estén sometidos a deformación por tracción (téngase presente que en una deformación por compresión, las superficies laterales pueden estar deformadas por tracción), en los que puede producir un agrietamiento perpendicularmente a la dirección de la deformación.

 

Dado que el ozono se descompone muy rápidamente en contacto con la mayoría de los materiales, su concentración en ambientes interiores es muy inferior a la existencia a la intemperie salvo que en aquellos haya una fuente generadora de ozono, por ejemplo chispas eléctricas. Al hablar de la utilidad de los ensayos de agrietamiento en cámara de ozono como medio para predecir el comportamiento en servicio, es conveniente hacer consideraciones similares a las formuladas al tratar del envejecimiento acelerado: cuanto más severas sean las condiciones del ensayo, más pueden apartarse los resultados de los que resultarían en servicio real.

 

Se debe tener en cuenta que cuando a un caucho se le da protección contra el ozono por inclusión de antiozonantes químicos en su formulación, esta protección se produce por la reacción preferente del ozono con el antiozonante que se encuentra en la superficie, reacción en la que se consume el antiozonante, que es repuesto por migración desde el interior. Si la concentración de ozono en el ensayo es muy alta, el antiozonante en la superficie se consumirá muy rápidamente y es posible que no dé tiempo a su reposición, ya que la migración es un proceso relativamente lento, con lo que la probeta se agrietará durante el ensayo. En condiciones normales de exposición a la intemperie, en que muy rara vez la concentración de ozono excede de 2 ppcm (2 partes de ozono por 100 millones de partes de aire), ese mismo caucho probablemente daría un resultado satisfactorio.

 

Además debe tenerse en cuenta que el agrietamiento por ozono es un fenómeno superficial, que no progresa a profundidades superiores a 1 mm o menos, con lo que en el caso de artículos voluminosos puede no afectar seriamente su funcionalidad, aunque el material falle en un ensayo acelerado de laboratorio.

Prueba de resistencia al aceite de transformadores: Como en el ensayo de envejecimiento acelerado, en el de resistencia al aceite se controla el cambio de algunas características del caucho, después de haber sido sumergido en aceite. Adicionalmente se hace una comprobación de la variación de volumen.

 

La difusión de un líquido en el interior de un caucho es un proceso que requiere cierto tiempo, aún con las probetas delgadas que se emplean en los ensayos normalizados, dependiendo este tiempo de la naturaleza del caucho, del aceite empleado y de la viscosidad de este, la cual a su vez es función de la temperatura.

 

Estas condiciones de ensayo (duración, temperatura y clase de líquido utilizado) se fijan de acuerdo al uso que se va a dar al caucho. Por esto las normas se limitan a indicar una serie de temperaturas y períodos de inmersión. Para este caso, la Norma Técnica Colombiana NTC 1759, define estas características de ensayo de acuerdo al uso en transformadores

 

La variación final del volumen es el resultado de dos procesos contrarios; por un lado el hinchamiento debido a la absorción de aceite por el caucho, y por otro, en muchos casos, una extracción de algunos de los componentes del producto, en especial de los plastificantes, por el aceite, lo que da lugar a una contracción. Según predomine uno u otro, el resultado final será un aumento o una disminución de volumen. Con frecuencia la velocidad de ambos procesos es distinta, con lo que sí, por ejemplo, el equilibrio de hinchamiento se alcanza antes de la extracción total, el volumen pasará por un valor máximo para ir disminuyendo después hasta que se completa la extracción.

 

La penetración del aceite de un transformador dentro del caucho y sus efectos sobre él dependerán en mayor o menor grado de la composición misma del aceite a saber: base de la que está elaborado nafténica o parafínica y contenido de aromáticos.

 

Todo el proceso mencionado afecta las propiedades del caucho, por tal motivo también se toma parámetro para determinar la resistencia al aceite, el cambio de dureza, de resistencia a la tensión y la elongación.

Fuente: elistas.net

 

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4 Comentarios Publica un comentario
  1. Deseamos comprar empaquetaduras de nitrito para transformadores sumergidos en aceite dieléctrico.
    Saludos….

    Responder
  2. avatar
    Victor M Gonzalez G
    Mar 22 2015

    Excelente documento para ser tenido en cuenta por operarios a quienes les corresponde instalar o montar empaques,y para los fabricantes de empaquetaduras para tranformadores; es indispensable que el fabricante este certificado y evaluado por un ente certificador o aprobacion de empresas fabricantes de tranformadores
    segun la norma tecnica N1759.
    El usuario del empaque. Debe exigir un certificado de calidad del producto que tenga los resultados de las pruebas realizadas al producto.

    Responder
  3. avatar
    ROMAN FUENTES AROSTI
    Ago 26 2013

    Gracias por el excelente trabajo. Favor de dar sugerencias o referencias de torques para el sello inicial ; considerando la calidad de los empaques y demás consideraciones indicadas en este artículo.

    Saludos

    Responder
  4. avatar
    Seferino Sanchez
    Jun 4 2013

    Excelentes artículos, importantes para estar informado en el ámbito del sector eléctrico; es interesante el tema de las “5 Reglas de Oro” del mantenimiento eléctrico, pues algunas de ellas pasan inadvertidas o no se toman en cuenta por rapidez o excesiva confianza.
    Me llamó la atención el tema del mantenimiento preventivo para Transformadores, ya que se usó como fuente a Ernesto Gallo Martinez con quien tuve la oportunidad de realizar un curso sobre Diagnostico de transformadores sumergidos en aceite vegetal.
    Espero continuar recibiendo más artículos interesantes.

    Responder

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