EFECTOS DEL DIBENCIL DISULFURO EN EL SISTEMA AISLANTE ACEITE/PAPEL

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1 TRO-4 P36 EFECTOS DEL DIBENCIL DISULFURO EN EL SISTEMA AISLANTE ACEITE/PAPEL Resumen Arali Guzmán López, Oscar A. Reyes Martínez Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) Recientemente, a nivel mundial se han detectado varios transformadores de potencia y reactores shunt afectados por el problema de azufre corrosivo. Se ha descubierto que el causante principal de esta problemática es un compuesto denominado Dibencil Disulfuro (DBDS), el cual se adicionó al aceite para incrementar sus propiedades dieléctricas. Numerosos estudios se han llevado a cabo para solucionar esta problemática mundial. Entre las soluciones actuales, se encuentran el uso de pasivadores, reemplazo de aceite y la eliminación de especies corrosivas del aceite. Sin embargo, el daño en el devanado de los equipos es irreversible, por lo que en algunos de estos equipos, aún implementando alguna de las soluciones actuales, eventualmente se presentarán fallas debido a este fenómeno. Por esta razón, en México, la Coordinación de Transmisión de la CFE en conjunto con el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) están desarrollando una metodología de diagnóstico para determinar el grado de daño en devanados a consecuencia de la presencia de especies corrosivas en el aceite. Como parte del desarrollo de este proyecto, se llevó a cabo experimentación a escala reducida. Durante la etapa experimental se encontró que el DBDS tiene un efecto considerable en las propiedades dieléctricas del aceite mineral. En este artículo se presentan los hallazgos encontrados del efecto del DBDS en el aceite mineral Los resultados obtenidos indican que el DBDS contribuye a la generación excesiva de algunos gases disueltos en el aceite, así mismo, tiene un efecto considerable en el papel del devanado. Héctor Lara Covarrubias, Ricardo Montes Fernández Comisión Federal de Electricidad (CFE) hector.lara@cfe.gob.mx, ricardo.montes@cfe.gob.mx I. Introducción En los años recientes, a nivel mundial se han documentado varios casos de fallas en transformadores de unidad y reactores shunt, las cuales se han atribuido a la presencia de azufre corrosivo [1-3] en el sistema aislante papel/aceite. Se ha documentado que las fallas ocurren en equipos relativamente nuevos (<1 años en operación) que trabajan en tensiones de 23 kv y mayores. Las fallas se han presentado en compañías eléctricas de diferentes partes del mundo, tales como Brasil, Canadá, India, Italia, España, Sudáfrica, Suecia, China y Tailandia. En México, la CFE ha detectado esta problemática en más de 3 transformadores de potencia y reactores shunt instalados en la red eléctrica nacional [4]. En 26 se descubrió un componente llamado Dibencil Disulfuro (DBDS), que al estar en contacto con aceite caliente dentro del transformador se descompone, generando así la corrosión de algunos componentes. A raíz de esto, se han propuesto soluciones para mitigar el problema de azufre corrosivo en equipo eléctrico, tales como reemplazo de aceite, el uso de pasivadores y la eliminación de especies corrosivas del aceite aislante. Adicionalmente a estos esfuerzos, en México, la CFE en conjunto con el IIE comenzaron una investigación con la finalidad de desarrollar una metodología de diagnóstico para determinar el grado de daño del devanado a consecuencia de las especies corrosivas presentes en el aceite. Para el desarrollo de esta metodología se llevó a cabo experimentación a escala reducida. Durante la etapa experimental se encontró que el DBDS tiene un efecto considerable en las propiedades dieléctricas del aceite mineral. En este artículo se presentan los hallazgos encontrados del efecto del DBDS en el aceite mineral. II. Arreglos experimentales RVP-AI/212 TRO-4 PONENCIA RECOMENDADA POR EL COMITÉ DE TRANSFORMADORES DEL CAPÍTULO DE POTENCIA DEL IEEE SECCIÓN MÉXICO Y PRESENTADA EN LA REUNION INTERNACIONAL DE VERANO, RVP-AI/212, ACAPULCO GRO., DEL 8 AL 14 DE JULIO DEL 212. El objetivo de la experimentación fue evaluar el nivel de degradación del sistema aislante papel/aceite provocado por la presencia del compuesto Dibencil Disulfuro (DBDS) en el aceite. Para esto, se diseñaron 4 arreglos experimentales capaces de conservar las proporciones cobre/aceite/papel de un transformador real (ver Figura 1). Se utilizaron bobinas de solera de cobre empapelada y aceite mineral tipo nafténico. En dos de los arreglos se agregaron 1 ppm de DBDS. Los arreglos se sometieron a envejecimiento acelerado a 14 C

2 Rigidez dieléctrica (kv) Contenido de humedad (ppm) durante 3, 45 y 6 horas. En todos los arreglos se simuló el sistema de conservación con colchón de Nitrógeno. Contenido de humedad en aceite con y sin DBDS Figura 3 Comparación de contenido de humedad en aceite Figura 1 Arreglos experimentales para evaluación de grado de daño en devanados por azufre corrosivo III. Resultados Se tomaron muestras de aceite mineral a diferentes tiempos de calentamiento y se realizaron mediciones de rigidez dieléctrica, contenido de humedad, gases disueltos y DBDS. Así mismo, se realizó la medición de grado de polimerización en el papel. La medición de rigidez dieléctrica en el aceite mineral se realizó de acuerdo a la norma ASTM D877 [5]. En la Figura 2 se presentan los resultados del comportamiento de la rigidez dieléctrica del aceite en sistemas con y sin presencia de DBDS Rigidez dieléctrica en aceite con y sin DBDS Figura 2 Comparación de rigidez dieléctrica en aceite mineral con y sin presencia de DBDS En la Figura 3 se presentan los resultados del contenido de humedad en aceite con y sin presencia de DBDS. La rigidez dieléctrica en aceite que contiene DBDS disminuye más rápidamente que en el aceite sin DBDS. Estos resultados concuerdan con el contenido de humedad presente en estos aceites, ya que para un aceite con DBDS se registraron valores superiores a 6 ppm de humedad, mientras que en aceite sin DBDS, el contenido de humedad está alrededor de las 4 ppm. La medición de contenido de gases disueltos reveló diferencias significativas en la generación de gases en aceite mineral con y sin presencia de DBDS. En la Figura 4 se presentan los resultados de contenido de gas Hidrógeno Contenido de Hidrógeno en aceite con y sin DBDS Figura 4 Comparación de contenido de gas Hidrógeno en El gas Hidrógeno incrementa notablemente su concentración en aceite con DBDS, alcanzando un valor máximo cercano a las 2 ppm. Por otro lado, en aceite sin la presencia de DBDS, la concentración del gas Hidrógeno no supera las 1 ppm. En la Figura 5 se presentan los resultados del contenido del gas Etano (C 2 H 6 ) en aceite con y sin presencia de DBDS.

3 Grado de polimerización Contenido de Etano en aceite con y sin DBDS En los experimentos, se observó que los gases Hidrógeno, Etano, Metano y Acetileno tienen concentraciones más altas cuando el aceite contiene el compuesto DBDS. Esto es así, a pesar de que el DBDS es un antioxidante del aceite y debería prolongar su vida útil. 1 5 En la Figura 8 se presentan los resultados del contenido de óxidos de carbono en aceite con y sin presencia de DBDS Contenido de Oxidos de Carbono en aceite con y sin DBDS CO2_con DBDS Figura 5 Comparación de contenido del gas Etano en aceite En la Figura 6 se presentan los resultados del contenido del gas Metano (CH 4 ) CO2_sin DBDS CO_con DBDS CO_sin DBDS Contenido de Metano en aceite con y sin DBDS Figura 8 Comparación de contenido de óxidos de Carbono en Figura 6 Comparación de contenido del gas Metano en aceite En la Figura 7 se presentan los resultados del contenido del gas Acetileno (C 2 H 2 ). Se observan concentraciones muy elevadas de óxidos de carbono en el aceite que contiene DBDS. La generación excesiva de este tipo de gases se relaciona con la degradación de la celulosa, por esta razón, se analizó el grado de polimerización del papel sometido a envejecimiento. En la Figura 9 se presentan los resultados comparativos del decrecimiento del grado de polimerización del papel en sistemas aislantes con y sin DBDS. 12 Comportamiento de grado de polimerización en sistemas con y sin DBDS Contenido de Acetileno en aceite con y sin DBDS Arreglos con DBDS Arreglos sin DBDS Horas de envejecimiento Figura 9 Comportamiento del grado de polimerización de papel en sistemas con y sin DBDS en función del tiempo Figura 7 Comparación de contenido del gas Acetileno en

4 En sistemas en los que el aceite contiene DBDS, se observa un descenso lento en el grado de polimerización, mientras que en sistemas que no contienen DBDS, el papel alcanza un grado de polimerización de 4 durante las primeras 3 horas. Esto se debe a que el DBDS al ser un antioxidante del aceite retarda el envejecimiento de la celulosa. Sin embargo, la generación excesiva de óxidos de carbono es posible que se deba a que el DBDS genera óxidos de carbono como productos de descomposición. Lo anterior de acuerdo a la información encontrada en la hoja de datos técnica del DBDS. Por último, en la Figura 1 se presenta el contenido de DBDS analizado en el aceite mineral a diferentes tiempos de calentamiento. Se supone cantidad de DBDS disminuye debido a que está reaccionando con el sistema aislante. El DBDS se descompone en mercaptanos y sulfuro de cobre, mismo que se deposita en el devanado de la bobina bajo prueba Contenido de DBDS en aceite Figura 1 Evolución del contenido de DBDS en aceite mineral en función del tiempo Esta disminución en la concentración de DBDS en el aceite es coherente con la aparición de sulfuro de cobre (Cu 2 S) en el devanado (ver Figura 11). Durante las primeras 3 horas de calentamiento, se observa un decrecimiento en la concentración de DBDS de un 4% aproximadamente. A este tiempo, la solera del devanado se encontró completamente cubierta con Cu 2 S. A las 45 horas de calentamiento, la concentración de DBDS se encontraba ligeramente por debajo de las 6 ppm y en el devanado se observó deposición de Cu 2 S en las aristas de la primera capa de papel. Por último, a las 6 horas de calentamiento, la concentración de DBDS se encontraba alrededor de 4 ppm y en el devanado, se observó deposición de Cu 2 S en casi toda la primera capa de papel, sin observar migración de este compuesto a la segunda capa. Así mismo, en la solera se podían observar espacios limpios de donde se habían desprendido los depósitos de Cu 2 S que se adhirieron al papel. (a) (c) Figura 11 Evolución en la deposición de sulfuro de cobre en el devanado. (a) 3, (b) 45 y (c) 6 horas IV. Conclusiones El compuesto DBDS provoca la generación excesiva de gases como Hidrógeno, Metano, Etano y Acetileno. De estos gases, el Metano y Etano se relacionan con el sobrecalentamiento del aceite y los gases Hidrógeno y Acetileno se relacionan con descargas parciales y arqueo. Es importante evaluar este comportamiento en campo, ya que podría dar indicios de la degradación del aceite en equipos que presentan esta problemática. El DBDS incluso provoca la generación excesiva de óxidos de carbono, lo cual está directamente relacionado con la degradación de la celulosa. Sin embargo, al analizar el grado de polimerización del papel del devanado se encontró que el papel se degrada más lentamente en presencia de DBDS. Por tal razón se concluye que las altas concentraciones de óxidos de carbono puede deberse a la degradación del DBDS y del aceite mismos. Durante el calentamiento, el contenido de DBDS fue disminuyendo, lo cual concuerda con la deposición de sulfuro de cobre (Cu 2 S) depositado en el devanado. Es importante señalar que en estos experimentos se observó deposición de Cu 2 S en la solera y en la primera capa de papel. Se está trabajando para hacer migrar el Cu 2 S a las otras capas de papel del devanado. (b)

5 V. Bibliografía [1]. N. Abi-Samra, "Presence of corrosive sulfur can lead to transformer failure," EPRI, Tech. Rep , 26. [2] C. Bengtsson, M. Dahlund, J. Hajek, L. F. Pettersson, K. Gustafsson, R. Leandersson and A. Hjortsberg, "Oil Corrosion and Conducting Cu2S Deposition in Power Transformer Windings," CIGRÉ, 26. [3] M. Dahlund, "Failures due to copper sulphide in transformer insulation," Energize, pp. 2-23, April, 26 [4] E. Blanco, A. Vallejo, R. Cruz, G. Aguirre and R. Huizar, "Estudio de Falla de un Transformador Trifásico de 161 kv, 5 MVA por deposición de Azufre Corrosivo, en México," RVP-A1, 27 [5] ASTM D877 Standard Test Method for Dielectric Breakdown Voltage of Insulating Liquids Using Disk Electrodes. Estados Unidos. ASTM International. Edición 27. Maestro en Ingeniería Eléctrica por el Centro de Ricardo Montes Fernández posgrado del IIE. ricardo.montes@cfe.gob.mx Ingeniero Electricista por el Instituto Tecnológico de Orizaba. De 1996 a 25 ocupó el puesto de Ingeniero de Subestaciones y Líneas en la CFE. Actualmente se desempeña como Jefe de Departamento de la Subgerencia de Operación de Subestaciones, en la Coordinación de Transmisión de la CFE. VI. Arali Guzmán López aguzman@iie.org.mx Curriculums Ingeniero químico por el Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez (25). Desde 211 es investigador en la Gerencia de Equipos Eléctricos del IIE. Ha trabajado en el desarrollo de proyectos relacionados con el diagnostico de equipo primario de subestación mediante evaluaciones fisicoquímicas. Maestro en Ingeniería Eléctrica por la Oscar Alfonso Reyes Universidad Autónoma Martínez de Nuevo León (21). oareyes@iie.org.mx Desde 1994 es investigador del IIE y ha dirigido y participado en diversos proyectos relacionados con el diagnóstico y determinación de causas de falla de equipo eléctrico de alta tensión. Héctor Lara Covarrubias hector.lara@cfe.gob.mx Maestro en Ingeniería Eléctrica por el Centro de posgrado del IIE. Ingeniero Electricista, egresado de la Universidad Autónoma de Zacatecas en 1979, diplomado en Alta tensión por la Universidad Autónoma de Guanajuato. Tiene experiencia en construcción, operación y mantenimiento de subestaciones y líneas de transmisión. Actualmente, se desempeña como Gerente Nacional de Operación de Subestaciones de la Coordinación de Transmisión de la CFE.