La técnica está llevando a cabo una inspección matutina cuando ve que el color del gel de sílice en el respirador del transformador ha cambiado de azul a rosa brillante en la parte superior de la columna, mientras que el nivel de aceite en el conservador está cerca del mínimo. Ella verifica para registrar ambos eventos, pero recuerda del manual de mantenimiento que estas observaciones indican dos señales de advertencia temprana de un problema: la humedad y el aire que entran en el sistema de aceite cerrado del transformador. Lo mismo sucedió en un transformador de otra empresa cuando hace diez años el equipo falló al experimentar los mismos problemas. Después del accidente, el informe de análisis de gas disuelto indicó que había signos de niveles de hidrógeno en aumento que habían sido visibles durante mucho tiempo en la condición del respirador. El problema fue detectado por el relé de gas; en este caso, cuenta con un relé Buchholz.
El artículo proporciona los detalles sobre cómo funcionan los respiradores y los relés de gas en un transformador de aceite, su importancia, cómo interpretar sus señales y cuánto cuesta una unidad nueva.
El respirador es una parte del conservador de aceite. Es un dispositivo basado en gel de sílice que elimina la humedad del aire que se introduce a través del conservador de aceite mientras el transformador respira. El relé de gas es otro dispositivo de protección que normalmente se instala entre el conservador y el tanque para detectar la acumulación de gas debido a fallos en el transformador. El precio de un respirador normalmente varía entre $50 y $300 y el relé de gas generalmente cuesta entre $100 y $600. En general, todos los transformadores de potencia con una clasificación superior a 1 MVA deben estar equipados con relés de gas (norma IEC 60076-1). Es obligatorio que todos los tipos de conservadores utilicen respiradores. El gel de sílice en el respirador debe ser revisado regularmente cada 3 a 6 meses y regenerado cuando cambia de color.
Por qué los transformadores sumergidos en aceite necesitan ambos.
El aceite utilizado en el transformador sumergido en aceite cumple funciones duales de enfriamiento e aislamiento. Ambas funciones pueden verse comprometidas por los dos enemigos contra los que protegen los relés de gas y los respiradores: la humedad y el gas de fallos internos. Un transformador lleno de aceite respira porque el aceite se expande y contrae con la temperatura: a medida que la carga aumenta, el aceite se calienta y se expande, empujando el aire hacia afuera a través del respirador. Cuando el aceite se enfría, el aire regresa al tanque. Sin un respirador deshidratante, el aire traería la humedad al aceite, ya que el agua es la forma más rápida de fallo de aislamiento. Solo unas pocas centenas de partes por millón de agua en el aceite del transformador pueden afectar drásticamente su resistencia dieléctrica: la tensión de ruptura puede bajar de más de 60 kV a menos de 30 kV con el aumento de la humedad.
Los relés de gas luchan la otra batalla. Los fallos internos — vueltas en cortocircuito, fallos en el núcleo, conexiones sueltas — generan calor y descargan arcos eléctricos, que descomponen el aceite en gases. Los gases formados ascienden a la parte superior del tanque y van al conservador a través del tubo que conduce al relé de gas, permitiendo así que el relé de gas detecte el gas mucho antes de que otras protecciones puedan verlo.
El Deshidratador: Función y Diseño
Un deshidratador es una unidad cilíndrica que se instala en la entrada de aire de un conservador, generalmente en la parte superior de un tanque de conservador. El deshidratador utiliza un material deshidratante que suele ser gel de sílice a través del cual pasa todo el aire entrante. El gel de sílice elimina la humedad del aire entrante antes de que llegue al aceite. Un cambio en el color del gel de sílice del estado activo (principalmente azul) al estado hidratado (rosa, blanco o naranja dependiendo del grado) indica la cantidad de capacidad que queda para que el deshidratante absorba humedad.
La unidad típicamente tiene un sello de aceite o una válvula de retención para prevenir la saturación del deshidratante con agua debido a salpicaduras de lluvia. El dispositivo también permite que el gas escape y no permite que la humedad entre. Los deshidratadores modernos pueden venir con una ventana indicadora, cartucho removible con deshidratante para renovación, y un calentador en ambientes fríos donde la humedad puede condensarse dentro de la unidad. Un deshidratador deshidratante habitual puede pesar entre uno y tres kilogramos de gel de sílice y funcionar para muchos transformadores de solo un par de MVA; una escala más grande requiere una carcasa más grande o una combinación de algunos deshidratadores.
El Relé de Gas: Función y Diseño
El relé de gas — comúnmente referido como relé Buchholz en honor a su inventor Max Buchholz (1921) — está posicionado en el sistema de tuberías que conecta el tanque principal con el conservador, teniendo una ligera inclinación que conduce al ascenso de gas. Incluye dos interruptores de flotador y algunos tipos tienen una barrera que distingue las olas.
- Acumulación de gas: Pequeños fallos internos causan una acumulación lenta de gas. Como resultado, empuja el aceite hacia arriba en la cámara del tanque superior, lo que reduce el nivel del flotador superior y cierra el contacto de alarma. Luego, el técnico puede ventilar el relé y tomar muestras de gas para examen.
- Oleada de aceite: Cuando ocurre un gran fallo, por ejemplo, un cortocircuito de devanado, el aceite comienza a fluir del tanque al conservador a alta velocidad. La baffle se libera y hace que el flotador inferior se mueva hacia abajo cerrando así la conexión de disparo que lleva a la desconexión del transformador.
De esta manera, el relé Buchholz se convierte en el primer y más efectivo dispositivo de protección, ya que detecta la aparición de un fallo incluso antes de que la corriente aumente lo suficiente como para desconectar el transformador.
Tipos de Relés de Gas y Deshidratadores
| Tipo | Descripción | Rango de precios típico |
|---|---|---|
| Deshidratador estándar de gel de sílice | Columna deshidratante de 1-3 kg, sello de aceite, ventana | $50-$300 |
| Deshidratador de gran capacidad / industrial | Columna de 5-15 kg para transformadores de potencia, opción de calentador | $300-$1,500 |
| Deshidratador indicador de cambio de color | Gel de sílice de azul a rosa, cartucho reemplazable | $80-$400 |
| Relé Buchholz clásico (tipo flotador) | Dos flotadores, alarma de gas + disparo por sobrepresión, visor de vidrio | $100-$500 |
| Relé de gas electrónico / inteligente | Sensores añadidos, indicación remota, puerto listo para DGA | $400-$1,200 |
En el caso de un transformador de distribución o industrial, el relé tipo flotador Buchholz y un respiradero de gel de sílice de cambio de color son las herramientas de preferencia, simplemente porque son los más fiables y los más económicos. Las versiones electrónicas ofrecen datos sobre el funcionamiento del relé en ubicaciones remotas.
Leyendo las señales: lo que cada dispositivo te dice
| Observación | Significado probable | Acción |
|---|---|---|
| Gel de sílice se volvió rosa / blanco | Deshidratante agotado; humedad entrando en el aceite | Regenerar o reemplazar gel de sílice; verificar contenido de agua en el aceite |
| Nivel de aceite bajo en el conservador con gel azul | Fuga de aceite o ingreso de aire | Encontrar y reparar la fuga; rellenar aceite |
| Alarma del relé de gas activada, gas en vidrio | Falla interna lenta; la composición del gas la identifica | Recoger muestra de gas para DGA; no reiniciar sin análisis |
| Disparo del relé de gas activado | Falla mayor; oleada de aceite | Bloquear el transformador; investigar antes de reenergizar |
| Alarmas frecuentes del relé de gas, sin cambio de carga | Falla interna recurrente o conexión suelta | Inspección interna completa; pruebas de resistencia de devanados y relación de vueltas |
La práctica más importante respecto al mantenimiento del transformador es considerar la alarma del relé de gas como una solicitud de muestra de laboratorio, no solo como un reinicio. La presencia de hidrógeno (H₂) y acetileno (C₂H₂) indica la ocurrencia de arcos, la presencia de etileno (C₂H₄) y etano (C₂H₆) indica puntos calientes, mientras que una baja concentración de hidrógeno apunta a descargas parciales. Cada caso conduce a un área diferente del transformador.
Especificaciones y selección
| Parámetro | Deshidratador | Relé de gas |
|---|---|---|
| Capacidad / clasificación | Masa del deshidratante: 1-15 kg por volumen de aceite | Tamaño de tubería: DN50-DN100 coincidiendo con la tubería del conservador |
| Estándar | IEC 60076-1 relacionado; especificación del fabricante | IEC 60076-1; relé probado según el estándar del fabricante |
| Materiales | Cuerpo galvanizado / de acero inoxidable, ventana de vidrio o policarbonato | Cuerpo fundido con puertos de visión de vidrio, flotadores de latón/acero |
| Contactos de alarma / disparo | Ninguno (solo visual) o alarma opcional en alta humedad | Dos contactos independientes: alarma de gas, disparo por sobretensión (por ejemplo, 250 V, 2-3 A CA) |
| Montaje | Parte superior del conservador, entrada de aire | Tubería entre el tanque y el conservador, pendiente de 1-5° |
Elija el tamaño del diámetro de la tubería considerando el relé de gas que se está utilizando y la clasificación de los contactos, ya sea CA o CC. Para deshidratadores, utilice la cantidad de deshidratante de acuerdo con la capacidad de aceite del transformador y la tasa de respiración, con una regla general que, para equipos de distribución, use alrededor de 1 kg de gel de sílice por cada 1,000-2,000 litros de aceite.
Intervalos y procedimientos de mantenimiento
Ambos dispositivos son económicos, fáciles de usar y frecuentemente ignorados, lo que provoca que los dispositivos no cumplan sus funciones de manera efectiva. Un plan lógico es el siguiente:
- Deshidratador – cada tres a seis meses verifique el color del gel de sílice. Reemplace o regenere el gel cuando se haya vuelto ineficaz. El gel de sílice azul se puede secar colocándolo en un horno a 105-120° C y manteniéndolo allí durante varias horas hasta que vuelva a su color azul.
- Relé de gas – una vez al año verifique que el dispositivo funcione abriendo la válvula de prueba a través de la cual el contacto de alerta se cierra cada vez que el dispositivo opera.
- Relé de gas – para cada análisis de gas disuelto en aceite, compare el contenido de gas acumulado con los registros de gas dentro del cuerpo del transformador.
- Sello del deshidratador – una vez al año asegúrese de que los niveles de aceite y las válvulas de retención estén en un nivel apropiado. El sello seco significa que puede entrar humedad a través del propio puerto del deshidratador.
El costo de ese monitoreo simple puede ser de unos pocos cientos de dólares al año, mientras que los costos de no monitorearlos pueden llevar a devanados afectados por la humedad o fallas internas no detectadas que conducen a un rebobinado completo del transformador que cuesta, en promedio, entre el 50 y el 80 por ciento de un transformador nuevo.
Cuando el relé de gas obtiene una muestra, la concentración de gas muestra qué causó la falla, ya que esto es lo que el laboratorio involucrado en el análisis de gas disuelto siempre verifica primero.
| Firma de gas | Falla indicada | Siguiente paso recomendado |
|---|---|---|
| Alto H₂ + C₂H₂ (acetileno) | Arco en el devanado o núcleo | Inspección interna; pruebas de resistencia del devanado y relación de vueltas |
| Alto H₂ solo (baja concentración) | Descarga parcial | Continuar monitoreo DGA; verificar hardware suelto |
| Alto C₂H₄ + C₂H₆ (etileno/etano) | Punto caliente térmico (sobrecalentamiento) | Verificar perfil de carga, enfriamiento, nivel de aceite; repetir DGA en 1-3 meses |
| Alto CO + CO₂ | Envejecimiento del papel/aislamiento o sobrecalentamiento | Análisis de furanos; estimar la vida útil restante del aislamiento |
| Dominado por nitrógeno sin gases de falla | Respiración normal / sin falla interna | Continuar monitoreo rutinario |
Dónde se utilizan
Los deshidratadores y relés de gas se pueden encontrar en muchos transformadores llenos de aceite con conservadores, típicamente desde 50 kVA en adelante. La configuración estándar incluye:
- Transformadores de distribución (50-2,500 kVA): respiradero estándar con un relé de gas que se recomienda encarecidamente para más de 1 MVA.
- Transformadores de potencia (5-100 MVA): un respiradero más grande, relé de Buchholz con alarma y capacidad de desconexión que es obligatorio según IEC 60076-1.
- Transformadores de elevación de generador y de red: varios respiraderos y relés suelen estar equipados con la posibilidad de monitoreo electrónico.
- Transformadores con diseños herméticamente sellados y de tanque de expansión: el respiradero puede estar representado solo por una bolsa de expansión; sin embargo, el relé de gas sigue siendo un factor por encima de 1 MVA.
Transformadores herméticamente sellados y con bloqueo de aire (utilizando nitrógeno) simplifican la tarea de un respiradero; no obstante, el conservador con un respiradero prevalecerá durante muchos años, especialmente en lugares con carga variable y altas tasas de humedad.
Comparación de marcas y precios
| Marca | Origen | Productos | Rango de precios aproximado |
|---|---|---|---|
| SR Reinhausen | Alemania | Relés de gas premium y accesorios | $300-$1,500 |
| ABB | Suiza/Suecia | Relés y respiraderos como accesorios de transformador | $150-$1,000 |
| Schneider Electric | Francia | Accesorios protectores de clase de distribución | $80-$500 |
| Comem (Italia) / Lokato | Italia / China | Fabricantes especializados de relés de gas y accesorios de conservador | $100-$600 |
| Proveedores generales de accesorios | Varios | Deshidratadores de gel de sílice, todos los tamaños | $50-$1,200 |
| Jiangsu Subian Electric Power | China | Deshidratadores, relés Buchholz, conjuntos de tanque completos con accesorios | $60-$700 |
En el segmento de accesorios, fabricantes como MR Reinhausen y Comem establecen los estándares de calidad de los relés de gas, mientras que los fabricantes de Europa enfrentan una seria popularidad entre los compradores de soluciones de transformadores de potencia. El transformador completo —tanque, conservador, deshidratador y relé Buchholz probado como un solo conjunto— es suministrado por fabricantes como Jiangsu Subian Electric Power, que realiza todo el trabajo en el sitio del fabricante y ofrece precios bajos que son aproximadamente 40-60% más bajos que los de los fabricantes occidentales. La diferencia radica en el hecho de que la calidad del relé de gas y del deshidratador no es el área donde ahorras dinero al comprar un transformador, sino más bien el área que define si un buen fabricante trata los accesorios como parte del diseño del transformador o no.
Cómo Elegir e Instalar
- Conecte el relé de gas a la tubería. Elija un diámetro de conexión del conservador (bore nominal DN50-DN80) y la clasificación del transformador para asegurar que las clasificaciones de contacto para el circuito de disparo sean adecuadas.
- El deshidratador debe seleccionarse de acuerdo con el volumen de aceite en el transformador. Cuanto mayor sea el volumen de aceite, mayor será la tasa de respiración y la cantidad de deshidratante; asegúrese de tener un calentador instalado si trabaja en condiciones de heladas o humedad.
- Asegúrese de que el relé esté posicionado correctamente. Se recomienda una inclinación de 1-5° hacia el relé para asegurar que el gas se recoja en el relé; asegúrese de que la flecha en el relé indique el conservador.
- Conecte las alarmas y los circuitos de disparo por separado. La alarma de gas debe conectarse a SCADA; por el contrario, el disparo por sobrepresión debe estar cableado al circuito del interruptor del transformador.
- Coloque el deshidratador en el punto más alto de la tubería. La entrada de aire debe estar por encima del nivel máximo de aceite en el conservador para que el aceite no pueda inundar el deshidratante.
- Especifique los dispositivos en el contrato. Indique el tipo de relé y la capacidad del deshidratador en la orden de compra, y asegúrese de tener sus informes de prueba en el certificado de entrega.
Preguntas Frecuentes
¿Cuánto cuesta un deshidratador y un relé de gas?
El precio de un deshidratador de gel de sílice estándar con un peso de entre 1 kg y 3 kg varía de 50 a 300 dólares; el de un deshidratador de transformador de potencia grande está en el rango de $300 a $1,500 o más. Un relé de gas Buchholz tradicional cuesta entre $100 y $500, mientras que uno electrónico con monitoreo remoto cuesta entre $400 y $1,200. Ambos accesorios no representan más del tres por ciento del precio de un transformador completo.
¿Con qué frecuencia debo revisar o cambiar el gel de sílice en el deshidratador?
Realice verificaciones visuales del color al menos cada tres a seis meses, más frecuentemente en ambientes húmedos. Si el gel azul se vuelve rosa o blanco, está completamente agotado. Regénerelo calentándolo entre 105 °C y 120 °C hasta que su color vuelva a ser azul o reemplácelo por completo. Si el respirador saturado no se reemplaza, la humedad entrará en el aceite, lo que llevará a la falla del sistema de aislamiento.
¿Qué detecta realmente el relé de gas?
Este dispositivo puede identificar dos tipos de fallas. La primera es la acumulación de gas causada por una falla interna lenta donde el gas obliga al aceite a desplazar la boya, lo que provoca un contacto de alarma. La segunda es un aumento repentino de aceite causado por una falla severa que mueve un deflector que abre instantáneamente el interruptor del transformador. El gas recolectado puede ser analizado para determinar su composición (hidrógeno, acetileno, etileno), informando así si la falla fue debido a arco, puntos calientes o descarga parcial.
¿Por qué mi alarma de relé de gas sigue funcionando sin cambio de carga?
Una alarma de gas repetida con carga normal generalmente indica que hay una falla interna, usualmente una conexión suelta, un devanado en cortocircuito o sobrecalentamiento del núcleo. Evite restablecer la alarma sin antes tomar muestras de gas y realizar un análisis de gas en aceite. Si la alarma de gas se activa con frecuencia, indica que el transformador requiere la realización de pruebas internas (resistencia de aislamiento, relación de vueltas y pruebas de resistencia de devanados).
¿Puede un transformador funcionar sin un relé de gas?
La afirmación es técnicamente correcta. Sin embargo, es una mala práctica y no cumplir con las normas utilizar Buchholz en transformadores con una potencia nominal superior a aproximadamente 1 MVA, donde la protección es obligatoria, según IEC 60076-1. El relé Buchholz es el único equipo que detecta las fallas internas en desarrollo antes de que ocurra un cortocircuito fase a fase. Sin él, el primer signo de falla puede ser el disparo catastrófico o un incendio. El costo del relé está entre $100 y $600, y este relé se considera una de las formas más económicas de protección en subestaciones.
Referencias
- IEC 60076-1 — Transformadores de potencia, Requisitos generales — El estándar maestro que cubre accesorios como relés de gas en transformadores sumergidos en aceite.
- IEEE C57.106 — Guía para la Aceptación y Mantenimiento de Aceite Mineral Aislante — Límites de humedad y orientación sobre la condición del aceite que protege el mantenimiento del respirador.
- IEEE 62 — Guía para Pruebas de Campo Diagnósticas de Aparatos de Energía Eléctrica — Contexto de pruebas de campo para relés y aislamiento.
- MR Reinhausen — Accesorios y Relés de Gas — Documentación de referencia para diseños de relés de gas premium.
- OSHA Guía de Seguridad Eléctrica — Contexto de seguridad en el lugar de trabajo para trabajar en sistemas de protección de transformadores energizados.
- Revista Transformers — Publicación de la industria con artículos prácticos sobre el mantenimiento de respiradores y relés.
Conclusión
Los primeros en aparecer en la lista de componentes de bajo costo e informativos que son casi olvidados pero aún muy necesarios en un transformador lleno de aceite son el relé de gas y el respirador. El primero le alerta sobre cualquier posible problema dentro del transformador e indica cuándo algo va mal.
- Verifique el color del gel de sílice cada 3 a 6 meses y cuando no funcione, regénere o reemplácelo.
- No trate ninguna alarma del relé de gas como un botón de eliminar; trátelo como una solicitud de una muestra de DGA.
- Realice una verificación del relé de gas para su funcionamiento cada año y asegúrese de que el circuito de disparo funcione correctamente.
- En el contrato del transformador, incluya estos dos componentes y solicite los registros de sus pruebas.