EVALUACIÓN DEL RIESGO DE INCENDIO DE UN TRANSFORMADOR

8/2/2019 EVALUACIN DEL RIESGO DE INCENDIO DE UN TRANSFORMADOR

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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

ESCUELA POLITCNICA SUPERIOR

DEPARTAMENTO DE INGENIERA ELCTRICA

PROYECTO FIN DE CARRERA

EVALUACIN DEL RIESGO DE INCENDIO DE

UN TRANSFORMADORINGENIERA TCNICA INDUSTRIAL: ELECTRICIDAD

AUTOR: VALENTN MARTN SUREZ.

TUTOR: JUAN CARLOS BURGOS DAZ.

Legans, 16 de noviembre de 2009


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RESUMEN

Los transformadores de potencia son elementos muy fiables y seguros dentro de

una red elctrica de potencia. No obstante, en los transformadores que empleanaislamiento lquido de alta inflamabilidad, como el aceite mineral, el riesgo de incendioes elevado, debido a que contiene una gran cantidad de elementos combustibles que seencuentran en contacto con elementos en tensin. Este trabajo persigue obtener la

probabilidad de ocurrencia de incendio en un transformador de este tipo encuadrado enuna instalacin de cogeneracin ficticia.

La tasa de incendio en transformadores es pequea, pero algunas encuestasrealizadas recientemente sugieren que su nmero de incendios esta creciendosignificativamente en la ltima dcada, los cuales suelen tener consecuenciaseconmicas muy elevadas.

El riesgo de incendio en una instalacin es el producto de su probabilidad deocurrencia por las consecuencias derivadas de l.

La gran mayora de los mtodos de evaluacin del riesgo de incendio empleadosestn basados en el anlisis de las consecuencias del incendio, ninguno de ellos secentra en obtener su probabilidad de inicio. Lo que nos ha llevado a realizar un anlisissistemtico del riesgo de incendio de un transformador y a utilizar la metodologa delrbol de fallos para cuantificar su probabilidad de ocurrencia.

La principal causa de incendio en los transformadores con aislamiento lquido de

alta inflamabilidad es la prdida de su aislamiento efectivo. Cuando esto sucede,aumenta la probabilidad de producirse un fallo que de lugar a un arco elctrico en suinterior, el cual casi instantneamente, vaporiza una masa del aceite de la cuba. Lacantidad de gas generada tiene una relacin muy estrecha con el nivel energtico delarco elctrico. Cuando es alto, el gas formado se presuriza rpidamente, generandoondas de presin dinmica de gran magnitud en el aceite, que se propagan internamente

por todo el transformador e interactan con la estructura de la cuba en muy pocosmilisegundos. Si las protecciones del transformador no consiguen despresurizar la cubarpidamente, puede llegar a romper. Cuando esto sucede, los gases se infaman encontacto con el oxigeno debido a la alta temperatura a la que se encuentran,

producindose una fuerte explosin que provoca la ignicin del aceite y por lo tanto el

incendio del transformador.

Los ltimos estudios realizados sobre los dispositivos de alivio de presin de lacuba, consideran su tiempo de respuesta insuficiente para conseguir que el aumento de

presin provocado por estos fallos sobrepase la resistencia mecnica de la cuba.

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EVALUACIN DEL RIESGO DE INCENDIO DE UN TRANSFORMADOR

NDICE

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NDICE GENERAL

Resumen. 2

ndice general. 4

ndice de figuras. 6

ndice de tablas. 9

Captulo 1. Introduccin. 10

1.1.Objetivo del proyecto. 10

1.2.Justificacin del proyecto. 10

1.3.Alcance del proyecto. 11

Captulo 2. Riesgo de incendio en transformadores. 12

2.1. Fallos en transformadores. 12

2.2. Tipos de transformadores y riesgo de incendio. 16

2.3. Tasa de fallos en transformadores. 19

2.4. Incendios en transformadores. 23

2.5. Consecuencias econmicas de incendios en transformadores. 25

Captulo 3. Evaluacin del riesgo de incendio. 26

3.1. Introduccin. 26

3.2. Riesgo de incendio. 28

3.3. Mtodos de evaluacin de riesgo de incendio. 28

3.4. Anlisis sistemtico de riesgos. 29

Captulo 4. Anlisis sistemtico del riesgo de incendio de un transformador. 32

Captulo 5. Causas de incendio en transformadores. 33

5.1. Degradacin del aislamiento. 33

5.1.1. Aceite aislante. 33

5.1.2. Aislamiento slido. 38

5.2. Comportamiento del aceite ante los aumentos de temperatura. 40

5.3. Causas elctricas de una prdida de aislamiento prematura. 42

Captulo 6. Procesos internos. 47

6.1. Arco elctrico. 48

6.2. Vaporizacin del aceite. 52


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NDICE

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6.3. Presurizacin del gas e incremento de presin interna. 55

6.4. Rotura de la cuba. 62

Captulo 7. Proteccin del transformador. 67

7.1. Deteccin de fallos en transformadores. Protecciones. 67

7.2. Proteccin contra los procesos que provocan un incendio. 70

7.3. Efectividad de las protecciones. 72

Captulo 8. Fallos del transformador que derivan en incendio. 76

8.1. Fallos internos. 76

8.2. Fallos externos. 78

Captulo 9. Descripcin del transformador e instalaciones. 81

9.1. Red de media tensin y acometida. 82

9.2. Subestacin elevadora. 84

9.3. Transformador elevador. 85

9.4. Generador. 88

9.5. Esquema unifilar. 89

Captulo 10. Cuantificacin del riesgo. 93

10.1. rbol de fallos. 93

10.2. Construccin del rbol de fallos. 97

10.3. Redes de secuencia. 101

10.4. Fallos asimtricos. 105

10.5. Poda del rbol de fallos. 115

10.6. Evaluacin cuantitativa. 117

Captulo 11. Conclusiones. 122

11.1. Resumen. 122

11.2. Conclusiones. 122

11.3. Sugerencias para futuros desarrollos. 125

Bibliografa. 126


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NDICE DE FIGURAS

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NDICE DE FIGURAS

Figura 1: Estadsticas de averas en transformadores de potencia en EEUU

entre 1975 y 1982 [Maa05]. 13

Figura 2: Termografa infrarroja de un transformador para la deteccin depuntos calientes [Maa05]. 15

Figura 3: Transformador seco de resina 16

Figura 4: Transformador de aceite con depsito conservador 18

Figura 5: Probabilidad de explosin e incendio en funcin de la potencia[Gonz05] 21

Figura 6: Localizacin del origen del fallo[Gonz05] 21

Figura 7: Probabilidad de fallo de los transformadores en funcin de su edad[Bart03]. 22

Figura 8: Fallos en transformadores en funcin de su vida til [Gonz05]. 23

Figura 9: Incendio de un transformador 24

Figura 10: Tetraedro del fuego. 26

Figura 11: Anlisis de riesgo [Uniz09]. 30

Figura 12: Rigidez dielctrica y viscosidad del aceite en funcin de la temperatura. 34

Figura 13: Rigidez dielctrica en funcin del grado de humedad del aceite en %. 36

Figura 14: Gases formados por la vaporizacin del aceite en funcin de latemperatura alcanzada durante una falta. 41

Figura 15: Fuerzas electromecnicas en devanados de un transformador tipocolumnas, en condiciones de fallo [Gonz05]. 44

Figura 16: Procesos internos en un transformador con consecuencia de incendio. 48Figura 17: Tensin de arco. 49

Figura 18: Tensin de arco en funcin de la longitud de arco [Mura08]. 50

Figura 19: Generacin de gas para una falta de 35,4kA [Sche01]. 53

Figura 20: Generacin de gas para una falta de 118kA [Sche01]. 53

Figura 21: Generacin de gas para una falta de 236kA [Sche01]. 54

Figura 22: Factor de amplificacin dinmica frente a C/V [Foat08]. 55


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NDICE DE FIGURAS

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Figura 23: Aumento de presin en cuba para una falta de 35,4kA [Sche01]. 56

Figura 24: Aumento de presin en cuba para una falta de 118kA [Sche01]. 56

Figura 25: Aumento de presin en cuba para una falta de 236kA [Sche01]. 57Figura 26: Simulacin de arco elctrico en cuba [Pri08]. 57

Figura 27: Evolucin de la presin interna en cuba [Pri08]. 58

Figura 28: Transmisin de onda de presin en fluido incompresible[Pri08]. 60

Figura 29: Rotura de cuba por las paredes laterales. 63

Figura 30: Rotura de cuba por la cubierta superior. 64

Figura 31: Intensidad de falta frente al tiempo que tarda en romper la cuba[Raux89]. 64

Figura 32: Funcionamiento del rel direccional [Maa05]. 68

Figura 33: Proteccin diferencial [Maa05]. 71

Figura 34: Tiempo de actuacin de conjunto rel-disyuntor [Gonz05]. 73

Figura 35: % de Apertura de la vlvula de sobrepresin y tiempo transcurridopara diferentes presiones [Hass04]. 74

Figura 36: Incendio causado por un fallo interno [Foa08] 78

Figura 37: fallo en bornas [Foat08] 79

Figura 38: Esquema unifilar subestacin 20kV. 90

Figura 39: Esquema unifilar generador y lista de Items. 91

Figura 40: Simbologas y lista de protecciones. 92

Figura 41: Representacin grfica del rbol de fallos [NTP333]. 94Figura 42: rbol de fallos para cuantificar el riesgo de incendio

de un transformador. 98

Figura 43: rbol de fallos para cuantificar el riesgo de incendiode un transformador. Arco elctrico. 100

Figura 44: Esquema unifilar de la instalacin. 101

Figura 45: Esquema unifilar de la instalacin con tensiones base. 102

Figura 46: Redes de secuencia. 104


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NDICE DE FIGURAS

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Figura 47: Cortocircuito monofsico a tierra lado alta tensin. 105

Figura 48: Cortocircuito monofsico a tierra lado alta tensin Simplificacin. 106

Figura 49: Cortocircuito monofsico a tierra lado alta tensin Circuito equivalente. 106

Figura 50: Cortocircuito monofsico a tierra lado baja tensin. 107

Figura 51: Cortocircuito monofsico a tierra lado baja tensin. Simplificacin. 107

Figura 52: Cortocircuito monofsico a tierra lado baja tensin. Circuito equivalente. 108

Figura 53: Cortocircuito bifsico a tierra lado alta tensin. 108

Figura 54: Cortocircuito bifsico a tierra lado alta tensin. Simplificacin. 109

Figura 55: Cortocircuito bifsico a tierra lado alta tensin. Circuitoequivalente. 109

Figura 56: Cortocircuito bifsico a tierra lado baja tensin. 110

Figura 57: Cortocircuito bifsico a tierra lado baja tensin. Simplificacin. 111

Figura 58: Cortocircuito bifsico a tierra lado baja tensin. Circuito equivalente. 111

Figura 59: Cortocircuito bifsico lado alta tensin. 112

Figura 60: Cortocircuito bifsico lado alta tensin. Simplificacin. 113

Figura 61: Cortocircuito bifsico lado alta tensin. Circuito equivalente. 113

Figura 62: Cortocircuito bifsico lado baja tensin. 114Figura 63: Cortocircuito bifsico lado baja tensin. Simplificacin. 114

Figura 64: Cortocircuito bifsico lado baja tensin. Circuito equivalente. 114

Figura 65: Poda del rbol de fallos para evaluar el riesgo de incendio de untransformador. Arco elctrico. 116


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NDICE DE TABLAS

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NDICE DE TABLASTabla 1: Distribucin de averas en transformadores de potencia en EEUU

durante el periodo 1975-1982[Maa05]. 13

Tabla 2: Punto de inflamacin de aceites aislantes empleados en transformadores. 17

Tabla 3: Tasa de fallos de transformadores. Resumen de datos de la encuestade Australian Cigre 1996 [Pete08]. 20

Tabla 4: Costes derivados de incendios en transformadores de aceite [Bart03]. 25

Tabla 5: Condiciones de test [Mura08]. 50

Tabla 6: Comparativa de los resultados dados por autores de volumen de gas

producido para una misma energa de arco [Pete08]. 54

Tabla 7: Resultados test hidroquebec [Foat08]. 65

Tabla 8: Concentracin de gas y gravedad del defecto [Maa05]. 70

Tabla 9: Parmetros elctricos lnea media tensin [Pire09]. 83

Tabla 10: Parmetros elctricos lnea entrada al transformador [Pire09]. 85

Tabla 11: Caractersticas tcnicas de disyuntor [Abb09]. 85

Tabla 12: Tensin e intensidad nominal del secundario. 86

Tabla 13: Caractersticas de aceite dielctrico [Reps09]. 87

Tabla 14: Parmetros elctricos lnea puesta a tierra del estator [Pire09]. 88

Tabla 15: Simbologa rbol de fallos [NTP333]. 95

Tabla 16: Magnitudes base. 103

Tabla 17: Probabilidad de los sucesos bsicos 118

Tabla 18: Desarrollo rbol de fallos 1 119

Tabla 19: Desarrollo rbol de fallos 2 119

Tabla 20: Conjuntos mnimos de fallos 119

Tabla 21: Probabilidades de incendio 120


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INTRODUCCIN

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Captulo 1

Introduccin

1.1.OBJETIVO DEL PROYECTO.

El transformador es una de las mquinas elctricas ms importantes dentro delos sistemas elctricos de potencia. Las fronteras de generacin, transporte ydistribucin no podran delimitarse sin la existencia de estas mquinas.

Los transformadores estn sujetos a fallos que en casos extremos pueden derivaren una sbita explosin e incendio. Cuando se presentan tales sucesos los daos yconsecuencias econmicas tanto para la empresa suministradora de energa, como parala poblacin afectada pueden ser muy importantes, es por ello que su proteccin resulta

fundamental, no slo para su supervivencia, sino para la de todo el sistema elctrico.

El objetivo de este proyecto es conocer las causas y procesos que pueden provocar una explosin e incendio en los transformadores de potencia que empleanaislamiento lquido inflamable y cuantificar la probabilidad de ocurrencia de incendio(evaluacin del riesgo), en un transformador de este tipo encuadrado en una instalacinde generacin ficticia.

1.2.JUSTIFICACIN DEL PROYECTO.

Cuando se realiza una evaluacin del riesgo de incendio de un edificio,instalacin o equipo, se buscan obtener magnitudes numricas que permitan decidirrazonablemente, en funcin de mltiples factores, cual es su nivel de seguridad y

proteccin respecto a este riesgo. El principio en que se basa la presente proposicinconsiste en calcular el riesgo de incendio mediante los referentes de construccin yexplotacin de dichos elementos.

Los valores numricos obtenidos, deben permitir determinar si el riesgoevaluado se puede considerar tolerable. Por tanto sera necesario establecer cul es eselmite tolerable si es que no ha sido ya establecido. Si la solucin numrica encontrada

estuviera fuera de ese lmite, habra que verificar si se puede llegar y hasta que punto, auna reduccin adecuada del riesgo mejorando las medidas preventivas. Ya sea mediantemejoras en el diseo o en su proteccin.

Por tanto, los principales objetivos de la evaluacin del riesgo de incendio sondeterminar:

- La evaluacin numrica del riesgo de incendio.

- La determinacin de medidas de proteccin contra-incendio en funcinde los valores calculados del riesgo de incendio.


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INTRODUCCIN

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Ahora bien, existen mltiples mtodos para realizar una evaluacin del riesgo deincendio (Purt, Gretener,) y la gran mayora de ellos tienen en cuenta solamente lamagnitud de las consecuencias derivadas del incendio y apenas tienen en cuenta la

probabilidad de inicio de ste.

Este proyecto se centrar principalmente en obtener la probabilidad deocurrencia de un incendio en un transformador de potencia con aislamiento lquidoinflamable.

1.3.ALCANCE DEL PROYECTO.

Como hemos sealado en el punto anterior, nuestra evaluacin del riesgo deincendio del transformador se basar principalmente en obtener la probabilidad de

materializarse. Para ello efectuaremos un anlisis sistemtico del riesgo de incendio deun transformador con aislamiento lquido inflamable. El uso de mtodos sistemticos deanlisis de riesgos implica:

- Estudiar de procesos que deben de darse en el transformador para que seproduzca un incendio.

- Identificar de las causas por las que estos procesos tienen lugar.

- Obtener la frecuencia de ocurrencia de ocurrencia.

- Valorar las consecuencias.

Los dos primeros puntos, los desarrollaremos analizando la bibliografa existentey los ltimos estudios llevados a cabo sobre incendios en transformadores.

Para obtener la frecuencia de ocurrencia utilizaremos un mtodo de anlisiscuantitativo de riesgos el rbol de fallos y errores. La valoracin de las consecuenciasdel incendio no es objetivo de este proyecto.

Para llevar a cabo la evaluacin del riesgo de incendio de un transformador enparticular, es necesario definir la instalacin en la cual se encuentra enclavado. Para ellodisearemos una instalacin ficticia (central de cogeneracin) en la que estarencuadrado. De la configuracin y elementos de la instalacin depender la

probabilidad de ocurrencia de incendio.


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RIESGO DE INCENDIO EN TRANSFORMADORES

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Captulo 2

Riesgo de Incendio en transformadores

Hasta 2008, el consumo de electricidad aumentaba a un promedio del 2% anual.Este hecho junto con una reduccin de las inversiones realizadas en las redes elctricasdebido a los programas de privatizacin a nivel mundial de las empresas elctricas, hatrado como consecuencia sobrecargas ms frecuentes en transformadores.

La competitividad existente en el mercado elctrico exige muchas veces queequipos de transmisin y distribucin que han estado en funcionamiento durante aos,tengan mayor durabilidad y confianza. Adems, cuando se planifica un programa de

inversin, el bajo nivel de las normas internacionales y la globalizacin del mercado hanprovocado una reduccin de la calidad de los transformadores.

Todo esto ha llevado a numerosos especialistas a estar de acuerdo en que es muyprobable que la tasa de fallos de los transformadores se incremente en el futuro debido alos aos de funcionamiento de stos, la reduccin del coste y la falta de calidad ennuevos equipamientos [Roll04].

2.1. FALLOS EN TRANSFORMADORES.

Los transformadores son elementos bastante fiables dentro de una red elctrica,su tasa de fallos aunque esta aumentando en los ltimos tiempos, sigue siendo baja. Noobstante, algunos de sus fallos son muy costosos y en algunos casos catastrficos conmuy serias consecuencias (incendio).

Antes de mencionar los distintos tipos de fallos que se producen en lostransformadores, conviene hacer un repaso rpido de los tipos de averas que aparecenen los transformadores, junto con su distribucin estadstica. En la figura 1, se resumenlas estadsticas de averas en transformadores de potencia en EEUU, durante el periodocomprendido entre 1975 y 1982, tal como estn recogidas en la norma dedicada a la

proteccin de transformadores de potencia IEEE C37.91-1985. Para la realizacin de

dicha estadstica, se analizaron 1217 transformadores, estableciendo seis grandes gruposde averas, tal como muestra la tabla 1 [Maa05].


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Figura 1: Estadsticas de averas en transformadores de potencia en EEUU entre 1975 y1982[Maa05].

Tabla 1: Distribucin de averas en transformadores de potencia en EEUU durante el periodo1975-1982 [Maa05].

Desde un punto de vista descriptivo, la clasificacin de los diferentes tipos de

fallos que pueden aparecer en un transformador, segn la naturaleza de los subsistemasinvolucrados, plantea varios problemas. Si desde una perspectiva pedaggica puederesultar adecuado analizar de forma separada cada tipo de fallo, no resulta tan evidenteen la prctica distinguir el origen primario de una avera. Un transformador quemado

puede ser el resultado de uno o varios fallos en su origen, que pueden ir desde unasobrecarga elctrica o trmica mantenida hasta un defecto en el sistema de refrigeracin,o un fallo constructivo que hubiese afectado a los devanados en su origen. [Maa05].

Desde el punto de vista conceptual, los fallos en los transformadores se originan,tanto en el interior como en el exterior de la mquina.

Se entiende por fallo externo al transformador, aquel que se produce fsicamentefuera de la mquina. Desde la perspectiva de la vida del transformador, este tipo de


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fallos son tan importantes como los que se producen internamente, ya que si no sedespejan adecuadamente las condiciones que originan el defecto, se va a producir unareduccin de la vida de la mquina, que puede derivar, si ste es importante, en unaavera e incluso en un incendio. Se mencionan, a continuacin, los tipos de fallos

externos ms comunes:

- Sobrecarga.

- Cortocircuito.

- Sobretensin / Reduccin de frecuencia.

- Condiciones ambientales adversas.

Los fallos internos normalmente estn relacionados con una prdida de vida deaislamiento o con un mal diseo o construccin del transformador. Los principalesfallos internos son:

- Cortocircuitos entre espiras en la misma fase: Son muy problemticos, yaque en sus fases iniciales, cuando el fallo involucra nicamente unas

pocas espiras, resulta prcticamente imposible de detectar, especialmenteen el caso de transformadores de alta tensin con un elevado nmero deespiras.

- Cortocircuitos entre espiras de fases distintas: Menos frecuentes, peroms dainos y problemticos. Son fciles de detectar.

- Cortocircuitos monofsicos a tierra: Los defectos de aislamiento entrefase y carcasa (puesta a tierra) debido al deterioro de los dielctricos

provoca la circulacin de una intensidad de defecto hacia tierra siempreque el sistema de distribucin sea de tipo neutro rgido a tierra o a travsde una impedancia. En los sistemas de distribucin con neutro aislado lacirculacin de intensidad est restringida a las capacidades parsitasexistentes.

- Defectos en el circuito magntico: Los defectos en el circuito magnticosuelen producirse como resultado del deterioro del aislamiento entrechapas producido por un incremento excesivo de temperatura Estosincrementos pueden estar producidos por una condicin de sobrecarga,

por la presencia de armnicos en la intensidad, por sobretensiones odisminuciones de frecuencia que den lugar a una saturacin de flujomagntico. Suelen ser causantes de cortocircuitos fase-tierra, ya elnormalmente el ncleo esta conectado a tierra.

- Defectos en el conexionado / aisladores: Este tipo de defectos son producidos por conexiones defectuosas en la interfaz cable/aislador de


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entrada-salida del transformador. En el caso de los defectos producidos por malas conexiones, que se caracterizan por incrementos detemperatura, es posible realizar su deteccin mediante termografainfrarroja. En la figura 2, se muestra una termografa infrarroja de un

transformador de potencia, en el que puede apreciarse que no existeningn punto caliente significativo.

Figura 2: Termografa infrarroja de un transformador para la deteccin de puntos calientes[Maa05].

- Defectos en el sistema de refrigeracin: Los defectos en el sistema derefrigeracin comprenden todos aquellos fallos que afectan a la adecuadarefrigeracin de la mquina. Debidos a la prdida de refrigerante en lacuba, depsito de expansin o conducciones intermedias, deterioro de lascaractersticas del refrigerante debido a procesos de envejecimiento ocontaminacin, avera de los termostatos, sondas trmicas o ventiladores,obstaculizacin de las canalizaciones de refrigeracin o clculoinadecuado de la refrigeracin o modificacin de las condiciones deexplotacin.

En [Bart03] se muestran datos de un estudio realizado por The Hartford SteamBoiler Inspection & Insurance Co (la compaa ms grande suscriptora de seguros detransformadores en el mundo) sobre los fallos de su poblacin de transformadoresasegurados. La causa principal de fallo se debi a defectos de aislamiento.


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2.2. TIPOS DE TRANSFORMADORES Y RIESGO DE INCENDIO.

Atendiendo al tipo de dielctrico empleado, hoy en da se usan en el mercado

principalmente tres tipos de transformadores:

- Transformadores de tipo seco, los cuales contienen materiales slidos ogaseosos como material de aislamiento. Normalmente estostransformadores tienen los arrollamientos embutidos en un bloque deresina epoxdica que, al tiempo que les confiere la necesaria rigidez, esignfuga (difcilmente inflamable), la figura 3 muestra un transformadorde este tipo . El riesgo de incendio de los transformadores de tipo secogeneralmente se considera bajo en comparacin con los transformadorescon aislamiento lquido, debido a la limitada cantidad de materialescombustibles presentes en ellos. Tienen el inconveniente que son ms

caros y que a altas tensiones y potencias, su refrigeracin es bastantedeficiente, por lo que no son usados en estos casos. Adems, paratensiones elevadas (mayores a 66 kV), no se utilizan los transformadoresen seco debido al riesgo de aparicin de descargas parciales.

Figura 3: Transformador seco de resina

- Transformadores con aislamiento lquido de baja inflamabilidad. Dondelos aislantes lquidos usados son aceites aislantes de seguridad (de origenvegetal, mineral o sinttico), indicados para transformadores que debenser instalados en locales donde el riesgo de explosin y/o incendiosdeben ser minimizados. Estos aceites deben presentar baja inflamabilidady suelen ser principalmente de tres tipos: Aceites minerales de alto puntode inflamabilidad, aceites vegetales y aceites aislantes de siliconas. Elriesgo de incendio de estos transformadores es bastante ms alto que elde los secos, debido a que el aislamiento lquido empleado no esignfugo, sin embargo sus aceites poseen un punto de inflamacinelevado comparado con los aceites minerales aislantes de uso general,

aunque su capacidad de refrigeracin empeora con respecto a stos,debido a que tienen una viscosidad ms alta.


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- Transformadores con aislamiento lquido inflamable, donde los aislanteslquidos usados son aceites aislantes de uso general: Tienen origenmineral, los cuales poseen una base parafnica o naftnica, son obtenidos

durante el proceso de refinacin y extraccin adecuado, de determinadasfracciones del petrleo natural. Estos transformadores son los que tienenmayor riesgo de incendio debido a el bajo punto de inflamacin delaceite, alrededor de los 140 C. Sin embargo este tipo de aceite es el quemejor propiedades refrigerantes posee, es por ello que suele usarse entransformadores de gran potencia.

La tabla 2 muestra los valores medios tpicos del punto de inflamacin de losaceites empleados en transformadores.

ACEITESMINERALES

ACEITESMINERALES

(ALTO PUNTO DEINFLAMACIN)

ACEITES DESILICONAS

ACEITESVEGETALES

Punto deinflamacin ( C)

140 260 300 330

Resistencia al fuego Mala Buena ptima ptima

Tabla 2: Punto de inflamacin de aceites aislantes empleados en transformadoresEn los transformadores con aislamiento lquido, el circuito magntico y los

devanados estn sumergidos en el aceite dielctrico. Existen cuatro tipos detransformadores sumergidos:

- Transformadores con respiracin. En este tipo, un depsito de expansinlimita el contacto entre el aire y el aceite, al mismo tiempo que absorbe lasobrepresin. No obstante, el dielctrico sigue oxidndose y cargndosede agua. La adicin de un desecador limita este fenmeno, pero exige unmantenimiento peridico del aceite. En la figura 4 se puede ver un

transformador de este tipo.

- Transformadores de colchn de gas, en este tipo la cuba es estanca y lavariacin de volumen del dielctrico se compensa con un colchn de gasneutro, normalmente es Nitrgeno.

- Transformadores de llenado integral. La cuba est totalmente llena delquido dielctrico y hermticamente cerrado. No hay ningn riesgo deoxidacin del aceite.

- Transformadores con preservador de caucho. Este tipo de

transformadores tienen depsito conservador, pero para evitar el contactoentre el aire y el aceite se interpone entre ambos (en el depsito


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conservador) una superficie fina de caucho (llamada baln de caucho),que impide la oxidacin del aceite.

Figura 4: Transformador de aceite con depsito conservador

Dentro de las redes elctricas cobran vital importancia los grandestransformadores (aislados y refrigerados con aceite de origen mineral de uso general) delas centrales generadoras y subestaciones, ya que un fallo en stos puede ocasionar

importantes prdidas econmicas. Como hemos mencionado son estos transformadoreslos que ms alto riesgo de incendio tienen, debido precisamente a la gran cantidad deaceite que contienen en contacto con elementos a alta tensin.

El Riesgo de incendio, se puede medir en funcin del tamao de la carga defuego (elementos combustibles) en la zona designada. En subestaciones de distribucin,la densidad de carga de fuego puede variar significativamente dependiendo de los tiposde transformadores. Por ejemplo, cuando la subestacin de distribucin se compone deun transformador tipo seco, la densidad de carga de fuego es baja, incluso incluyendolos cables elctricos y otros componentes elctricos, por lo tanto, el riesgo de incendioser bajo. Por otro lado, cuando la subestacin de distribucin consta de untransformador de tipo lquido, la alta densidad de carga calorfica que se espera debido ala presencia de aceites en los transformadores, hace que el riesgo de incendio en lasubestacin se considere alto.

La clasificacin de los diferentes tipos de transformadores con respecto a losriesgos de incendio se muestra en orden ascendente de la siguiente manera:

- De bajo riesgo: transformadores de tipo seco (resina, SF ).6

- Alto riesgo: Transformadores con aislamiento lquido de baja

inflamabilidad (aceites con alto punto de inflamacin).


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- Muy alto riesgo: Transformadores con aislamiento lquido inflamable(aceites con bajo punto de inflamacin).

2.3. TASAS DE FALLO EN TRANSFORMADORES.

Los estudios ms importantes sobre la prevencin de explosin e incendio detransformadores empezaron debido a una solicitud de una gran compaa generadora enel oeste de USA, a raz de una explosin en un transformador de una plantahidroelctrica. Este suceso se dio en una instalacin subterrnea destruyendo eltransformador, causando daos a otro prximo y a instalaciones colindantes. Esteacontecimiento condujo a un paro total de la planta por aproximadamente 4 meses[Sche01].

El 5 de febrero del 2001, SERVERON CORPORATION (compaa elctrica

americana) public la siguiente informacin estadstica acerca de transformadores[Roll04]:

- Segn un estudio realizado por The Hartford Steam Boiler Inspection &Insurance Co, la tasa de fallos por ao de servicio (en sus unidadesaseguradas) fue alrededor de 1% ( 1000 transformadores) en 2003 yaumentar a 2% en el 2008.

- Existen aproximadamente 115.000 transformadores grandes slo en USAy 400.000 en el mundo con un valor combinado superior a 200 milmillones de US$.

- Segn la Empresa de Investigacin Newton Evans Inc., el promedio deedad de un transformador es de 35 aos. Esto significa que muchos deellos, con una vida esperada entre 40 y 50 aos, estn llegando al trminode su vida til.

- Cuando un transformador explota inesperadamente los costes para laempresa de electricidad (reemplazo del equipamiento, limpieza yreparacin, prdida de ingresos y posibles costes de reemplazo deenerga) pueden fcilmente alcanzar los diez millones de dlares

americanos.

En la presente dcada se han realizado mltiples estudios estadsticos sobrefallos en transformadores, uno de las ms recientes fue expuesto en [Pete08]. El estudio

presentaba datos de dos periodos diferentes de tiempo uno desde 1985 a 1995 y otrodesde 1997 al 2004. Estos dos estudios fueron llevados a cabo por The Australian and

New Zealand Cigre.

El primero de estos estudios (1985-1995), se realiz sobre una poblacin deaproximadamente 3000 transformadores de ms de 66 kV y de ms de 10 MVA. Estos3000 transformadores sumaban unos 50000 aos de servicio en total y pertenecan a

instalaciones de generacin, transporte y distribucin. Fue presentado en 1996.


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- La tasa de fallos por ao de servicio de transformador hallada fue 0,97%.

- La tasa de fallos, de muy alto coste, por ao de servicio fue 0,4% pa.Entendiendo por fallos de muy alto coste, las que en su reparacin y su

posterior puesta en servicio supera el 50% del coste de reemplazar eltransformador por otro nuevo.

- La tasa de fallos por ao de servicio que provoc un incendio fue del0,01% por ao de servicio.

La tabla 3 muestra un resumen de las tasas de fallos dadas en este estudio segnel tipo de transformador y su tensin.

Tabla 3: Tasa de fallos de tranformadores. Resumen de datos de la encuesta de AustralianCigre 1996 [Pete08].

Las principales causas de estos fallos fueron:

- La prdida deaislamiento en losdevanados y en los latiguillos que unenlos devanados con las bornas (30% de los fallos).

- Loscambiadores de tomas en carga (25 % de los fallos).

- Las bornas y terminales (19% de todos los fallos).

El segundo estudio presentado (1997-2004) se llevo a cabo sobre una poblacinde aproximadamente 1800 transformadores de las mismas caractersticas que losanteriores pero solo en instalaciones de transporte y distribucin (no de generacin).Sumaban entre todos 12600 aos de servicio, el nmero de fallos provocando fuegosfue 11, lo que lleva a una tasa de fallos provocando incendios de 0,09% por ao deservicio de transformador. Esto supone una cifra 9 veces ms alta que la dada en elestudio anterior, algunas causas de este aumento tan importante son:


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- El uso de bornas (OIP) con papel impregnado de aceite. Este tipo debornas tienen un alto riesgo de incendio y tienen un uso muy extendidoen la actualidad.

- Las sobrecargas de los transformadores ahora son ms comunes.

- Peor mantenimiento, y tcnicos de mantenimiento menos cualificados.

La empresa francesa SERGI, especializada en diseo de sistemas de proteccinpara transformadores, realiz un estudio en 2002 realizando una bsqueda a travs deInternet de explosiones e incendios de transformadores en USA (mayor productor yconsumidor de energa mundial). Estos estudios presentaban datos de 730 casos deincendios o explosiones de transformadores de mayor o menor medida solo en EstadosUnidos [Roll04]. De su anlisis encontraron que la probabilidad de explosin e incendiode un transformador es del 4,12%, este dato vara en funcin de su potencia, o cual se

muestra en la figura 5 [Gonz05]:

Figura 5: Probabilidad de explosin e incendio en funcin de la potencia [Gonz05]

El origen de los fallos que provocaron un incendio en este estudio se muestranen la figura 6, El principal elemento de fallo fue el cambiador de tomas en carga[Gonz05].

Figura 6: Localizacin del origen del fallo[Gonz05]


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Estos estudios en general sugieren que la probabilidad de fuegos entransformadores va en aumento lo que trae serias consecuencias econmicas. Esnecesario, por tanto realizar investigaciones ms frecuentes y serias para evaluar este

riesgo.

Edad de los transformadores

La edad de los transformadores es un factor importante a tener en cuenta cuandose evala el riesgo de fallo. Se puede esperar una vida media de un transformador deunos 40 aos.

Debido al envejecimiento del sistema de aislamiento empleado en lostransformadores, la probabilidad de fallos de stos crece, principalmente por la prdidade resistencia mecnica y rigidez dielctrica por parte de este aislamiento.

El aislamiento slido de los transformadores se ve sometido a lo largo de su vidatil a fuerzas radiales y axiales. Cuando la red elctrica a la que pertenece eltransformador crece, la carga se incrementa, estas fuerzas son ms severas y eltransformador es sometido a mayor estrs mecnico y trmico, lo que hace que elaislamiento pierda propiedades ms rpidamente.

Debido a esta prdida de propiedades del aislamiento, la probabilidad deproducirse un fallo dielctrico en el transformador aumenta significativamente [Bart03].

[Bart03] muestra la dependencia que tiene la probabilidad de producirse un fallocon la edad del transformador. En la figura 7 se muestra dicha dependencia. En esteinforme se indica que el envejecimiento del transformador es uno de los principalesfactores que influye en su probabilidad de fallo.

Figura 7: probabilidad de fallo de los transformadores en funcin de su edad [Bart03]


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Otros estudios indican que la incidencia de fallos en los transformadores esgrande en el inicio de su vida til (posteriormente a ser instalado), luego en el transcursode su vida se estabiliza, reducindose los fallos significativamente, para crecersignificativamente al final de su vida til, ver figura 8 [Gonz05].

Figura 8: Fallos en transformadores en funcin de su vida til [Gonz05]

2.4. INCENDIOS EN TRANSFORMADORES.

El riesgo de incendio en los transformadores de potencia es un hecho constatado,especialmente los que emplean aislamiento lquido de alta inflamabilidad, debido a que

poseen gran cantidad de elementos combustible en contacto con elementos a altatensin.

Se ha podido constatar que la causa principal de incendio de los transformadores(entre el 40% y 60%), es la prdida del aislamiento interno [Gonz05]. Pero, Qu tieneque suceder internamente en un transformador para que pueda llegar a arder?

En 1995, SERGI lanz un extenso programa de investigacin con el objetivo deestudiar fenmeno de transferencia de energa que ocurre en los transformadores deaceite durante un cortocircuito interno. Sus conclusiones fueron las siguientes [Serg09]:

1. Cuando existe una prdida efectiva del aislamiento interno en un transformador,puede dar lugar a fallos que provoquen un arco elctrico interno el cual, casi deforma instantnea, vaporiza una masa de aceite.

2. El volumen del aceite en estado lquido en mucho ms pequeo que en estadogaseoso. En consecuencia, cuando el arco vaporiza una cantidad de aceitelquido, el volumen correspondiente de gas generado por la vaporizacin es

mucho mayor que el volumen correspondiente a la masa del lquido.


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Esta generacin masiva de gas ocurre durante el primer milisegundo del arco. Laburbuja de gas tiende a expandirse para poder mantener el equilibrio de presincon el ambiente que le rodea.

3. Debido a que la inercia del aceite previene la expansin de la burbuja, sta no puede expandirse lo suficientemente rpido para mantener el equilibrio depresin. El gas es presurizado rpidamente. La amplitud experimental del picode presin puede alcanzar los 14 bares.

4. La diferencia en la presin conlleva la generacin de ondas de presin que sepropagan en todo el transformador desde el punto de inicio del arco elctrico.

5. El primer pico de presin (creado por el primer Megajulio de la energa de arco)viaja a travs del aceite a la velocidad del sonido, 1.200 m/s e interacta con laestructura de la cuba.

6. La interaccin entre el primer pico de presin y la estructura de la cuba es un proceso progresivo. Cada componente del tanque, como soldaduras y pernos,est expuesto al primer pico de presin slo por un corto tiempo. Luego, laintegracin de todos los picos de presin crear la presin esttica y laelasticidad del tanque retrasar el proceso de explosin. Durante las pruebasrealizadas, la inercia de ruptura fue de ms de 57 milisegundos. Si la cuba no esdespresurizada rpidamente, no podr soportar la sobrepresin interna pormucho tiempo y romper.

7. Cuando la cuba rompe, los gases generados por la vaporizacin del aceite, ardenespontneamente (estn a muy alta temperatura) provocando una explosin muyviolenta y la ignicin del aceite.

Figura 9: Incendio de un transformador


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2.5. CONSECUENCIAS ECONMICAS DE INCENDIOS ENTRANSFORMADORES.

La tabla 4 muestra una estimacin de los costes derivados de incendios entransformadores de aceite, determinados en un estudio realizado por The HartfordSteam Boiler Inspection & Insurance Co, con datos desde el ao 1997 hasta el 2001[Bart03]:

Tabla 4: Costes derivados de incendios en transformadores de aceite [Bart03]

En este estudio se indica que el coste medio derivado de cada incendiofue de 3 millones de US$ (16 665 US$ por MVA). Esta prdida incluye el coste de losdaos colaterales (Total cost property damage) y el coste por la interrupcin del

suministro (Total business interrupcin).

Podemos ver que los costes de los daos colaterales son tpicamente del orden dedos veces el coste de reemplazar el transformador. Aunque pueden existir casos en loque los daos colaterales sean anormalmente altos y pudieran llegar al valor de variasveces el transformador.


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EVALUACIN DEL RIESGO DE INCENDIO

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Captulo 3

Evaluacin del riesgo de incendio

3.1. INTRODUCCIN.

Un incendio es una reaccin qumica de oxidacin - reduccin fuertementeexotrmica, siendo los reactivos el oxidante y el reductor. En terminologa de incendios,el reductor se denomina combustible y el oxidante, comburente; las reacciones entreambos se denominan combustiones.

Para que un incendio se inicie es necesario que el combustible y el comburentese encuentren en espacio y tiempo en un estado energtico suficiente para que se

produzca la reaccin entre ambos. La energa necesaria para que tenga lugar dichareaccin se denomina energa de activacin; esta energa de activacin es la aportada

por los focos de ignicin.

Como hemos mencionado, la reaccin de combustin es una reaccinexotrmica. De la energa desprendida, parte es disipada en el ambiente produciendo losefectos trmicos del incendio y parte calienta a ms reactivos; cuando esta energa esigual o superior a la necesaria, el proceso contina mientras existan reactivos. Se diceentonces que hay reaccin en cadena.

Por lo tanto, para que un incendio se inicie tienen que coexistir tres factores:combustible, comburente y foco de ignicin que conforman el conocido "tringulo delfuego"; y para que el incendio progrese, la energa desprendida en el proceso tiene queser suficiente para que se produzca la reaccin en cadena. Estos cuatro factores formanlo que se denomina el "tetraedro del fuego" mostrado en la figura 10 [NTP 599].

Figura 10: Tetraedro del fuego

COMBURENTE

COMBUSTIBLE

REACCIN EN CADENA

ENERGA DE ACTIVACIN


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Mientras exista energa suficiente, combustible y oxgeno en las proporcionesnecesarias, el fuego continuar, solamente se extinguir cuando se inhiban alguno deestos elementos o sus parmetros estn fuera de los valores necesarios para que sedesarrolle la reaccin.

Los cuatro mtodos por los cuales se puede extinguir un incendio son:

Interrumpiendo la reaccin en cadena de la combustin, por ejemplo conel empleo de halones.

Eliminando el combustible. Cuando se acaba ste, se acaba el incendio.

Diluyendo o eliminando el aporte de oxgeno (sofocacin).

Extrayendo suficiente calor del fuego. El principal agente extintor para laextincin por este mtodo es el agua.

Los distintos tipos de combustin provienen de la distinta velocidad a que sedesarrollan las reacciones de oxidacin, pudiendo sta ser:

a) Lenta: La que se produce sin emisin de luz y con baja emisin decalor.

b) Rpida: La que se produce con alta emisin de luz, calor y conemisin de llamas.

c) Instantnea o muy rpida: El caso ms tpico de una combustininstantnea es la explosin. Cuando la velocidad de propagacin delfrente de llamas es menor que la velocidad del sonido (340 m/s) a laexplosin se la denomina deflagracin (por ejemplo, la combustinde vapores lquidos inflamables disueltos en el aire). Cuando lavelocidad de propagacin del frente de llamas es mayor que lavelocidad del sonido, a la explosin se la denomina detonacin.

Los mtodos existentes para evaluar el riesgo de incendio son variados y utilizandistintos parmetros de medida para hacer la valoracin. La utilizacin de unos u otros

parmetros dependen de la finalidad que persiga el mtodo de evaluacin (minimizar lasconsecuencias materiales a la empresa, al personal propio o visitante o lasconsecuencias materiales y humanas a terceros) o de los criterios de evaluacin del

propio autor del mtodo. Generalmente tienen en comn que la mayora de ellos valoranfactores ligados a las consecuencias del incendio.

Como accidente - incendio se entiende el inicio del mismo y su inmediata propagacin. Ahora bien, teniendo en cuenta que el comburente (aire) se encuentrasiempre presente, y que la reaccin en cadena es consecuencia del incendio, lascondiciones bsicas que provocarn el inicio del incendio son el combustible y laenerga de activacin; por lo tanto, para evaluar el riesgo de incendio hay que evaluar la

probabilidad de que coexistan en espacio, tiempo y suficiente intensidad el combustibley el foco de ignicin. La prevencin de incendios se centra en la eliminacin de uno de


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estos factores para evitar que coexistan. Los dems aspectos preventivos tales como lasmedidas de extincin no adoptadas, vas de evacuacin correctas y de suficienteanchura, una organizacin adecuada, etc., son parmetros que se consideran y valoran

para estimar las consecuencias [NTP 599].

3.2. RIESGO DE INCENDIO.

El riesgo de incendio, al igual que cualquier otro riesgo de accidente vienedeterminado por dos conceptos clave: los daos que puede ocasionar y la probabilidadde materializarse. Por lo tanto, el riesgo de incendio (RI) se debe evaluar considerandola probabilidad de inicio del incendio y las consecuencias que se derivan del mismo[NTP 599]:

RI = Probabilidad de inicio de incendio x Consecuencias

La probabilidad de inicio del incendio viene determinada por las medidas deprevencin no adoptadas; es decir, de la coexistencia en espacio, tiempo e intensidadsuficiente del combustible y el foco de ignicin.

Una vez que se inicia el incendio, si no se acta a tiempo y con los mediosadecuados, se producir su propagacin y ocurrirn unas consecuencias con posiblesdaos materiales y/o humanos.

3.3. MTODOS DE EVALUACIN DE RIESGO DE INCENDIO.

La evaluacin del riesgo de incendio constituye un tema de gran inters,existiendo una gran variedad de metodologas para tal fin. Esto es debido a la multitudde factores implicados en la valoracin, a su variabilidad con el tiempo, a suinterrelacin, su dificultad de cuantificacin y de la finalidad que persiga cada mtodo.

La gran mayora de los mtodos existentes evalan solamente la magnitud de lasconsecuencias derivadas del incendio, y no tienen en cuenta la probabilidad de inicio delincendio. Algunos de los mtodos existentes muy usados que valoran solo las

consecuencias, son el mtodo de los factores , el mtodo de los coeficientes K, elmtodo Gretener y el mtodo de Gustav Purt.

Este proyecto se centrar en obtener la probabilidad de ocurrencia de incendio,con lo cual no podemos emplear ninguno de los mtodos anteriores, tendremos queemplear un mtodo sistemtico de anlisis de riesgos que nos lleve a determinar cuando

puede surgir un incendio en un transformador.


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3.4. ANLISIS SISTEMTICO DE RIESGOS

Las personas, los bienes materiales y el medio ambiente que se encuentranprximos a un equipo o instalacin industrial, en el que se hallen sustancias peligrosas,

estn sometidos a unos riesgos (qumicos, elctricos, etc.). La cuestin clave est endecidir qu tipo y nivel de riesgos se est dispuesto a admitir en contrapartida a los

beneficios que suponen la explotacin de dicho equipo o instalacin industrial.

Por tanto, para poder decidir si un tipo de riesgo es aceptable, se requiere estimarsu magnitud (evaluarlo), por lo que se hace necesario realizar un anlisis sistemtico ylo ms completo posible de todos los aspectos que implica para la poblacin, el medioambiente y los bienes materiales, la presencia de una determinada instalacin, equipo,sustancia, etc.

El objetivo es dar una estimacin del nivel de peligro potencial de una actividad

industrial, en trminos de cuantificar la probabilidad de ocurrencia y la magnitud deldao.

Los anlisis de riesgos por tanto, tratan de estudiar, evaluar, medir y prevenir losfallos y las averas de los sistemas tcnicos y de los procedimientos operativos que

pueden iniciar y desencadenar sucesos no deseados (accidentes) que afecten a laspersonas, los bienes y el medio ambiente.

Los cuatro principales puntos a estudiar en un anlisis sistemtico de los riesgosque implica una determinada instalacin industrial son:

1. Identificacin de sucesos no deseados, que pueden conducir a lamaterializacin de un peligro.

2. Anlisis de las causas por las que estos sucesos tienen lugar.

3. Frecuencia con que estos sucesos pueden producirse.

4. Valoracin de las consecuencias.

Los dos primeros puntos tratan de contestar a la pregunta: Qu puede ocurrir?:Cuya respuesta nos llevara propiamente a la identificacin de los riesgos y al estudio delas causas que provocan estos peligros.

El siguiente punto trata de contestar a la pregunta: Cul es la frecuencia deocurrencia?: Su respuesta implica aplicar mtodos de anlisis cuantitativos de riesgo(ACR) apropiados, que nos permitan evaluar numricamente el riesgo.

Por ltimo, otra de las cuestiones a resolver es Cules son las consecuencias?: Setrata de aplicar mtodos matemticos de anlisis de consecuencias [Uniz09].

En la figura 11, se representan estos puntos, lo que implica acciones diferentes

en cada caso.
http://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/An_riesgo.htm##http://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/An_riesgo.htm#Met_ident_riesgo#Met_ident_riesgohttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_conse/An_conse.htmhttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_conse/An_conse.htmhttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/An_riesgo.htm#Met_ident_riesgo#Met_ident_riesgohttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/An_riesgo.htm##


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Figura 11: Anlisis de riesgo [Uniz09].

Bsicamente, existen dos tipos de mtodos para la realizacin de un anlisiscuantitativo de riesgos:

a) Mtodos cualitativos: Se caracterizan por no recurrir a clculosnumricos y son los ms utilizados. Pueden sermtodos comparativos y

mtodos generalizados.b) Mtodos semicualitativos: Se caracterizan por recurrir a una

clasificacin de las reas de una instalacin en base a una serie de ndicesque cuantifican daos: ndices de riesgo.

Los mtodos cualitativos pueden ser:

- Mtodos comparativos: Se basan en la utilizacin de tcnicas obtenidasde la experiencia adquirida en equipos e instalaciones similaresexistentes, as como en el anlisis de sucesos que hayan ocurrido en

instalaciones parecidas a la que se analiza. Principalmente son cuatromtodos los existentes:
http://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/An_riesgo.htm#Met_compara#Met_comparahttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/An_riesgo.htm#Met_compara#Met_comparahttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/An_riesgo.htm#Met_general#Met_generalhttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/An_riesgo.htm#Met_general#Met_generalhttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/Ind_Riesgo.htmhttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/Ind_Riesgo.htmhttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/An_riesgo.htm#Met_general#Met_generalhttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/An_riesgo.htm#Met_compara#Met_compara


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1. Manuales tcnicos o cdigos y normas de diseo.

2. Listas de comprobacin o "Safety check lists".

3. Anlisis histrico de accidentes.4. Anlisis preliminar de riesgos o PHA.

- Mtodos generalizados Los mtodos generalizados de anlisis de riesgos,se basan en estudios de las instalaciones y procesos mucho msestructurados desde el punto de vista lgico-deductivo que los mtodoscomparativos. Normalmente siguen un procedimiento lgico dededuccin de fallos, errores, desviaciones en equipos, instalaciones,

procesos, operaciones, etc. que trae como consecuencia la obtencin dedeterminadas soluciones para este tipo de eventos. Los mtodos

generalizados ms importantes son:

1. Anlisis "What if ...?", Qu pasara s?

2. Anlisis funcional de operabilidad, HAZOP.

3. Anlisis de rbol de fallos, FTA.

4. Anlisis de rbol de sucesos, ETA.

5. Anlisis de modo y efecto de los fallos, FMEA.

Para realizar la cuantificacin del riesgo, este proyecto emplear la metodologadel rbol de fallos, la cual ser descrita posteriormente [Uniz09]. El anlisis de lasconsecuencias derivadas, queda fuera del proyecto.
http://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/Met_comp.htm#Manual_tecnicohttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/Met_comp.htm#Listashttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/Met_comp.htm#Analisis_historicohttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/Met_comp.htm#PHAhttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/Met_gen.htm#What_ifhttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/HAZOP.htmhttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/Met_gen.htm#FTAhttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/Met_gen.htm#ETAhttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/Met_gen.htm#FMEAhttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/Met_gen.htm#FMEAhttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/Met_gen.htm#ETAhttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/Met_gen.htm#FTAhttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/HAZOP.htmhttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/Met_gen.htm#What_ifhttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/Met_comp.htm#PHAhttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/Met_comp.htm#Analisis_historicohttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/Met_comp.htm#Listashttp://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/Met_comp.htm#Manual_tecnico


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ANLISIS SISTEMTICO DEL RIESGO DE INCENDIO

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Captulo 4

Anlisis sistemtico del riesgo de incendio de untransformador.

Cuando realizamos un anlisis sistemtico de riesgos sobre cualquiertransformador, hay que identificar los sucesos no deseados que pueden derivar en lamaterializacin de un peligro, considerando riesgos elctricos, mecnicos o qumicos.Ahora bien, este proyecto se centra en la evaluacin del riesgo de incendio (Riesgoqumico) de un transformador con aislamiento lquido de alta inflamabilidad situado enuna instalacin ficticia, dejando de lado en la medida de posible otros factores de riesgo.Como todos sabemos, los incendios en los transformadores son hechos constatados yconstituyen uno de sus riesgos ms importantes.

Para llevar a cabo nuestro objetivo, vamos a realizar un anlisis sistemtico delriesgo de incendio, lo que nos lleva a dividir el trabajo en cuatro campos de actividadfundamentales y que se desarrollan de forma secuencial:

1) Anlisis de las causas: En esta parte, se deben analizar y describir las causas por las cuales puede producirse un fallo en un transformador con aislamientolquido de alta inflamabilidad que derive en un incendio.

2) Evolucin (procesos): Una vez conocidas las causas por las que se producen losfallos potenciales de producir un incendio, se deben estudiar los procesos (fases)que deben ocurrir para que pueda llegar a producirse el incendio. Debemos teneren cuenta los mecanismos y protecciones con los que cuenta el transformador

para prevenir tales procesos.

3) Descripcin del transformador e instalaciones: Para realizar la evaluacin delriesgo de incendio para un transformador particular con aislamiento lquido dealta inflamabilidad, es necesario realizar una descripcin detallada de ste y delas instalaciones donde se encuentra situado.

4) Cuantificacin del riesgo: Este ltimo punto se centra en cuantificar laprobabilidad de ocurrencia de incendio en el transformador descrito en el puntoanterior usando un mtodo de anlisis cuantitativo de riesgo. El mtodo queemplearemos ser el rbol de fallos.


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CAUSAS DE INCENDIO EN TRANSFORMADORES

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Captulo 5

Causas de incendio en transformadores

5.1. DEGRADACIN DEL AISLAMIENTO

La principal causa por la que se producen fallos que pudieran derivar enincendio en los transformadores de aceite es la prdida de vida (deterioro) ycontaminacin de algunos de sus elementos constituyentes. Los tres componentes

principales sujetos a esta deterioracin y contaminacin son: el aceite dielctrico (quetiene doble misin refrigerante y aislante), el papel usado para el aislamiento de losconductores y el cartn (pressboard) que es usado para el aislamiento principal y paralos soportes de los arrollamientos [Coll09]. Esta prdida de vida trae como

consecuencia la prdida de sus propiedades aislantes y refrigerantes.

En este apartado, haremos un repaso de las principales caractersticas del aceiteaislante y del aislamiento slido empleado en los transformadores y de los factores quecontribuyen a su envejecimiento y degradacin.

5.1.1. ACEITE AISLANTE

La misin del aceite en el transformador es la de conformar, junto con el papel yotros slidos el aislamiento de las partes activas del transformador, adems de transferir

el calor hacia el exterior el calor originado en el interior de la cuba por las prdidaspropias del transformador (Joule, Foucault y Histresis). La vida til del transformadordepende de cmo cumpla su misin el aceite aislante.

Las ventajas principales de los aceites aislantes minerales aislantes de usogeneral empleados en a transformadores son:

- Viscosidad reducida: La viscosidad de un aceite es relevante para suspropiedades de refrigeracin. Cuanto menor sea la viscosidad, mejorser la refrigeracin.

- Alta rigidez dielctrica: Necesaria para que los devanados, quedensuficientemente aislados con el ncleo, la cuba y entre s, evitandofallos elctricos en el transformador.

El valor de la rigidez dielctrica depende del estadode pureza fsicadel aceite; disminuye en la presencia de humedad y de impurezasslidas que, adems, absorben el agua y constituyen verdaderos"puentes" conductores en el seno del aceiteaislante. En la figura 12

podemos ver la dependencia de la rigidez dielctrica y de laviscosidad del aceite con su temperatura.


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Figura 12: Rigidez dielctrica y viscosidad del aceite en funcin de la temperatura

Como desventajas podemos sealar:

- Bajo punto de inflamacin, lo que implica un alto riesgo de incendio.El punto de inflamacin de un aceite se especifica por razones deseguridad,pero tambin porque indica la volatilidad de dicho aceite yuna baja volatilidad es importante para aplicaciones a altastemperaturas. Los componentes ligeros del aceite determinan el

punto de inflamacin, que es extremadamente sensible a loscontaminantes. El punto de inflamacin se alcanza cuandoel aceitelibera gases suficientes para hacer que la mezcla de gases sobre elaceite entre en ignicin ante una llama abierta.

- Baja estabilidad ante la oxidacin: Todos los aceites contienen una pequea cantidad de aire y la presencia de oxgeno conduce a laoxidacin. La oxidacin duplica su tasa de reaccin cuando latemperatura aumenta.

Envejecimiento y Deterioro del aceite

Durante el periodo de explotacin del transformador, el aceite sufre cambios quese denominan envejecimiento. Los cambios son de naturaleza qumica y fsica. stos se

manifiestan como un empeoramiento de sus propiedades. Adems se produce unaacumulacin de sedimentos sobre las partes activas (Ncleo, arrollamientos, etc.) y los


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canales de refrigeracin, dificultando la transferencia de calor desde estas partes activashacia los disipadores (radiadores generalmente).

El envejecimiento del aceite es acelerado por:

a) La temperatura elevada originada por: sobrecargas prolongadas, cortocircuitosen la red primaria o secundaria no liberados a tiempo por las protecciones,defectos de diseo, etc. El aceite sufre fcilmente reacciones qumicas, Encondiciones normales, estas reacciones son muy lentas y su velocidad deocurrencia es en general fuertemente dependiente de la temperatura,incrementndose al aumentar esta, lo que provoca un aumento de la degradacinqumica del aceite.

b) La presencia de oxgeno disuelto en el aceite o en contacto con l. La oxidacines un proceso de degradacin qumica que afecta a la mayor parte de los

materiales orgnicos. Bsicamente consiste en la asimilacin de tomos deoxgeno por parte de las sustancias constituyentes del aceite, lo que conlleva ladegradacin de las mismas y la prdida paulatina de caractersticas y

prestaciones del aceite. Este proceso se ve favorecido por el calor, la luz(radiacin ultravioleta), el agua y la presencia de contaminantes. Los primeros

productos de la oxidacin son perxidos orgnicos, que en principio no sondainos, pero que en poco tiempo comenzaran a actuar como catalizadores,acelerando exponencialmente el proceso de oxidacin. A continuacin seformaran resinas, alcoholes, aldehdos, cetonas y cidos orgnicos. Algunas deestas sustancias son solubles en un principio, pero al entrar en contacto consuperficies muy calientes se vuelven insolubles, o tienen afinidad entre ellas y se

depositan formando lodos, cuando estos lodos se acumulan en las partes activasdel transformador y en los canales de refrigeracin del transformador, dificultanla transferencia de calor y por tanto interfieren en la correcta refrigeracin deltransformador, aumentando la temperatura de ste. Los alcoholes y las cetonas,son disolventes y pueden atacar a elementos metlicos, corroyndolos. Estacomprobado que en presencia de tensiones elctricas, estos procesos se aceleran.

Bajo ciertas condiciones, es el nitrgeno el que reacciona con las molculas delaceite: esto provoca la nitracin del aceite y la formacin de barniz. Este

problema hay que tenerlo en cuenta en transformadores con colchn de gas, yaque este gas suele ser Nitrgeno.

c) El agua disuelta en el aceite. El agua acta como catalizador de la formacin decidos, xidos y otras sustancias dainas. El agua entra en el sistema filtrndosea travs de respiraderos. Cuando el agua esta disuelta en el aceite, las molculasde agua estn completamente mezcladas con las de ste. En este estado, la

presencia del agua en el aceite resulta muy difcil de detectar.

La presencia de agua en el aceite hace progresar rpidamente la oxidacin, a unritmo 10 veces superior a lo normal, dando lugar a un envejecimiento prematuro,

particularmente en presencia de metales catalticos como el cobre, adems,corroe la mayor parte de los metales.


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La humedad tiene una accin nociva sobre la rigidez dielctrica de todos losmateriales aislantes, especialmente sobre el aceite, haciendo disminuirdrsticamente sta; particularmente cuando esta humedad se encuentra en formade agua libre, en suspensin, en emulsin o fijada en partculas slidas en

suspensin, como por ejemplo fibras celulsicas. La figura 13 nos da una idea dela drstica disminucin de esta propiedad.

Figura 13: Rigidez dielctrica en funcin del grado de humedad del aceite en %

La Presencia de humedad en el Aceite se mide en PPM (partes por milln). Elvalor max, segn la norma IEC 296para transformadores, no debe superar 30PPM, aunque algunos fabricantes pueden recomendar mximos de 10 PPM deagua, para transformadores elctricos de Alta Tensin >170 KV.

d) Los metales presentes en las partes activas (cobre y acero), actan comoexcelentes catalizadores acelerando el proceso de envejecimiento (acelerando el

proceso de oxidacin). Las sales metlicas formadas por la corrosin de losmetales tambin actan como catalizadores, al igual que el agua, cuya presenciase ve favorecida por los cidos y otras sustancias polares que tienen afinidad porella.

e) La presencia de contaminantes influye tambin en el deterioro del aceite. Sellaman contaminantes a todas las sustancias extraas que contiene el aceite, biensean generadas por el aceite o bien ingeridas por el sistema. Pueden sersustancias gaseosas, lquidas, slidas o semislidas. Los contaminantes puedenafectar seriamente a las prestaciones del aceite. Debido a las condiciones de altatemperatura y presin en las que operan en muchas ocasiones los aceites, loscontaminantes se mezclan y reaccionan, degradando el aceite, adems atacanqumicamente a los equipos, provocan erosin en el sistema, creando


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acumulaciones de lodos, lo que dificulta la circulacin del aceite, impidiendo lacorrecta refrigeracin del transformador.

f) Los gradientes de campo excesivos, por compromisos de diseo, tambin

producen descomposicin del aceite.

Mantenimiento de la calidad del fluido elctrico.

La degradacin del aceite depende de las condiciones del servicio y delmantenimiento del Transformador. Con este deterioro el aceite pierde sus propiedades, yno cumple con la misma eficacia su misin, se reducen los mrgenes de seguridad yaumenta el riesgo de un fallo prematuro.

Aunque la evaluacin del riesgo de fallo es difcil, llevando a cabo tareas de

mantenimiento predictivo se podran llegar a estimar los efectos potenciales deldeterioro del aceite. Algunas de estas tcnicas del mantenimiento predicativos son:termografa infrarroja, cromatografa de gases, anlisis fsico-qumico del aceite,anlisis de furanos y contenido de humedad.

Gases disueltos en el aceite.

Estos gases proceden fundamentalmente de la descomposicin del aceite debidoal calor provocado por averas internas en el transformador. La cantidad de gas que

puede disolver el aceite depende del tipo de gas, de la temperatura y de la solubilidaddel aceite. El aire, por ejemplo, es soluble en el aceite mineral hasta en un 8-9 % por

unidad de volumen a temperatura ambiente.

Los gases disueltos en el aceite de los transformadores en servicio oscilan desde5000-20000 ppm (0,5-2%) en transformadores con baln de caucho en el depsitoconservador; y 5000-120000ppm (5-12%) en transformadores de libre respiracin atravs de un desecante de silicagel. Estos gases son mayormente N y O que al estardisueltos en el aceite no siguen las leyes de los gases ideales {V, P, T} [Pete08].

2 2

Los gases disueltos afectan a la viscosidad del aceite, lo que repercute en la

capacidad de aceite para transferir calor y en la oxidacin ste. Tambin pueden hacerbajar drsticamente la temperatura de inflamacin del aceite, aumentando el riesgo deincendio.


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5.1.2. AISLAMIENTO SLIDO

Los principales aislantes slidos empleados en los transformadores de aceite

mineral sujetos a deterioro son el papel usado para el aislamiento de los conductores yel cartn (pressboard) que es usado para el aislamiento principal y para los soportes delos arrollamientos. El principal componente de estos aislantes es la celulosa, en algunasocasiones se le aaden sustancias como el polipropileno o el polietileno con el fin deque ste adquiera determinadas caractersticas.

Para conformar el aislante se suelen prensar varias capas de papel o cartn dealta calidad, de esta manera se consigue mejorar su resistencia mecnica. Existendiversos tipos de papel y cartn, en aplicaciones de aislamiento, unos de los mscomunes son el papel presspan y el cartn denominado pressboard.

Al igual que sucede con el aceite, los aislantes celulsicos sufren cambios(envejecen) durante el proceso de explotacin del transformador, que derivan en una

prdida de propiedades dielctricas y mecnicas.

En el aislamiento slido no se produce la regeneracin del dielctrico despus dela perforacin elctrica, ni una renovacin constante del dielctrico, como sucede en losaislamientos lquidos y gaseosos confinados.

Los aislantes slidos celulsicos empleados en transformadores, normalmentevan impregnados en lquidos dielctricos. Los aislantes de papel impregnadosconstituyen uno de los sistemas de aislamiento ms antiguos utilizados en equiposelctricos de potencia y siguen constituyendo uno de los mtodos ms seguros deaislamiento disponibles, ya que mejora las caractersticas dielctricas (aumenta larigidez dielctrica y disminuye la constante dielctrica) y trmicas (mejoraconductividad trmica y su resistencia a la temperatura). Una adecuada impregnacindel papel posibilita la eliminacin de las cavidades rellenas de gas en el aislante, por lotanto elimina la posibilidad de las descargas parciales que inevitablemente llevan aldeterioro y rotura del sistema de aislamiento. El lquido impregnante empleado es aceitemineral o fluido sinttico, ya que la constante dielctrica de estos fluidos es ms omenos 2,2 y la de la celulosa seca 6,5 a 10, siendo la constante dielctrica resultante esde 3,1 a 3,5.

Debido a los requisitos mecnicos y elctricos excepcionalmente altos, el proceso de fabricacin del papel y del pressboard se centra en la eliminacin decualquier contaminacin del producto final. Sus caractersticas principales son:

- Alta resistencia a descargas disruptivas (buenas propiedadesdielctricas). La tensin de perforacin del papel impregnado enaceite aislante ronda los 25 KV por cada 0,5 mm.

- Buena capacidad de impregnacin de lquidos dielctricos.

- Soporta altas cargas trmicas durante corto tiempo (ej.: pocossegundos a 350 C).

- Buena flexibilidad.
http://es.wikipedia.org/wiki/Polipropilenohttp://es.wikipedia.org/wiki/Polietilenohttp://es.wikipedia.org/wiki/Polietilenohttp://es.wikipedia.org/wiki/Polipropileno


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- Aceptable resistencia mecnica.

Cuando se analiza la probabilidad de perforacin de un aislamiento slidodebido a un fallo, hay que tener en cuenta que sta depende directamente de las

propiedades del material aislante (combinacin de materias primas y calidad de procesode fabricacin) y de otros tipos de fenmenos como son:

a) La alteracin de propiedades en funcin del tiempo de la estructura fsicoqumica del material. Debido a su inestabilidad qumica, oxidacin, hidrlisis,contaminacin, deterioro electroqumico, etc.

b) Heterogeneidades del campo elctrico, debido normalmente a pequeascavidades existentes en las condiciones iniciales del material o formadas a lolargo de su vida til, que puede conducir a la formacin de pequeas descargas,con el consecuente deterioro progresivo del material a su alrededor.

c) Envejecimiento del material aislante. La ocurrencia de sobretensiones intensasde muy corta duracin (de origen atmosfrico) o la presencia de cortocircuitoscon corrientes muy elevadas y de muy corta duracin, traen como consecuenciael envejecimiento de los materiales aislantes, con la consecuente alteracin delas propiedades elctricas y de la estructura fsico-qumica del dielctrico.Adems, existe un estrs mecnico continuo sobre el papel causado por lasfuerzas electro-magnticas, las cuales tienden a expandir el devanado de altatensin (externo) y comprimir el de baja (interno).

Envejecimiento

A medida que el papel y el cartn envejecen sus propiedades van mermando. Sudeterioro o envejecimiento puede verse acelerado al igual que el aceite mineral por:

- La temperatura elevada originada por: sobrecargas prolongadas,cortocircuitos, etc. Tiene similares efectos que en el aceite mineral.En general la duracin de la vida til (t) de un aislante slido puedeser expresada en funcin de la temperatura absoluta (T), ya que stadetermina fuertemente la alteracin de sus propiedades fsico-qumicas. La relacin entre vida til t y temperatura la determina laecuacin (1) (ley de Arrhenius-Dakin).

TeAt

= (1)Donde:

t =Vida til de un aislante slido.

A y =Parmetros aproximadamente constantes y propiosde cada material aislante.

T= Temperatura absoluta.

-

Los lodos formados por la oxidacin del aceite, se depositan sobrelas partes activas (Ncleo, arrollamientos, etc.), dificultando la


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transferencia de calor desde estas partes activas hacia los disipadores,acelerando la degradacin de la celulosa.

- La humedad tiene una accin nociva sobre la rigidez dielctrica.

Adems favorece la hidrlisis de la celulosa (descomposicin odespolimerizacin por accin del agua), haciendo perder alaislamiento sus propiedades elctricas y mecnicas.

- Los cidos orgnicos formados por el envejecimiento del aceiteactan de catalizadores, causando una rpida despolimerizacin de lacelulosa, esta reaccin produce agua que a su vez ataca a la celulosa.

Este envejecimiento trae como consecuencias la descomposicin paulatina delpapel (incluso su rotura), perdiendo sus propiedades. Cuando esto sucede el riesgo defallo en el transformador es muy probable, pudindose producir un arco elctrico degran energa que derive en un incendio.

Tambin el envejecimiento del papel se pone de manifiesto por la liberacin decompuestos especficos y por la prdida de flexibilidad, pudiendo llegar a quebrarsedurante algn esfuerzo mecnico. Al igual que sucede con el aceite, la degradacin del

papel y cartn depende de las condiciones de servicio y del mantenimiento deltransformador.

No es necesario analizar el papel, para comprobar su estado. Una muestra deaceite sirve para evaluar su estado. Los primeros indicios de un proceso de degradacin

pueden obtenerse mediante un anlisis de los gases disueltos en el aceite, una primera

seal de degradacin del aislamiento slido es un crecimiento desproporcionado de laconcentracin de monxido de carbono (CO) y dixido de carbono (CO ).2El CO y el CO no son explosivos, el riesgo de incendio asociado a ellos es

bajo. Adems normalmente la presin dinmica generada por ellos es aliviada por lavlvula de sobrepresin sin mayor problema.

2

Otra seal de la degradacin del papel es la liberacin de compuestos furnicos.

Estos compuestos son propios de la descomposicin trmica de la celulosa, y no puedenser generados por el aceite. Por lo tanto, el control peridico de la concentracin deellos en el aceite es conveniente para anticipar fallos y garantizar la vida til extendidadel transformador.

5.2. COMPORTAMIENTO DEL ACEITE ANTE LOS AUMENTOS DETEMPERATURA.

En los aceites aislantes de uso general empleados en transformadores, uncalentamiento excesivo del transformador har que el aceite absorba energa y reaccione

produciendo metano, etano, hidrgeno, y si el calentamiento es grande, hasta etileno.Cunado se producen arcos elctricos de alta energa dentro del transformador se formaacetileno. Todos los gases generados en la vaporizacin del aceite tienen un alto riesgode incendio, ya que son explosivos.


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El tipo y volumen de gas producido depende de la temperatura alcanzada en elaceite. La figura 14 muestra una estimacin del tipo y cantidad de gas formado enfuncin de la temperatura alcanzada durante una falta.

Figura 14: Gases formados por la vaporizacin del aceite en funcin de la

temperatura alcanzada durante una falta.

Cuando se produce un fallo elctrico en un transformador, el aceite deltransformador se calienta producindose una vaporizacin de l. Los gases generados

por el aceite segn el tipo de falta sern:

- Por efecto corona o descarga parcial (baja energa): Hidrgeno ( ).2H

- Por calentamiento trmico o pirlisis (baja energa): Hidrgeno( ), Metano ( ) y Etano ( ).2H 4CH 62HC

- Por calentamiento trmico o pirlisis (alta energa): Hidrgeno ( ),

Metano ( ), Etano ( ) y Etileno ( ).2H

4CH 62HC 42HC

- Arco elctrico (alta energa): Hidrgeno ( ), Metano ( ), Etano

( ), Etileno ( ) y Acetileno ( ).2H 4CH

62HC 42HC 22HC

Como vemos todos los gases son hidrogeno e hidrocarburos, que sonextremadamente inflamables, la mezcla de cualquiera de estos gases con el aire esexplosiva (su calentamiento puede provocar una combustin rpida), es decir,

cualquiera de los gases anteriores tienen un alto riesgo de incendio.


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El volumen de gas generado es dependiente de la temperatura. Si la cantidad degas producido por un pequeo sobrecalentamiento excede de la capacidad del aceite

para disolverlo, se formaran pequeas burbujas que quedaran atrapadas en el aceite.Este gas ser liberado lentamente a travs de los respiraderos no interfiriendo en el

funcionamiento del transformador.

Cuando este sobrecalentamiento es excesivo, el volumen de algunos de los gasesformados ser tambin grande (especialmente el hidrogeno y el acetileno), pudindose

producir adems un pico de presin dinmica bastante significativo que se propagarpor el aceite a gran velocidad. El dao que se pueda producir en el sistema depende dela capacidad de las protecciones del transformador para aliviar la presin generada, paraevacuar los gases formados por el sobrecalentamiento y abrir los interruptores paraaislar elctricamente al transformador. Es en este punto, donde cobran muchaimportancia los tiempos de respuesta de estas protecciones.

La temperatura de un fallo que provoque un arco elctrico en el interior deltransformador es muy elevada, lo que provoca que los gases producidos en el procesode vaporizacin del aceite alcancen elevadas temperaturas, si estos gases fueranliberados a la atmosfera, no necesitaran fuente de ignicin para arder, su inflamacinsera espontnea (son autoinflamables).

5.3. CAUSAS ELCRICAS DE UNA PRDIDA DE AISLAMIENTOPREMATURA.

Las principales causas desde el punto de vista elctrico que aceleran el deteriorodel aislamiento son los cortocircuitos y sobrecargas que se desarrollan en la red elctricadonde opera el transformador. A continuacin, se explican los efectos que provocan enun transformador estos dos fenmenos.

Faltas (cortocircuitos).

Las elevadas corrientes que circulan por los devanados de un transformadorcuando se produce un cortocircuito dan lugar a efectos peligrosos para l.

La primera consecuencia es de tipo trmico. Al ser las corrientes de cortocircuito

varias veces mayores que las corrientes nominales de los devanados, aparecen unasprdidas por efecto Joule muy superiores a las nominales, lo que origina un peligrosoaumento de la temperatura.

Durante el rgimen transitorio la corriente de cortocircuito tiene un valorsuperior al del rgimen permanente, por lo tanto producir ms prdidas Joule en formade energa calorfica que provocar un aumento en la temperatura de la mquina. Ahora

bien, la masa del transformador impide que este aumento de temperatura sea instantneoy tiene que pasar un tiempo desde que el cortocircuito comienza hasta que el calorgenerado por ste, eleve la temperatura de la mquina hasta niveles peligrosos. Estetiempo de calentamiento es mucho mayor que la constante de tiempo cc , lo que

significa que prcticamente durante todo este tiempo de calentamiento las corrientes quecirculan por los devanados del transformador estn en su rgimen permanente (porque


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la componente transitoria de la corriente de cortocircuito se anula en los primerosmomentos, cuando el transformador apenas ha comenzado a aumentar su temperatura).Dicho de otra manera, la componente transitoria de las corrientes de cortocircuito de losdevanados proporciona una cantidad de calor muy pequea comparada con la necesaria

para elevar la temperatura del transformador hasta niveles peligrosos y en consecuencia,se la puede despreciar y solo tener en cuenta su componente permanente. Adems, engeneral, las protecciones desconectan al transformador en un tiempo reducido, por loque el calentamiento producido en los cortocircuitos no suele ser el efecto ms

preocupante.

El otro efecto ms peligroso de las corrientes de cortocircuito es de tipomecnico. Los bobinados de la mquina son, a fin de cuentas, una serie de conductores

prximos y recorridos por corrientes. Es sabido que cuando existen dos conductoresrecorridos por corrientes aparece entre ellos una fuerza que tienden a desplazarlos o adeformarlos. Estas fuerzas surgen de forma instantnea y son mayores cuanto mayores

son las corrientes. Por tanto, a la hora de analizar estas fuerzas en un cortocircuito habrque considerar el caso ms peligroso que es cuando la corriente de cortocircuito toma sumximo valor instantneo; esto es, cuando circula la corriente de choque.

Las fuerzas que aparecen sobre los devanados del transformador durante uncortocircuito tienen dos componentes: Radiales (que tienden a comprimir el devanadointerior y a expandir el devanado exterior) y axiales. Para prevenir los efectos

perjudiciales de estas fuerzas habr que disear el transformador de forma que losdevanados estn firmemente sujetos y puedan soportar estas fuerzas incluso cuandocircule la corriente de choque [Rodr00].

Cuando se disea un transformador, el fabricante tiene en cuenta este aspecto ydebe dimensionar la seccin de los conductores, sin embargo la normativa internacional[IEC60076-5] deja en manos del cliente la realizacin de un ensayo para verificar que eltransformador es capaz de soportar los esfuerzos electrodinmicos de un cortocircuito, ydado que este ensayo es un ensayo caro, en ocasiones no se realiza. La normativa

permite demostrar la aptitud mecnica para soportar cortocircuitos pero no proporcionaninguna frmula ni metodologa para ello, de modo que el cliente queda a expensas delo que indique el fabricante. Por ltimo, hay que tener en cuenta que la capacidad parasoportar cortocircuitos de un transformador nuevo, no es la misma que la capacidad parasoportar cortocircuitos de ese mismo transformador pasados unos aos, cuando los

traslados del transformador, el envejecimiento natural de los componentes o losesfuerzos de cortocircuito previos han podido provocar pequeos movimientos quecomprometan su capacidad para soportar sucesivos cortocircuitos.

Por tanto, un cortocircuito en la red donde opera el transformador producirsobre todo efectos mecnicos que degradan el aislamiento e incluso pueden llegar a

producir la rotura del aislamiento slido dando lugar a cortocircuitos internos. Lafigura 15, muestra un ejemplo de las fuerzas electromecnicas que se producen en losdevanados de los transformadores en condiciones de fallo [Gonz05].


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Figura 15: Fuerzas electromecnicas en devanados de un transformador tipo columnas, encondiciones de fallo [Gonz05]

Sobrecargas

Una sobrecarga en un transformador se produce cuando la potencia demandadaexceda de la potencia especificada en la placa de caractersticas (

EVALUACIÓN DEL RIESGO DE INCENDIO DE UN TRANSFORMADOR

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