DETERMINACION DE LA HUMEDAD INTERNA EN TRANSFORMADORES DE POTENCIA MEDIANTE EL PUNTO DE ROCIO

INTRODUCCIÓN Los transformadores, son dispositivos usados para elevar o

reducir el voltaje. En las plantas generadoras y en las subestaciones. Debido al tipo de equipo su costo es elevado, por lo que se hace necesario su correcto funcionamiento.

Los transformadores después de su fabricación y pruebas de aceptación, requieren ser trasladados al lugar donde estos van a operar. En el proceso de trasladado estos deben ser desarmados en partes debido a su tamaño y dimensiones.

En el tiempo de armado los transformadores se han expuesto al medio ambiente y absorben cierta cantidad de humedad. Es aquí cuando surge una pregunta obligada. ¿Qué tanta humedad quedo dentro del transformador?

El presente estudio pretende determinar la humedad interna de los transformadores de potencia.

RESUMEN

El estudio y comportamiento del agua combinado con otros gases o el aire, sirve de base para aplicar la técnica de punto de rocío y mediante esta técnica determinar la humedad interna de los transformadores.

El comprender el comportamiento del aire y del agua a diferentes temperaturas y presiones. Nos permite estudiar y comprender las técnicas usadas para hacer mediciones de humedad interna de los transformadores.

Se propone pues, hacer un análisis basado en valores obtenidos de punto de roció en transformadores y relacionarlos para determinar su humedad.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Los fabricantes de transformadores recomiendan después

del armado de estos, un proceso de secado para extraer la humedad absorbida durante el proceso de armado. Más aun cuando un transformador es revisado internamente para realizar algún mantenimiento o reparación.

Para determinar la humedad interna dentro del transformador, se ha utilizado un equipo de prueba elemental, que aplica los principios físicos y químicos del aire.

Actualmente, para medir la humedad se ha utilizado una técnica, que se basa en conocimientos de campo, por lo que es necesario poder documentar esta técnica.

La intención de la presente investigación es, dejar un documento de apoyo, que valide los valores obtenidos y sirva como guía para determinar que tanta humedad interna hay dentro del transformador.

JUSTIFICACIÓN DEL ESTUDIO La intención del presente proyecto es contar con un

manual técnico que sea soporte y un apoyo, que sirva como complemento a los conocimientos con que cuenta el personal de mantenimiento.

Que ayude a determinar de manera acertada la cantidad de humedad interna de los transformadores y demás aislamientos higroscópicos; dentro de los valores permitidos de operación.

El aplicar la técnica basada en el punto de rocío, servirá

para determinar el grado de humedad interna y permitirá que las pruebas elaboradas para este fin se desarrollen adecuadamente.

Se obtendría la unificación de criterios, que permitiría llevar un procedimiento generalizado que reflejaría el valor estimado de la posible humedad interna del transformador,

PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN

¿Cómo identificar las posibles causas de humedad interna alta?

¿De que marera afecta la humedad interna al transformador de potencia?

¿Cómo se mide la humedad interna en los transformadores?

¿Cómo se produce el punto de roció? ¿Qué se necesita para conocer el punto de

roció en el transformador?

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

Desarrollar un manual que sirva de apoyo y explique la manera, como se determina la humedad interna en los transformadores.

Describir gráficamente la humedad interna dentro de los transformadores.

Medir el punto de rocío de los transformadores.

Proponer valores que permitan operar a los transformadores de manera segura sin que sufran daños por causa de la humedad interna.

CRONOGRAMA Identificación del problema; que cantidad de humedad

hay dentro del transformador. Revisión de la literatura; investigación de la teoría

referente al punto de rocío. Recopilación de datos; obtención de valores de punto

de roció obtenidos en pruebas realizadas a diferentes transformadores.

Comparación de valores; relación entre valores del punto de rocío y la humedad interna en transformadores.

Realización de pruebas; pruebas a uno o mas transformadores para obtener valores de punto de rocío

Análisis de datos Evaluación de resultados Elaboración de manual.

MARCO TEÓRICO

El aire de la atmósfera se considera normalmente como una mezcla de dos componentes: aire seco y agua. El agua es la única sustancia de la atmósfera que puede condensar (pasar de la fase de vapor a líquido) o evaporarse (pasar de la fase líquida a vapor) en las condiciones ambientales que conocemos en la Tierra. Este hecho justifica la división del aire atmosférico en aire seco y agua.

La cantidad de humedad depende en primer lugar de la humedad relativa del aire, que a su vez depende de la temperatura del aire.

La humedad absoluta es la cantidad de agua contenida en un m3 de aire.

El grado de saturación es la cantidad de agua que un m3 de aire puede absorber, como máximo, a la temperatura considerada. La humedad es entonces del 100%, como máximo (temperatura del punto de rocío).

http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica5.htm

El punto de rocío se puede definir como la temperatura a partir de la cual empieza a condensarse el vapor de agua contenido en el aire produciendo rocío, neblina, o en el caso de que la temperatura sea inferior a 0ºC, escarcha. Para una masa dada de aire, con una determinada cantidad de vapor de agua (humedad absoluta), la humedad relativa es la proporción de vapor contenida en relación a la necesaria para llegar al punto de saturación, expresada en porcentaje. Cuando el aire se satura (humedad relativa = 100%) se alcanza el punto de rocío.

Pr = Punto de rocíoT = temperatura en CelsiusH = humedad relativa

http://es.wikipedia.org/wiki/Punto_de_roc%C3%ADo

Cuando la humedad alcanza el valor del 100% se produce el fenómeno de la condensación que observamos en la vida diaria. El fenómeno del rocío en las mañanas de invierno se debe a que la humedad relativa del aire ha alcanzado el 100% y el aire no admite ya más agua. Entonces el agua se condensa en forma líquida en superficie metálicas, hojas, flores etc. También se alcanza el 100% de humedad cuando usamos agua muy caliente en un recinto cerrado como por ejemplo un cuarto de baño. El agua caliente se evapora fácilmente y el aire de la habitación alcanza con rapidez el 100% de humedad. El resultado es de todos conocidos... se empañan (se humedecen) los espejos del lavabo.

Estos dos fenómenos son diferentes pero ilustran las dos formas en que puede aumentar la humedad de un recinto:

1.-Por disminución de la temperatura ambiental. 2.-Por aumento de la cantidad de agua en el ambiente. El primero de los fenómenos se relaciona con el concepto de

temperatura de rocío. Si se mantiene la cantidad de agua del ambiente constante y se disminuye la temperatura llega un momento en que se alcanza una humedad relativa del 100%. Este momento es el punto de rocío y su temperatura la temperatura de rocío.

Esto es justamente lo que ocurre en las madrugadas de invierno. La temperatura desciende tanto que llega al punto de rocío, en ese momento la humedad relativa del 100% hace que el agua se condense en las superficies.

Cualquier objeto de una habitación que tenga una temperatura menor que la temperatura de rocío presenta condensación en sus paredes por este fenómeno. Así ocurre por ejemplo cuando sacamos una lata de refresco de un frigorífico y la situamos en una mesa. Su temperatura es, seguramente, menor que la de rocío y observamos como la lata se empaña de humedad.

Los que usan gafas conocen perfectamente qué ocurre cuando, en una fría mañana de invierno, se introducen súbitamente en un recinto cerrado y caliente (por ejemplo en un autobús). La temperatura de los cristales de las gafas es muy baja y menor que la temperatura de rocío del recinto. Los cristales se empañan rápidamente hasta que se calientan y se sitúan a la temperatura del recinto.

http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0201-04/ed99-0201-04.html

Gracias a gráficos específicos, es posible determinar el valor de punto de rocío tomando como base los valores de humedad relativa y de temperatura medidos.

Para determinar la temperatura del punto de rocío se comienza dibujando una línea horizontal al nivel de la temperatura medida hasta que haga intersección con la línea de la humedad relativa medida. Desde el punto de intersección dibuje una línea vertical hacia el eje del punto de rocío en ºC. (Ver graficas)

El higrómetro es el instrumento utilizado para medir la humedad relativa (HR), es decir, la cantidad de vapor de agua presente en el aire. A menudo, este tipo de instrumentos también es capaz de medir la temperatura. A éstos normalmente se les llama termo-higrómetros. La unidad de medida de la humedad relativa se define como el porcentaje de la cantidad de vapor de agua presente en 1 m3 de aire en una temperatura dada.

http://www.infoagro.com/instrumentos_medida/doc_humedad_relativa_punto_rocio.asp?k=55

[5] En general, una sustancia pura puede existir en una cualquiera de tres fases, o en una mezcla de ellas: la fase sólida, la fase líquida y la fase gaseosa o de vapor. La fusión es el cambio de fase de sólido a líquido. El cambio en sentido contrario se llama solidificación (o congelación en el caso del agua). El cambio de fase de líquido a gas se denomina vaporización y se dice que la sustancia líquida se vaporiza (o se evapora, en el caso del agua). El cambio de vapor (o fase gaseosa) a líquido se conoce como condensación y durante el proceso se dice que el vapor se condensa.

No todas las sustancias pasan por estas tres fases; algunas normalmente van directo de la fase sólida a la gaseosa (o viceversa), un cambio denominado sublimación. Además, muchas sustancias que ordinariamente pasan por las tres fases durante el calentamiento de la fase sólida, pueden sublimarse en ciertas condiciones. Por ejemplo, un trozo de hielo expuesto a la atmósfera a temperaturas inferiores a O°C se sublimará y, si transcurre el tiempo suficiente, pasará enteramente a la atmósfera como vapor de agua. En su estado sólido a la presión de 1 atm, el dióxido de carbono sólido ("hielo seco") se sublima cuando absorbe calor y produce así enfriamiento.

Todas las fronteras de fase están caracterizadas por la entalpia de transformación (calor latente). Observe que la línea del punto triple se proyecta según un punto B, figura 3/6. A temperaturas y presiones inferiores a las de B, el sólido se sublima y la frontera de fase es la curva AmB. La mayor parte de las sustancias se contraen al solidificarse, por lo cual, la frontera entre las regiones líquida y sólida es similar a BuD en la figura 3/6(a). Afortunadamente, el agua se expande al solidificarse (o congelarse) con una frontera de fase tal como BtO, figura 3/6(b). Una isobara es iKz; son isotermas las líneas krK, hji, etc.

Dado un sólido en el estado i, se le suministra calor a presión constante; su temperatura asciende a medida que se calienta hasta que se alcanza la frontera de fase S-L en u (o en t); la temperatura permanece constante durante la fusión, pero cuando todo se convierte en líquido, más calor eleva la temperatura desde u hasta z (o desde t hasta z), donde comienza la vaporización. De nuevo, el punto Z en este plano no cambia mientras exista una mezcla bifásica en equilibrio. Cuando todo el líquido se ha vaporizado, la adición de más calor sobrecalienta al vapor, por ejemplo, hasta el estado y.

En el punto triple B, habiendo partido desde un sólido en x con P = C, pueden existir tres fases simultáneamente; el sobrecalentamiento BH no ocurre en una mezcla en equilibrio hasta que sólo quede vapor saturado en B. Un sólido en el estado j a una presión aún menor, nunca pasa por la fase líquida; en m se inicia la sublimación, después de que todo el sólido se ha vaporizado (en equilibrio) puede suceder entonces sobrecalentamiento, por ejemplo, según mw. La curva AB es el lugar geométrico de todos los estados de equilibrio de mezclas sólido-vapor. Si se tiene una mezcla de fases a Pq = PB y Td = TB, Y la presión disminuye a Pa = Pm, la fase líquida habrá desaparecido después de que la mezcla llegue de nuevo a una condición de equilibrio. En forma semejante, coexistiendo las tres fases en B, si la presión se incrementa hasta Ps = Pr , la fase sólida desaparecerá en el equilibrio interno; la energía total almacenada se supone que permanece constante.

Todos los puntos entre las fronteras de fase BC y BD (o BG), como el K, corresponderán a un líquido, comprimido o subenfriado, §3.12. En el estado K, figura 3/6, se trata de un líquido comprimido, porque Pe = PK es mayor que la presión de saturación Pr = Ps a la temperatura TK = Tk; se designa como líquido subenfriado debido a que Tk<Tz es la temperatura de saturación a la presión Pe. Se puede hacer que un líquido se vaporice (o hierva) disminuyendo su presión. Supongamos que la sustancia es enteramente líquido saturado en el estado z (éste será el caso de una mezcla de liquido y vapor) y la presión se reduce a Ps = Pr; entonces, a fin de que la sustancia logre equilibrio interno sin cambio en la energía almacenada, parte del líquido debe vaporizarse hasta que la temperatura de la mezcla sea Tk = Tr Si en z la sustancia es 100% vapor saturado, una disminución de la presión manteniendo constante la energía almacenada originará un estado de vapor sobrecalentado.

[6] Existen casos donde uno de los gases es un vapor cercano a su estado de saturación con un cierto cambio de fase durante un proceso, o donde los gases están en contacto con un líquido (o un sólido saturado) con un cambio de fase de parte del líquido (o del sólido) durante un proceso. Ejemplos de la experiencia diaria son la mezcla de aire y gasolina que alimenta un motor de automóvil, y el aire atmosférico normal que invariablemente contiene vapor de H20, por lo general algo sobrecalentado. Otros componentes del aire se condensan si la temperatura es lo suficientemente baja.

En estas mezclas de gases y un vapor, el componente condensable se llamará simplemente vapor, abreviado como v o vap.; los gases se diferencian colectivamente denominándolos gas seco, abreviado como g.s. (o dg, de dry gas en inglés); o bien, como aire seco, abreviado como a.s. (o da, de dry air en inglés), cuando se trata específicamente del aire y algún componente condensable. En primer lugar, existen algunos términos técnicos propios de esta materia que deben ser explicados.

EMPERATURA O PUNTO DE CONDENSACION (PUNTO DE ROCIO) Imaginemos un vapor sobrecalentado en un estado 1, figura 12/2(a), contenido en un

sistema de presión constante, figura 12/2(b), el cual es enfriado isobáricamente, según 1-c.

Cuando su estado se satura en c, una pérdida de calor adicional originará alguna condensación; en consecuencia, el estado c se denomina punto de condensación o punto de rocío.

Aunque cualquier vapor sobrecalentado tiene tal temperatura de saturación, el término punto de condensación se utiliza sólo con respecto a las mezclas gas-vapor. Si la temperatura en c es inferior a la temperatura del punto triple, ocurre condensación a la fase sólida.

Cuando se conoce la presión del vapor en 1, Pv1, el punto de rocío es la temperatura de saturación correspondiente a Pv1.

Un vapor sobrecalentado se puede enfriar al estado de vapor saturado por procesos distintos del de p = C, pero en estos casos el proceso por el cual se alcanza el punto de condensación se designa concretamente; por ejemplo, punto de rocio a volumen constante.

En el caso de una mezcla gas-vapor, un proceso isobárico es uno de presión total constante Pm. En este proceso, cuando el gas se enfría abajo del punto de rocío de su componente de vapor, la mezcla está en equilibrio térmico. Si, por ejemplo, se pasa a tb, figura 12/2(a), parte del vapor se debe condensar, y la presión de vapor debe ahora ser la presión de saturación correspondiente a la temperatura tb. En la mayor parte de los problemas, cuando esto ocurre, suponemos que la mezcla contiene vapor saturado en estado b, y que se ha establecido el líquido saturado en el estado d. (Seguramente se habrán observado las gotas de agua que se forman sobre un cristal frío de ventana en el invierno, debido a que el aire adyacente se enfrió abajo de la temperatura de saturación o de rocío.)

Si la presión de la mezcla Pm permanece constante y el contenido de vapor disminuye o aumenta, las presiones parciales -por la ley de Dalton- están relacionadas como sigue, Pdg = Pm - Pv donde Pdg es la presión parcial de los gases secos.

HUMEDAD RELATIVA La humedad relativa Φ se define como la razón de la presión parcial real del

vapor, por ejemplo Pv1, figura 12/2(a), a la presión de saturación correspondiente a la temperatura real de la mezcla (vapor), Pvk. Cuando el componente de vapor se comporta en forma muy parecida a un gas ideal y pv= ρvRvT, se ve que la presión de vapor es (casi) directamente proporcional a la densidad (t1 = tk). Escribimos entonces·

  Donde los sub índices se refieren a la figura 12/2. Observe que la humedad

relativa es una propiedad de un vapor sobrecalentado, pero que se utiliza sólo para mezclas gas-vapor.

En muchas de tales mezclas la presión parcial del vapor de agua es tan baja que las moléculas de vapor están separadas tan ampliamente, que sus fuerzas de interacción son relativamente pequeñas (cero en el caso de un gas idea!), y las leyes de los gases ideales dan respuestas razonables. Por ejemplo, la presión parcial de H20 en la atmósfera generalmente es muy inferior a 0.07 kgf/cm2 abs. (1 psia). Las presiones parciales de vapor de agua inferiores a O°C (32°F) se dan en las tablas de Keenan y Keyes.[0.7]

Por lo común se habla de gas saturado (o de aire saturado) significando que el componente de vapor en el gas (o sea, de H20 en el aire) es vapor saturado. En este estado a una tempera" tura particular, el gas (aire) no puede contener más fase de vapor (o vapor de agua en el caso del aire); si la temperatura de la mezcla se eleva, es posible que haya mayor cantidad de vapor; si la temperatura se abate, algo de vapor se debe condensar.

RELACION DE HUMEDAD La relación de humedad ω (llamada también

humedad absoluta y humedad especifica) es la masa de vapor por unidad de masa de gas seco;

Donde ρdg = (P/RT)dg siendo Pdg la presión parcial del gas seco; ρv = 1/v, en la que vv, o bien, ρv, se puede obtener con ayuda de la ecuación (12-6), pero de preferencia con las tablas de vapor si es posible. Cuando el vapor se aproxima a un gas ideal, use ρ = p/(R T) en la ecuación (12-7) para hallar

Si se despeja Pv

HIPÓTESIS

Al determinar el punto de rocío en un transformador, estamos determinando paralelamente la humedad interna dentro de los transformadores de potencia. Esto se logra mediante la aplicación de los estudios realizados sobre el comportamiento del agua en sus diferentes fases y trasladados prácticamente sobre el comportamiento en los aislamientos susceptibles de absorber humedad.

MÉTODO

Para este protocolo de investigación el diseño a utilizar será: Investigación de campo experimental, y documental, para la determinación de humedad interna dentro de los transformadores mediante el punto de rocío; se tomaran las mediciones realizadas en diferentes tipos de transformadores.

RECURSOS

Recursos humanos; Apoyo por parte del área de recursos humanos y operativos Gestión de información por parte del jefe de mantenimiento Apoyo por parte del personal operativo encargado del mantenimiento   Recursos materiales: Probador de punto de rocío Termómetro de alcohol Desarmadores planos y Philips Juego de llaves de estrías y españolas Acetona Hielo seco Conexiones roscadas de ¼ npt Manuales de transformadores del fabricante Hojas milimétricas Marcadores Bolígrafo Lap top

Recursos financieros Este proyecto esta considerado para aproximadamente 7 a 8 semanas y con la ayuda de

recursos por parte de la empresa comisión federal de electricidad para realizar las modificaciones necesarias.

REFERENCIAS

Kenneth, Wark Jr. y Donald, E. Richards. Propiedades de una sustancia pura, simple compresible. Termodinámica (sexta edición). Madrid: Mc. Graw Hill, 89-105

Kenneth, Wark Jr. y Donald, E. Richards. Mezclas no reactivas de gases ideales. Termodinámica (sexta edición). Madrid: Mc. Graw Hill, 491-500

Cengel, Yunus A. y Boles, Michel A. Propiedades de las sustancias puras. Termodinámica (sexta edición). Mexico: Mc. Graw Hill,(2009) 111-153

Cengel, Yunus A. y Boles, Michel A. Mezclas de gas-vapor. Termodinámica (sexta edición). Mexico: Mc. Graw Hill,(2009) 731-740

Virgil Moring, Faires. y Clifford Max, Simmang,. Sustancia pura. Termodinámica (sexta edición). Mexico: UTEHA,(1983) 62-68

Virgil Moring, Faires. y Clifford Max, Simmang,. Mezclas de gases y vapores. Termodinámica (sexta edición). Mexico: UTEHA,(1983) 330-334

  http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica5.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Punto_de_roc%C3%ADo http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0201-04/ed99-0201-04.html Mediciones de punto de rocío realizadas a transformadores Manual IEM de transformadores