Calculadora de gases disueltos en aceite: triángulos y pentágonos de Duval, IEC 60599 e IEEE

Qué hace esta calculadora

Toma las concentraciones del cromatógrafo en ppm y aplica cada método de interpretación en su propia pestaña, para que se puedan comparar sin mezclarlos:

• Resumen: el resultado de todos los métodos en una tabla.
• Triángulos de Duval 1 a 7 y pentágonos de Duval 1 y 2, con el punto dibujado sobre la figura.
• IEC 60599:2022: tabla 1 según el tipo de equipo, esquema simplificado de la tabla 2, valores típicos del anexo A, velocidades de aumento, CO₂/CO, O₂/N₂ y C₂H₂/H₂.
• IEEE C57.104-2019: estado DGA 1, 2 o 3 con las tablas 1 a 4 según la edad del transformador y la relación O₂/N₂, variaciones entre análisis y tasas por regresión de varios análisis.
• IEEE C57.104-2008: condiciones 1 a 4, intervalo de muestreo de la tabla 3, litros de gas al día las relaciones de Rogers y Doernenburg y el método de los gases clave.
• IEEE C57.146-2005: umbrales y gases clave para transformadores en silicona.

Si se introducen los análisis anteriores con su fecha (hasta cinco), la calculadora añade las variaciones y las velocidades de generación, que son el dato que de verdad decide. Si la muestra es de gas libre del relé Buchholz, la convierte a su equivalente disuelto con los coeficientes de Ostwald de IEC 60599.

De dónde salen los gases

Cada mecanismo de degradación dentro del transformador rompe unas moléculas y no otras, y por eso la mezcla de gases identifica la avería:

• Hidrógeno (H₂): aparece con casi todo, y es el primero en aparecer en descargas parciales.
• Metano y etano (CH₄, C₂H₆): calentamientos moderados del aceite.
• Etileno (C₂H₄): calentamientos fuertes, por encima de 300 °C.
• Acetileno (C₂H₂): arco eléctrico. Necesita temperaturas por encima de 700 °C y no se genera de otro modo.
• Monóxido y dióxido de carbono (CO, CO₂): degradación de la celulosa, es decir, del papel aislante.

Estado DGA de IEEE C57.104-2019

La edición de 2019 ya no clasifica el transformador con unos límites fijos: clasifica el análisis en tres estados a partir de la estadística de una gran población de transformadores.

• Estado 1: niveles bajos y sin indicios de generación. Muestreo habitual.
• Estado 2: algún gas entre las tablas 1 (percentil 90) y 2 (percentil 95), o un aumento confirmado entre análisis. Hay que investigar y muestrear más a menudo.
• Estado 3: algún gas por encima de la tabla 2, o una tasa de generación por encima de la tabla 4. Generación activa probable.

Las tablas 1 y 2 dependen de la edad del transformador (desconocida, 1 a 9, 10 a 30 o más de 30 años) y de la relación O₂/N₂ (hasta 0,2 o por encima); sin O₂ y N₂ se usa la sección de más de 0,2. La tabla 3 fija la variación máxima entre dos análisis consecutivos: si se supera, hace falta un análisis de confirmación en el plazo de un mes. La tabla 4 fija la tasa máxima en ppm/año calculada por regresión lineal de los últimos 3 a 6 análisis en los dos últimos años, con al menos cuatro meses de historial; para el acetileno basta cualquier aumento.

La calculadora aplica además los criterios del anexo D.8 sobre el CO y el CO₂ (un CO alto sin hidrocarburos apunta a oxidación del aceite, no a una falta en el papel) y recuerda que, con todos los gases por debajo de la tabla 1, la norma desaconseja identificar el tipo de falta.

Condiciones de IEEE C57.104-2008

La calculadora clasifica el análisis en cuatro condiciones con la tabla 1 de la edición de 2008, que corrigió los valores de 1991 y sigue siendo la referencia de campo más extendida para unidades sin historial. La condición es la del peor gas o la del gas combustible total, no la media.

Con el análisis anterior, la tabla 3 da el intervalo de muestreo y el procedimiento según el gas combustible total y su velocidad de generación (menos de 10, de 10 a 30 o más de 30 ppm al día). Con el volumen de aceite se aplica además la ecuación (1): más de 2,8 litros de gas combustible al día apuntan a una falta activa.

La edición de 2019 sustituyó este enfoque por el estado DGA del apartado anterior. La calculadora aplica las dos ediciones, cada una en su pestaña.

IEC 60599

La norma usa tres cocientes -C₂H₂/C₂H₄, CH₄/H₂ y C₂H₄/C₂H₆- y una tabla que los traduce a seis tipos de falta: PD (descargas parciales), D1 y D2 (descargas de baja y alta energía) y T1, T2 y T3 (faltas térmicas por debajo de 300 °C, entre 300 y 700 °C y por encima de 700 °C). Cuando las relaciones no encajan en ninguna fila, la calculadora lo dice y aplica el esquema simplificado de la tabla 2, que al menos distingue entre descargas parciales, descargas y faltas térmicas.

El límite de CH₄/H₂ para descargas parciales depende del equipo: 0,1 en transformadores, 0,2 en transformadores de medida y 0,07 en pasatapas, que tienen además su propio esquema simplificado (tabla A.10). En el compartimento de un cambiador de tomas la tabla 1 no se aplica: allí se usan el triángulo de Duval 2 y la relación C₂H₄/C₂H₂.

La calculadora compara cada gas con los valores típicos al 90 % del anexo A y, con el análisis anterior, la velocidad de aumento con la tabla A.3. Si todos los gases están en el extremo bajo de los valores típicos, el análisis es normal y la norma desaconseja diagnosticar con las relaciones. Completan la lectura tres relaciones auxiliares: CO₂/CO (implicación del papel), O₂/N₂ (consumo de oxígeno, por debajo de 0,3) y C₂H₂/H₂ (por encima de 2, contaminación desde el cambiador de tomas).

Triángulos de Duval

Cada triángulo toma tres gases, los expresa como porcentaje de su suma y sitúa el punto en un diagrama ternario dividido en zonas. La calculadora dibuja cada triángulo a partir de las mismas desigualdades con las que clasifica el punto, así que el dibujo y el diagnóstico no pueden discrepar.

• Triángulo 1 (CH₄, C₂H₄, C₂H₂): el clásico de IEC 60599 para aceite mineral. Fronteras: 98 % de CH₄ para PD; 4, 13, 15 y 29 % de C₂H₂; 20, 23, 40 y 50 % de C₂H₄. La zona DT recoge las mezclas de faltas térmicas y eléctricas.
• Triángulo 2 (los mismos gases): para el aceite de los cambiadores de tomas en carga de tipo aceite, donde el arco es parte del funcionamiento normal. Zona N de funcionamiento normal y zonas D1, X1, X3, T2 y T3 de funcionamiento anormal.
• Triángulo 3: el triángulo 1 con tres fronteras desplazadas para cada fluido alternativo.
• Triángulos 4 y 5: para faltas de baja temperatura en aceite mineral. El 4 usa H₂, CH₄ y C₂H₆; el 5, CH₄, C₂H₄ y C₂H₆. Separan la gasificación parásita del aceite (S), el sobrecalentamiento por debajo de 250 °C (O) y los puntos calientes con carbonización del papel (C). IEEE C57.104-2019 indica aplicar el 4 a faltas que el triángulo 1 identifica como PD, T1 o T2, y el 5 a faltas T2 o T3.
• Triángulos 6 y 7: los equivalentes del 4 y el 5 para el éster natural FR3, cuya gasificación parásita produce mucho más etano.

Fuentes: IEC 60599:2022 (figuras B.3 y B.4) y M. Duval, The Duval Triangle for LTCs, alternative fluids and other applications (2009). Los triángulos 4 y 5 siguen las tablas D.3 y D.4 de IEEE C57.104-2019.

Pentágonos de Duval

El pentágono (Duval y Lamarre, 2014) usa los cinco hidrocarburos a la vez. Cada gas tiene su eje, del centro (0 %) al vértice (100 %), en este orden: H₂, C₂H₆, CH₄, C₂H₄ y C₂H₂. Los cinco porcentajes forman un polígono irregular y el punto del análisis es su centroide, que nunca pasa del 40 % de un eje. Las fronteras de las zonas son las del anexo D de IEEE C57.104-2019.

• Pentágono 1: las seis faltas básicas (PD, D1, D2, T1, T2, T3) y la gasificación parásita S.
• Pentágono 2: las descargas igual, pero divide las faltas térmicas en T3-H (solo en el aceite), C (con carbonización del papel) y O (sobrecalentamiento por debajo de 250 °C).

No sustituyen a los triángulos 1, 4 y 5. Si pentágonos y triángulos no coinciden, lo más probable es una mezcla de faltas.

Rogers, Doernenburg y gases clave

Son los dos métodos de relaciones de IEEE C57.104-2008. Rogers usa CH₄/H₂, C₂H₂/C₂H₄ y C₂H₄/C₂H₆ y asigna uno de seis casos, desde unidad normal hasta falta térmica por encima de 700 °C. Doernenburg usa cuatro relaciones (CH₄/H₂, C₂H₂/C₂H₄, C₂H₂/CH₄ y C₂H₆/C₂H₂) y antes de diagnosticar comprueba que hay gases suficientes: si ningún gas clave supera el doble de su límite L1, o si ni el etano ni el CO superan L1, no hay falta (figura 4), y si alguna relación no tiene gases por encima de L1, no es significativa. Con gas libre del relé aplica las columnas de espacio de gas.

El método de los gases clave (figura 3) compara las proporciones de los seis gases combustibles con cuatro perfiles típicos —aceite sobrecalentado (etileno), celulosa sobrecalentada (CO), descargas parciales (hidrógeno) y arco (acetileno)— y muestra el más parecido junto con el gas principal medido.

Transformadores en silicona

IEEE C57.146-2005 da umbrales propios para la silicona: 200 ppm de H₂, 100 de CH₄, 1 de C₂H₂, 30 de C₂H₄ y de C₂H₆, 3.000 de CO, 30.000 de CO₂ y 3.361 de gas combustible total. Por debajo, vigilancia normal; por encima, nuevo muestreo para confirmar y búsqueda del tipo de falta. La calculadora compara además las proporciones de los gases combustibles con los cuatro perfiles de gases clave de la guía (sobrecalentamiento de la silicona y de la celulosa, descargas parciales y arco) y muestra el más parecido. En silicona, cualquier cantidad de acetileno puede indicar un problema serio.

Ejemplo resuelto

Transformador de potencia con H₂ 180, CH₄ 95, C₂H₆ 30, C₂H₄ 210, C₂H₂ 4 y CO 320 ppm.

• Gas combustible total: 839 ppm. Condición 2 por el total, el hidrógeno y el acetileno, y condición 4 por el etileno, que pasa de 200 ppm: manda el peor gas.
• IEC 60599: C₂H₂/C₂H₄ = 0,02; CH₄/H₂ = 0,53; C₂H₄/C₂H₆ = 7,0. El hidrógeno supera el valor típico más alto (150 ppm), así que las relaciones son significativas, pero no encajan en ninguna fila de la tabla 1; la tabla 2 da falta térmica.
• Triángulo de Duval 1: CH₄ 31 %, C₂H₄ 68 %, C₂H₂ 1 %, zona T3. Como no es PD, T1 ni T2, los triángulos 4 y 5 no se aplican.
• Pentágono 1: zona T3. Pentágono 2: T3-H, falta térmica en el aceite sin indicios de carbonización del papel.

Lectura: falta térmica por encima de 700 °C, con algo de acetileno que obliga a vigilar de cerca. La sospecha típica es una conexión interna en mal estado o una corriente circulante por el núcleo o la cuba.

Lo que esta calculadora no hace

No sabe si la muestra se tomó bien, ni si el equipo lleva poco tiempo en servicio después de una reparación o de un desgasificado, ni conoce la historia de la unidad más allá del análisis anterior que se le dé. Los valores típicos de IEC 60599 son rangos observados en muchas redes: lo recomendable es calcular los de la propia población de equipos. Y todos los métodos gráficos devuelven una zona aunque no haya generación real; el diagnóstico solo tiene sentido cuando los gases y su velocidad de aumento están por encima de lo típico.

Con qué se mide

El análisis lo hace un laboratorio a partir de una muestra de aceite, o un analizador de aceite dieléctrico en la propia instalación. Para las unidades críticas, la alternativa es el monitorizado en línea: sensores de hidrógeno y de gases disueltos que avisan de un cambio de tendencia entre muestreo y muestreo, en vez de esperar al análisis semestral. El tratamiento del aceite —secado y desgasificación— es la otra mitad del trabajo.