Calculadora de humedad en aceite: ppm, saturación relativa, IEC 60422:2024 e IEEE C57.106-2015

Qué hace esta calculadora

Convierte el contenido de agua de un aceite mineral entre miligramos por kilo (que es lo que da un Karl Fischer) y saturación relativa en tanto por ciento (que es lo que da una sonda capacitiva en línea), a la temperatura que se le indique. Calcula dos cosas que casi nunca vienen en el informe: la solubilidad del aceite a esa temperatura y la temperatura de saturación, por debajo de la cual esa misma agua empieza a aparecer como agua libre. Y valora el aceite con la norma que se elija, en dos pestañas: IEC 60422:2024, que lo clasifica como bueno, aceptable o deficiente según la categoría del equipo, para el agua y para otros cinco ensayos de rutina; e IEEE C57.106-2015, que da los límites del agua y del resto de ensayos por clase de tensión para aceite en servicio, nuevo o reacondicionado y para cambiadores de tomas, y estima con su anexo B cuánto baja la ruptura cuando el aceite se enfría.

Por qué los ppm engañan

El agua disuelta en el aceite no importa por su cantidad absoluta, sino por lo cerca que está de saturarlo. Y la solubilidad depende fortísimamente de la temperatura. Para aceite mineral nuevo:

log₁₀(Ws) = 7,0895 − 1567 / T

con T en kelvin y Ws en mg/kg. Es la fórmula 1 de IEEE C57.106-2002 (de Bruce, Christie y Griffen), conocida como curva de Oommen, y una de las curvas de la literatura que recoge la figura 1 de IEC 60422:2024 (A = 7,09; B = 1567). Esa figura enseña cuánto difieren entre sí: su media es A = 7,11 y B = 1585, y la norma no fija ninguna. Da unos 55 mg/kg a 20 °C, 243 a 60 °C y 449 a 80 °C.

La consecuencia práctica: un análisis de 25 mg/kg tomado con el transformador caliente parece tranquilizador —un 10 % de saturación a 60 °C—, pero esa misma agua, cuando la máquina se enfría a 20 °C, está al 45 % de saturación. Por eso una muestra sin la temperatura del aceite anotada no sirve de mucho, y por eso las sondas en línea dan saturación relativa y no ppm.

La fórmula es para aceite mineral nuevo. Un aceite envejecido u oxidado disuelve más agua, y IEC 60422:2024 advierte que en aceites muy oxidados la diferencia puede ser grande y que no hay una fórmula universal. Si se parte de los mg/kg de un Karl Fischer, la saturación real sería algo menor que la calculada: el resultado queda del lado conservador. Si se parte de la saturación de una sonda, ocurre lo contrario: los mg/kg reales serían algo mayores y la valoración por mg/kg queda del lado optimista.

La temperatura de saturación

Es el número más útil de esta calculadora y el que rara vez se calcula. Dado el contenido de agua medido, indica a qué temperatura ese aceite alcanzaría el 100 % de saturación. Por debajo de ella puede aparecer agua libre, que es lo que de verdad hunde la rigidez dieléctrica y lo que provoca fallos en arranques en frío o después de una parada prolongada en invierno.

Un transformador con 40 mg/kg satura alrededor de los 12 °C. Si está en un local que baja de esa temperatura, el riesgo no es teórico.

Clasificación según IEC 60422:2024

IEC 60422:2024 es la guía de supervisión y mantenimiento de aceites minerales en equipos eléctricos. La calculadora aplica la edición 5.0 de 2024, que da límites de bueno, aceptable y deficiente por categoría de equipo, según su tensión más elevada (Um) y con una tabla para cada tipo de equipo:

• Transformadores y reactancias (tabla 5): A, de más de 170 kV o de cualquier tensión si la continuidad del suministro es vital; B, de más de 72,5 kV hasta 170 kV; C, hasta 72,5 kV (distribución) y de tracción. Agua buena por debajo de 15, 20 y 30 mg/kg y deficiente por encima de 20, 30 y 40; ruptura buena por encima de 60, 50 y 40 kV y deficiente por debajo de 50, 40 y 30; además, acidez, factor de disipación y resistividad a 90 °C y tensión interfacial, distinta para aceite inhibido y no inhibido.
• Transformadores de medida y protección (tabla 7): D, de más de 170 kV, y E, hasta 170 kV. Solo agua (cortes en 20 y 30 mg/kg, y en 30 y 40) y factor de disipación (0,01 y 0,10, y 0,10 y 0,30).
• Ruptor de los cambiadores de tomas en carga (tabla 6), categoría F: agua buena por debajo de 15 mg/kg y deficiente por encima de 40 en conexión en estrella o de 30 en triángulo o extremo de línea; la ruptura solo es buena (al menos 30 o 40 kV) o deficiente.
• Interruptores y aparamenta (tabla 8): G, de más de 72,5 kV, y H, hasta 72,5 kV. Agua, ruptura y acidez.
• Pasatapas (tabla 9): K, de más de 170 kV, y L, hasta 170 kV. Agua, ruptura y factor de disipación.

Las tablas 6 a 9 no detallan todos los ensayos: para el resto remiten a la categoría que corresponda de la tabla 5, y la calculadora los marca como «Ver tabla 5». Frente a la edición de 2013, la categoría O desaparece dentro de la A, el factor de disipación de los transformadores de medida de más de 170 kV pasa a 0,01 y 0,10, y los cambiadores, los interruptores y los pasatapas entran con tablas propias.

Qué significa cada estado: bueno, basta con el muestreo y los ensayos con la frecuencia normal; aceptable, el deterioro ya es detectable y conviene ensayar más a menudo; deficiente, hay un deterioro anormal y hay que valorar una acción correctora, como el secado, el reacondicionamiento o la regeneración del aceite. La calculadora clasifica solo los ensayos que se rellenan y resume con el peor de ellos. Un valor justo en el extremo de un intervalo cuenta como aceptable.

Cuatro cautelas. El agua se da a la temperatura de servicio, se lee siempre junto con la ruptura y la norma pide no actuar por un solo resultado, sino repetir la muestra. Por debajo de 35 °C el agua se difunde demasiado despacio para acercarse al equilibrio con el papel, y la calculadora lo avisa; con el aceite muy caliente en transformadores muy cargados, el intercambio rápido de humedad puede dar valores más altos. Para seguir la tendencia de un mismo equipo, el anexo C, informativo y presentado como práctica histórica, normaliza el agua a 20 °C con f = 2,24·e^(−0,04·ts): 10 mg/kg medidos a 40 °C equivalen a 4,5. Solo vale con la muestra a 35 °C o más y no se compara con las tablas. Y la estimación de la humedad del papel queda fuera de la norma.

Para la saturación relativa, la tabla B.1 da una guía para la medida en línea a temperatura de servicio: por debajo del 10 %, transformador seco; entre el 10 % y el 20 %, humedad elevada respecto a uno nuevo, con riesgo de que baje la ruptura en un arranque en frío o al enfriarse tras una carga alta; y por encima del 20 %, húmedo, con la ruptura reducida, y conviene valorar el secado del aislamiento sólido. La norma la da para un seguimiento de al menos un mes; la calculadora la aplica a la saturación a la temperatura del aceite, y con una sola muestra es orientativa.

Valoración según IEEE C57.106-2015

IEEE C57.106-2015 es la guía del IEEE para la aceptación y el mantenimiento del aceite mineral aislante, la referencia habitual en Norteamérica. La calculadora aplica la edición de 2015, que revisó la de 2006 y cambió el criterio del agua: ya no hay un máximo según la temperatura media del aceite, como en la tabla 5 de la edición de 2002, sino un máximo fijo en mg/kg por clase de tensión, y desaparece la estimación de la humedad del papel.

La pestaña permite elegir la tabla según el estado del aceite:

• Tabla 3, aceite en servicio: agua máxima de 35, 25 y 20 mg/kg para hasta 69 kV, de 69 a 230 kV y 230 kV y más; ruptura ASTM D1816 de al menos 23, 28 y 30 kV con 1 mm o 40, 47 y 50 kV con 2 mm; factor de potencia máximo del 0,5 % a 25 °C y del 5 % a 100 °C; tensión interfacial mínima de 25, 30 y 32 mN/m; y acidez máxima de 0,20, 0,15 y 0,10 mg KOH/g. La ruptura ASTM D877 (25 kV) solo vale para reactancias y reguladores, no para transformadores.
• Tabla 4, aceite reacondicionado o regenerado, tras el llenado y antes de energizar: agua de 35, 20 y 15 mg/kg (mejor por debajo de 10 en 230 kV y más), ruptura de 25, 30 y 35 kV con 1 mm o 45, 55 y 60 kV con 2 mm, tensión interfacial de 35 mN/m y acidez de 0,05 mg KOH/g.
• Tabla 2, aceite nuevo en equipo nuevo o tras el llenado, antes de energizar: agua de 20, 10 y 10 mg/kg, factor de potencia del 0,05 % a 25 °C, tensión interfacial de 38 mN/m y acidez de 0,03 mg KOH/g.
• Tablas 6 y 7, cambiadores de tomas: aceite nuevo antes de energizar y aceite en servicio, con límites propios para el extremo de neutro y para el de línea hasta 69 kV y de más de 69 kV (en servicio, agua de 40, 30 y 25 mg/kg).

Con el aceite en servicio, la calculadora aplica la clasificación del apartado 4.2.1: clase I si cumple todo; clase II si solo fallan la ruptura o el agua, y entonces la guía propone reacondicionarlo con filtrado o secado al vacío; y clase III si falla algo más, en cuyo caso propone regenerarlo con tierra de Fuller o sustituirlo, y reponer el inhibidor. La ruptura ASTM D1816 no es comparable con la de IEC 60156:2025 a 2,5 mm, así que un valor no se lleva de una pestaña a la otra.

La norma advierte en cada tabla que esos mg/kg pueden ser excesivos a baja temperatura, porque la saturación sube al enfriarse el aceite. Para eso, su anexo B (informativo, para aceite nuevo) relaciona la saturación con la ruptura ASTM D1816 a 2 mm: calcula la saturación con Ws = 10^(7,42 − 1670/(273,16 + t)) y la ruptura relativa con 0,95·e^(−(%RS/63,15)²) + 0,05. En el ejemplo de la norma, 15 mg/kg son un 18 % de saturación a 30 °C y un 74 % a 0 °C, y una ruptura de 50 kV medida a 30 °C bajaría a unos 15 kV al energizar a 0 °C. La pestaña IEEE hace ese cálculo con la segunda temperatura; para energizar en frío, la norma remite a IEEE C57.93-2019.

Ejemplo resuelto

Es el caso en servicio que publica CIGRE (tabla 3 del mismo artículo): transformador de 15 años, muestra de 21,5 mg/kg tomada con el aceite a 57 °C y 57 kV de tensión de ruptura. Son los valores que trae la calculadora al abrirla.

• Solubilidad a 57 °C: 220 mg/kg → saturación 9,8 %: seco según la tabla B.1 de IEC 60422:2024 (por debajo del 10 %), aunque en el límite.
• Solubilidad a 20 °C: 55,5 mg/kg → saturación 38,8 %: si la unidad se enfría, muy por encima del 20 % de la tabla B.1.
• Temperatura de saturación: −1,0 °C.

CIGRE da 38,7 % y 9,7 %; la diferencia es solo de redondeo. Su conclusión es la que enseña la herramienta: medido en laboratorio a 20 °C el aceite parece mucho más húmedo de lo que está en la máquina.

Con la clasificación IEC 60422:2024: en un transformador de categoría A, los 21,5 mg/kg son deficiente (el corte está en 20) y los 57 kV, aceptable; en categoría B, el agua pasa a aceptable y la ruptura a buena; en C, las dos son buenas. El mismo aceite cambia de estado según la máquina en la que esté. Con IEEE C57.106-2015 y el aceite en servicio (tabla 3), el máximo para 230 kV y más es de 20 mg/kg: el agua no cumple y, si es lo único que falla, el aceite es de clase II y hay que reacondicionarlo. Entre 69 y 230 kV (25 mg/kg) y hasta 69 kV (35 mg/kg) sí cumple. Según el anexo B, la saturación pasa del 9,3 % a 57 °C al 41 % a 20 °C, y la ruptura bajaría a un 69 % de la medida si la unidad se enfría.

Lo que esta calculadora no hace

No dice cuánta agua hay en el papel, que es donde está la mayor parte y lo que hay que secar; IEC 60422:2024 deja esa estimación fuera de la norma. El equilibrio entre papel y aceite tarda días o semanas en establecerse y depende de la temperatura y del historial de carga, así que estimar la humedad del papel a partir de una sola muestra de aceite es poco fiable. La corrección de la ruptura por temperatura de la pestaña IEEE es la del anexo B de IEEE C57.106-2015, informativo y obtenido con aceite nuevo: sirve para ver la tendencia, no sustituye a un ensayo a esa temperatura. No cubre ésteres ni aceites de silicona, cuya solubilidad y cuyos límites son distintos, ni sustituye al informe del laboratorio.

Con qué se mide

El contenido de agua se determina por valoración Karl Fischer en laboratorio, y la saturación relativa con sondas capacitivas instaladas en el circuito de aceite, que es lo que permite ver la evolución en vez de una foto fija. El analizador de aceite dieléctrico y el resto de equipos de medida sobre aceite cubren la parte de ensayo; el secado y la desgasificación, la parte de tratamiento. Si el aceite está húmedo, conviene mirar también el análisis de gases disueltos: la degradación del papel deja rastro en el CO y el CO₂.