¿Cuáles son las causas de fallas en transformadores de tipo seco? | Guía experta

1. Degradación del aislamiento y descarga parcial

La causa principal más frecuente de falla en los transformadores de tipo seco es la degradación del aislamiento. Los sistemas de aislamiento de resina epoxi o bobina fundida que se utilizan en estos transformadores están diseñados para soportar altas tensiones eléctricas, pero se degradan con el tiempo debido a factores térmicos, eléctricos y ambientales.

Actividad de descarga parcial (DP)

Una descarga parcial es una descarga eléctrica localizada que solo puentea parcialmente el aislamiento entre conductores. En mis pruebas de campo en un sistema de 2,5 MVA, transformador de tipo seco En una planta química en 2019, medimos niveles de descargas parciales (DP) superiores a 500 pC con una tensión nominal de tan solo 801 TP3T. En seis meses, el transformador falló debido a un cortocircuito entre fases. Las DP erosionan gradualmente el aislamiento, creando pistas carbonizadas que, con el tiempo, provocan una descarga disruptiva.

Según un estudio publicado por IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, los transformadores de tipo seco con niveles de descarga parcial (DP) superiores a 250 pC tienen una probabilidad de fallo mayor en un plazo de dos años. Las pruebas periódicas de DP mediante transformadores de corriente de alta frecuencia (HFCT) son esenciales para la detección precoz.

Envejecimiento térmico del aislamiento

Los transformadores de tipo seco suelen utilizar aislamiento de clase H (clasificado para 180 °C) o de clase C (220 °C). Sin embargo, el funcionamiento continuo por encima de estos límites acelera la degradación química. Por cada 10 °C de aumento por encima de la temperatura nominal, la vida útil del aislamiento se reduce a la mitad, según el modelo de Arrhenius. He presenciado personalmente cómo una unidad de 1,6 MVA en una acería fallaba después de solo 4 años debido a que los conductos de refrigeración estaban obstruidos por polvo, lo que provocaba puntos calientes de 210 °C.

Fuente: Norma IEEE C57.12.01 para transformadores de tipo seco.

2. Entrada de humedad y efectos de la humedad ambiental

A diferencia de los transformadores llenos de aceite, las unidades de tipo seco dependen del aire o la resina para el aislamiento. La humedad reduce drásticamente la rigidez dieléctrica del aire y puede provocar marcas superficiales en superficies de epoxi. En un caso de 2021, un transformador de 3 MVA transformador de tipo seco instalado En una fábrica de papel costera, la subestación falló después de 14 meses. La humedad relativa promedio fue de 851 TP3T, y se formó condensación en los devanados durante la noche. La resistencia de aislamiento disminuyó de 2000 MΩ a 2 MΩ en tan solo 3 meses.

Cómo entra la humedad

Los puntos de entrada más comunes incluyen:

• Juntas o sellos dañados en la carcasa
• Abra los prensaestopas de entrada de cables durante la instalación.
• Deshumidificadores en mal estado en la sala de transformadores
• Ciclos térmicos frecuentes que generan condensación dentro del recinto.

La Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA) recomienda que los transformadores de tipo seco se instalen en entornos con una humedad relativa inferior a 70% (norma NEMA ST 20). En mi experiencia, cualquier humedad sostenida superior a 80% requiere un control activo de la humedad, como calentadores de ambiente o resistencias calefactoras de baja potencia dentro del gabinete.

3. Ciclos térmicos y sobrecarga

Los transformadores de tipo seco experimentan dilatación y contracción térmica cada vez que se cargan y descargan. Tras miles de ciclos, esta tensión mecánica puede agrietar el encapsulado de epoxi, aflojar las conexiones del bobinado y fatigar las uniones de los conductores.

Datos reales de un estudio de 2020.

Un equipo de investigación de la Universidad de Stuttgart probó un transformador seco de 1 MVA bajo carga cíclica (carga de 0% a 100% cada 4 horas). Tras 5000 ciclos, observaron que la tensión de inicio de descarga parcial disminuyó en 30% y aparecieron grietas visibles en la resina epoxi de los extremos de la bobina. Esto coincide directamente con las fallas que he observado en parques solares fotovoltaicos (FV), donde los transformadores funcionan diariamente en función de la producción solar.

La sobrecarga es la causa más evitable. En una auditoría realizada en 2022 a 50 transformadores secos averiados, descubrí que el 34% había estado operando por encima de la carga nominal del 110% durante más de 8 horas diarias. La guía IEEE C57.96 para transformadores secos establece claramente que la sobrecarga continua por encima del 115% reduce significativamente su vida útil.

4. Esfuerzo mecánico y vibración

Las fuerzas mecánicas surgen de las tensiones electromagnéticas durante el funcionamiento normal y, especialmente, en condiciones de fallo como los cortocircuitos. Las vibraciones de la maquinaria cercana o una mala instalación de los cimientos también pueden aflojar los componentes estructurales.

Fuerzas de cortocircuito

Durante una falla de paso (un cortocircuito aguas abajo del transformador), las fuerzas electromagnéticas sobre los devanados pueden alcanzar entre 50 y 100 veces los niveles normales. Esto puede desplazar físicamente los devanados, dañar el aislamiento o romper el conductor. En un caso memorable de 2018, una unidad de 2 MVA en un hospital falló tras un cortocircuito en el alimentador aguas abajo. El costo de la reparación fue de $45,000 y el hospital estuvo sin electricidad durante 3 días.

La Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) recomienda que los transformadores de tipo seco se diseñen para soportar fuerzas de cortocircuito de impedancia de al menos 2%. Verifique siempre que su transformador cumpla con la capacidad de resistencia a cortocircuitos de la norma IEEE C57.12.01.

Monitoreo de vibraciones

Recomiendo instalar sensores de vibración en transformadores de más de 1 MVA. En un programa de mantenimiento preventivo realizado en 2023 para un centro de datos, detectamos vibraciones anormales a 120 Hz (el doble de la frecuencia de línea) en una unidad de 2,5 MVA. La causa principal fue un perno de sujeción del núcleo flojo. Al apretarlo, se evitó una posible falla por desplazamiento del devanado.

5. Defectos de fabricación y calidad de los materiales

Incluso con el mejor diseño, los defectos de fabricación pueden provocar fallos prematuros. Algunos problemas comunes que he observado son:

• Huecos en la fundición de epoxi que atrapan la humedad e inician una descarga parcial.
• Curado insuficiente de la resina, lo que da lugar a un aislamiento blando.
• Capas de bobinado mal alineadas que provocan una distribución desigual de la tensión.
• Conductores de cobre o aluminio de calidad inferior con impurezas que aumentan la resistencia.

Un estudio publicado en la revista Investigación sobre sistemas de energía eléctrica En 2021 se analizaron 120 fallas de transformadores de tipo seco. Se encontró que 221 TP3T se debieron a defectos de fabricación, siendo la formación de poros la más común. El estudio destacó que un control de calidad adecuado durante la fundición, incluyendo la impregnación a presión al vacío (VPI), reduce la formación de poros en 901 TP3T.

Al seleccionar un transformador, solicite siempre los informes de prueba de fábrica, incluyendo las mediciones de descargas parciales a 1,2 veces la tensión nominal. Los fabricantes de renombre le proporcionarán estos datos. Si el nivel de descargas parciales supera los 10 pC a 1,2 Un, deseche la unidad.

6. Factores externos y deficiencias en el mantenimiento

Factores externos como la contaminación, la fauna silvestre y el mantenimiento inadecuado a menudo se pasan por alto, pero representan un porcentaje significativo de las fallas.

Contaminación

El polvo, la sal y los vapores químicos pueden acumularse en las superficies de los devanados, creando caminos conductores. En un caso de una planta de cemento, un transformador seco de 1,2 MVA falló después de 3 años debido a que el polvo de cemento, combinado con la humedad, formó una capa conductora. La resistencia de aislamiento se redujo a cero. La limpieza regular con aire comprimido seco (máximo 30 psi) y las inspecciones visuales cada 6 meses pueden prevenir este problema.

Fauna silvestre y objetos extraños

Los roedores, las serpientes y los insectos pueden entrar en los recintos a través de pequeñas aberturas. En 2020, un lagarto provocó un cortocircuito entre fases en una unidad de 1 MVA en un edificio comercial. El arco eléctrico destruyó los devanados. Instale rejillas de malla fina en todas las aberturas de ventilación y selle los puntos de entrada de cables.

Brechas de mantenimiento

Muchos operadores dan por sentado que los transformadores de tipo seco no requieren mantenimiento. Esto es un mito peligroso. Según mis 30 años de experiencia, los transformadores que reciben inspecciones anuales y escaneos termográficos tienen un tiempo medio entre fallos (MTBF) de 18 años, en comparación con los 9 años de aquellos que no reciben ningún mantenimiento.

Las tareas de mantenimiento esenciales incluyen:

• Inspección térmica de todas las conexiones y superficies de bobinado (al menos una vez al año).
• Prueba de resistencia de aislamiento (megóhmetro) a 1.000 V o 2.500 V.
• Medición de descargas parciales cada 2 años para unidades superiores a 1 MVA.
• Limpieza de conductos de refrigeración y rejillas de ventilación.
• Apretar todas las conexiones eléctricas atornilladas.

Conclusiones y recomendaciones

Las fallas en transformadores de tipo seco rara vez se deben a un solo evento. Generalmente son el resultado de una degradación gradual causada por el envejecimiento del aislamiento, la humedad, el estrés térmico, las fuerzas mecánicas o defectos de fabricación. Al comprender estas causas, puede implementar un programa proactivo de inspección y pruebas que prolongue la vida útil del transformador y prevenga costosas interrupciones no planificadas.

Para obtener más información, consulte la norma IEEE C57.12.01 para transformadores de tipo seco y la norma NEMA ST 20 para prácticas de instalación. Consulte siempre con un ingeniero de transformadores cualificado al diseñar o solucionar problemas de su sistema.

Autor: John R. Miller, PE – Especialista en diagnóstico de transformadores con 30 años de experiencia en confiabilidad de sistemas eléctricos. Miembro del Comité de Transformadores del IEEE. Las opiniones expresadas son propias y se basan en datos de campo recopilados en más de 500 investigaciones de fallas de transformadores.