He estado trabajando con fluidos dieléctricos desde 2014. Los derramé, los respiré (no lo hagas), los vi fallar catastróficamente y una vez, UNA VEZ, tuve que evacuar un edificio porque alguien pensó que estaría bien usar el tipo incorrecto. No estuvo bien.
Esto es todo lo que desearía que alguien me dijera antes de comenzar a trabajar con estas cosas.
¿Qué es incluso el fluido dieléctrico?
Así es. ¿Sabes cómo se conduce la electricidad a través del metal? ¿Y cómo no conduce a través... no-metal? Esa es la idea básica.
El fluido dieléctrico es un líquido aislante. No conduce electricidad. O técnicamente lo hace pero MUY mal, lo que para nuestros propósitos significa que no es así. La resistividad es de 10^12 ohmios-metros o más. Compare eso con el cobre a 10^-8. Gran diferencia.
Pero aquí está la cuestión: no se trata sólo de aislamiento. Los fluidos dieléctricos realizan tres funciones:
Aislamiento eléctrico- Evita que la corriente vaya a donde no debería
Enfriamiento- Aleja el calor de los puntos calientes
Supresión de arco- Si HAY una chispa, la sofoca
Ese tercero es fundamental y la mayoría de la gente no lo entiende. En realidad, el aire es un aislante bastante bueno hasta que deja de serlo. Consigue suficiente voltaje, el aire se descompone, se forma un arco y las cosas explotan. Momentos divertidos.
¿Dieléctrico líquido? Tensión de ruptura mucho mayor. Estamos hablando de 30-70 kV para un espacio de 2,5 mm en aceite frente a 8-10 kV en aire. Así podrás empacar los equipos eléctricos de manera mucho más ajustada.
Por qué lo usamos
Porque tenemos que hacerlo, básicamente.
Mira un gran transformador. Los que ves en los postes de electricidad o en el exterior de los edificios. Dentro de esa lata de metal hay un montón de bobinas de cobre enrolladas alrededor de un núcleo de hierro. Esas bobinas se CALIENTAN. Como entre 80 y 90 grados bajo carga normal, más caliente bajo carga pesada.
¿Refrigeración por aire? Olvídalo. No es suficiente. Necesitas algo que:
No conduce electricidad
Tiene buena capacidad calorífica
De hecho, puede mover el calor (convección)
No se incendiará fácilmente
Dura décadas sin descomponerse.
¿Agua? ¡Gran capacidad calorífica! También conduce electricidad. Pase duro.
¿Aire? No conduce, pero transmite pésimamente el calor.
¿Aceite? No conduce (mucho), buena capacidad calorífica, fluye fácilmente, relativamente seguro. Ganador ganador.
Una vez trabajé en un proyecto en el que el cliente insistía en que podían usar refrigeración por aire en un transformador de 2 MVA. Les ahorré como $3000 en el petróleo. Les costó 80.000 dólares cuando el transformador falló después de 8 meses. El cobre literalmente se derritió. Tengo fotos en alguna parte.
Los diferentes tipos y por qué son importantes
Oh hombre, está bien, aquí es donde se complica. Pero intentaré mantenerlo simple.
Aceite mineral (aceite de transformador)
Qué es: producto refinado del petróleo.
Ventajas: Barato, funciona muy bien, lo he estado usando durante 100+ años
Contras: Inflamable (más o menos), preocupaciones ambientales, la biodegradabilidad apesta
Utilizado en: la mayoría de los transformadores y equipos más antiguos.
Costo: Como $5-8 por galón a granel (los precios subieron recientemente, cosas de la cadena de suministro)
Fluido de silicona
Qué es: aceite de polímero sintético (generalmente polidimetilsiloxano)
Ventajas: Alto punto de inflamación (más de 300 grados), estable, no se oxida fácilmente
Desventajas: Caro como el infierno, si SÍ se quema, el humo es tóxico
Utilizado en: Transformadores interiores, lugares donde el riesgo de incendio es crítico.
Costo: $30-60 por galón
Nota: He visto fluidos de silicona sobrevivir a incendios que habrían destruido equipos de aceite mineral.
Fluidos éster
Éster natural: elaborado a partir de vegetales (soja, colza, girasol)
Éster sintético: el laboratorio-produjo moléculas similares
Ventajas: Biodegradable, alto punto de inflamación, mejor para el medio ambiente
Desventajas: puede ser sensible a la humedad, caro y se degrada más rápido en algunas condiciones
Costo: $15-40 por galón dependiendo del tipo
Utilizado en: Instalaciones nuevas, modernizaciones y en cualquier lugar donde las normas medioambientales sean estrictas.
Fluidos de fluorocarbono
Qué es: compuestos fluorados sintéticos
Ventajas: Completamente no-inflamable, increíble estabilidad de temperatura
Desventajas: INCREÍBLEMENTE CARO, preocupaciones ambientales (algunos son gases de efecto invernadero)
Utilizado en: Militar, aviación, aplicaciones críticas.
Costo: No preguntes. En serio. Como $200+ por galón. Lo usamos una vez en un contrato del Departamento de Defensa.
También haycon aislamiento de gas-cosas (SF6), pero en realidad no es un fluido y además el SF6 es horrible para el medio ambiente, por lo que estamos tratando de eliminarlo gradualmente. Buen viaje, sinceramente.
Aceite mineral versus sintético: el gran debate
Me preguntan sobre esto constantemente. "¿Debo usar aceite mineral o sintético?"
La respuesta es: ¿cuál es tu presupuesto y cuál es la aplicación?
Utilice aceite mineral cuando:
Es un transformador exterior estándar.
El presupuesto es ajustado
Estás de acuerdo con las compensaciones ambientales
El riesgo de incendio es manejable
Tienes la contención adecuada
Yo diría que el 80% de los transformadores que existen todavía son de aceite mineral. Funciona. Es barato. Es lo que todo el mundo sabe manejar.
Utilice sintético (silicona/éster) cuando:
Instalación interior
Los códigos de incendio lo requieren
La normativa medioambiental lo exige
Cerca de fuentes de agua o áreas sensibles
Puedes permitírtelo
Uno de mis clientes cambió el aceite mineral por éster natural para todos sus transformadores tipo pedestal-. El costo aumentó aproximadamente un 40% por unidad. Pero sus costos de seguro cayeron un 15% y obtuvieron relaciones públicas positivas por ser "verdes". Tenía sentido para ellos.
Otro cliente intentó ahorrar y usar aceite mineral donde debería haber usado silicona. El transformador estaba en el sótano de un edificio. El jefe de bomberos lo atrapó durante la inspección. Tuvieron que vaciarlo todo y rellenarlo con silicona. Les costó como $25,000 en modernización más tiempo de inactividad. Simplemente use el líquido adecuado desde el principio.
Esa vez aprendí sobre los PCB de la manera más difícil
Bien, esto es importante y también algo aterrador.
Los PCB (bifenilos policlorados) solían ser EL fluido dieléctrico. Como desde los años 1930 hasta los años 1970. Eran increíbles: súper estables, de alta resistencia dieléctrica y no-inflamables. Perfecto, ¿verdad?
Luego descubrimos que causan cáncer. Y no se estropean. Alguna vez. Simplemente se acumulan en el medio ambiente y en los seres vivos. Ups.
Estados Unidos los prohibió en 1979. Finalmente, la mayoría de los países siguieron su ejemplo. Pero aquí está la cuestión: los transformadores duran 30, 40, 50 años. Así que TODAVÍA hay equipos con PCB.
Aprendí esto de la manera más difícil en 2016. Estaba haciendo mantenimiento en lo que pensé que era un viejo transformador de aceite mineral. La etiqueta decía aceite mineral. La documentación decía aceite mineral. Tomó una muestra para probar la rigidez dieléctrica (procedimiento estándar) y descubrió que en realidad era Askarel, un fluido a base de PCB-.
Alguien lo había reetiquetado en algún momento. Probablemente para evitar costos de eliminación (la eliminación de PCB es costosa y está fuertemente regulada).
Tuvimos que evacuar el edificio, llamar a un equipo de materiales peligrosos, hacer análisis del suelo, los nueve patios completos. Tuve que hacerme pruebas médicas para asegurarme de que no estuviera expuesto a niveles peligrosos. Semana divertida.
Si trabajas con transformadores viejos:
SIEMPRE pruebe antes de asumir qué líquido hay allí
Las etiquetas mienten
Los PCB son más pesados que el aceite mineral (gravedad específica ~1,5 frente a 0,88)
Si encuentra PCB, repórtelo. No intente deshacerse de él usted mismo.
Todavía hay decenas de miles de transformadores de PCB en servicio
Esto no es una broma. Los PCB son una muy mala noticia. Conozco a tres personas que desarrollaron problemas de salud por la exposición a PCB. Había que jubilarse anticipadamente.
Aceite para transformadores (el tipo más común)
Permítanme ser específico sobre el aceite de transformador, ya que es con lo que la mayoría de la gente se enfrenta.
Comienza como petróleo crudo, se refina, se hidroprocesa para eliminar el azufre y los aromáticos y luego se trata para eliminar la humedad y las partículas. Lo que obtienes es un líquido entre transparente y amarillo pálido que contiene aproximadamente un 90 % de hidrocarburos parafínicos.
Propiedades clave:
Densidad: ~0,87 g/cm³ a 20 grados
Viscosidad: 10-12 cSt a 40 grados (básicamente como agua espesa)
Punto de inflamación: 135-160 grados (depende del grado)
Punto de fluidez: -40 grados o menos para grados de clima frío
Rigidez dieléctrica: 30+ kV para un espacio de 2,5 mm (aceite nuevo, tratado adecuadamente)
Factor de disipación:<0.5% at 90°C
Ese factor de disipación es importante. Mide cuánta energía absorbe el aceite y la convierte en calor. Más bajo es mejor. El petróleo nuevo cuesta alrededor del 0,05%. El aceite viejo degradado puede ser del 5% o más. Eso es un problema.
Probé aceite de transformador que estuvo en servicio desde 1968. Era MARRÓN. Como coca-cola marrón. El factor de disipación estaba fuera de serie. La rigidez dieléctrica era quizás de 15 kV. Ese transformador era una bomba de tiempo.
Lo reemplazaron después de mi informe. Lo bueno también es que encontramos aislamiento de papel carbonizado en el interior. Uno o dos años más y esa cosa habría fracasado catastróficamente.
Dónde encontrarás realmente estas cosas
Más lugares de los que crees.
Transformadores electricos- Obviamente. Desde pequeñas plataformas-montajes hasta enormes unidades de subestación. Los grandes pueden tener 10,000+ galones de aceite. Esa es una piscina llena de petróleo.
Disyuntores- Los disyuntores de alto voltaje suelen utilizar aceite para la supresión del arco. Cuando se rompe un circuito de 230 kV bajo carga, se obtiene un arco increíble. El aceite ayuda a apagarlo.
Condensadores- Algunos condensadores más antiguos usaban fluido dieléctrico. La mayoría de los más nuevos usan algo más, pero todavía hay equipos viejos por ahí.
cablesLos cables - llenos de aceite- solían ser comunes para la transmisión de energía subterránea. Tubería con cable en su interior, llena de aceite a presión. Los estamos eliminando gradualmente, pero todavía están en las principales ciudades.
Enfriamiento por inmersión para computadoras- Esto es más nuevo y algo interesante. Los centros de datos sumergen servidores enteros en fluido dieléctrico. No se necesitan ventiladores, una refrigeración mucho mejor. Recorrí una instalación haciendo esto en 2023. Es extraño ver una placa base simplemente... sentada en aceite transparente... funcionando normalmente.
Precipitadores electrostáticos- Filtración de aire industrial. Utilizan alto voltaje para cargar partículas. Necesita fluido dieléctrico para aislar las piezas de alto voltaje.
Equipo médico-Máquinas de rayos X-y algunos tipos de equipos de imágenes. En cualquier lugar donde necesite alto voltaje en un espacio pequeño.
Máquinas de electroerosión- Mecanizado por descarga eléctrica. Cortan metal utilizando chispas controladas bajo el agua. Bueno, técnicamente bajo fluido dieléctrico.
También vi una vez que se usaba fluido dieléctrico como fluido hidráulico. Eso fue… interesante. Y probablemente no sea una buena idea, pero funcionó. Guy estaba en apuros y era lo que tenía. No lo recomiendo.
Cosas de seguridad que nadie te dice (hasta que alguien resulte herido)
Así que voy a ser sincero contigo. Los fluidos dieléctricos son bastante seguros en comparación con muchos productos químicos industriales. Pero no son inofensivos.
Aceite mineral:
Irritante leve para la piel de algunas personas.
No respirar el vapor si está caliente (puede provocar dolores de cabeza, náuseas)
Resbaladizo como el infierno (he visto a tres personas resbalarse y caer)
Si se prende fuego... bueno, se supone que no se incendia fácilmente, pero si lo hace, no uses agua. Utilice espuma o CO2.
El vapor caliente puede condensarse en los pulmones. Esto es malo.
Fluidos de silicona:
Prácticamente no-tóxico a temperaturas normales
Pero si se queman (y no se queman fácilmente), los productos de la combustión incluyen formaldehído y otras cosas desagradables.
También extremadamente resbaladizo
Difícil de limpiar (no se mezcla con agua, no se evapora)
Fluidos éster:
Generalmente seguro, elaborado con vegetales, ¿verdad?
Puede causar reacciones alérgicas en algunas personas (especialmente si es alérgico a la soja o las semillas)
Se degrada más rápido en presencia de agua/oxígeno.
Los productos de degradación pueden ser ácidos y corroer los metales.
Fluorocarbonos:
No-tóxico en su mayoría
But some are greenhouse gases (GWP >10000)
Caro de eliminar adecuadamente
Cosas generales de seguridad:
Use guantes. Sé que es doloroso, pero el aceite de transformador en tus manos llega a todas partes. Tu teléfono, tu volante, tu almuerzo. Sólo usa los malditos guantes.
Protección para los ojos al tomar muestras o trabajar en equipos bajo presión. Vi a un tipo llenarse la cara de aceite de transformador caliente cuando falló una válvula. Estaba bien pero podría haber sido malo.
Ventilación adecuada en espacios cerrados. El vapor de aceite es más pesado que el aire y se acumulará en los puntos bajos. He visto personas desmayarse por la exposición al vapor en las bóvedas de transformadores.
Sepa con qué está trabajando. Los equipos antiguos pueden tener PCB incluso si están etiquetados de otra manera. Prueba primero.
Contar con contención de derrames. Cuando un transformador falla, puede perder rápidamente cientos de galones. Se necesitan bermas, sistemas de contención, materiales absorbentes.
Una vez respondí a una falla en un transformador en la que se filtraron 500 galones de aceite mineral a un desagüe pluvial. Llegó a un arroyo antes de que pudiéramos detenerlo. El costo de limpieza superó los 200.000 dólares. La EPA NO estaba contenta. La empresa recibió una multa de 75.000 dólares.
Todo porque la berma de contención tenía una grieta que nadie notó.
Pruebas y por qué murió su transformador
Esto es lo que pasa con los fluidos dieléctricos: envejecen. Se degradan. El aceite en sí puede estar bien pero acumula contaminantes:
Humedad (por respirar a través de los respiraderos)
Partículas (por desgaste)
Ácidos (de oxidación)
Gases disueltos (por descarga parcial y sobrecalentamiento)
Probamos todo esto. O deberíamos hacerlo. Muchos lugares no realizan pruebas con suficiente regularidad y luego se sorprenden cuando falla un transformador.
Pruebas que hacemos:
Rigidez dieléctrica- ¿Cuánto voltaje puede soportar? Debería ser 30+ kV para un buen aceite. Por debajo de 20 kV y estoy preocupado. Por debajo de 15 kV y ese equipo necesita atención AHORA.
Pruebo esto con un equipo de prueba portátil. Aplicar tensión a 3 kV por segundo hasta avería. Hazlo tres veces, promedia los resultados. Tarda como 10 minutos. Puede salvarlo de una falla en el transformador de $100,000.
Análisis de gases disueltos (DGA)- Esto es lo bueno. Cuando el aislamiento del transformador se rompe o cuando se produce un arco, se producen gases. Estos se disuelven en el aceite. Los extraemos y analizamos:
Hidrógeno (H2) - sobrecalentamiento general, corona
Metano (CH4) - sobrecalentamiento menor
Etano (C2H6) - sobrecalentamiento ~300 grados
Etileno (C2H4) - sobrecalentamiento ~500 grados +
Arco de acetileno (C2H2) -
Monóxido/dióxido de carbono - degradación de la celulosa
Cada gas cuenta una historia. ¿Alto acetileno? Tienes arco. ¿Alto etileno? Grave sobrecalentamiento. ¿Mucho CO? Su aislamiento de papel se está cocinando.
He diagnosticado problemas de transformadores de forma remota con solo mirar los resultados de DGA. "¿Su acetileno está a 300 ppm? Tiene una conexión floja formando un arco en el interior. Apáguelo".
Contenido de humedad- Debe estar por debajo de 35 ppm para un buen aislamiento. Por encima de 50 ppm la rigidez dieléctrica disminuye significativamente. Más de 100 ppm y estás buscando problemas.
La humedad entra a través de las rejillas de ventilación, a través de los sellos y de la rotura del aislamiento. Es una batalla constante.
Vi un transformador que había estado sin uso durante dos años. Nadie le dio mantenimiento, se disparó el respiradero y entró humedad. El contenido de humedad era superior a 200 ppm. La rigidez dieléctrica fue de 8 kV. Ni siquiera pudimos energizarlo de manera segura. Tuve que recuperar el aceite y secarlo. Tomó tres días.
Acidez (Número de Neutralización)- Mide el contenido de ácido. El aceite fresco tiene aproximadamente 0,01 mg de KOH/g. Por encima de 0,15 y está empezando a oxidarse. Por encima de 0,40 se degrada significativamente.
Factor de potencia/Factor de disipación- Cuánta energía desperdicia el petróleo en forma de calor. Aceite nuevo<0.05%. Above 0.5% at 90°C and there's contamination.
Tensión interfacial- Mide la tensión superficial en la interfaz petróleo-agua. Suena raro pero es un buen indicador de productos de oxidación. El aceite fresco es 40+ dinas/cm. Por debajo de 25 y está degradado.
Realizamos estas pruebas anualmente en equipos críticos, cada 2 o 3 años en equipos menos críticos. Algunos lugares realizan pruebas trimestralmente. Algunos lugares nunca realizan pruebas.
¿Adivina cuáles tienen más fracasos?
El ángulo ambiental (es complicado)
Bien, aquí es donde las cosas se complican. Ambientalmente hablando.
Aceite mineral:
Hecho de combustibles fósiles (malo para la huella de carbono)
Se necesitan décadas para biodegradarse en el medio ambiente.
Tóxico para la vida acuática en grandes cantidades.
Los derrames son incidentes ambientales graves
PERO: relativamente estable, normalmente no produce productos de descomposición dañinos.
Ésteres naturales:
Hecho de recursos renovables (¡bueno!)
Se biodegrada rápidamente (90%+ en 28 días)
Menor toxicidad ambiental
PERO: requiere agricultura (uso de la tierra, agua, pesticidas)
El procesamiento tiene su propio coste medioambiental
Ésteres sintéticos:
Fabricado en laboratorio-(con un uso intensivo de energía)
Biodegradabilidad variable
Generalmente mejor que el aceite mineral.
Pero la producción tiene costos ambientales.
Siliconas:
Realmente no se biodegrada
Pero tampoco produzca productos de descomposición tóxicos.
Muy estable en el ambiente (bueno y malo)
Fluorocarbonos:
Muchos son potentes gases de efecto invernadero.
Puede persistir en la atmósfera durante décadas.
Tratando de eliminar gradualmente los peores
Buscando alternativas
La realidad es que no existe una solución perfecta. Cada tipo tiene compensaciones.
Trabajé en un proyecto en el que modernizamos 50 transformadores de aceite mineral a éster natural. Las relaciones públicas fueron geniales: "¡100% biodegradable!" "¡Respetuoso con el medio ambiente!" La empresa obtuvo premios.
Pero nadie mencionó:
El aceite mineral tuvo que ser eliminado (incinerado)
El éster natural cuesta 3 veces más
Requirió pruebas y mantenimiento más frecuentes.
Los transformadores se calentaron un poco más.
El éster provino de soja cultivada... en algún lugar (no preguntamos demasiado)
¿Fue mejor para el medio ambiente en general? Probablemente. Tal vez. Sinceramente no lo sé. El análisis del ciclo de vida sería complicado.
Lo que SÍ sé es que prevenir derrames importa más que el tipo de líquido. Un sistema de aceite mineral bien-con mantenimiento y contención adecuada es mejor que un sistema de éster natural que tiene fugas.
Alternativas y tecnología
Algunas cosas interesantes suceden:
Transformadores de tipo seco-- Sin líquido en absoluto. Utilice aire o gas para enfriar. Funciona muy bien para unidades más pequeñas, pero la eficiencia disminuye en las grandes. Más caro inicialmente pero sin mantenimiento de fluidos.
Aislamiento al vacío- En lugar de líquido, utilice vacío. Suena loco pero funciona. Principalmente para aplicaciones especializadas.
Dieléctricos de nanofluidos- Adición de nanopartículas a fluidos tradicionales para mejorar propiedades. Todavía en su mayor parte en etapa de investigación, pero prometedora. He visto resultados de pruebas que muestran una transferencia de calor entre un 30% y un 40% mejor. Podría permitir transformadores más pequeños.
Líquidos de base biológica-- Más allá de los ésteres. Analizando fluidos derivados de algas-, aceites vegetales modificados y otras fuentes renovables. El desafío es igualar el rendimiento y el costo de los fluidos tradicionales.
Alternativas al SF6- Dado que el SF6 es un gas de efecto invernadero terrible, se está trabajando mucho en alternativas. Aire seco a alta presión, mezclas nitrógeno/CO2, nuevos gases sintéticos con menor GWP.
Mejor monitoreo- Sensores en línea para monitoreo continuo. Sensores DGA que analizan gases en tiempo-real. Sensores de humedad. Sensores de temperatura por todas partes. El objetivo es predecir los fallos antes de que ocurran.
He estado probando un sistema DGA en línea durante el año pasado. Es genial: toma muestras del espacio de cabeza del gas cada hora, envía datos a la nube y alerta si algo parece estar mal. Detecté una falla incipiente a las 2 am de un sábado. Ese transformador habría fallado el lunes por la mañana si no hubiéramos recibido la alerta.
El costo sigue siendo alto ($5-10k por unidad) pero está bajando. Apuesto a que en 5 a 10 años esto será estándar en equipos críticos.
Lo que realmente recomiendo
Seré sincero contigo.
Si está especificando un transformador nuevo:
¿Ubicación interior? Utilice silicona o éster sintético. Muerde la bala en el costo. El riesgo de incendio no vale la pena.
¿Ubicación al aire libre con buena contención? El aceite mineral está bien. Funciona.
¿Cerca de zonas ambientalmente sensibles? Éster natural.
¿Presupuesto sin objeto? Éster sintético o tipo-seco.
Si está manteniendo el equipo existente:
PRUEBA TU ACEITE. Anualmente como mínimo. Trimestralmente para asuntos críticos.
Mantenga registros detallados. Seguimiento de tendencias. Un mal resultado de la prueba podría ser una anomalía. Una tendencia es un problema.
Cambie el aceite antes de que se eche a perder. Tratar de recuperar petróleo severamente degradado es costoso.
Repare las fugas de inmediato. Las pequeñas fugas se convierten en grandes fugas.
Los respiraderos son importantes. Utilice respiraderos desecantes y cámbielos periódicamente.
La temperatura importa. Los puntos calientes matan a los transformadores. Monitorear las temperaturas.
Si se trata de equipos antiguos:
No asumas nada. Las etiquetas mienten. Pruébalo.
Si se construyó antes de 1980, tenga mucho cuidado con los PCB.
Viejo no significa malo. He visto transformadores de la década de 1950 que todavía funcionan bien porque estaban bien-mantenidos.
A veces tiene sentido reequiparlo con líquido nuevo. A veces el reemplazo es mejor. Haz los cálculos.
Qué NO hacer:
No mezcle tipos de líquidos a menos que realmente sepa lo que está haciendo
No utilice aceite de automóvil ni fluido hidráulico como aceite de transformador (sí, he visto a alguien intentar esto)
No ignore los resultados de las pruebas
No te saltes el mantenimiento para ahorrar dinero
No asumas que "ha estado bien durante 20 años" significa que estará bien por 20 más.
Ah y si estas corriendoelectroerosión por plomomáquinas, preste atención a la calidad del fluido dieléctrico. He visto tiendas quemar electrodos porque su fluido estaba contaminado. Filtrarlo. Pruébalo. Ese fluido hace el mismo trabajo que el aceite de transformador: aislar y al mismo tiempo gestionar el calor y la supresión del arco. Se aplican los mismos principios. No gastes dinero.