6 -Alexandre-Machado studentas

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Ensayos físico-químicos y DGA en
transformadores de potencia inmersos
en aceite vegetal
www.cargill.com
SISEE- SEMINARIO INTERNACIONAL SOBRE ENSAYOS ELÉCTRICOS
UNIVERSIDAD DEL VALLE – Cali, Colombia
12, 13 y 14 de Octubre de 2016
2
Diseños respiración 
libres
Diseños 
sellados
Kraft
Térmicamente 
mejorada
Ésteres 
naturales
1880 1900 1930 1960 1990 2010
modo de fallo común 
aceite mineral (lodos, un subproducto 
de la oxidación) impactado 
transferencia de calor / disipación
Diagnóstico ponen en práctica
2020
Normas de materiales de 
alta temperatura
modo de fallo común: 
desplazado a aislamiento sólido; 
limitado por la temperatura de 
funcionamiento modo de fallo común:
aislamiento sólido; aumento 
de la temperatura de 
funcionamiento
85oC AWR, 130oC HST
55oC AWR, 95oC HST
65oC AWR, 110oC HST
modo de fallo común:
aislamiento sólido; aumento 
de la temperatura de 
funcionamiento
La historia del transformador
(1890 – a la fecha)
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3
Funciones fluido 
dieléctrico:
1. Aislante eléctrico 
2. Refrigerante
 capacidades de diagnóstico
Fluido Dieléctrico
(llena el interior del tanque)
Fluido dieléctrico se utiliza en el interior de los 
transformadores
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Comportamiento de los 
transformadores con 
fluido FR3
• Aplicación de las pruebas 
físico-químicas y gases disueltos
5
Existen diferencias entre los fluidos?
Los Aceites vegetales poseen una estructura molecular diferente 
de los aceites minerales.
Estructura de éster natural 
de glicerol y ácidos grasosEstructura aceites minerales
 Aceites minerales son los más nafténico
 Para los aceites vegetales no es (todavía) una distinción entre los tipos
 Diferentes semillas alteran la proporción de ácidos grasos
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6
Diferencias clave
Las principales diferencias son la mayor
polaridad de los aceites vegetales y la presencia
de insaturaciones en la cadena
• Mayor polaridad
• Saturación de humedad 16 veces mayor (el agua es altamente polar)
• Mayor factor de disipación y perdidas dieléctricas
• Menor valor de tension superficial
• Presencia de insaturación (doble enlace) en aceite vegetal:
• El doble enlace modifica la disposición molecular mediante aumento de la viscosidad
• Favorece la extracción de humedad del papel aislante
• Disminuye la estabilidad a la oxidación del aceite.
Estructura de 
éster natural 
H2O
(agua)
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7
Unidad Aceite Mineral Aceite Vegetal
Color ≤ 1,0 ≤ 1,0
Apariencia Claro y limpio Claro y limpio
Densidad a 20°C (g/cm3) 0,88 0,92
Rigidez Dieléctrica (kV) >70 >70
Contenido de Humedad (mg/kg) < 20 < 300
Índice de Neutralización (mg KOH/g) < 0,01 < 0,02
Tensión interfacial Dinas/cm2 45 25
Factor de Disipación 90°C 0,002 0,003
Viscosidad 40°C (mm2/sec) 9 35
Punto de Fluidez (°C) -30 -21
Punto de Ignicion (°C) 148 330
Punto de combustión (°C) 170 360
Biodegradación (28 días) no si
Permisividad 20°C 2,2 3,2
Tendencia de gasificación uL/min 5 -79
coeficiente de expansión (°C) 0,00075 0,00074
Valores típicos para los fluidos aislantes
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Comportamiento de la humedad y resistencia 
dieléctrica en los aceites vegetales
Contenido de humedad (mg/kg)
0 100 200 300 400 500 600 700
D
1
8
1
6
R
e
s
is
te
n
c
ia
 D
ie
lé
c
tr
ic
a
 (
k
V
)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Fluido FR3
Aceite mineral
Humedad relativa (% da saturación a 20°C)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
D
1
8
1
6
 
R
e
s
is
te
n
c
ia
 D
ie
lé
c
tr
ic
a
 (
k
V
)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Fluido FR3 
Aceite mineral
• La resistencia dieléctrica depende de la humedad relativa
• Con valores 16x mayores para la saturación, el agua en el aceite
vegetal será mayor que en el aceite mineral
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Pruebas físicas y químicas con aceite vegetal
• Tensión interfacial:
– Evalúa la presencia de contaminantes polares, 
subproductos de la oxidación del aceite mineral.
– El aceite vegetal es característicamente más polar, se 
mantiene estable durante toda su vida útil.
Las propiedades evaluadas en los aceites vegetales son básicamente las 
mismas que en los aceites minerales, con sólo unas pequeñas diferencias.
• Factor de disipación (tan )
– Los dipolos creados por la presencia de oxígeno (más
electronegativo) resulta en los valores más altos.
• @ 25ºC: Vegetal = 0.05% vs. Mineral = 0.01%
• @100ºC: Vegetal = 2.0 % vs. Mineral = 0.09 %
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Contenido de humedad:
• Con valores mayores de saturación, el agua en el aceite 
vegetal será mayor.
Vegetal = 300* ppm vs. Mineral = 20** ppm
* - IEEE C57.147
** - IEEE C57.106
Rigidez Dieléctrica (kV)
• El aceite vegetal debe tener suficiente rigidez
dieléctrica para soportar las tensiones impuestas por el
servicio eléctrico
• Se utilizó el mismo método que en el aceite mineral,
obteniendo valores típicos iguales o mayores.
Pruebas físicas y químicas con aceite vegetal
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Índice de Neutralización:
• Es el mismo método que con el aceite mineral con 
valores típicos y límites de aceptación superiores.
• La hidrólisis del aceite vegetal, responsable del 
"consumo" de la humedad en el aceite, en el proceso se 
aumenta la acidez en los aceites vegetales.
Viscosidad 40°C
• La exposición continua y prolongada del aceite vegetal al
oxígeno puede aumentar su viscosidad, debe comenzar a
aumentar de manera significativa, debe tener especial
atención e investigar.
• La viscosidad cinemática del fluido FR3 es ligeramente más
alta que el aceite mineral. Utilizar ASTM D445.
Pruebas físicas y químicas con aceite vegetal
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Medición de punto de inflamación y combustión en 
aceite vegetal
• Los ensayos normalmente no se
aplican para el aceite mineral.
• Son importantes para los aceites
vegetales debido a la clasificación
como líquidos resistentes al fuego
(Tcombustión > 300C)
• Utilice la norma ISO 2592 y ASTM D92
para la copa abierta e ISO 2719 para el
punto de inflamación en vaso cerrado.
0 2 4 6 8 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
100
150
200
350
400
punto de combustión
punto de inflamación
Contenido de Aceite Mineral (%)
300
250
T
e
m
p
e
ra
tu
ra
(°
C
)
Pruebas físicas y químicas con aceite vegetal
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Inhibidor de la oxidación: 
• Medido utilizando cromatografía gaseosa (GC) por métodos ensayos IEC 
60666 o ASTM D4768
• Considere la reposición de inhibidor cuando el contenido cae por debajo del 
0,12%
El recuento de partículas: 
• Los métodos IEC 60970 y ASTM D 6786 se pueden utilizar si la muestra se 
diluye con un disolvente de alta pureza. Las burbujas de aire pueden ser 
detectadas como partículas.
Compuestos de furano: 
• Los métodos IEC 61198 yASTM 5837 están siendo aplicados al aceite 
vegetal con buenos resultados.
Otras pruebas físicas y químicas
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Contenido de PCB´s:
• El nuevo fluido FR3 no contiene bifenilos policlorados (PCB - no detectable). El 
contenido de PCB se mide según la norma IEC 61619 o ASTM D4059.
Azufre Corrosivo:
• El métodos ASTM D1275, IEC 62535 y IEC 62697-1 se pueden utilizar para la 
detección de azufre corrosivo sin modificación.
Otras pruebas físicas y químicas
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Estabilidad a la oxidación
Aunque más bajo que el aceite mineral, el aceite vegetal 
es líquido robusto y suficientemente estable
• Evaluar los aceites vegetales utilizando las mismas pruebas que el aceite 
mineral no es correcto 
• Los procesos de oxidación no son iguales, tienen cinéticas y productos 
diferentes a evaluar.
• La medición del contenido de inhibidor se aplica y se recomienda.
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Oxidación de Aceite Mineral Oxidación de Aceite Vegetal
Aumento de la acidez, la tensión interfacial y 
el factor de disipación
Aumento de la acidez y el factor de disipación
Formación Lodo (sedimento)
Impacto en la viscosidad del fluido 
(oligomerización)
Reducción de la capacidad dieléctrica Aumento de la temperatura del aceite
15
Matriz de decisión recomendada para las acciones sobre el 
FR3 (cuando esta fuera de los límites de operación)
Viscosidad
Tg o 
Cos
Rigidez 
Dieléctrica
Contenido de 
Humedad 
Índice de 
Neutralización
Recomendación
bueno bueno bueno bueno bueno ninguna acción
no La regeneración del líquido aislante
no bueno bueno el reacondicionamiento líquido aislante
no La regeneración y el reemplazo del líquido 
aislante
no no el reacondicionamiento del líquido 
aislante. Si se cambia el factor de 
potencia del transformador, tenga en 
cuenta el secado de la parte activa
no Reacondicionamiento y regeneración de 
líquidos o la sustitución de aislamiento
no Reacondicionamiento y regeneración de 
líquidos o la sustitución de aislamiento
no Considere reemplazar el líquido aislante
AVISO:
a) Regeneración de líquido aislamiento = tratamiento de percolación usando bauxita o Tierra Fuller
b) Reforma del líquido aislante = tratamiento con termo vacío y filtrado
c) secado de la parte activa = tratamiento de la parte activa para la extracción de humedad de los materiales aislantes sólidos.
d) Aceptar o no bien se refiere a los límites sugeridos, o según lo determinado por cada usuario.
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Aceite Mineral Aceite Vegetal
Aceite Nuevo 
ASTM D3487
IEC 60296
ASTM D6871
IEC 62770
Uso y Mantenimiento 
IEEE C57.106
IEC 60422
IEEE C57.147
Transformadores
IEEE C57.12.00
IEC 60076 series
IEEE C57.154 
IEC 60076-14
IEEE C57.12.00
IEC 60076 series
IEEE C57.154 
IEC 60076-14
Guía de carga IEC 60076-7
Use norma de aceite 
mineral
Gases disueltos 
IEEE C57.104
IEC 60599 IEEE C57.155
Fuego
Hojas de Datos de FM Global Property
Prevención, 5-4
Normas ASTM, IEEE e IEC para ésteres naturales
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Análisis de Gases 
Disueltos (DGA)
Aunque muchas técnicas desarrolladas para la medición
de los gases a través de la experiencia y la
investigación, se debe reconocer que la interpretación no
es una ciencia exacta, ya que puede haber muchas
variables.
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19
• Procedimiento similar al 
utilizado en el mineral
• Preservación bajo luz;
• Importancia de la calidad 
de la muestra
Muestreo
• El mismo equipo y los 
métodos de extracción y de 
análisis;
• coeficientes de solubilidad 
se debe ajustar.
Análisis
• Mismas técnicas;
• Diferencias en las moléculas:
• (Linolénico).
• Relaciones entre los gases y 
diferentes;
• "Stray Gassing."
Interpretación
El análisis de gases disueltos
3 etapas distintas se pueden establecer:
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1. Consulte la IEEE C57.155 para los niveles de "stray gassing"
• Si sólo hay uno conjunto de datos, utilice IEEE C57.104 "Condición" 
método para el primer diagnóstico (descripción de stray gassing)
• Si la condición lo requiere, tomar otra muestra
2. Compruebe tasa de crecimiento del gases
• Baja tasa de formación de gases: “el funcionamiento normal”
• Alta tasa de formación de gases: continúa al punto 3
3. Utilice el método IEEE "Gases Clave " y método del “Triángulo 
Duval” al diagnóstico
4. Utilice los métodos adicionales que se necesitan
20
El análisis de gases disueltos en aceite vegetal
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21
Hidrógeno
Nitrógeno
Oxígeno
Metano
Etileno
Etano
Acetileno
Dióxido de 
Carbono
Monóxido 
de Carbono
Aire atmosférico
Descomposición
Aceite Vegetal
Descomposición
papel aislante
Gases formados con el estrés térmico y 
eléctrico
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• Gases Clave: 
H2  descarga parcial;
CO/CO2  sobrecalentamiento del papel;
Etileno  punto caliente en aceite;
Acetileno  descargas eléctricas o efecto
corona.
(Atención a los posibles picos falsa de acetileno)
La formación de etano a partir de ácido linolénico
Interpretación – Gases Clave
• Stray gassing: 
La formación de etano e hidrógeno
El aumento de contenido en el funcionamiento 
normal.
Franja de 200 ppm en 90% de los casos.
pico 
sospechoso
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• Cuando no se cuentan con los datos históricos del transformador, los
datos se pueden comparar con las concentraciones mostradas en la
siguiente tabla para la indicación de la normalidad.
La base de datos se mantiene por el Subcomité de IEEE fluidos aislantes de los 
transformadores
Tipo do 
Fluído
Número de 
Registros
H2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2 CO
Fluido FR3 4.378
90% 112 20 232 18 1 161
95% I.C. (105–118) (19–22) (219–247) (17–20) (1–1) (150–179)
Aceite a base 
de Girassol
476
90% 35 25 58 16 0 497
95% I.C. (24–45) (18–30) (36–84) (12–23) (0–0) (314–583)
Valores límite para transformadores con 
aceite vegetal
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El Método del Triángulo Duval se puede aplicar cuando los resultados de
la DGA están por encima de las concentraciones mínimas de gas y se
sospecha la presencia de una falla en el equipo.
Las regiones del Triángulo Duval se basan en un nivel cada vez mayor de
la base de datos IEEE con aceites aislantes.
Método de Análisis por el Triángulo de Duval
Calcular los valores 
de los ejes del 
triángulo
Trazado de los 
valores en la figura 
triángulo
Descripción de la
falla
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Ejes del 
triángulo
Fórmula
% CH4 = CH4 / ( CH4 + C2H4 + C2H2 )
% C2H4 = C2H4 / ( CH4 + C2H4 + C2H2 )
% C2H2 = C2H2 / ( CH4 + C2H4 + C2H2 )
Fórmula Triángulo de Duval
Triángulo de Duval
Símbolos tipo de fallo Duval
%C2H4
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
% CH4
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
%C2H2
0102030405060708090100
D1
D2
DT T3
T2
T1
PD
Tipo de Defecto Código
Descarga parcial PD
Baja energía D1
Alta energía D2
Termal T < 300 oC (punto caliente en el papel) T1
Termal 300 oC < T < 300 (punto caliente en el papel) T2
T > 700 oC (punto caliente en el aceite) T3
Mixto DT
Método de Análisis por el Triángulo de Duval
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Las pequeñas diferencias en la formación de 
gases
SISEE - Seminario Internacional Sobre Ensayos Eléctricos - Octubre de 2016 – Cali, Colombia26
• Las diferencias en la estructura de las moléculas conduce a:
Generación de etano a bajas temperaturas como consecuencia de la
oxidación de ácido linolénico;
la generación de hidrógeno por las descargas parciales es hasta 10
veces más pequeña;
Generación de etileno y metano en volúmenes mayores así como
diferentes proporciones en temperaturas mas bajas y en el
sobrecalentamiento
Dióxido y monóxido de carbono, que pueden ser generados por
"sobrecalentamiento" del éster natural, no necesariamente la
degradación del papel
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ACEITE VEGETAL 
ENVIROTEMP™ FR3™
28
Aceite Vegetal FR3™
• Líquido aislante éster natural
- Una amplia variedad disponible
- No todos los "comestible”
- Base natural, suministro sostenible
- La clave está en equilibrio entre las
propiedades.
¿Qué es el fluido Envirotemp™ FR3™ ?
Mejor opción para las comunidades que
servimos
• Hecho a partir de un recurso renovable
• No tóxico, ni peligroso en el agua y ni en el
suelo
• Biodegrada en menos de 28 días
• Reciclable
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http://images.businessweek.com/ss/07/12/1206_biotech_brunch/image/canola.jpg
http://go2.wordpress.com/?id=725X1342&site=nocameranointervention.wordpress.com&url=http://www.link2globaltrade.com/pressreleases/OBGMalaysiaPalmOil&sref=http://nocameranointervention.wordpress.com/2009/03/24/palm-oil-grower-defends-expansion/
http://www.pipstore.com/info/wp-content/uploads/2008/07/sunflower_oil.JPG
Fluido FR3 desarrolla formulaciones
Publicación de la Norma ASTM
Fluidos dieléctricos Envirotemp
fue adquirida por Cargill
19Jun12
Fluido FR3 aplica en el primer transformador
Fluido FR3 disponible comercialmente
Publicación de la Norma IEC
Publicación de la Norma IEEE
Publicación de la Norma 
Aislamiento de Alta Temperatura
1990
1995
2000
2005
2010
2016
Publicación de la Norma DGA
> 20 años de experiencia con el Fluido FR3
Cargill inicia producción de fluido FR3
29
Conversión de primera empresa - SMUD
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30
1. Eficiencia de costos, transformador 
optimizado, fiabilidad de la red
• Prolongar la vida útil del papel
• Aumento de la carga
30
Fluido FR3 proyectado para ofrecer:
3. Menor huella de Carbono, el 
mejor en su clase en cuanto a 
propiedades ambientales
2. Aumento de la seguridad contra 
incendios
MÁS
Vida del papel
que el aceite mineral 
MÁS
hasta
CAPACIDAD CARGA
ALTA TASA DE BIODEGRADACIÓN
silicona
aceite mineral
éster sintético
ésteres naturales
Incendios Transformadores
Mejora Seguridad 
CERO
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31
Hidrólisis
• La hidrólisis del aceite vegetal "consume" agua
formando ácidos grasos, lo que permite eliminar el
agua disuelta.
• Fluido FR3 "seca" el papel y también reduce las
concentraciones de agua en el fluido, aumentando
así la vida útil del transformador
Proceso de envejecimiento sistema de 
aislamiento con el aceite vegetal aislante
Proceso degradación del papel
• El calor rompe los enlaces de las moléculas de
celulosa
• Las temperaturas más altas aceleran el proceso
• Subproducto formado por la descomposición: "Agua"
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Manejo de 
Costos
Maneje las 
demandas de 
Energía
Mantenga una 
red fiable y 
segura
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33
Instalaciones globales probados
Más de 1 millón de transformadores 
en servicio a nivel mundial
− 25.000 transformadores mediano y gran 
poder
− 5.000 unidades protegidas
− 5.000 subestaciones
− 15.000 rellenado
Fluido FR3 aprobado transformadores 
abajo de 420kV
− Prueba de alto voltaje valida el uso de 765kV
− Instalación del transformador 420V en Alemania 
desde 2013 , fabricación de Siemens
− Línea de transmisión de 345 kV para la Bureau 
de of Reclamation, EUA
− Programa el rellenado de México 420kV 
Más de 100 empresas de servicios
públicos
Más de 100 fabricantes globales 
aplicando la tecnología
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http://www.usbr.gov/newsroom/newsrelease/detail.cfm?RecordID=49787
34
• Subestación
ALFEREZ I
• Clase de Tensión
• 115 / 34.2 / 12.3kV
• Poder de 50 / 75MVA
• Masa total 134.9 Toneladas
• Subestación Simplificada
EMCALI
Cali - Colombia
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Aceite Mineral
Esteres 
naturales
(Fluido FR3)
Ester
Sintético
Silicona
Fluido Base
aceite de 
petróleo
Aceite vegetal Hidrocarburos Polidimetilsiloxanos
Capacidad de 
diagnóstico
Sí Sí Sí Bajo
Punto de incendio 160°C 360°C 310°C 340°C
Biodegradabilidad Bajo Completamente Fácilmente No
Base natural No Sí No No
Oxidación Buena Muy Buena
(non-free breathing)
Muy Buena Muy Buena
Envejecimiento Promedio Mejor Mejor Promedio
Costo $ $$ $$$ $$$
Rendimiento de los diferentes fluidos en 
aplicaciones para transformadores
35 SISEE - Seminario Internacional Sobre Ensayos Eléctricos - Octubre de 2016 – Cali, Colombia
CONCLUSIONES BASADO EN LAS PRUEBAS REALIZADAS Y 
DOCUMENTOS PUBLICADOS:
Fluido FR3 Aceite Mineral
Diseño transformador
Transformación-a-transformación = =
bobina-a-bobina = =
buje-a-pared del tanque = =
arrastrarse = =
selector de cambio de tap = =
En servicio
contaminación del agua +++ ---
contaminación por partículas
papel ++ --
cobre + -
transmisión de electrificación ++ --
formación de burbujas +++ ---
+ mejor = igual – peor
Fluido FR3 tiene resistencia dieléctrica 
equivalente o superior al aceite mineral
36 SISEE - Seminario Internacional Sobre Ensayos Eléctricos - Octubre de 2016 – Cali, Colombia
Conclusiones
SISEE - Seminario Internacional Sobre Ensayos Eléctricos - Octubre de 2016 – Cali, Colombia37
 La estructura química única de aceite vegetal proporciona un
rendimiento superior del sistema de aislamiento, el medio
ambiente y la seguridad contra incendios;
 Los aceites vegetales tienen característica de extracción de la
humedad, lo que reduce significativamente la tasa de
envejecimiento;
• La diferencia en la estructura química es responsable de
diferentes valores en algunas pruebas físico-químicas;
 El contenido de humedad, factor de disipación, punto de fluidez
y el índice de acidez son típicamente más altos que los de aceite
mineral;
SISEE - Seminario Internacional Sobre Ensayos Eléctricos - Octubre de 2016 – Cali, Colombia38
Conclusiones
 Los gases combustibles generados por defectos en los aceites
vegetales son los mismos a los en aceite mineral;
 Las diferencias entre las moléculas (linolénico) tiene la
característica de la formación de etano, sin las características de
un defecto, llamado "Stray Gassing”;
 El Triángulo de Duval fue desarrollado para el aceite vegetal,
los cambios son mínimos y funciona a la perfección para el
diagnóstico en transformadores;
 Las pequeñas diferencias en la formación de gases pueden
ocurrir bajo algunas condiciones de funcionamiento y falla.
39
Muchas gracias!
Nombre: Alexandre Machado
E-mail: a_machado@cargill.com
Telefono: 55 11 98344 0664