Causas de fallas de transformadores de potencia en aplicaciones industriales

Los transformadores de potencia son fundamentales para las operaciones industriales, ya que regulan los niveles de voltaje para garantizar la distribución eficiente de la electricidad para diversos procesos. Su confiabilidad es esencial, ya que las fallas pueden provocar tiempos de inactividad costosos, daños en los equipos y riesgos de seguridad. Sin embargo, los transformadores son susceptibles a fallas eléctricas, estrés térmico, desgaste mecánico, condiciones ambientales y mantenimiento inadecuado, todo lo cual puede comprometer el rendimiento. Este blog explora estas principales causas de falla y su impacto en los entornos industriales, brindando información sobre estrategias de mitigación de riesgos que pueden mejorar la longevidad de los transformadores y prevenir interrupciones no planificadas.

fallas electricas

Las fallas eléctricas son una de las causas más comunes de fallas en transformadores en aplicaciones industriales. Estas fallas pueden ocurrir debido a varias razones:

Condiciones de sobretensión: Los transformadores de potencia están diseñados para manejar niveles de voltaje específicos. Sin embargo, eventos como rayos, sobretensiones transitorias o perturbaciones en la red pueden generar sobretensiones que excedan la capacidad de aislamiento del transformador. Esto puede causar la ruptura del aislamiento y la falla posterior.
Cortocircuitos y fallas a tierra: Los cortocircuitos, ya sean de fase a fase o de fase a tierra, pueden generar corrientes excesivas que causan un calentamiento localizado dentro de los devanados del transformador. Con el tiempo, este calentamiento puede degradar el aislamiento y provocar una avería. Las fallas a tierra también pueden generar resultados similares, especialmente en sistemas con una conexión a tierra débil o mecanismos de protección deficientes.
Armónicos y transitorios: Los entornos industriales suelen generar armónicos eléctricos debido al funcionamiento de variadores de frecuencia, motores de gran tamaño y otras cargas no lineales. Estos armónicos pueden provocar un calentamiento y una tensión adicionales en los devanados del transformador.
Sobretensiones transitorias: como los que se producen por la conmutación de condensadores o la eliminación de fallas, también pueden estresar el aislamiento, lo que provoca fallas con el tiempo.

Estrés termal

Los transformadores generan calor durante su funcionamiento que debe gestionarse eficazmente para evitar el estrés térmico:

Sobrecarga: El funcionamiento de un transformador por encima de su capacidad nominal provoca un calentamiento excesivo. Incluso si la sobrecarga es intermitente, el efecto acumulativo puede acelerar el envejecimiento del aislamiento y provocar una falla prematura.
Armónicos excesivos: Los armónicos crean corrientes circulantes (de Foucault) en el núcleo del transformador, lo que provoca un calentamiento incluso cuando el transformador no está completamente cargado. El control y el filtrado del contenido armónico mitigan esta causa de envejecimiento prematuro.
Fallas del sistema de enfriamiento: Los transformadores dependen de sistemas de refrigeración, como circulación de aceite o refrigeración por aire forzado, para disipar el calor. Las fallas en estos sistemas, ya sea por fallas mecánicas, fugas de refrigerante o problemas con los ventiladores, pueden provocar un sobrecalentamiento. El funcionamiento prolongado a altas temperaturas degrada el aislamiento del transformador y puede provocar fallas catastróficas.
Variaciones de temperatura ambiente: Los transformadores industriales suelen funcionar en entornos con temperaturas ambiente fluctuantes. Las variaciones de temperatura pueden reducir la eficiencia de refrigeración del transformador, lo que afecta la circulación y la capacidad del transformador para disipar el calor. Los cambios de temperatura estacionales pueden afectar el proceso natural de ciclo térmico en los transformadores de potencia. Estos efectos estresan los sistemas de aislamiento y otros componentes.

Problemas mecánicos

Los problemas mecánicos a menudo surgen debido al estrés físico, defectos de fabricación o fallos operativos:

Deformaciones del bobinado: Durante el funcionamiento, las fuerzas electromagnéticas pueden hacer que los devanados se muevan ligeramente. Con el tiempo, este movimiento puede provocar deformaciones, lo que reduce la capacidad del transformador para soportar fuerzas de cortocircuito. Los choques mecánicos, como los que se producen durante el transporte o la instalación, pueden provocar deformaciones en los devanados, lo que da lugar a fallos internos.
Aflojamiento del núcleo y vibraciones: El núcleo de un transformador es fundamental para su funcionamiento eficiente. Sin embargo, las vibraciones mecánicas, ya sea de origen externo o interno, pueden provocar que el núcleo se afloje. Un núcleo suelto puede generar puntos calientes, reducir la eficiencia y, con el tiempo, provocar una falla.
Debilidades estructurales: Las malas prácticas de fabricación, como la sujeción incorrecta de los devanados, los sujetadores flojos o el diseño inadecuado, pueden provocar debilidades estructurales en un transformador. Estas debilidades pueden no ser evidentes de inmediato, pero pueden provocar fallas bajo estrés operativo.

Condiciones ambientales

Los factores ambientales pueden afectar significativamente el rendimiento del transformador:

Entrada de humedad: Los transformadores están diseñados para funcionar en un entorno seco, pero la humedad puede entrar a través de los sellos, las juntas o por condensación. La humedad reduce la rigidez dieléctrica del aislamiento (y el envejecimiento prematuro del papel), lo que provoca descargas parciales y, en última instancia, fallas.
Contaminantes y polución: Los entornos industriales suelen exponer los transformadores a contaminantes como polvo, suciedad y productos químicos. Estos contaminantes pueden acelerar el envejecimiento al degradar el aislamiento o atascar los sistemas de refrigeración, lo que provoca un sobrecalentamiento.
Corrosión: La corrosión es un problema importante en entornos con alta humedad, exposición a la sal o a sustancias químicas. Puede afectar los componentes metálicos del transformador, lo que provoca fugas, debilitamiento estructural y, en última instancia, fallas. Los recubrimientos protectores y el mantenimiento regular son esenciales para mitigar este riesgo.

Mantenimiento inadecuado

El mantenimiento regular es crucial para la longevidad de los transformadores de potencia:

Falta de inspecciones rutinarias: Las inspecciones de rutina ayudan a identificar posibles problemas antes de que se conviertan en problemas graves. Sin inspecciones periódicas, problemas como la degradación del aceite, el desgaste del aislamiento o los defectos mecánicos pueden pasar desapercibidos hasta que provoquen una falla.
Reparaciones y modernizaciones incorrectas: El uso de piezas no estándar o técnicas de reparación inadecuadas puede comprometer la confiabilidad del transformador. La modernización no autorizada puede generar nuevos modos de falla, especialmente si no se realiza siguiendo las pautas del fabricante.
Sistemas de monitoreo inadecuados: Los sistemas de monitoreo modernos, como el análisis de gases disueltos (DGA) y la termografía, brindan información valiosa en tiempo real sobre el estado del transformador. Confiar únicamente en inspecciones manuales sin incorporar estas tecnologías puede generar problemas no detectados, lo que aumenta el riesgo de fallas.

Casos prácticos y ejemplos reales de fallas de transformadores industriales

El análisis de fallas de transformadores en el mundo real proporciona información sobre los factores contribuyentes y las medidas preventivas:

Estudio de caso 1: Falla del transformador debido a sobrecarga: Una instalación industrial sufrió una falla en un transformador después de operarlo constantemente al 120 % de su capacidad nominal. La sobrecarga provocó la degradación del aislamiento, lo que finalmente provocó una falla catastrófica. La instalación implementó prácticas de gestión de carga más estrictas y actualizó el transformador a un transformador de mayor capacidad. El monitoreo continuo de DGA podría haber detectado la degradación antes y evitado el resultado.
Estudio de caso 2: Impacto ambiental en la longevidad del transformador: Un transformador ubicado en una zona industrial costera falló debido a una corrosión grave causada por la exposición a la sal. Las inspecciones periódicas y la aplicación de revestimientos protectores no fueron suficientes. Después de la falla, la instalación instaló transformadores con mayor resistencia a la corrosión y mejores protocolos de mantenimiento.

Comprender las causas de las fallas de los transformadores de potencia en aplicaciones industriales es esencial para mejorar la confiabilidad y evitar tiempos de inactividad costosos. Las causas principales incluyen fallas eléctricas, estrés térmico, problemas mecánicos, condiciones ambientales y mantenimiento inadecuado. Implementar medidas preventivas como inspecciones regulares, mantenimiento adecuado, controles ambientales y monitoreo continuo puede reducir significativamente el riesgo de fallas en los transformadores.

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Referencias

Norma IEEE C57.91-2011, “Guía para la carga de transformadores sumergidos en aceite mineral”.
PM Anderson y AA Fouad, “Control y estabilidad del sistema de energía”, Wiley-IEEE Press, 2002.
DK Paliwal, “Fallas de transformadores, causas y soluciones”, Centro de Investigación de Ingeniería de Sistemas de Energía, 2003.

Acerca del autor: Traci Hopkins

Traci Hopkins comenzó su trayectoria en el campo de la confiabilidad de la energía eléctrica en junio de 2012 como instructora adjunta en varios departamentos de Capacitación y Educación en tecnologías de transformadores. Poco después, asumió el cargo de Coordinadora de Análisis Diagnóstico para el mercado internacional, a la vez que continuó apoyando la capacitación y la educación mediante eventos internacionales. En 2022, se incorporó a H2scan como Gerente de Ventas para Latinoamérica, responsable de promover la detección de hidrógeno en diversas industrias. Traci cuenta con las certificaciones CRL, MTMP, MTRP y DPS Training. También es miembro sénior de IEEE PES, la Asociación de Profesionales de Gestión de Activos y WIRAM (Mujeres en Confiabilidad y Gestión de Activos).