Comprensión de la presión, la resistencia y los termómetros de fibra óptica

El funcionamiento fiable de un Transformador sumergido en aceite Depende en gran medida de la estabilidad de la temperatura del aceite aislante interno y de los devanados. El sobrecalentamiento es una de las principales causas del envejecimiento acelerado del aislamiento, la degradación del rendimiento y, en última instancia, las fallas. Por lo tanto, el monitoreo de la temperatura es uno de los aspectos más fundamentales y críticos de la operación y el mantenimiento de los transformadores. Desde los tradicionales diales mecánicos hasta los modernos sistemas inteligentes de fibra óptica, la historia del desarrollo de los termómetros representa una evolución de la tecnología de monitoreo de transformadores, desde la observación pasiva hasta la alerta temprana activa.

 

Este artículo describirá sistemáticamente los tipos comunes de termómetros utilizados en transformadores sumergidos en aceite y proporcionará un análisis en profundidad de sus principios de funcionamiento y escenarios de aplicación.

 

Capítulo 1: El "árbol genealógico" de los termómetros: un análisis detallado de tres tipos principales

Según los principios de medición y la ubicación de instalación, los termómetros para transformadores sumergidos en aceite se dividen principalmente en las siguientes tres categorías. En conjunto, forman una red de monitoreo tridimensional que abarca desde la temperatura del aceite en la superficie hasta los puntos calientes del devanado.

 

1. Termómetro de presión (termómetro de lectura remota)

Principio de funcionamiento: Se trata de un instrumento mecánico clásico basado en la dilatación/contracción térmica y la transmisión de presión de líquidos/gases. El sistema consta de tres partes:

 

Bulbo de temperatura (sensor): Se inserta en el aceite en la parte superior del tanque del transformador y se llena con un medio sensible a la temperatura (por ejemplo, líquido, gas o líquido de bajo punto de ebullición).

 

Tubo capilar: Un tubo metálico largo y delgado que conecta el bulbo con el cabezal del manómetro, lleno de un medio transmisor de presión.

 

Indicador de temperatura: Montado en la pared del tanque del transformador o en el armario de control, a varios metros del bulbo. Su núcleo es un tubo Bourdon, un tubo metálico elástico y curvado. Cuando el bulbo se calienta, el cambio de presión interna se transmite a través del capilar al tubo Bourdon, provocando su deformación. Esta deformación mueve una aguja mediante un mecanismo de articulación, indicando la temperatura.

 

Características clave:

 

Puramente mecánico, no requiere alimentación externa, excelente inmunidad a las interferencias electromagnéticas, muy alta fiabilidad.

 

El cabezal del medidor se puede montar de forma remota para una lectura local cómoda.

 

Normalmente, está equipado con 1 o 2 contactos ajustables para las funciones de alarma por sobretemperatura y de parada de emergencia.

 

La precisión y la velocidad de respuesta son relativamente más lentas en comparación con los tipos electrónicos, y el tubo capilar es susceptible a daños mecánicos.

 

Aplicación típica: Dispositivo principal de monitorización y alarma para la temperatura del aceite superior, una característica casi estándar en todos los transformadores sumergidos en aceite.

 

2. Detector de temperatura por resistencia (RTD, por ejemplo, PT100)

Principio de funcionamiento: Se basa en la propiedad de que la resistencia de un conductor varía con la temperatura. El elemento sensor más común es un termómetro de resistencia de platino, donde PT100 indica una resistencia de 100 ohmios a 0 °C. Su resistencia varía de forma precisa y lineal con la temperatura.

 

Componentes del sistema:

 

Sonda RTD de platino: Instalada en un alojamiento para termómetro en la parte superior del transformador, sumergida en aceite.

 

Puente de medición y transmisor: A menudo integrado en una unidad de control inteligente. Un circuito preciso mide la resistencia del PT100 y la convierte en una señal de corriente estándar de 4-20 mA o en una señal digital.

 

Características clave:

 

Alta precisión en las mediciones, las señales se pueden transmitir a largas distancias, buena inmunidad al ruido.

 

La señal de salida es una señal eléctrica estándar, fácilmente integrable con plataformas de automatización como SCADA (Control de Supervisión y Adquisición de Datos) y DCS (Sistemas de Control Distribuido) para la monitorización centralizada remota.

 

A menudo se instala junto con el termómetro de presión, sirviendo como un medio redundante o de mayor precisión para el monitoreo remoto y el registro de la temperatura del aceite.

 

Aplicación típica: Se utiliza para la transmisión remota y la monitorización digital de la temperatura del aceite superficial, la piedra angular de las subestaciones modernas automatizadas y sin supervisión.

 

3. Sistema de medición de temperatura de bobinado de fibra óptica (Medición directa de "punto caliente" más avanzada)

Principio de funcionamiento: Actualmente, esta es la tecnología más directa y avanzada para el control de la temperatura de bobinado. Se basa en la física de las rejillas de Bragg de fibra óptica.

 

Sensor de rejilla de Bragg de fibra (FBG): Mediante un láser, se graba una variación periódica del índice de refracción (una rejilla) en un segmento de fibra óptica especial. Su propiedad clave es que la luz de una longitud de onda específica (longitud de onda de Bragg) se refleja, y esta longitud de onda reflejada varía linealmente con los cambios de temperatura (o tensión) en la ubicación de la rejilla.

 

Proceso de medición: Durante la fabricación del transformador, se inserta directamente un cable de fibra óptica flexible con múltiples sensores FBG integrados entre las capas de aislamiento de los devanados de alta tensión, en los puntos donde se prevé que se produzcan las mayores temperaturas. El sistema emite luz de banda ancha y, al analizar la longitud de onda específica reflejada por cada rejilla, puede obtener con precisión y en tiempo real la temperatura absoluta en diferentes puntos del devanado.

 

Características clave:

 

Medición directa de la temperatura del punto caliente del bobinado, no estimación indirecta. Los datos son los más auténticos y fiables.

 

Intrínsecamente segura: la fibra óptica está hecha de sílice, es aislante, resistente a altas tensiones e inmune a las interferencias electromagnéticas, y funciona de forma estable en campos electromagnéticos intensos.

 

Medición distribuida: Una sola fibra puede albergar docenas de puntos de detección, lo que permite obtener un mapa térmico completo del bobinado.

 

Factor clave para la "Clasificación Dinámica" y la evaluación de la vida útil de los transformadores.

 

Aplicación típica: Transformadores grandes y críticos (por ejemplo, de muy alta tensión, transformadores convertidores), subestaciones inteligentes que requieren gestión de la capacidad de carga.

 

Capítulo 2: Aclaración de conceptos clave: Temperatura del aceite superior frente a temperatura del bobinado.

Este es un concepto crucial y el punto de partida para seleccionar el tipo de termómetro.

 

Temperatura del aceite en la parte superior del tanque: Mide la temperatura del aceite en la parte superior del tanque. Refleja la carga térmica general del transformador, pero presenta un retardo térmico. Cuando la carga cambia, la temperatura del devanado varía más rápidamente, seguida de la temperatura del aceite. Los termómetros de presión y RTD miden esta temperatura.

 

Temperatura del punto caliente del devanado: Se refiere al punto más caliente de todo el transformador, generalmente ubicado en la parte superior del devanado de baja tensión. Es el parámetro más crítico que determina la tasa de envejecimiento del aislamiento y la capacidad de carga. Los métodos tradicionales no pueden medirla directamente, sino que se basan en un indicador de temperatura del devanado (WTI) que la simula o estima mediante la corrección de la temperatura del aceite superior y la corriente. La medición por fibra óptica es la única tecnología que puede medirla de forma directa y precisa.