Cómo las leyes de los gases ayudan a comprender el DGA y predecir problemas antes de que aparezca el humo (literalmente)

Sumérgete en un mundo donde los gases revelan la verdad sobre el estado de inversiones multimillonarias. Descubre leyes que no son magia ni arte, sino física pura.

Si trabajas en diagnóstico de transformadores, diseñas subestaciones o gestionas infraestructuras energéticas, comprender las leyes fundamentales de los gases puede transformar tu enfoque del DGA: de algo intuitivo a científicamente preciso.

Y esa diferencia puede ahorrar millones, no mediante “recortes”, sino gracias a decisiones técnicas más acertadas.

¿Por qué hablamos de leyes de los gases?

El DGA (Análisis de Gases Disueltos) es mucho más que “intuición y creencia”. Es el análisis de los gases disueltos en el aceite de los transformadores, capaz de detectar cambios microscópicos antes de que ocurra una falla.

Pero para comprender realmente lo que nos dicen esos gases, vale la pena comenzar por las leyes físicas que rigen su comportamiento.

El gas ideal no es un mito. Aunque la realidad es más compleja, las ecuaciones del gas ideal proporcionan un punto de partida para comprender la difusión, la presión parcial y el equilibrio en el sistema aceite–gas.

¿Qué es exactamente el análisis de gases disueltos (DGA)?

El Análisis de Gases Disueltos, o DGA por sus siglas en inglés, es un método diagnóstico utilizado en transformadores inmersos en aceite. Su objetivo es detectar trazas de gases generados por fallas térmicas o eléctricas.

Estos gases se disuelven en el aceite aislante y actúan como “huellas dactilares” de distintos tipos de degradación, antes de que algo sea visible a simple vista.

¿Qué gases se analizan en el DGA?

Los más monitoreados son siete gases clave:

• Hidrógeno (H₂) – indica descargas parciales tempranas y efecto corona,

• Monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO₂) – vinculados con la degradación del papel aislante,

• Metano (CH₄) y etano (C₂H₆) – señales de sobrecalentamiento del aceite,

• Etileno (C₂H₄) – asociado a altas temperaturas, típicamente en puntos calientes,

• Acetileno (C₂H₂) – indicador de arcos eléctricos (el tipo de falla más peligroso).

J¿Cuáles son los estándares y pruebas de gases?

La norma ASTM D3612 es un estándar internacional que define métodos para extraer y medir gases en aceite de transformadores. Se complementa con normativas como la IEC 60567 y la IEC 60599, que clasifican los tipos de fallas según proporciones de gases.

También se habla a menudo de las “tres pruebas de gases” en el DGA:

• Prueba de relaciones de gases (Relación de Rogers o Dornenburg) – comparación entre proporciones de ciertos gases,

• Triángulo de Duval – método visual para clasificar fallas a partir de tres gases dominantes,

• Prueba de umbrales – análisis de si la concentración de un gas supera los límites de alarma definidos.1. La ley del gas ideal – la base de todo

  En el mundo de los transformadores, donde la precisión puede valer millones, la ley del gas ideal no es solo una fórmula escolar: es la base sobre la que se construye toda la lógica del análisis de gases disueltos (DGA).

  La ecuación de estado:

PV = nRT

puede considerarse el ADN matemático del comportamiento de los gases dentro de un transformador. Y aunque un transformador no es un matraz de vacío de laboratorio, su interior—especialmente el sistema aceite–gas—funciona según los mismos principios físicos.

¿Qué significan los símbolos?

• P – presión del gas: cuán fuerte “empuja” el gas a su entorno.

  En un transformador, se refiere a la presión parcial de cada gas, ya sea disuelto o presente sobre la superficie del aceite.

• V – volumen que ocupa el gas. Incluso cuando está disuelto en aceite.

  Su volumen molar es clave para estimar la cantidad de gas generada.

• n – número de moles del gas.

  Es esencial para saber cuánto hidrógeno, metano, acetileno o monóxidos se produjeron en una reacción.

• R – constante de los gases. Constante, pero no insignificante.

  Un valor universal que une todas las variables en una lógica coherente.

• T – temperatura. A menudo no uniforme dentro del transformador.

  Los “puntos calientes” pueden alcanzar localmente hasta 200 °C.

¿Cómo funciona en la práctica?

Supongamos que se forma una cantidad microscópica de acetileno debido a un cortocircuito. Medir su concentración en el aceite es una cosa. Pero solo conociendo la temperatura en la zona afectada y las condiciones de presión, se puede calcular cuánto gas se ha generado realmente.

Y aún más importante: ¿esa cantidad indica un sobrecalentamiento puntual o una degradación prolongada de la celulosa?

La ecuación del gas ideal permite “retroceder en el tiempo”: sacar conclusiones sobre las causas a partir de los efectos, es decir, los gases detectados.

El transformador como reactor químico

Piensa en el transformador como un sistema cerrado, donde cualquier cambio de temperatura o volumen afecta el estado de los gases.

El sobrecalentamiento aumenta T, lo que—si el volumen permanece constante—aumenta P.

Por eso las mediciones de gases deben correlacionarse con los datos de temperatura. Sin ello, interpretar el DGA sería como predecir el clima observando nubes—demasiadas incógnitas.

2. Henry: cuánto le “gusta” disolverse a un gas

Imagina una Coca-Cola fría recién sacada del refrigerador.

Al abrirla, escuchas un siseo: es el dióxido de carbono escapando del líquido. Ahora deja esa misma botella al sol. ¿El resultado? El gas se escapa más rápido y la bebida se vuelve “plana”.

Exactamente el mismo mecanismo ocurre en los transformadores. Está gobernado por la ley de Henry, uno de los fenómenos más subestimados y a la vez más fundamentales para interpretar el DGA.

¿Qué nos dice la ley de Henry?

En su forma más simple:

C = kH ⋅ P

C – concentración del gas disuelto en el líquido (mol/m³)
kH – constante de Henry, que depende del tipo de gas y de la temperatura
P – presión parcial del gas sobre el líquido

En la práctica, esto significa que cuanto mayor sea la presión del gas, más se disolverá en el aceite. ¡Pero! Esa es solo la mitad de la verdad—porque la constante de Henry disminuye con la temperatura, lo que implica que cuanto más calor haga, menos gas puede permanecer en el líquido.

Cómo funciona en el transformador?

Supongamos que hay un sobrecalentamiento localizado en el aislamiento de celulosa—se generan CO y CO₂. Estos gases se disuelven parcialmente en el aceite y el resto asciende al espacio por encima del nivel del aceite. Si la temperatura del transformador sube, incluso ligeramente, disminuye la capacidad del aceite para retener los gases. Como resultado, más CO se escapa hacia la “cabeza” del transformador y su concentración aparente en el aceite disminuye, aunque el proceso de degradación puede estar intensificándose.

¡Atención! Esta es una trampa de interpretación. La ausencia de gas no siempre significa que no haya una falla—puede simplemente significar que el gas ya se ha escapado.

Cada gas “prefiere” algo distinto

Cada tipo de gas tiene un valor diferente de kH:

• Hidrógeno (H₂) – muy poco soluble, escapa rápidamente del aceite

• Dióxido de carbono (CO₂) – relativamente soluble, permanece más tiempo

• Acetileno (C₂H₂) – poco estable, pero detectable en fallas con arco eléctrico

Conociendo estas propiedades, los ingenieros pueden determinar mejor si un gas acaba de formarse o si el sistema de muestreo lo detectó con retraso.

Interpretación con física de fondo

En la práctica diaria del DGA, no solo es útil conocer los valores límite, sino también entender el contexto físico:

• Temperatura del aceite – ¿se ha mantenido estable en los últimos días?

• Tiempo desde el último evento – ¿el gas tuvo tiempo de disolverse o liberarse?

• ¿La medición online difiere mucho de la muestra de laboratorio?

La ley de Henry no nos da una respuesta definitiva, pero nos recuerda que un gas no es solo un número—es un fenómeno físico que responde a un entorno cambiante. Y comprender eso es lo que genera ventaja en el análisis del estado del transformador.

3. ¿Qué ocurre cuando la temperatura sube?

La temperatura no es solo el telón de fondo de los procesos en un transformador: es su principal catalizador. De ella depende si las reacciones químicas se desatan como una avalancha o permanecen dormidas. Para interpretar el DGA, comprender el efecto de la temperatura es absolutamente esencial. Es ella quien determina cuántos gases se generan, qué tan rápido se mueven y cuánto tiempo permanecen disueltos en el aceite.

El calor como detonante de las reacciones formadoras de gases

Dentro del transformador existen condiciones térmicas variadas. Son especialmente importantes los llamados puntos calientes, zonas localizadas con temperatura elevada—que a veces superan los 200 °C. Es allí donde ocurren procesos como:

• Pirólisis del aislamiento de celulosa (resultado: CO, CO₂)

• Descomposición térmica del aceite (resultado: CH₄, C₂H₆)

• Formación de etileno y acetileno en temperaturas extremas (por encima de 500 °C en caso de arco eléctrico)

El aumento de temperatura no solo inicia las reacciones, sino que también incrementa su intensidad.

Según la ecuación de Arrhenius:

k = A ⋅ e − Ea/RT

donde:
k – velocidad de reacción
A – factor de frecuencia
Ea – energía de activación
R – constante de los gases
T – temperatura en Kelvin

Cuanto más alta la temperatura, menor el valor del exponente negativo, y por tanto más rápida es la reacción. Esto significa que incluso un pequeño aumento de temperatura (por ejemplo, de 120 a 150 °C) puede multiplicar la velocidad de formación de gases.

Temperatura y solubilidad de gases

Una temperatura elevada no solo crea gas—también afecta su comportamiento en el aceite. Volviendo a la ley de Henry: a mayor temperatura, menor solubilidad del gas en el líquido. En la práctica, esto implica que al calentarse el sistema:

• Más gas se escapa del aceite hacia el espacio por encima del mismo

• Disminuye la concentración de gas disuelto—lo que puede dar una falsa sensación de “mejora”

• Aumenta la presión parcial sobre el líquido—lo que afecta reacciones secundarias

Trampas de interpretación

Un DGA realizado mientras el transformador está en funcionamiento (por ejemplo, en un día caluroso) puede arrojar resultados distintos al mismo análisis efectuado tras enfriarlo. Por eso, cada lectura debe acompañarse de datos de temperatura: sensores online, historial térmico, o mejor aún—estimaciones de temperatura en puntos calientes (HST).

Sin esto, corremos el riesgo de malinterpretar los datos:

• Una baja concentración de gases con alta temperatura no siempre significa que no haya peligro

• Un aumento repentino de gases tras el enfriamiento puede revelar procesos ocultos anteriores

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Relaciones que debes conocer

Un diagnóstico DGA eficaz requiere no solo conocer las normas, sino también entender las interdependencias físicas:

• Velocidad de generación de gases – aumenta exponencialmente con la temperatura

• Solubilidad – disminuye con la temperatura

• Presión parcial – aumenta con la temperatura a volumen constante

Estos tres fenómenos juntos forman un sistema dinámico que no puede entenderse únicamente a través de una tabla de umbrales de alarma.

Solo al considerar el papel de la temperatura es posible ver el panorama completo y anticipar posibles escenarios de falla.

4. Dalton y la mezcla de gases

A diferencia de un laboratorio, en un transformador nunca tratamos con un solo gas. Los procesos de degradación generan toda una gama de compuestos: desde el hidrógeno más ligero hasta hidrocarburos complejos.

Por eso, en lugar de analizar cada gas por separado, conviene entender cómo se comportan en conjunto. Aquí entra en juego la ley de Dalton, una de las más importantes en el contexto del DGA.

¿Qué dice la ley de Dalton?

Ptotal = P1 + P2+ ⋯ + Pn

sto significa que la presión total del gas sobre el líquido (por ejemplo, en el espacio por encima del aceite en el transformador) es la suma de las presiones parciales de todos los componentes presentes.

Cada gas aporta su “porción” a la presión total—en proporción al número de moles presentes en la mezcla.

¿Por qué es importante?

Porque en un transformador, es precisamente la mezcla de gases—y sus proporciones cambiantes—la que entrega pistas sobre el tipo y la intensidad de la falla.

La mezcla como huella digital de la falla

Al analizar la composición de la mezcla, es posible identificar los mecanismos dominantes de degradación:

• Predominio de hidrógeno (H₂) y metano (CH₄) – indica descargas parciales

• Presencia de acetileno (C₂H₂) – claro indicio de arco eléctrico

• Altos niveles de CO y CO₂ – degradación del papel aislante

• Mayor concentración de etileno (C₂H₄) – típico de sobrecalentamiento

La ley de Dalton permite modelar la variación de presiones parciales en el tiempo.

Esto, a su vez, ayuda a detectar si algún gas en particular está aumentando rápidamente—lo cual puede anticipar una escalada de la falla antes de que sea evidente en gráficos globales.

Dinámica de liberación de gases

Cada gas de la mezcla tiene un coeficiente de solubilidad diferente (ley de Henry), pero es la ley de Dalton la que determina cuál gas se escapa primero del líquido.

Los gases con mayor presión parcial (como el hidrógeno) alcanzan el equilibrio entre la fase líquida y gaseosa más rápidamente—y desaparecen del sistema antes.

Esto explica por qué las muestras de laboratorio no siempre contienen todo el espectro de gases que estaban presentes minutos antes.

La ausencia de un gas en la muestra no implica necesariamente su ausencia en el transformador—puede que simplemente ya se haya liberado o ventilado.

Interpretar los cambios en proporciones de gases

En la práctica, se utilizan pruebas basadas en relaciones de gases, como los métodos de Dornenburg o Rogers. Gracias a la ley de Dalton, estas pruebas tienen sentido: permiten evaluar no solo cuánto gas se ha producido, sino también cómo se relacionan entre sí los componentes de la mezcla.

Un cambio notable en la relación entre, por ejemplo, C₂H₂ y CH₄, puede señalar un cambio en el tipo de falla—por ejemplo, de sobrecalentamiento a arco eléctrico.

Si las proporciones se mantienen estables y las concentraciones aumentan de forma pareja—es probable que la misma falla esté simplemente progresando.

Conclusiones prácticas

• No analices los gases de forma aislada—el contexto de la mezcla importa

• Presta atención a los cambios en proporciones—dicen más que los valores absolutos

• Si un gas “desaparece” de la muestra—revisa la presión, temperatura y el historial de mediciones. Puede que simplemente haya salido del sistema

La ley de Dalton proporciona una visión global del sistema de gases—no como indicadores aislados, sino como un sistema dinámico donde cada cambio tiene su causa y su consecuencia.

5. Difusión – el gas nunca duerme

Los gases dentro de un transformador no son indicadores pasivos de fallas. Son partículas activas y móviles que, incluso después de cesar la generación de gases, siguen “viviendo su propia vida”—se dispersan por el sistema, alcanzan equilibrios, desaparecen de muestras o aparecen donde antes no estaban. A esto lo rige la difusión, descrita con precisión por la primera ley de Fick.

¿Qué dice la ley de Fick?

J = −D ⋅ dc/dx

donde:
J – flujo de difusión (cantidad de moles que atraviesan una superficie por unidad de tiempo)
D – coeficiente de difusión (específico para cada gas y medio)
dc/dx – gradiente de concentración (diferencia de concentración en el espacio)

En resumen: el gas se desplaza desde donde hay más, hacia donde hay menos—y cuanto mayor la diferencia, más rápido el movimiento.

¿Qué significa esto en la práctica?

En un transformador no existe algo como una “composición fija” de gases—especialmente en sistemas con grandes volúmenes de aceite. Incluso si la falla ocurrió en un punto específico (como un cortocircuito localizado), los gases generados se dispersarán lentamente por todo el sistema.

• Si se toma la muestra en un lugar distinto al origen de la falla, los resultados pueden estar subestimados.

• Si se retrasa el análisis, el gas puede haberse dispersado o escapado, difuminando la señal de alerta.

La importancia del tiempo – el DGA no siempre es en tiempo real

Lo que medimos en una muestra es una instantánea del sistema en ese momento. Pero la difusión significa que el sistema cambia constantemente, incluso después de cesar las reacciones.

Esto nos lleva a algunas recomendaciones clave:

• Una medición hecha inmediatamente después de la falla dará un perfil distinto a la realizada una semana más tarde

• Cuanto más pequeño el transformador, más rápido se igualan las concentraciones

• Los sistemas en línea permiten seguir la dinámica—los análisis de laboratorio solo muestran el “efecto promedio”

¿Por qué importa la difusión para interpretar?

Imagina un transformador donde se generó etileno (C₂H₄) por sobrecalentamiento. Una vez baja la temperatura, cesa la generación de gas—pero el etileno sigue desplazándose por el aceite. Si se toma la muestra con retraso, el gas ya estará parcialmente disperso o incluso habrá pasado a la fase gaseosa.

¿El efecto? La medición indicará una concentración más baja de la que existía realmente en el momento de la falla.

Lo mismo ocurre con el hidrógeno, que es muy ligero, poco soluble y se difunde con rapidez. Si no se mide a tiempo, puede interpretarse erróneamente como “ausente”—aunque fue uno de los primeros signos de una falla.

Conclusiones prácticas

• Interpreta el DGA considerando el tiempo y la ubicación de la muestra

• Utiliza sistemas en línea donde sea posible—brindan una visión más completa

• Entiende que la ausencia de gas no siempre significa que no hay problema—puede deberse a difusión o liberación

La ley de Fick nos ayuda a entender mejor cómo el sistema “se limpia” de gases y cuán rápido pueden diluirse las señales de una falla.

Es física que sigue actuando constantemente—aun cuando todo parece haber vuelto a la normalidad.

Interpretemos los datos que realmente importan

En un mundo donde la rapidez de las decisiones es más importante que la cantidad de decisiones tomadas, el acceso a datos confiables se convierte en una de las mayores ventajas competitivas. Pero los datos por sí solos no bastan.

Solo una interpretación adecuada—basada en la física, la comprensión de los procesos y la experiencia real—genera el valor que permite proteger, optimizar y planificar el futuro de la infraestructura energética.

Por eso, hoy no nos preguntamos si el DGA “muestra algo”, sino:
¿qué muestra exactamente y cómo podemos actuar con mayor inteligencia gracias a ello?

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Fuente:
Transformers Magazine vol.12