Alternativas ecológicas para transformadores de
Transcripción
Alternativas ecológicas para transformadores de
Alternativas ecológicas para transformadores de potencia Reynaldo Villanueva Ure ALTERNATIVAS ECOLÓGICAS PARA TRANSFORMADORES DE POTENCIA Primera edición Enero, 2012 Lima - Perú © Reynaldo Villanueva Ure PROYECTO LIBRO DIGITAL PLD 0458 Editor: Víctor López Guzmán http://www.guzlop-editoras.com/ [email protected] [email protected] facebook.com/guzlopster twitter.com/guzlopster 428 4071 - 999 921 348 Lima - Perú PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD) El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados. Un libro digital, también conocido como e-book, eBook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso. Entre las ventajas del libro digital se tienen: • su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad), • su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica), • su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural), • su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento), • su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investigación de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras. Algunos objetivos que esperamos alcanzar: • Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital. • Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta. • Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías. • El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente. • E l p e r s o n a l d o c e n t e j u g a r á u n r o l d e t u t o r, f a c i l i t a d o r y c o n d u c t o r d e p r o y e c t o s de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electrónicas recomendadas. • Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso. En el aspecto legal: • Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita. • Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital. Lima - Perú, enero del 2011 “El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor XIX CONIMERA Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica, Eléctrica y Ramas Afines ALTERNATIVAS ECOLÓGICAS PARA TRANSFORMADORES DE POTENCIA Lugar y fecha de elaboración del documento: Lima. 2011 Tema: Área: Autor: Reynaldo Villanueva Ure ING. MECÁNICO-ELECTRICISTA Empresa o Entidad: UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Cargo: DOCENTE INVESTIGADOR DATOS DE LA EMPRESA. Dirección: Av. Túpac Amaru 210 Código Postal: Lima 01 Teléfono: (51.1)4819505 Fax: (51.1)4819505 E-Mail: [email protected] PALABRAS-CLAVE: Transformador de Potencia, Energía Eléctrica, PCB, Dieléctrico, Biodegradable, Medio Ambiente. biodegradable y es contaminante pudiendo producir severos daños ambientales ante situaciones de derrame y fallas graves. Es por esta razón que los organismos reguladores de la actividad eléctrica ponen mucho énfasis en el control, revisión y mantenimiento de los transformadores de potencia. Una de las empresas importantes en la fabricación de transformadores de potencia en el mundo, está estudiando el uso de los aceite vegetales para reemplazar a los minerales, ya que presentan ciertas ventajas sobre los demás aceites dieléctricos debido a su alta capacidad de biodegradarse. En el presente trabajo se desarrolla una evaluación técnica y económica de los aceites vegetales comparada con otros aceites dieléctricos (silicona y mineral) que se utilizan actualmente, a fin de promover su uso en la industria eléctrica internacional para reducir los inconvenientes de seguridad y medio ambiente. Aceites Vegetales para Transformadores de Potencia Resumen El transformador de potencia es una máquina estática sumamente importante y esencial en todo sistema eléctrico, puesto que eleva y disminuye las tensiones para la transmisión y distribución de la energía eléctrica que generan los diferentes tipos de centrales eléctricas. El transformador de potencia utiliza los aceites dieléctricos para cumplir dos roles importantes en el proceso de transformación de la energía eléctrica: “aislante” y “refrigerante”; es por esta razón que los aceites empleados en estas máquinas deben poseer exigentes especificaciones técnicas para que cumplan estas funciones con amplia seguridad. En los inicios de la industria eléctrica, los transformadores de potencia utilizaban los aceites PCB que tenían excelentes cualidades dieléctricas pero se dejaron de usar por ser altamente contaminantes. El aceite dieléctrico mineral es el que se usa universalmente en la actualidad; sin embargo, el aceite dieléctrico mineral no es 1. INTRODUCCIÓN Los aislantes líquidos permanentemente usados en 1 son las paredes frías, y alta capacidad térmica que le proporcionaría en conjunto excelente capacidad refrigerante. En los interruptores los aceites deben tener baja viscosidad, debido a que la extinción del arco en un fluido viscoso se produce más lentamente lo que generaría la degradación del aceite, con formación de gases y elementos residuales que disminuirían la rigidez dieléctrica. Entre los principales aceites dieléctricos podemos mencionar: aplicaciones eléctricas (máquinas, aparatos, componentes en general) dado que cuando se encuentran en servicio no experimentan ninguna transformación física o química importante. Las propiedades físicas de los dieléctricos líquidos como por ejemplo: peso específico, conductibilidad térmica, calor específico, constante dieléctrica, viscosidad, dependen de su composición química, pero su rigidez dieléctrica, está ligada a factores externos como por ejemplo: impureza en suspensión, en solución, humedad, etc., que generalmente reducen su valor, degradando esta característica importante. a) Aceites Dieléctricos Minerales Los aceites minerales naturales o petróleos constituyen mezclas de gran variedad de hidrocarburos, que pueden separarse por destilación, aprovechando la propiedad de que sus puntos de ebullición varían como sus pesos moleculares. La destilación no se efectúa a una temperatura determinada, sino que entre ciertos límites, de forma que los productos destilados constituyan nuevas agrupaciones de hidrocarburos. 2. El Transformador De Potencia El transformador es una máquina que realiza una función muy poco vistosa, pero muy útil para el transporte de la energía eléctrica. La función de los transformadores es la de cambiar los parámetros de la energía eléctrica, ya que no es posible generar, transportar y consumir la energía a una misma tensión. Las principales pruebas que se realizan a los transformadores son: Inspección visual, resistencia de aislamiento, relación de transformación, rigidez dieléctrica del aceite. b) Aceite o Fluido de Silicona Estos fluidos de silicona se han diseñado especialmente para uso en transformadores; después de rigurosos ensayos se ha comprobado su alta estabilidad térmica y eléctrica, también actúa como disipador de tensión de arco. Los fluidos de silicona usados en transformadores tienen una viscosidad de 50 centistokes a una temperatura de 25º C. Una de sus principales características es su resistencia a la flamabilidad debido a su alto punto de inflamación e ignición.Tienen buenas propiedades dieléctricas y capacidades de funcionamiento en una amplia gama de temperatura. Estos fluidos no son biodegradables, ya que en un periodo de 28 días solo se degrada menos del 5% (test OCDE 301-D)[2]. Estos fluidos deben cumplir con los requisitos técnicos dados en las normas siguientes: Fig. 1. Partes que componen el transformador sumergido en aceite con depósito de expansión. 3. Aceites Dieléctricos Los aceites dieléctricos cumplen distintas funciones en los transformadores y otros equipos eléctricos, siendo principales la de aislamiento y la de refrigeración. El envejecimiento o deterioro de aislamiento de un transformador es una función temporal de la temperatura, contenido de humedad y contenido de oxígeno [1]. Con modernos sistemas de preservación de aceite, la humedad y el oxígeno, el deterioro del aislamiento puede reducirse al mínimo. IEC 836 “Especificaciones de líquido de silicona con fines eléctricos”. ASTM D 4652 “Especificaciones del fluido de silicona usado para fines eléctricos”. c) Aceite vegetal. El aceite vegetal tiene alta capacidad de absorber agua mucho más que el aceite mineral aumentando la capacidad de extraer el agua del papel aislante, lo quq permite evitar la degradación del papel aislante. Después de varias pruebas se demostró que los aceites vegetales tienen alta resistencia al fuego, su rigidez eléctrica Los aceites dieléctricos deben tener una alta calidad dieléctrica, una baja viscosidad, para facilitar la formación de corrientes de convección entre las fuentes de calor y las 2 es superior y su viscosidad es muy cercana a la del aceite mineral a temperaturas operacionales. A continuación se detallan las pruebas de envejecimiento acelerado que se realizaron: Las curvas descritas por las ecuaciones (1) y (2) se muestran a continuación: Estas pruebas se realizaron de acuerdo al anexo A publicado en la IEEE C57.100, las mismas que se sometieron a las temperaturas de 130,150 y 170 °C para 500, 1000, 2000 y 4000 horas. Las mismas que utilizaron aluminio, cobre, papel térmicamente mejorado y fluido dieléctrico (aceite mineral y aceite vegetal) en las mismas proporciones en un transformador de 225 KVA. La resistencia a la tensión a la temperatura de 150 °C del papel envejecido en ambos fluidos decrece lentamente a 1000 y 2000 horas. A 4000 horas el papel envejecido en aceite mineral decrece hasta el 25% de su valor inicial, mientras el papel envejecido en aceite vegetal no llega ni al 75% de su valor inicial. "(1)" 8.1 6.1 4.1 2.1 0.1 "(2)" 80 95 110 125 140 155 170 Fig. 2. Curva de vida del aislamiento seco en pu versus la temperatura hot-spot, en aceite mineral y aceite vegetal. Después de los estudios realizados a pequeña escala, se procedió al estudio del papel en aceite vegetal a escala real de acuerdo a la norma IEE C57.100, que es realizada para la evaluación de fluidos aislantes nuevos en comparación con el aceite mineral. Se pudo concluir que hasta el momento de falla del transformador prototipo con ester natural tiene por lo menos 3 veces más tiempo de vida que el tiempo requerido por la norma IEE C57.100. Los transformadores prototipo fueron divididos en tres celdas cada una energizada y a distintas temperaturas hot spot predeterminadas 167, 175 y 183 °C. En cada celda se instalaron transformadores prototipo con ester natural y con aceite mineral para su respectiva evaluación. La actual norma de sobrecargabilidad, IEEE C57.91-1995, atribuye el mejoramiento de las características de envejecimiento térmico del papel envejecido en aceite vegetal a los siguientes modos de protección: Extracción de agua y la protección hidrolítica sobre la celulosa. Extracción de agua, pues el aceite vegetal puede contener más agua que el aceite mineral; el aceite mineral puede tener 60 mg/kg, mientras el aceite vegetal está alrededor de 1060 mg/kg a temperatura de ambiente. Protección hidrolítica, pues el aceite vegetal brinda una protección hidrolítica a la celulosa, debido a que el ester natural reacciona con los grupos hidroxilos (OH); estas características dadas por el aceite vegetal para el mejoramiento del rendimiento térmico del papel se deben a la hidrólisis y transesterificación. La vida del aislamiento del transformador está en función de la temperatura hot spot, del papel kraft térmicamente mejorado en aceite mineral: Estos transformadores se sometieron periódicamente a impulsos, resistencia AC y hasta ensayos tipo falla. Todos los transformadores soportaron estos ensayos. Luego éstos se sometieron a evaluaciones posteriores. El aceite mineral mostró una apariencia lechosa debido a la saturación del agua o tenia agua libre en el fondo del tanque, mientras el aceite vegetal tenía un aspecto claro. Con respecto al papel en el aceite mineral mostraba un aspecto muy oscuro y quebradizo. El papel envejecido en ester natural mostraba menos deterioro. (1) Debido al mayor rendimiento térmico a 21ºC del aceite vegetal y manteniendo la misma pendiente de la ecuación anterior se tiene la vida del aislamiento del transformador en función de la temperatura hot spot, del papel kraft térmicamente mejorado en aceite vegetal: Tabla 1. Diferencia entre los puntos de inflamación y combustión del aceite mineral, silicona y vegetal (2) 3 NOTA: Estos valores están basados en la norma ASTM D4652 “Stándar Specification for silicone fluid used for Electrical Insulation”. El método de ensayo para la evaluación de color del fluido de silicona está basado en la norma ASTM D2129. Los valores obtenidos para el aceite vegetal se basan de la norma brasileña ABNT NBR 15.422,2006. Los valores obtenidos por el aceite mineral están según la norma ASTM D387 “Stándar specification for Mineral”. Fig. 3. Puntos de inflamación y combustión del aceite mineral, silicona y vegetal Tabla 2. Características técnicas del aceite mineral, vegetal y silicona Aspecto visual Físicas Color máximo Punto de anilina ºCmin Punto de inflamación, mínimo ºC Punto de combustión, mínimo ºC Punto de fluidez, máximo ºC Tensión Interfacial (dinas/em) mín a 25ºC Gravedad específica a 15ºC Gravedad específica a 25ºC Viscosidad cinemática a 0ºC Viscosidad cinemática a 20ºC Viscosidad cinemática a 40ºC Viscosidad cinemática a 100ºC Claro, limpio y libre de materiales en suspensión Claro y brillante ASTM D1524 1 0.5 ASTMD150 0 63 ASTM D611 145 ASTM D92 15 300 275 340 300 -50 -10 -40 ASTM D97 40 ASTM D971 ASTM D1298 0.95 7/ 0.96 4 81/ 92 35/ 39 50 12 15/ 17 15 3 ASTM D445 Aceite Vegetal Fr3 Punto de inflamación, mínimo ºC 148 300 330 Punto de combustión, mínimo ºC 165 350 360 Eléctricas Fluido de silicona Aceite Vegetal 35 30 30 0.01 0.2 0.3 Químicas Azufre corrosivo 50 0.01 Aceite Mineral No corrosivo ASTM D1275 30 ASTM D1533 0.025 ASTM D974 200 0.06 CONCAWE USACE Aceite vegetal Fr3 120%+33% después de 28 días - - - Aceite mineral - 70% después de 28 días 28% después de 28 días 42-49% después de 28 días Pour Point (ºC) Viscosida d (cSt) a 100ºC Viscosida d (cSt) a 40ºC Viscosida d (cSt) a 0ºC ASTM D924 No corrosivo Universidad de Liege Parámetro s de Rendimie nto ASTM D877 0.05 Cooper ETV TERC 98% después de 28 días 30.5% después de 28 días Tabla 4. Resultados de las muestras tomadas de aceites vegetales nuevos Método de ensayo 40 Componente 4. Estudio de Aceites para Transformadores de Potencia Esta evaluación tiene como objetivo verificar el rendimiento del aceite vegetal nuevo y del aceite en servicio, cuando es usado en transformadores. Esta verificación fue realizada por la ETV (Verificación tecnológica medioambiental), programa creado por la EPA. La evaluación tuvo como objetivo la verificación técnica del aceite vegetal Fr3[3]. 150 Fluido de silicona Down Corning 561 Contenido de agua, máximo ppm Número de neutralización ( mg KOH/g ) max Tabla 3. Comparativo de las razones de biodegradación del aceite mineral y vegetal Razones de Biodegradación Aceite Mineral Nytro 4000X Tensión de ruptura dieléctrica a 60Hz min. Factor de potencia a 60Hz % a 25ºC máx. Factor de potencia a 60Hz % a 100ºC máx. Una de las características principales que presentan estos aceites vegetales frente a otros fluidos dieléctricos es su capacidad de biodegradación. En el cuadro que se muestra a continuación se encuentran los resultados del aceite vegetal Fr3, supervisados por la ETV; estos resultados fueron calculados usando el método de ensayo de la EPA OPPTS 835.3110. ASTM D92 Aceites Dieléctricos Características Comparativo medioambiental: Especificaciones normadas Coope r -18 NA ASTM D3487 -40 76 Resultados de muestreo Lot Lot 01C6 01D1 VRF3VRF3VRF3-07 01 05 Propiedades Físicas Lot 01P2 VRF3 -10 -18 -18 -18 -18 8 7.88 7.9 7.95 32.63 32.67 32.79 32.74 188.01 187.14 187.53 187 45 46 Propiedades Dieléctricas Rigidez dieléctrica (kV) mínimo Rigidez dieléctrica (kV) gap Rigidez dieléctrica 4 45 - 45 36 37 34 39 170 168 164 168 Promedio -18 32.71 1 72 - 0.127 0.159 0.157 0.127 2.7 3.17 3.23 2.46 aceite vegetal en un transformador señalado para uso con aceite mineral. 29 El análisis de los aceites dieléctricos no se debe tan sólo limitar a ensayos dieléctricos para el fluido sino que debe analizarse el efecto que puedan tener con otros componentes del transformador. Para diseñar transformadores de potencia es necesario conocer la configuración del aceite/celulosa. Para ello se realizaron los siguientes ensayos a un conjunto de disposiciones celulosa impregnada en aceite. Propiedades Químicas Tensión Interfacial (dina/cm) 28 27 28 28 Número de Neutralizació n (mgKOH/g) 0.03 0.03 0.0 2 0.03 Contenido de Agua (ppm) 53 59 57 52 Propieta rio Cooper Cooper San Mateo High School Texas Instrum ent Tipo Transform ador trifásico (Pad mounted) Transform ador trifásico (Pad mounted) Transform ador trifásico (Pad mounted) Transform ador trifásico (Pad mounted) Información del Transformador Tensi Poten ón Tensión Número cia Prima Secund de serie (kVA) ria aria (kV) (kV) Elevaci ón Tem. (ºC) Inicio de servi cio 966001 430 225 5 480 65 Jul-96 966001 429 225 5 480 65 Jul-96 370173 39 225 21 480 65 Mar00 260004 82 2500 21 480 65 Mar00 Voltaje de ruptura en % 4.1 Información técnica de los transformadores en muestra. Tabla 5. Características técnicas de los transformadores con aceite vegetal en evaluación. Tabla 6. Resultados de las muestras tomadas de aceite vegetal en transformadores Factor de Disipación (%) a 25ºC Contenido de agua (ppm) Tensión interfacial (dina/cm) Núm. De Neutraliza ción (mgKOH/g) Conductivi dad a 25ºC Especificaciones normadas AST AST IEEE IEC Coop M M C57.1 120 er D34 D52 21 3 87 22 ISFR 3-02 ISFR 3-03 ISFR 3-06 0.05 0.01 1 0.8 0.13 9 0.19 6 0.12 0.15 400 35 25 35 400 98 56 33 41 18 40 45 24 - 26 26 24 23 2.5 0.03 0.01 0.2 2 0.03 0.02 0.01 0.08 - - - - 1.1 10.6 17 12.8 13.6 Ester sintético 5. Evaluación Económica De Los Aceites Estos costos promedios expresados en forma porcentual son comparados tomando como punto de base el precio de un transformador con aceite mineral 4. Resultados de muestreo ISFR 3-01 Aceite mineral Fig. 4. resistencia a la ruptura en AC por 1 minuto para el aceite mineral y vegetal para 35,70 y 100 mm de distancia. El gráfico de la figura 4 muestra los resultados obtenidos de la rigidez y eléctrica del sistema de aislamiento aceite/carbón para los aceites dieléctricos arriba mencionados, cuando estos sistemas se encuentran sometidos a un ester AC. La diferencia de los niveles de tensión de ruptura entre el aceite mineral comparada con el ester sintéticos y natural es muy marcada para las distancias de 35 y 70 mm, mientras la diferencia es menor para la distancia de 100 mm. A continuación se muestran los resultados de las muestras tomadas de los transformadores analizados en servicio con aceite vegetal (Fr3). Parámetro s de Rendimien to 150 100 50 0 35 mm 70 mm 100… (kV) impulso Factor de disipación (%) a 25ºC Factor de disipación (%) a 100ºC ISFR3-01 y ISFR3-02, fueron las muestras recogidas de los transformadores de propiedad de: Cooper Power. ISFR3-03, Texas Instrument. ISFR-06, San Mateo High School. Fig. 4.2 Ensayos de rigidez dieléctrica del sistema de aislamiento interno (aceite/celulosa) para la evaluación del 5. Costos iniciales promedio de transformadores con aceite mineral, silicona y vegetal en porcentaje referenciados al transformador con aceite mineral. 5.1 Comparativo de costos iniciales de transformadores de 250 KVA con 5 aceite dieléctrico mineral, silicona y vegetal. La siguiente evaluación fue realizada para un transformador trifásico 10-22.9 kV/ 0.380.23kV, 250kVA. Considerando para el cálculo de costos iniciales del transformador, se tendrá en cuenta lo siguiente: (3) (4) Donde: : Costo inicial del transformador : Costo inicial del transformador sin aceite : Costo de peso del aceite dieléctrico utilizado. De las ecuaciones (3) y (4) se tiene como resultado que el costo inicial del transformador ( ) Estará en función del costo del peso del aceite ( ) Por lo tanto se tendrá: (5) 6. 6.1 Introducción Por lo general, un transformador de potencia es un dispositivo muy confiable que está diseñado para lograr una vida útil de 20-35 años y una vida mínima de 25 años a temperaturas de funcionamiento comprendidas entre 65 ºC y 95 ºC El papel impregnado con aceite se utiliza con gran profusión como aislamiento de los devanados del transformador, razón por la que en la industria rige la premisa que: La vida del transformador es la vida del papel. El aislamiento papel-aceite se degrada con el tiempo y el proceso depende de las condiciones térmicas y eléctricas, de la cantidad de agua y oxígeno como también fallos externos y sobretensiones; supervisar estos aspectos es muy importante. 6.2 Vida del transformador de potencia y vida de su aislamiento En principio, el envejecimiento de los transformadores se recoge en las guías de carga del IEEE [6] e IEC [7]. De acuerdo a ellas, el envejecimiento y la duración de vida del aislamiento del transformador podrían describirse, casi exclusivamente, por la degradación térmica de las propiedades del papel aislante ubicado entre el devanado del transformador. La relación entre la vida del aislamiento y la del transformador es una incógnita todavía sin resolver, debido al hecho conocido, que bajo ciertas condiciones, la vida del transformador puede superar la vida del aislamiento. Tabla 7. Costos iniciales de transformadores referenciados para una potencia de 250kVA. Volumen (galones) Costo de cilindro 200Kg o 55 galones Peso de aceite utilizado (Kg) Costo del peso del aceite ($) Costo del Transf ormad or ($) Transformador c/Aceite Mineral 94.64 Transformador c/Aceite Silicona 571.2 318.19 908.75 8900 94.64 1725.5 347.904 3001 10991. 25 Transformador c/Aceite Vegetal 94.64 1500 333.408 2500.56 10491. 81 De acuerdo a estudios realizados por diseñadores de transformadores, consideran que en un transformador diseñado para aceite mineral, llenado con aceite vegetal puede incrementar en un 15% su potencia nominal [5]. a) Punto de final de vida del transformador de potencia El punto de final de vida del transformador de potencia se puede clasificar de la siguiente manera: Tabla 8. Costos de transformador con aceite mineral Costos ($) Transformador c/Aceite Mineral repotenciado en 15% Análisis de la formula de envejecimiento de un transformador 1) Final de vida técnico. 2) Final de vida estratégico. 3) Final de vida económico: . 10500 Tabla 9. Cuadro comparativo de costos entre un transformador con aceite vegetal y un transformador con aceite mineral repotenciado en 15%. b) Punto de final de vida del aislamiento En dicha tabla se observa que el valor de la rigidez dieléctrica no es utilizado (entre otras variables), debido a que el daño evolutivo observado en esta variable es más lento que otros criterios. Costos ($) Transformador c/Aceite Mineral repotenciado 10500 en 15% Transformador c/Aceite Silicona 10491.81 Diferencia 8.19 6. 6 -B: constante (evaluados por la energía y la tasa de activación de una reacción química especifica). -T es la temperatura en ºK. La ecuación (6) puede representarse por (7). El modelo A-D es considerado de fatiga simple (temperatura) y es el que más se utiliza en el análisis de fatiga por temperatura en aislamiento eléctrico. Sin embargo, existen otros eventos anormales tales como sobretensiones y fallos en el sistema que son mucho más perjudiciales que el envejecimiento a largo plazo. pues su esperanza de vida depende del debilitamiento de las características mecánicas del aislamiento. Tabla 10. Definición de vida de aislamiento ** Cuba sellada. *** Acceso a la atmósfera. Nota: Un punto final levemente más conservador sería 25% de rigidez mecánica residual a una vida de 135,000 h (para un aislamiento seco). 7. Guías de Carga Se han utilizado las guías de carga como una referencia obligatoria para el cálculo de la vida del aislamiento del transformador de potencia. En ambas, el cálculo está basado en la temperatura del punto más caliente del devanado del transformador (θH) tomando en consideración el modelo A-D. Ambas guías coinciden en que el valor θH está compuesto según (8). La humedad deteriora la rigidez dieléctrica y mecánica, y bajo condiciones de sobrecarga promueve la evolución de burbujas en el aceite, con la consiguiente inestabilidad térmica del sistema de aislamiento. Por otro lado el oxígeno, en su reacción con el aceite aislante crea productos químicos derivados de la oxidación, como los ácidos, aldehídos, epóxidos, etc., que desgarran el papel molécula a molécula. Asimismo, la degradación del papel por oxígeno produce humedad, lo cual debilita el papel, degradándolo y disminuyendo así su grado de polimerización y su rigidez mecánica. Donde: -θA: temperatura ambiente. -ΔθTO: diferencia de temperatura entre la temperatura del aceite en la parte superior de la cuba y la temperatura ambiente. -ΔθH: diferencia de temperatura entre el punto más caliente del devanado y la temperatura del aceite en la parte superior de la cuba. A su vez, ΔθTO y ΔθH se definen en estado transitorio (variación de carga) de acuerdo con (9) y (10), respectivamente. Correlación entre la vida y la temperatura En la búsqueda por obtener un valor numérico aproximado de la vida del transformador de potencia, la industria ha desarrollado dos métodos: Las guías de carga, basadas en el modelo de Arrhenius-Dakin. La obtención del DP de manera directa o mediante el contenido de furanos en el aceite. Donde: -Los subíndices i y u indican los valores iníciales y finales, respectivamente. son las constantes de tiempo del aceite y del devanado, respectivamente. 1. El Modelo de Arrhenius-Dakin El modelo clásico para el cálculo de la vida remanente de un transformador de potencia ha sido el modelo de Arrhenius - Dakin1 mostrado en (6). (6) Donde: -A: vida inicial. Los valores iníciales y finales de ΔθTO y ΔθH son definidos en la guía de carga IEEE, de acuerdo con (11) y (12), sustituyendo el 7 subíndice x por el subíndice i ó u, según sea el caso. La NIL no se define de manera única, por lo que se deja al usuario la libertad de seleccionar un valor adecuado. La guía de IEEE propone algunos valores de referencia para un sistema de aislamiento bien seco. Donde: -El subíndice r indica valores a carga nominal. -K es la relación de la potencia del equipo con respecto a la potencia nominal. -R es la relación de las pérdidas a carga nominal con respecto a las pérdidas en vacío. -n y m son constantes que dependen del sistema de enfriamiento utilizado en el equipo. Aunque es bien sabido que no es correcto considerar a “n” y “m” constantes, ya que varían con las variaciones de carga. La guía IEEE propone algunos valores para estos exponentes. No existe un valor de “vida absoluta”; en su lugar, en la guía IEEE se define “la vida por unidad” (13) y el “factor de aceleración de envejecimiento” (FAA) (14). La guía IEC propone “la tasa de envejecimiento relativo” (15), la cual es doblada por cada 6 ºC de incremento (fijo) en θH (sobre una base continua). 8. Vidrios Metálicos y Aleaciones Nanocristalinas: Nuevos Materiales de Estructura Avanzada Los vidrios metálicos y las aleaciones nanocristalinas están cada vez más presentes en el mercado y su uso es más extendido como material ferromagnético aparte de otras aplicaciones. 8.1 Los vidrios metálicos El término vidrio metálico (en inglés “glassy metal”) hace referencia a un material metálico con una estructura interna sin un orden atómico como la de un vidrio. El grupo de Duwez (Klement et al 1960) del California Institute of Technology (CALTech), se encontraba investigando sobre la retención de fase en aleaciones del tipo Cu-Ag, Ag-Ge y Au-Si. El método de fabricación consistía en eyectar la aleación fundida sobre una superficie fría dando lugar a una fina capa de metal rápidamente solidificada. Enfriando rápidamente una aleación de Au80Si20 se obtuvo el inesperado resultado de un sólido con estructura atómica desordenada. En la Fig. 6 se esquematiza el proceso de obtención de un vidrio metálico en un diagrama TTT (tiempo-temperatura-transformación) tal como se muestra en la curva (a), en dónde Tm y Tg son las temperaturas del líquido (melt) y de transformación vítrea (glass) respectivamente. El material permanece en un equilibrio metaestable; por lo tanto, si es sometido a un tratamiento térmico éste puede inducir la cristalización hacia otras fases estables o metaestables como muestra el tratamiento térmico indicado con la curva (b) de la Fig. 6: en este tratamiento, el material cristaliza en la región de la curva que está rayada. Por el contrario, en la región indicada entre Tx y Tg, el material, en estado plasto-viscoso, puede ser conformado sin perder su característica de amorfo (curva (c)). El uso de (15) puede ser considerado despreciable a un θH por debajo de 80 ºC. En la guía del IEEE la ecuación (14) se usa para calcular el envejecimiento equivalente del transformador. La vida equivalente (FEQA) (en horas o días), a la temperatura de referencia, que será consumida en un período de tiempo dado t para el ciclo de temperatura dada, se calcula por (16). Con este valor el porcentaje de pérdida de vida, si la vida normal (NIL) es conocida, está definido por (17). 8 imanación de saturación, Ms, alta permeabilidad, μ, sobre todo en alta frecuencia, y baja magnetostricción, λ. Una de las más grandes ventajas que tienen los transformadores con núcleo amorfos (AMDT, de sus siglas en inglés, amorphous magnetic distribution transformers) es su bajísima pérdida en vacío; otra ventaja de los AMDT es que pueden usarse tanto para baja frecuencia como para alta. Fig. 6. Esquematización de una curva TTT para la formación y tratamientos térmicos de un vidrio metálico. Se desarrolló una aleación amorfa ferromagnética económica cuyas distintas propiedades de este nuevo tipo de material son: su capacidad de conducir corriente eléctrica (aunque en un orden de magnitud menor a la de los cristalinos), poseer un ferromagnetismo blando muy atractivo superior al de las aleaciones tradicionales y una excelente resistencia a la corrosión. Los métodos de producción resultan de tipo de la colada continua, con planar flow casting y melt spinning entre los más importantes, y consisten en el enfriamiento sobre una rueda de alta conductividad térmica y que gira a una velocidad tangencial de unos 40 m/seg- de un chorro de la aleación fundida (Fig. 7). El mayor empleo tecnológico actualmente de estas nuevas aleaciones, está en el área de los materiales magnéticos blandos, sustituyendo a los materiales magnéticos tradicionales en transformadores para la red eléctrica. 9. Materiales Nanocristalinos En 1988, investigadores de la Hitachi Metals (Yoshizawa . 1988) descubrieron un nuevo tipo de material con propiedades magnéticas blandas superiores a las de los vidrios metálicos cuyas mejoras reside en una alta imanación de saturación, magnetostricción casi nula y extremadamente baja fuerza coercitiva. El material desarrollado por la Hitachi tiene el nombre comercial de FINEMET. en el cual la estructura interna esta dividida en dos fases: la fase cristalina (o nanocristalina, más propiamente dicha) y la matriz amorfa de composición rica en Fe, B y Nb (Fig. 8). Además de los FINEMET, se encuentran las aleaciones comerciales NANOPERM Fe-M-B (M = Zr, Hf, Nb) y HITPERM (FeCo-M-B-Cu). Actualmente varias empresas comercializan pequeñas bobinas, transformadores y filtros magnéticos confeccionados con material nanocristalino. Fig. 7. Método de obtención de vidrios metálicos con la técnica de melt spinning. 8.2 Materiales para núcleos de transformadores Son llamados “blandos”, indicando el proceso que tiene el material de imanarse y desimanarse en presencia o no de un campo magnético externo; este proceso (siendo los mas tradicionales las ferritas y los aceros al silicio) debe ocurrir 100 veces en un segundo si la frecuencia de la red eléctrica es de 50 Hz. Los parámetros típicos que definen este tipo de material son: bajo campo coercitivo, Hc, alta Fig. 8. Representación esquemática de la microestructura de la aleación Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3 (Herzer 1997). El secreto de las excelentes propiedades magnéticas blandas Tanto el campo coercitivo como la permeabilidad están gobernados por la anisotropía magnética. Es decir, las propiedades magnéticas no son iguales en todas las direcciones del material, de 9 AMDT partiendo desde el material mismo. No obstante esta masiva aplicación, aún quedan mucho por investigar. manera tal que si se lo imana en una dirección responderá distinto a que si se lo imana en otra. En la Fig. 9 se representa un material cristalino con cuatro direcciones privilegiadas (o equivalentes) en las cuales el vector imanación prefiere orientarse, y un material amorfo sin ninguna preferencia por alguna dirección. 10. CONCLUSIONES 1. Los aceites vegetales no sólo aumentan el tiempo de vida útil del papel aislante, sino que al ser biodegradables no contaminan el medio. 2. Las elevaciones de temperatura presentadas por el aceite vegetal con respecto al aceite mineral deben ser tomadas en cuenta, por lo tanto se requerirán criterios técnicos para su adecuada refrigeración. Los ensayos dieléctricos mostraron la necesidad de mejorar el sistema de aislamiento con mayores márgenes de seguridad para los equipos diseñados para aceite mineral. Fig. 9. Representación de un material cristalino (anisótropo) y uno amorfo (isótropo). El vector imanación Ms puede rotar libremente en el material amorfo mientras que lo hace discretamente en el cristalino En la Fig. 10 se comparan los materiales magnéticos blandos tradicionales con los nuevos amorfos y nanocristalinos. Cuanto mayor permeabilidad y mayor imanación de saturación tengan a la vez, serán mejores materiales magnéticos blandos. 3. Las guías de carga siguen siendo la referencia, aunque hasta cierto punto conservadora, en la obtención de un valor con mayor precisión. 4. El potencial uso de estos materiales de estructura avanzada es muy grande y quedan muchas dificultades por resolver en manos de los investigadores y tecnólogos. La posible transferencia a la industria de los mismos, hace que sea aún más atractivo su estudio, conocimiento y divulgación en nuestra sociedad. 11. RECOMENDACIONES 1. Debido a la tendencia de estos aceites a la oxidación, se deberá tomar en cuenta en las condiciones de diseño, el minimizar el contacto con el aire; en todo caso se deberá utilizar un dispositivo herméticamente sellado. 2. La sustitución del aceite vegetal en transformadores diseñados para aceite mineral, debe ser realizada con mucho criterio y con previa aprobación del diseñador del transformador. Fig. 10. Comparación de materiales magnéticos blandos tradicionales (indicados sin relleno) con los nuevos amorfos y nanocristalinos (regiones con distinto rellenos) (Makino et al. 1997). El uso más difundido de los metales amorfos magnéticos es para núcleos de transformadores (actualmente limitado a 10 MVA) ya que son claves para la optimización de la energía y cuidado del medio ambiente. Existen varios proyectos en Europa para impulsar el uso de los transformadores AMDT (Leonardo Energy) mientras que en la Argentina está en elaboración un plan para el desarrollo de 12. BIBLIOGRAFÍA [1] Depuroil S.A, Presentación sobre Tratamientos de reciclaje de Aceites Eléctricos-1999.[2] Dow Corning. Aceite de Silicona. An Overview of PolydimethyIsiloxane (PDMS) Fluids Enviroment. Abril 1998.[3] Enviromental 10 Technology Verification Report, Vegetable Oil-Based Insulating Dielectric Fluid Fr3, DTSC R-02-02 / EPA 600/ R-02/042. May 2002.[4] Cooper Power Systems, Transformer Selection Guide, Bulletin 00006, USA2000.[5] Philip J Hopkinson, PE. HVOLT Inc. Panel Discussion to Focus on Natural Ester Fluids for Transformers. May 2006. 11