Alternativas ecológicas para transformadores de

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/
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Lima - Perú
PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)
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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
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Tratamientos de reciclaje de Aceites
Eléctricos-1999.[2] Dow Corning. Aceite
de
Silicona.
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Overview
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PolydimethyIsiloxane (PDMS) Fluids
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10
Technology
Verification
Report,
Vegetable
Oil-Based
Insulating
Dielectric Fluid Fr3, DTSC R-02-02 /
EPA 600/ R-02/042. May 2002.[4]
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HVOLT Inc. Panel Discussion to Focus
on
Natural
Ester
Fluids
for
Transformers. May 2006.
11