Capítulo 2

MATERIALES DIELECTRICOS DE TRANSFORMADORES 2.1. Estructura dieléctrica tradicional La combinación tradicional de materiales dieléctricos de transformadores consiste en una combinación de materiales sólidos en base de celulosa orgánica, impregnada e inmersa en aceite mineral derivado de petróleo. Las ventajas de esta combinación son básicamente: Adecuado equilibrio de propiedades eléctricas y térmicas entre las componentes Confiabilidad de los diseños en el rango adecuado de solicitaciones eléctricas,

mecánicas y térmicas Pronóstico de larga vida útil bajo adecuadas condiciones de supervisión y

mantenimiento. Costo razonable en relación a otras componentes activas del transformador Materiales compatibles con el medio ambiente, en el marco de un producto de uso

industrial de formato encapsulado. Son conocidas las limitaciones de esta combinación: Baja clase térmica (aplicación límite de 130 ºC) Diferencia de permitividad entre la celulosa y el aceite ( >2 ) Sensibilidad higroscópica e inestabilidad de sus propiedades en presencia de

humedad Riesgo de inflamabilidad bajo condiciones críticas. En consecuencia, existe inquietud en la Ingeniería de Transformadores para innovar, cuando las aplicaciones lo ameriten, hacia nuevas combinaciones dieléctricas en la estructura aislante.

Derivados de Celulosa. La celulosa es una macro molécula de unidades de glucosa (polisacárido), de origen vegetal. Su estructura es fibrosa, con fibras de 15 a 30 m de diámetro y longitud entre 1 y 20 mm.

Fig. 2.1: Fórmula química de la celulosa

Fig. 2.2 : Macromolécula de la celulosa

La celulosa de aplicación eléctrica se obtiene normalmente de pulpa de madera de pino, hervida en una solución alcalina. Eventualmente puede emplearse pulpa de álamo o paja de arroz. El producto debe ser puro, libre de resinas, ligninas y residuos alcalinos, lo que se consigue después de sucesivos lavados. La permitividad relativa de la celulosa pura es del orden de 6. En el papel y en las placas de celulosa, se aprecia como cualidades esenciales su resistencia mecánica, la densidad, la impermeabilidad, la porosidad y la homogeneidad adecuadas. Para mantener estas propiedades, estos materiales deben trabajar en un medio sellante. El papel se utiliza en inmersión de un dieléctrico líquido, en tanto las placas se prensan con resinas sintéticas o naturales. Características del papel impregnado en aceite mineral. Permitividad relativa, en ausencia de humedad: 3,0 < r < 3,6

Fig. 2.3 : Permitividad relativa de placas y papeles de celulosa, a 20ºC

Factor de pérdidas, a 20 ºC: tan 2 ·10-3 100 ºC: tan100 < 3 · 10-3

Fig. 2.4 Variación del factor de pérdidas de placas de celulosa en función de la temperatura Solicitación de diseño: 100 a 150 kV / mm En general, se trabaja con elevados factores de seguridad (>10), para compensar la degradación por descargas parciales que aparecen con el uso.

Fig. 2.5 : Iniciación de descargas parciales, placa de celulosa impregnada

Límite térmico: 100 a 110 ºC Temperatura de diseño para trabajo sostenido: < 75 ºC Este límite se evalúa por el efecto de envejecimiento térmico en un tiempo determinado, expresado como disminución de la rigidez mecánica a la tracción de cintas normalizadas (Norma IEEE 1 – 1986) La siguiente figura ilustra un estudio de este tipo efectuado sobre placas de celulosa de 5 mm de espesor, impregnadas en aceite y sometidas a diferentes temperaturas de envejecimiento:

Fig. 2.6 : Envejecimiento de cintas de papel para evaluación del límite térmico Sensibilidad a contenido de humedad: Fig. 2.7 : Sobre-temperatura del papel impregnado Fig. 2.8 : Variación de la vida útil del papel según contenido de humedad . según contenido de humedad.

Aceites minerales Composición Se distingue dos grupos de aceites minerales: a) Aceites parafínicos: contienen más de un 66% en volumen de cadenas orgánicas

lineales, como ser: b) Aceites nafténicos: contienen más de un 66% en volumen de cadenas orgánicas

cíclicas saturadas, por ejemplo: Ambas bases pueden contener un orden de 30% del grupo menor y hasta un 10% de hidrocarburos aromáticos, esto es de estructuras no saturadas, como grupos bencénicos: Composición típica: Parafinas : 66% Naftenos : 30% Aromáticos : 4%

Características físicas medias:

Densidad : 0,87 [gr/cm3] Permitividad : 2,2 [-] Viscosidad (20ºC): 37 [cS] Factor de pérdidas: 10-4 (25 ºC), 10-3 (85ºC) Estabilidad térmica: hasta 100ºC Punto de inflamaión: 145 ºC Rigidez dieléctrica: >200 [kV/cm]

Calor específico: 0,5 [Cal/ºC] Envejecimiento: El aceite se degrada por la acción del campo eléctrico elevado y por excesiva temperatura de trabajo. El contacto con cuerpos metálicos (cobre, fierro) actúa como catalizador. El envejecimiento del aceite se manifiesta como un proceso de oxidación, producto del cual segrega materias ácidas, hidrocarburos de bajo peso molecular, agua y gases. Se distingue dos procesos de oxidación: a) Oxidación por extremo de cadena, en que el oxígeno conforma un radical OH, de

fuerte momento dipolar, que provoca un aumento del factor de pérdidas: H H | | − C H + ½ O2 − C − O − H | | H H b) Oxidación por polimerización, en que el oxígeno actúa como puente entre dos

moléculas de aceite, con el consiguiente aumento de la viscosidad:

H | − C H | H H H

+ O2 − C − O − C − + H2 O H | H H − C H | H

La liberación de agua disminuye la rigidez dieléctrica del aceite, pero afecta fundamentalmente al papel que trabaja asociado al aceite en la mayoría de las aplicaciones.

Fig. 2.9 : Rigidez dieléctrica a impulso del papel impregnado en función de la humedad Los procesos de oxidación se catalizan por actividad de descargas parciales en micro burbujas, las que generan ozono, elemento especialmente activo en los procesos de oxidación. La oxidación se previene mediante procesos de neutralización, desgasificación y secado o agregando inhibidores en forma controlada. Gases disueltos Los eventos relativos al envejecimiento se van registrando en el aceite en forma de gases disueltos. La actividad de descargas parciales produce mayormente Hidrógeno y Metano (CH4). Los arcos de mayor energía producen cantidades importantes de acetileno. El contacto con metales a temperaturas de 200 a 300 ºC produce una variedad de gases en pequeñas dosis. Por otra parte, el calentamiento y las descargas provocan efectos sobre el papel, que segrega monóxido y dióxido de carbono en grandes cantidades. De esta forma, el análisis de los gases disueltos permite la detección de fallas puntuales o permanentes que afecta al transformador bajo estudio. Si el proceso de control es regular, constituye una herramienta de diagnóstico preventivo. Humedad La presencia de humedad en el aceite se origina en dos causas principales: subproducto de la oxidación y contacto con el aire atmosférico.

Un transformador en operación normal puede contener entre 10 a 20 [mg/kg], esto es 10 a 20 ppm. Se considera un límite prudente 40 ppm, para ordenar un proceso de secado. Inhibidores de oxidación El proceso de oxidación se inhibe con aditivos denominados antioxidantes (A.O.) El A.O. más difundido es el DBPC ( 2,6 ditert – butilperesol ) y en menor grado el DBP ( 2,6 ditert – butil fenol ). La actividad del A.O. dura un tiempo definido, llamado período de inducción, durante el cual previenen la formación de peróxidos con radicales libres, especialmente en la fracción de hidrocarburos saturados, y las consecuentes reacciones de oxidación. La figura siguiente ilustra la actividad de oxidación del aceite en función del tiempo, a través de algunas variables que reflejan su envejecimiento: Tiempo de oxidación

Figura 2.10 : Oxidación del aceite mineral

Períodos: I Inducción Curvas: 1 Contenido de A.O. II Oxidación acelerada 2 Contenido de cobre III Saturación 3 Tensión interfacial

4 Contenido de peróxidos 5 Acidez

6 Contenido de barros Los parámetros eléctricos tan y resistividad volumétrica reflejan de manera bastante exacta el proceso de oxidación señalado anteriormente, y se emplean como criterios de análisis y diagnóstico para este objetivo.

Reacondicionamiento del aceite mineral El proceso de tratamiento de aceites degradados se ilustra en la siguiente figura:

Unidad de reacondicionamiento del aceite mineral

El aceite se tempera a un rango de 30 – 60 [ºC] y se filtra antes de pasar a la etapa de desgasificación por vacío (< 10 mbar ), en que el aceite es expuesto a grandes superficies para facilitar la extracción de humedad y gases disueltos. En la etapa final del proceso, después de varias recirculaciones, se puede agregar los inhibidores de oxidación. Los aceites reacondicionados tienen, en el mejor de los casos, una vida útil del orden del 50 [%] en relación al aceite nuevo.

2.2. Innovaciones en la fase líquida Askareles Esta innovación ( Du Pont, 1930 ) estuvo relacionada con el uso de transformadores en recintos con riesgo de incendio catastrófico (minería subterránea, edificios de altura, transporte público de tracción eléctrica, etc. ). Son líquidos sintéticos, resultado de mezclar bifenilos policrorinados y policlorobencenos y se les conoció genéricamente como askareles. La experiencia mostró la toxicidad de estos productos tanto en la fase de fabricación y manipulación, como en su descomposición por efectos de pirólisis. Actualmente, su fabricación y comercialización está prohibida universalmente, quedando en operación sólo unidades de difícil reemplazo, sujetas a catastro oficial y permanente supervisión para prevenir fugas. La necesidad de mantener la característica de no-inflamabilidad, pero bajo compatibilidad total con usuarios y medio ambiente, llevó al desarrollo de dos líneas de productos de reemplazo: aceites de silicona y ésteres sintéticos. Siliconas La estructura molecular de mejor comportamiento para fines dieléctricos es la cadena lineal polidimetilsiloxano: Las propiedades más destacables de este fluido son: Elevada estabilidad térmica Baja actividad química Elevado punto de inflamación Auto-extinción de encendido Compatible con el medio ambiente

Limitaciones de los líquidos de silicona son: Para distancias de arco elevadas, la rigidez dieléctrica disminuye considerablemente Propiedades de transferencia térmica inferiores a las del aceite mineral Coeficiente de dilatación cúbica elevado Residuos de polimerización bajo actividad de descargas parciales. Esteres sintéticos Son estructuras orgánicas de gran estabilidad térmica, conformadas sobre la base de ester-carboxilatos:

Penta – eritritol – éster Ri = radicales con varios átomos de carbón Sus cualidades más destacables son: Estabilidad térmica y química Compatibilidad biológica, fisiológica y ambiental Sus limitaciones: Elevada viscosidad Inestabilidad del factor de pérdidas por efectos de hidrólisis

Inhibidores de electrificación por circulación En años recientes se ha empleado especial atención a fenómenos de descarga eléctrica al interior de transformadores, originados en la acumulación de energía electrostática por efecto de la circulación del aceite. La siguiente figura ilustra el proceso de separación de cargas en el sistema dieléctrico:

Distribución de iones en una estratificación dieléctrica papel – aceite

La circulación del aceite a través de los ductos de refrigeración y bombas, induce carga electrostática dispersa en el volumen líquido. La celulosa ofrece radicales OH que resultan especialmente adecuados para la atracción de iones negativos, formándose una película de carga sobre la superficie sólida. Los iones positivos del aceite se acumulan formando una pantalla con carga de signo opuesto frente al papel, con lo cual se constituye un condensador capaz de acumular suficiente energía electrostática para generar una descarga. El proceso se cataliza con el envejecimiento y polimerización de la celulosa, la temperatura, la velocidad de circulación y la turbulencia del flujo. Una forma de atenuar el fenómeno es disminuir la velocidad de circulación y mejorar el proceso de bombeo para evitar turbulencias. Pero la solución más eficiente es el em`pleo de inhibidores de ionización, como el alkyl-benceno y el benzotriazol (BTA), que operan como absorbedores de carga iónica.

Tabla comparativa de propiedades de líquidos dieléctricos

Propiedad

Unidad

Aceite mineral

Silicona

Ester

Permitividad (25ºC) Peso específico (25ºC) Viscosidad cinética (25ºC) (100ºC) Punto de congelamiento Conductividad térmica (25ºC) Calor específico (40ºC) Coeficiente de expansión Punto de inflamación Punto de auto-encendido Calor de combustión Comportamiento al fuego

-

g/cm3

mm/s

ºC

W/mK

J/gK

1/K

ºC

ºC

kJ/g

2,2 – 2,4

0,84 –0,88

11 – 18 1,5,- 2,5

-40 a –60

0,132

1,93

8 · 10-4

130 – 160

330

46

Quema

2,7

0,96

50 16

-55

0,151

1,53

10 · 10-4

305

430

32

Auto extingue

3,2

0,98

90 6

-52

0,155

2,1

8 · 10-4

257

435

37

Quema

NOTA: La transferencia de calor se efectúa principalmente por convección. El índice de convección N se expresa: N = K3· A · C / } n K = conductividad térmica A = coeficiente de expansión C = calor específico = viscosidad n = 0,25 – 033 Se observa que N es fundamentalmente dependiente de K, e inversamente dependiente de . Como A y C no varían con la temperatura, los factores regulantes de la transferencia de calor son K y . Deseable es un valor elevado de K y un valor de decreciente con la temperatura.

2.3 . Innovaciones en la fase sólida Elevación del índice térmico El índice térmico (I.T.) de la celulosa está en el orden de los 105 ºC (IEC 216). Este límite condiciona desarrollos en grandes transformadores, y se ha logrado progresos con las siguientes innovaciones: Celulosa estabilizada por procedimientos térmicos y de impregnación ofrecen un

índice térmico del orden de 120 ºC, con un 3 a 4 % en peso de aditivos impregnantes ( melamina, amida poliacrílica...)

Papel de aramida aromática, conocida por la marca comercial NOMEX (Du Pont),

cuya estructura elemental es: Poli – m fenilen-isoftalamida Copos y fibras de esta sustancia se procesan en máquinas de papel sin aditivos ni material de relleno. El papel es luego calandriado a alta temperatura y presión, resultando un producto denso y no poroso. El I.T. del NOMEX está sobre los 200 ºC, y en aplicaciones con líquidos de base mineral, trabaja poco exigido.

Fig. 2.10 : Curva de Arrhenius para esperanza de vida de celulosa y aramida en aceite (Basada en pérdida del 50% de resistencia a la tracción)

Disminución de la permitividad relativa En una estratificación de dos materiales dieléctricos de espesores d1 y d2 , sometidos a solicitación de campo homogéneo, las solicitaciones en cada uno de los materiales, quedan en proporción inversa de las permitividades:

E1 : E2 = : 1

Para el caso particular de celulosa – aceite, con permitividades relativas en el orden de 4 y 2 respectivamente, los esfuerzos resultantes quedan en proporción 2:1, siendo el aceite el material más solicitado, con el agravante de poseer menor rigidez dieléctrica que el papel impregnado. Un mejor equilibrio de las permitividades favorecería elevar la solicitación eléctrica del sistema y la compactación de los transformadores. La siguiente figura muestra la variación de este parámetro en combinaciones diversas y para distintos espesores del elemento sólido:

Fig. 2.11 : Permitividad relativa de placas y papeles

Disminución de la higroscopicidad Efectos de la presencia de humedad en los papeles y placas: Disminución de la rigidez dieléctrica Aumento de la actividad de descargas parciales Degradación de las propiedades mecánicas Comentarios acerca de los efectos de la humedad en placas y papeles: En estado de almacenamiento, las placas de celulosa normal (Prespan) toman una humedad de equilibrio en el orden de 8% en peso. Al secarse para su impregnación, presentan encogimientos dimensionales en el orden de 1% en longitud, 1,5 % en anchura y hasta 6 % en espesor. Estos porcentajes disminuyen a la mitad en placas comprimidas térmicamente (Prespan especial) En el mejor de los casos, una plancha de 4 [m] de largo por 2 [m] de ancho puede encoger 20 [mm] en el largo y 14 [mm] en el ancho. El proceso de secado requiere un control fino de gradiente térmico a fin de no concentrar efectos de vaporización violenta que ocasionarían erupciones y agrietamientos. Los mejores resultados se obtienen con procesos de secado de vapor sobre-calentado o hielo seco de CO2 . Tras el proceso de secado, es inevitable una re-absorción de humedad, estimada aceptable hasta en un 0,5 % en peso, para lo cual la faena de encapsulamiento en el tanque debería completarse antes de las 8 horas siguientes al retiro del horno. La impregnación bajo vacío debe ser igualmente un proceso inmediato para evitar efectos higroscópicos, que una vez sellados por el aceite resultan de difícil eliminación. Estudios para bloquear la absorción de humedad en la celulosa mediante sellos químicos no han resultado prácticos, pues disminuyen sus propiedades mecánicas. Los productos de aramida también requieren un secado regular, ya que en estado normal de almacenamiento absorben humedad hasta en un 5 % en peso. Los efectos de encogimiento son algo menores que en los materiales de celulosa.

Sistemas dieléctricos de alta temperatura ( IEEE 1276 - 1997)* Son sistemas compuestos por materiales aislantes de elevado índice térmico inmersos en líquidos impregnantes convencionales o especiales, que permiten la operación de transformadores por encima de los 120 ºC, considerado el límite práctico de los sistemas en base celulosa. El objetivo de estos sistemas se puede interpretar en dos direcciones: Aumentar la potencia eléctrica del transformador manteniendo el volumen de

material activo (núcleo y conductores), o Mantener la potencia con ahorro de material activo. Las siguientes figuras ilustran los beneficios de incrementar el gradiente térmico entre el devanado y el aceite, W / O

Fig. 2.12 : Relación entre incremento de potencia y aumento de W / O

(*) IEEE STD. 1276–1997: ”IEEE TRIAL-USE FOR THE APPLICATION OF HIGH – TEMPERATURE INSULATION MATERIALS IN LIQUID IMMERSED POWER TRANSFORMERS”

Fig. 2.13 : Relación entre la reducción de peso activo y W / O

2.4 Normas de ensayo de materiales dieléctricos, ASTM Aceites derivados de petróleo ( ASTM D 117 )

Propiedad

Norma

Significado

Punto anilina D 611 Mínima temperatura para la cual iguales volúmenes de anilina y aceite son miscibles

Coeficiente expansión térmica

D 1903 Valor requerido para diseño de tanques y sistema refrigerante

Color y examen visual D 1500 Aumento del índice de color es indicador de deterioro, el examen visual ratifica la ausencia de contaminantes físicos

Punto de inflamación

D 92 Temperatura a la cual el aceite genera suficiente vapor para formar con el aire una mezcla inflamable.

Tensión interfacial D 971 D 2285

Un valor elevado indica ausencia de contaminantes polares

Punto congelamiento

D 97 Mínima temperatura a la cual el aceite fluye

Peso específico

D 287 Influye en la transferencia de calor

Viscosidad D 88 Influye en la transferencia de calor y diseño del sistema refrigerante

Análisis de gases D 3612

La tendencia de absorción de gases por el aceite es indicador del estado general del aislamiento

Rigidez dieléctrica D 877 D 1816 D 3300

Indica la capacidad de resistir solicitaciones de tensión de frecuencia industrial., criterio de diseño y mantenimiento.

Factor de pérdidas D 924 Un elevado valor de la tan indica alto grado de contaminación soluble

Resistividad D 1169 Un elevado valor de la resistividad indica bajo contenido de iones libres

Acidez D 1534 Un valor elevado indica oxidación y pérdida de propiedades físicas.

Humedad D 1533 Se requiere bajo contenido de humedad para sostener las cualidades físicas y químicas del sistema aislante

Aceite de Silicona ( ASTM D 2225 )

Propiedad

Norma

Significado

Color D 2129 Cambios de color o transparencia indican deterioro Punto inflamación D 92 Temperatura a la cual se generan gases inflamables Punto congelamiento D 97 Mínima temperatura a la cual el aceite fluye Peso específico D 1298 Influye en la transferencia de calor Viscosidad D 445 Influye en la refrigeración del transformador Permitividad D 924 Influye en la distribución de esfuerzos dieléctricos Rigidez dieléctrica D 877 Resistencia a solicitaciones de frecuencia industrial Factor de pérdidas D 924 Indica ausencia o presencia de contaminantes solubles Resistividad D 1169 Indica nivel de contenido de iones libres Papeles y placas

Propiedad

Norma

Significado

Ensayos

D 202 Muestreo y ensayos de papeles vírgenes para uso eléctrico

Tipos y grados

D 1305 Graduación de papeles y placas, tipo sulfato o estratificadas

Ensayos de papeles y placas impregnadas

D 2413 Preparación y ensayos eléctricos de papeles y placas aislantes impregnadas en dieléctrico líquido, con espesor mínimo de 0,05 mm y máximo 6 mm

Muestreo y ensayo de placas estructurales

D 3394 Preparación y ensayo de placas fibrosas o porosas de uso dieléctrico o estructural en aparatos eléctricos

Placas eléctricas D 4063 Especificaciones para placas aislantes de sulfato celulosa , pulpa de algodón, empleadas en transformadores y otros aparatos como aislamiento o estructura.

Rigidez a la tracción y elongación mecánica

D 828 Ensayo de elongación y ruptura requerido para evaluación de envejecimiento

Rigidez dieléctrica D 149 Ensayo de ruptura a solicitación eléctrica de 50 Hz, con prograsión rápida de tensión.

Permitividad y Factor de pérdidas ( tan )

D 150 Ensayo dieléctico en condensadores normalizados, para solicitación de tensión alterna, en un rango de frecuencia.

Requerimientos límites del aceite mineral ( ASTM D 3487 ) *

Propiedad

Norma

Límite para Aceite tipo I

Límite para aceite tipo II

Punto anilina [ º C] D 611 63 - 84 63 – 84 Color, máximo grado D 1500 0,5 0,5 Pto. Inflamación [ ºC] D 92 145 min 145 min T. Interfacial [dina/cm] D 971 40 min 40 min Pto. Congelamiento [ºC] D 97 - 40 - 40 Peso espec. 15 ºC [g/cm3] D 1298 0,91 max 0,91 max Viscosidad, 100 ºC [cS] D445 - D88 3,0 max 3,0 max Viscosidad, 40 ºC [cS] Id 12,0 máx 12,0 máx Viscosidad, 0 ºC [cS] Id 76,0 max 76,0 max Rigidez Diel. 25 ºC, [kV] D 877 30 min 30 min Rigidez Diel. Elect. VDE, 1,02 mm , [kV] 2,03 mm , [kV]

D 1816

28 min 56 min

28 min 56 min

Rigidez Diel. Impulso Aguja (-) / esfera a tierra d = 25,4 mm , 25 ºC

D 3300

145 min

145 min

Tan , 50 Hz, 25 ºC 100 ºC

D 924 5 · 10 –4 max 30 · 10 –4 max

5 · 10 –4 max 30 · 10 –4 max

Humedad , [ppm] D 1533 35 max 35 max Estabilidad oxidación D 2440 0,3 % lodos ácidos en 72 horas 0,2 % lodos ácidos en 72 hs. Acidez total [mg KOH /g] D 974 0,03 max 0,03 max Inhibidores Ox [% masa] D 1473 0,08 max 0,3 max (*) Aceites Tipo I : estabilidad a oxidación normal Aceites Tipo II : estabilidad a oxidación elevada