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/guzlopster@gmail.com guzlopnano@gmail.com facebook.com/guzlopstertwitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - 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 investiga-ción 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 pe r sona l docente jugará un r o l de tu to r, f ac i l i t ador y conductor de p r oyec tos

de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas 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

1

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

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. 1. INTRODUCCIÓN Los aislantes líquidos son permanentemente usados en las

ALTERNATIVAS ECOLÓGICAS PARA

TRANSFORMADORES DE POTENCIA

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: rvillanuevaure@yahoo.es

PALABRAS-CLAVE: Transformador de Potencia, Energía Eléctrica, PCB, Dieléctrico, Biodegradable, Medio Ambiente.

Lugar y fecha de elaboración del documento: Lima. 2011 Tema:

Área:

XIX CONIMERA

Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica, Eléctrica y Ramas Afines

2

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.

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.

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.

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

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: 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.

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:

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

3

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:

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. 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:

(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:

(2)

Las curvas descritas por las ecuaciones (1) y (2) se muestran a continuación:

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. 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. Tabla 1. Diferencia entre los puntos de inflamación y combustión del aceite mineral, silicona y vegetal

0.1

2.1

4.1

6.1

8.1

80 95 110 125 140 155 170

"(1)"

"(2)"

4

Fig. 3. Puntos de inflamación y combustión del aceite mineral, silicona y vegetal Tabla 2. Características técnicas del aceite mineral, vegetal y silicona

Fís

ica

s

Aspecto visual

Claro, limpio y libre de

materiales en suspensión

Claro y brillante

ASTM D1524

Color máximo 15 1 0.5 ASTMD1500

Punto de anilina ºCmin 63 ASTM D611

Punto de inflamación, mínimo ºC

300 275 145 ASTM D92

Punto de combustión, mínimo ºC

340 300 ASTM D92

Punto de fluidez, máximo ºC -50 -10 -40 ASTM D97

Tensión Interfacial

(dinas/em) mín a 25ºC

40 ASTM D971

Gravedad específica a

15ºC

ASTM D1298 Gravedad

específica a 25ºC

0.957/

0.964

Viscosidad cinemática a

0ºC

81/ 92

Viscosidad cinemática a

20ºC 150

ASTM D445 Viscosidad

cinemática a 40ºC

35/ 39 50 12

Viscosidad cinemática a

100ºC

15/ 17 15 3

Características Fluido

de silicona

Aceite Vegetal

Aceite Mineral

Método de

ensayo

Elé

ctr

ica

s

Tensión de ruptura dieléctrica

a 60Hz min. 35 30 30 ASTM

D877

Factor de potencia a 60Hz % a 25ºC máx.

0.01 0.2 0.3 ASTM D924 Factor de

potencia a 60Hz % a 100ºC máx.

40 0.05

Qu

ímic

as

Azufre corrosivo No corrosivo

No corrosivo

ASTM D1275

Contenido de agua, máximo

ppm 50 200 30 ASTM

D1533

Número de neutralización ( mg KOH/g )

max

0.01 0.06 0.025 ASTM D974

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”.

Comparativo medioambiental:

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.

Tabla 3. Comparativo de las razones de biodegradación del aceite mineral y vegetal

Razones de Biodegradación

Componente Cooper ETV Universidad

de Liege CONCAWE USACE TERC

Aceite

vegetal Fr3

120%+33% después de

28 días - - -

98% después

de 28 días

Aceite

mineral -

70% después de

28 días

28% después de

28 días

42-49% después

de 28 días

30.5% después

de 28 días

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]. Tabla 4. Resultados de las muestras tomadas de aceites vegetales nuevos Parámetro

s de Rendimie

nto

Especificaciones normadas

Resultados de muestreo

Promedio Lot

01D1 Lot 01C6

Lot 01P2

Cooper

ASTM D3487

VRF3-01

VRF3-05

VRF3-07 VRF3

-10

Propiedades Físicas

Pour Point (ºC)

-18 -40 -18 -18 -18 -18 -18

Viscosidad (cSt) a

100ºC 8 7.88 7.9 7.95

Viscosidad (cSt) a

40ºC 32.63 32.67 32.79 32.74 32.71

1

Viscosidad (cSt) a

0ºC NA 76 188.01 187.14 187.53 187 72

Propiedades Dieléctricas

Rigidez dieléctrica

(kV) mínimo

45 45 45 46

Rigidez dieléctrica (kV) gap

36 37 34 39

Rigidez dieléctrica

- 170 168 164 168

Aceites Dieléctricos

Aceite Mineral Nytro

4000X

Fluido de silicona Down Corning 561

Aceite Vegetal Fr3

Punto de inflamación, mínimo ºC 148 300 330

Punto de combustión, mínimo ºC 165 350 360

5

(kV) impulso

Factor de disipación

(%) a 25ºC

0.127 0.159 0.157 0.127 29

Factor de disipación

(%) a 100ºC

- 2.7 3.17 3.23 2.46

Propiedades Químicas

Tensión Interfacial (dina/cm)

28 27 28 28

Número de Neutralización (mgKOH/g)

0.03 0.03 0.02 0.03

Contenido de Agua (ppm)

53 59 57 52

4.1 Información técnica de los transformadores en muestra.

Tabla 5. Características técnicas de los transformadores con aceite vegetal en evaluación.

Propietario

Información del Transformador

Tipo Número de serie

Potencia

(kVA)

Tensión

Primaria

(kV)

Tensión Secundaria (kV)

Elevación

Tem. (ºC)

Inicio de

servicio

Cooper

Transformador

trifásico (Pad

mounted)

966001430 225 5 480 65 Jul-96

Cooper

Transformador

trifásico (Pad

mounted)

966001429 225 5 480 65 Jul-96

San Mateo High

School

Transformador

trifásico (Pad

mounted)

37017339 225 21 480 65 Mar-

00

Texas Instrum

ent

Transformador

trifásico (Pad

mounted)

26000482 2500 21 480 65 Mar-

00

A continuación se muestran los resultados de las muestras tomadas de los transformadores analizados en servicio con aceite vegetal (Fr3). Tabla 6. Resultados de las muestras tomadas de aceite vegetal en transformadores

Parámetros de

Rendimiento

Especificaciones normadas Resultados de muestreo

Cooper

ASTM

D3487

ASTM

D5222

IEEE C57.1

21

IEC 1203

ISFR3-01

ISFR3-02

ISFR3-03

ISFR3-06

Factor de Disipación (%) a 25ºC

0.05 0.01 1 0.8 0.139

0.196 0.12 0.15

Contenido de agua (ppm)

400 35 25 35 400 98 56 33 41

Tensión interfacial (dina/cm)

18 40 45 24 - 26 26 24 23

Núm. De Neutraliza

ción (mgKOH/g)

2.5 0.03 0.01 0.2 2 0.03 0.02 0.01 0.08

Conductividad a 25ºC

- - - - 1.1 10.6 17 12.8 13.6

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.

4.2 Ensayos de rigidez dieléctrica del sistema de aislamiento interno (aceite/celulosa) para la evaluación del

aceite vegetal en un transformador señalado para uso con aceite mineral.

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.

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. 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.

Fig. 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

050

100150

35 m

m

70 m

m

100 …

Vo

ltaj

e d

e

rup

tura

en

% Aceite mineral

Ester sintético

6

aceite dieléctrico mineral, silicona y vegetal. La siguiente evaluación fue realizada para un transformador trifásico 10-22.9 kV/ 0.38-0.23kV, 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)

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

Transformador ($)

Transformador c/Aceite Mineral 94.64 571.2 318.19 908.75 8900

Transformador c/Aceite Silicona 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]. Tabla 8. Costos de transformador con aceite mineral

Costos

($)

Transformador c/Aceite Mineral repotenciado en 15%

10500

Tabla 9. Cuadro comparativo de costos entre un transformador con aceite vegetal y un transformador con aceite mineral repotenciado en 15%.

Costos

($)

Transformador c/Aceite Mineral repotenciado en 15%

10500

Transformador c/Aceite Silicona 10491.81 Diferencia 8.19

6.

6. Análisis de la formula de

envejecimiento de un transformador

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.

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: 1) Final de vida técnico. 2) Final de vida estratégico. 3) Final de vida económico: .

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.

7

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). 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. 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.

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.

-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. 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).

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.

Donde: -Los subíndices i y u indican los valores iníciales y finales, respectivamente. - son las constantes de tiempo del aceite y del devanado, respectivamente. 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

8

subíndice x por el subíndice i ó u, según sea el caso.

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).

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).

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.

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)).

9

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.

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

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. 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 (Fe-Co-M-B-Cu). Actualmente varias empresas comercializan pequeñas bobinas, transformadores y filtros magnéticos confeccionados con material nanocristalino.

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

10

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.

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.

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

AMDT partiendo desde el material mismo. No obstante esta masiva aplicación, aún quedan mucho por investigar. 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.

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.

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

11

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, USA-2000.[5] Philip J Hopkinson, PE. HVOLT Inc. Panel Discussion to Focus on Natural Ester Fluids for Transformers. May 2006.