El aislamiento eléctrico de los transformadores de potencia en baño de aceite se constituye de la combinación de un líquido dieléctrico y sólidos celulósicos, que deben ser completamente impregnados por el líquido dieléctrico. Esto garantiza que las cavidades presentes en el aislante sólido sean rellenadas por el líquido, confiriendo así alta rigidez dieléctrica al conjunto y evitando descargas parciales que puedan acelerar considerablemente el deterioro del aislamiento. Los aceites minerales son los líquidos dieléctricos más utilizados para este propósito, a pesar de dos grandes inconvenientes: su bajo punto de inflamación y peligrosidad medioambiental (ecotoxicidad y baja biodegradabilidad). Para hacer frente a estas dos importantes limitaciones, desde hace años se han desarrollado distintos líquidos dieléctricos alternativos entre los que se encuentran los ésteres naturales y sintéticos. Sin embargo, estos líquidos poseen una mayor viscosidad que perjudica el proceso de impregnación. Surge así la necesidad de estudiar el proceso de impregnación con ésteres, aumentando el conocimiento existente y obteniendo datos cuantitativos valiosos para la industria, para facilitar la sustitución del aceite mineral por estos fluidos alternativos. En este trabajo se han realizado en el laboratorio distintos ensayos experimentales de impregnación de tres líquidos dieléctricos (aceite mineral, éster sintético y éster natural) en diversos materiales celulósicos y a diferentes temperaturas. Para complementar estos datos se ha medido el efecto de la temperatura en la tensión superficial y viscosidad de los líquidos dieléctricos, sus principales propiedades con influencia en la impregnación. La impregnación con los ésteres es considerablemente más lenta que con el aceite mineral, como consecuencia de su mayor viscosidad. Elevando la temperatura se consigue acelerar la impregnación al reducirse la viscosidad, aunque afecta negativamente a la presión capilar. Con los datos recopilados se ha realizado un estudio comparativo de las características de impregnación de diferentes combinaciones de sólido y líquido dieléctrico, y se han planteado ecuaciones para estimar el tiempo necesario para completar la impregnación de cada una de estas combinaciones en función de la temperatura de impregnación. Los resultados de impregnación han sido comparados con un modelo analítico elaborado a partir de los datos experimentales obtenidos en el laboratorio, observándose buena concordancia entre ambos. Finalmente, para completar el estudio se ha planteado un primer acercamiento a la elaboración de un modelo numérico del proceso de impregnación. Este modelo se ha construido con la herramienta COMSOL Multiphysics y permite observar la influencia de la temperatura en la capilaridad de los distintos líquidos dieléctricos estudiados.
The electrical insulation of oil-immersed power transformers is a combination of insulating liquid and cellulosic solids, which requires full impregnation in the insulating liquid. This ensures that the air cavities present in the solid insulator are filled by the liquid, conferring high dielectric strength to the assembly and avoiding partial discharges that can significantly accelerate the deterioration of the insulation. Mineral oils are most commonly used the insulating liquids for this purpose, despite two major drawbacks: low fire point and environmental hazard (ecotoxicity and poor biodegradability). To deal with these two important limitations, different alternative insulating liquids have been developed, including natural and synthetic esters. However, these liquids have a higher viscosity that impairs the impregnation process. This motivates the need to study the impregnation process with esters, bolstering existing knowledge and obtaining valuable quantitative data for the industry, to facilitate the replacement of mineral oils with these alternative liquids. In this work, different experimental tests of impregnation of three insulating liquids (mineral oil, synthetic ester and natural ester) in various cellulosic materials and at different temperatures have been carried out in the laboratory. To complement these data, the effect of temperature on the surface tension and viscosity of insulating liquids has been measured, as these are the main insulating liquid properties that affect the impregnation. Impregnation with esters is considerably slower than with mineral oil, as a consequence of its higher viscosity. Raising the temperature can accelerate the impregnation by reducing the viscosity, although it negatively affects the capillary pressure. With the data collected, a comparative study of the impregnation characteristics of different combinations of solid and insulating liquid has been carried out, and equations have been proposed to estimate the time required to complete the impregnation of each of these combinations at different impregnation temperatures. These impregnation results are consistent with an analytical model developed from the experimental data obtained in the laboratory. Finally, to complete the study, a first approach to the elaboration of a numerical model of the impregnation process has been proposed. This model, built using the simulation software COMSOL Multiphysics, shows the influence of the temperature on the capillarity of the different insulating liquids studied.
