An experimental, analytical and numerical study of the mechanical failure of the cellulosic insulation of continuously transposed conductors in power transformers under the influence of short circuits and thermal ageing

Abstract

RESUMEN: El papel dieléctrico de un transformador de potencia está sometido a un proceso de envejecimiento, producido por altas temperaturas y reacciones químicas en el aceite dieléctrico. Las fuerzas electromagnéticas que afectan a los conductores pueden producir la rotura del papel, llegando a causar el fin de la vida útil del transformador. Para mejorar la comprensión de estos fenómenos, un conductor continuamente transpuesto (CTC) con cuatro capas de dieléctrico (papel Kraft ordinario y tipo crepe) fue impregnado en aceite nafténico y envejecido durante diferentes periodos, representando toda su vida útil. Muestras del CTC fueron sometidas a deformaciones de flexión compatibles con un cortocircuito, analizándose las grietas generadas en el papel. El papel dieléctrico envejecido fue caracterizado mecánicamente (a tracción, compresión y tangencialmente), y el ensayo a flexión se simuló numéricamente en ANSYS Static Structural, para estimar las deformaciones en el papel. Dos criterios analíticos de fallo (máxima deformación y criterio de Norris) fueron adaptados para predecir las regiones del papel dieléctrico susceptibles de fallar para un estado de envejecimiento y deformación impuesta determinados, obteniendo predicciones coherentes con los resultados experimentales y validando así el enfoque de Norris.

ABSTRACT: The dielectric paper of power transformers is subjected to ageing caused by high temperatures and chemical reactions in the dielectric oil. The electromagnetic forces the conductor is subjected to can cause the breakage of the paper and even the end of the useful life of the transformer. To improve the understanding of those phenomena, a continuously transposed conductor (CTC) with four layers of dielectric paper (plain Kraft and crepe papers) was impregnated in naphthenic oil and aged during different periods, representative of its whole lifespan. CTC samples were subjected to bending deformations compatible with a short circuit, and the cracks generated in the paper were analysed. The aged paper was mechanically characterised (in tensile, compressive and shear modes) and the bending tests were simulated in ANSYS Static Structural, to estimate the strains in the paper. Two analytical failure models (maximum strain and Norris criterion) were modified to predict the regions in the dielectric paper susceptible to fail for a particular ageing state and deformation level, obtaining a good agreement with the experimental results and thus validating the Norris approach.