Influencia de la temperatura en la dinámica de la humedad en el sistema dieléctrico de los transformadores de potencia

Abstract

El transformador de potencia constituye un elemento importante en la generación y transporte de energía. Su principal función es elevar la tensión de la energía en las centrales de generación para reducir de esta manera las pérdidas en el transporte de la misma, así como reducir la tensión para adecuarla a los valores solicitados en los diferentes puntos de consumo. El principal signo de deterioro en los transformadores es el desgaste de los sistemas de aislamiento, constituidos por materiales celulósicos y aceite mineral o vegetal. Por lo tanto, el mantenimiento de estos materiales en buenas condiciones garantizará un correcto funcionamiento de la máquina. Para ello es de crucial importancia conocer su comportamiento dieléctrico ante las diferentes condiciones que pueda estar sometido durante su operación. Con respecto al sistema de aislamiento de los transformadores se han realizado numerosos estudios tanto del papel celulósico como del aceite, que analizan su respuesta dieléctrica, la evacuación de calor o la difusión de la humedad a través de él. Sin embargo, la relación entre la disipación de calor que se produce en los aislantes y en qué manera afecta esto a la difusión de la humedad es un área que requiere de un mayor grado de estudio. Por esto, este trabajo tratará de definir el acoplamiento entre los modelos numéricos termo-hidráulico y de difusión de la humedad del sistema dieléctrico de un transformador. Para ello, se han realizado por separado los dos modelos (térmico y de difusión de la humedad) de una capa del devanado de baja tensión de un transformador de potencia. A continuación, se ha realizado un acople unidireccional entre ellos: la distribución de temperaturas obtenidas del primer modelo fue utilizada en el segundo para determinar la difusión temporal de humedad en el papel dieléctrico. Ambos modelos han sido desarrollados con el software basado en elementos finitos COMSOL Multiphysics. Del trabajo previamente descrito se puede deducir que las diferentes condiciones de trabajo a las que ha sido sometido el transformador afectan a su comportamiento higroscópico. Por un lado, el movimiento de la humedad en el aislamiento será más veloz conforme la potencia aumente, mientras que, a mayores humedades del papel celulósico, el papel estará sometido a un movimiento de humedad en un menor tiempo.

The power transformer is an important element in the generation and transmission of energy. It’s main function is to raise the voltage of the energy in the generation plants in order to reduce losses in it’s transport, as well as to reduce the voltage in order to adapt it to the values requested at the different consumption points. The main sign of deterioration in transformers is the wear of the insulation systems, consisting of cellulosic materials and mineral or vegetable oil. Therefore, the maintenance of these materials in good conditions will guarantee a correct operation of the machine. For this purpose, it is of crucial importance to know their dielectric behavior under the different conditions they may be subjected to during their operation. With respect to the insulation system of transformers, numerous studies have been carried out on both cellulose paper and oil, analyzing their dielectric response, heat dissipation or the diffusion of moisture through it. However, the relationship between the heat dissipation that occurs in insulators and how this affects moisture diffusion is an area that requires a greater degree of study. Therefore, this work will attempt to define the coupling between the thermo-hydraulic and moisture diffusion numerical models of a transformer dielectric system. For this purpose, the two models (thermal and moisture diffusion) of a layer of the low voltage winding of a power transformer have been performed separately. Then, a unidirectional coupling has been performed between them: the temperature distribution obtained from the first model was used in the second one to determine the temporal diffusion of moisture in the dielectric paper. Both models have been developed with the finite element based software COMSOL Multiphysics. From the previously described work it can be deduced that the different working conditions to which the transformer has been subjected affect it’s hygroscopic behavior. On the one hand, the movement of moisture in the insulation will be faster as the power increases, whereas, at higher cellulose paper humidities, the paper will be subjected to moisture movement in a shorter time.