Influencia del nivel de carga de un transformador de potencia en la difusión de humedad en su aislamiento celulósico

Abstract

Los transformadores de potencia son máquinas indispensables en el transporte y la distribución de energía eléctrica. Son los elementos, dentro de los sistemas de potencia, encargados de elevar la tensión a unos niveles tales que se reduzcan las pérdidas por efecto Joule en los cables conductores. También hacen posible reducir la tensión a unos niveles acordes a los puntos de consumo. Son máquinas con unas expectativas de vida altas, normalmente de varias décadas. Muchos factores influyen en la vida útil de los transformadores, pero el que más destaca es el deterioro del sistema de aislamiento dieléctrico, compuesto principalmente por papel celulósico y un fluido el cual desempeña una doble función, como aislante dieléctrico y como refrigerante. En cada deterioro del papel, su sustitución requeriría el desarme completo del transformador, y esto es inviable, por motivos técnicos y económicos. Por ello, la vida útil del transformador está ligada a la vida útil del aislamiento sólido. Los factores que más influyen en el deterioro del papel son principalmente el calor y la humedad. Se han realizado innumerables estudios sobre cómo influyen en la vida útil de los transformadores, pero la forma en la que se relacionan entre ellos y cómo influyen el uno en el otro requiere aún de más investigación. El objetivo de este trabajo es investigar cómo influye la variación de las temperaturas en la difusión de la humedad en el aislamiento celulósico del transformador. Para lograrlo, se han realizado dos modelos numéricos temporales diferentes y se han acoplado entre sí. El primero es el modelo termohidráulico, en el cual se ha introducido una carga variable y cíclica, que simula las pérdidas por efecto Joule en el devanado del transformador. El perfil de la carga replica la demanda eléctrica del sistema eléctrico español. Esta carga da lugar a que las temperaturas del devanado alcancen un régimen permanente cíclico. El perfil de temperaturas obtenido de este modelo es importado por el segundo, que es el de difusión de la humedad, para estudiar como varían las concentraciones de humedad en función de las mencionadas temperaturas. Se han estudiado dos casos de humedad inicial, 1.5% y 3%, para un periodo de 304.5 días. Para realizar ambos modelos se han empleado los softwares COMSOL Multiphysics y MATLAB. El acoplamiento entre ambas herramientas, necesario para acoplar ambos modelos, se ha llevado a cabo mediante la herramienta informática LiveLink proporcionada por COMSOL Multiphysics. Este software resuelve los modelos utilizando el Método de Elementos Finitos. Este estudio ha evidenciado la relación que existe entre temperatura y humedad del papel dieléctrico: se observa que cuando se incrementa las temperaturas debido a la variación de carga, las concentraciones de humedad disminuyen y viceversa.

Power Transformers are essential machines for the transport and distribution of electric energy. These are the elements, in power systems, in charge of raising voltage levels, so that the losses caused by Joule´s effect decrease through the conductor cables. They also make possible to reduce the voltage until the consumption levels. These are machines with high life expectancies, normally of several decades. There are several factors that affect the power transformers´ life expectancies, but the one which stands out over the others is the dielectric insulation system, which is mainly composed of cellulosic paper and a fluid, which has a double function, as a dielectric insulation and as a cooling liquid. Every time that the cellulosic paper degrades, it would require to disassemble the whole transformer, and this is unfeasible, due to technical and economic reasons. For this reason, it is related the power transformer´s life expectancy with the cellulosic paper´s one. The facts that influence the most in the deterioration of the solid dielectric system in power transformers are the heating and the moisture´s diffusion. Countless studies have been developed to study how these factors affect to the transformers´ life expectancy but it is still necessary to invest in how these facts are related between them. The objective of this study is to invest how the temperatures´ variations influence on the moisture´s diffusion in the cellulosic insulation of the transformer. To achieve it, two different models have been carried out and coupled between them. The first one is the thermohydraulic model, in which a variable and cyclic load has been introduced, to simulate the losses produced by Joule´s effects in the transformer´s winding. The load´s profile replicates the electric demand in the Spanish electric system. This load leads to a cyclic permanent regime in the temperature´s behaviour. This temperature´s profile is imported in the second model, which studies de moisture´s diffusion and how the moisture´s concentrations vary depending on the imported temperatures. Two different cases have been studied according to the initial concentration, 1.5% and 3%, in a total period of 304.5 days. To carry out both models COMSOL Multiphysics and MATLAB have been used. The coupling between these software, which is necessary to couple both models, has been carried out with LiveLink proportioned by COMSOL Multiphysics. This software solves the models utilizing the Finite Elements Method. This study has demonstrated the existing relation between the temperature and the moisture in the dielectric paper: it is noted that when the temperature increases due to the load´s variation, the moisture´s concentrations decrease and vice versa.