Efecto del grado de envejecimiento en la tenacidad a fractura de papel dieléctrico empleado en transformadores
Effect of the aging degree on the fracture toughness of dielectric paper used in transformers
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URI: https://hdl.handle.net/10902/29553Registro completo
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García Rodríguez, JonathanFecha
2023-07-05Director/es
Derechos
© Jonathan García Rodríguez
Disponible después de
2028-07-05
Resumen/Abstract
Los transformadores de potencia son dispositivos eléctricos utilizados para transferir
energía eléctrica de un circuito a otro, generalmente a través de un cambio en el nivel de
tensión. Son esenciales en los sistemas de transmisión y distribución de energía eléctrica,
ya que permiten aumentar o disminuir la tensión de la electricidad según las necesidades
del sistema. La principal función de éstos es aumentar la tensión para la transmisión
eficiente de energía eléctrica reduciendo las pérdidas por efecto Joule en los cables de
transmisión.
Los transformadores pueden ser secos o bañados en aceites dieléctricos que proporcionan
una alta resistividad eléctrica lo que lo convierte en un excelente material aislante, evitando
el contacto directo entre los componentes eléctricos y el aire. Además, estos aceites tienen
una buena capacidad para disipar el calor generado durante la operación, lo que ayuda al
transformador a evitar un sobrecalentamiento, por lo tanto, los aceites actúan como un
medio de enfriamiento y protección para las partes metálicas del transformador, evitando la
oxidación y la corrosión.
En este trabajo, se ha analizado si es posible simular en ANSYS a través de la tenacidad a
fractura, la degradación del sistema de aislamiento sólido de los transformadores
sumergidos en diferentes aceites, a partir de conocer tiempo de envejecimiento,
temperatura, tipo de aceite y material aislante sólido. La obtención por simulación del
verdadero estado de degradación de los papeles, permite reducir la necesidad de ensayos
reales destructivos del material aislante. Para esto, se ha partido de unos datos de un
ensayo real previamente realizado de muestras envejecidas de papel Kraft y PSP 3050 en
diferentes aceites como son aceite mineral, éster natural y éster sintético y a diferentes
temperaturas de envejecimiento que son 150ºC, 130ºC y 110ºC. A partir de las dimensiones
de las probetas doblemente fisuradas ensayadas, se ha trabajado en el software ANSYS.
Teniendo todo esto, se han analizado en ANSYS diferentes simulaciones para cada estado
de envejecimiento calculando la tenacidad a fractura del papel Kraft y PSP 3050 para
también los distintos casos de aceites y temperaturas de envejecimiento. Las simulaciones
realizadas han mostrado que únicamente se obtienen valores similares a los reales si se
emplea un tamaño de fisura pequeño (inferior al 20% de la anchura de las probetas) y un
mallado con los máximos nodos posibles, en cualquier otro caso los resultados se desvían
mucho de los obtenidos en el ensayo real.
Power transformers are electrical devices used to transfer electrical energy from one circuit
to another, usually through a change in voltage level. They are essential in electrical power
transmission and distribution systems, as they allow the voltage of electricity to be increased
or decreased according to the needs of the system. Their main function is to increase the
voltage for the efficient transmission of electrical power by reducing Joule losses in the
transmission cables.
Transformers can be dry or bathed in dielectric oils that provide high electrical resistivity
which makes them an excellent insulating material, preventing direct contact between
electrical components and air. In addition, these oils have a good capacity to dissipate the
heat generated during operation, which helps the transformer to avoid overheating.
Therefore, the oils act as a cooling and protective medium for the metal parts of the
transformer, preventing oxidation and corrosion.
In this work, we have analysed whether it is possible to simulate in ANSYS, through fracture
toughness, the degradation of the solid insulation system of transformers immersed in
different oils, based on knowing the ageing time, temperature, type of oil and solid insulating
material. By simulating the true state of degradation of the papers, it is possible to reduce
the need for real destructive tests on the insulating material. For this purpose, data from a
real test previously carried out on aged samples of Kraft paper and PSP 3050 in different oils
such as mineral oil, natural ester and synthetic ester and at different ageing temperatures of
150ºC, 130ºC and 110ºC have been used as a starting point. Based on the dimensions of
the double cracked specimens tested, work has been carried out in ANSYS software.
With all this, different simulations have been analysed in ANSYS for each ageing state,
calculating the fracture toughness of Kraft paper and PSP 3050 for the different cases of oils
and ageing temperatures. The simulations carried out have shown that values similar to the
real ones are only obtained if a small crack size is used (less than 20% of the width of the
specimens) and a mesh with the maximum possible nodes, in any other case the results
deviate greatly from those obtained in the real test.