Efecto del grado de envejecimiento en la tenacidad a fractura de papel dieléctrico empleado en transformadores

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.