Evaluación experimental y numérica de las propiedades dieléctricas del papel aislante impregnado en aceite vegetal en función de la humedad

Abstract

Los transformadores de potencia son máquinas imprescindibles en la transmisión de energía eléctrica. Su función principal es incrementar la tensión de la energía que viene de las centrales de generación, reduciendo de esta forma las pérdidas en el transporte de esta. Al mismo tiempo, estos se encargan de reducir la tensión para adecuarla a los valores necesarios en los distintos puntos de consumo. El sistema de aislamiento eléctrico es una de las partes fundamentales de los transformadores de potencia. Está compuesto básicamente por materiales celulósicos y, usualmente, por aceite mineral. Este último material tiene un escaso nivel de biodegradabilidad y una temperatura de ignición muy baja. Estos dos últimos inconvenientes han promovido su sustitución por líquidos dieléctricos alternativos de origen vegetal, i.e. aceites de soja, girasol, palma, ... La vida útil de la máquina pasa por mantener el sistema dieléctrico en condiciones óptimas. Resulta para ello fundamental conocer sus propiedades y tener perfectamente definido su comportamiento desde múltiples puntos de vista –térmico, dieléctrico, mecánico- en relación con los factores que le afecten. Los factores más influyentes en la salud del papel aislante son la humedad y la temperatura. Por esta razón, en este trabajo se tratará de definir el comportamiento dieléctrico del papel Kraft –papel de encintado de los devanados del transformador-impregnado con los nuevos aceites y con diferentes niveles de humedad. Para ello, se han elaborado dos tipos de estudios complementarios, uno de carácter experimental y otro numérico. No obstante, antes de realizar los estudios, fue necesario diseñar y fabricar una celda de medida dieléctrica acorde a los ensayos que se iban a realizar. Experimentalmente, lo primero fue someter las muestras de papel a un proceso de secado. A continuación, se humectaron de forma controlada para obtener distintos grados de humedad. Posteriormente, se midió mediante la técnica de espectroscopía la respuesta dieléctrica -permitividad compleja, tanδ, capacidad compleja y conductividad- de las muestras impregnadas en aceite vegetal y sin impregnar. Con la permitividad relativa y la conductividad halladas experimentalmente para cada una de las muestras de papel se realizaron distintos modelos numéricos con el software basado en elementos finitos COMSOL, con la finalidad de, una vez validados, conseguir resultados complementarios a los experimentales -capacidades geométricas de los portamuestras, gráficas de pérdidas volumétricas, densidad de corriente, desplazamiento, campo y potencial eléctrico-. Como conclusiones del estudio previamente descrito se puede inferir que el proceso de impregnación con líquidos alternativos mejora el comportamiento dieléctrico del aislante sólido -incrementa la permitividad compleja- y que la respuesta dieléctrica del papel Kraft empeora con el aumento del grado de humedad tanto para papel impregnado como no impregnado.

Power transformers are crucial pieces for the transfer of electrical energy. Their primary purpose is to raise the voltage of the energy leaving the power plants, which lowers transportation losses. Also, they are in charge of lowering the voltage concurrently in order to adapt it to the necessary levels at various consumption sites. An essential component of power transformers is the electrical insulation system. It is composed of cellulose-based materials and usually mineral oil. The latter substance has a very low ignition temperature and a low biodegradability. Due to these two drawbacks, it has been replaced by alternative dielectric fluids derived from plants, such as soybean oil, sunflower oil, palm oil, etc. The dielectric system must be kept in prime condition in order to increase the lifetime of the machine. Understanding its properties and the behavior of the dielectric materials from different physics, such as thermal, dielectric, and mechanical, is essential for this goal. Temperature and humidity have the worst effects on the wellbeing of the insulating paper. For this reason, this project aims to define the dielectric behavior of Kraft paper, -the material used for transformer winding insulation-, when impregnated with the novel oils and at different humidity levels. Two complementing studies, experimental and numerical, were carried out to accomplish this. However, prior to start the studies, it was necessary to design and create a dielectric measurement cell suited for the tests that were to be performed. Experimentally, the initial procedure was drying the paper samples. Then, the samples were humidified to achieve various humidity levels. Subsequently, the dielectric response -complex permittivity, tanδ, complex capacitance, and conductivity- of the samples impregnated with vegetable oil and those not impregnated were measured using spectroscopy technique. The relative permittivity and conductivity determined experimentally for each paper sample were used to create different numerical models using the finite element software COMSOL Multiphysics. Once the models were verified, the goal was to generate outcomes that were complimentary to the experimental ones -geometric capacitance of the sample holders and volumetric loss, current density, electric displacement, electric field, and electric potential plots-. As conclusions, it can be deduced that the impregnation process with alternative liquids improves the solid insulator's dielectric behavior by raising the complex permittivity. Additionally, it was noted that for both impregnated and non-impregnated papers samples, the dielectric response of Kraft paper got worse with increasing humidity levels.