Propuesta de un programa de vigilancia para papel dieléctrico de transformadores en base a ensayos small punch

Abstract

Un transformador de potencia es un componente crucial en los sistemas de distribución y transmisión de electricidad. Su propósito es alterar el voltaje de la energía eléctrica para minimizar las pérdidas causadas por el efecto Joule en el sistema eléctrico, facilitando así el uso de la electricidad para distintos demandantes de ella. Los transformadores bañados en aceite están inmersos en un aceite dieléctrico que ayuda tanto en su enfriamiento como en el aislamiento de los conductores, en esta última función interviene además el protagonista de este trabajo, el papel dieléctrico, el cual ayuda a prevenir cortocircuitos y descargas eléctricas internas que pueden acabar dejando al transformador fuera de servicio. La función desarrollada por el papel se ve reflejada en como éste se sensibiliza y fragiliza, generándose así su deterioro a lo largo del tiempo de vida del transformador, siendo, por lo tanto, el estado del papel el elemento que define la vida del transformador. Por esta razón, conocer el estado del papel dieléctrico es crítico para predecir convenientemente el momento más adecuado para la puesta fuera de servicio del transformador, sin afectar al suministro de energía eléctrica. Este trabajo ha hecho una propuesta de programa de vigilancia para el papel dieléctrico de transformadores bañados en aceite, realizando un análisis del límite elástico y de la resistencia a tracción a través de ensayos Small Punch, lo cual permite evaluar el estado del papel requiriendo muy poca cantidad de muestra (lo que resulta muy beneficioso en comparación con otros ensayos convencionales como el de tracción). De esta manera, se podrá elaborar un criterio de aceptación, o en su defecto de rechazo, para la consiguiente retirada y sustitución del transformador por otro cuyo sistema de aislamiento esté en buen estado, garantizando en todo momento el suministro eléctrico. El establecimiento del programa de vigilancia basado en el ensayo Small Punch, ha requerido evaluar previamente la idoneidad de este ensayo para cuantificar de forma eficaz el deterioro del papel dieléctrico Kraft a medida que éste se envejece con el tiempo, cuando está sumergido en aceite dieléctrico. Por esta razón, a partir de ensayos Small Punch, se han calculado la resistencia a tracción y el límite elástico para distintas muestras de papel Kraft con 7 niveles de envejecimiento distintos, siendo el nivel ‘’0’’ papel nuevo y el nivel ‘’6’’ el más degradado. Los resultados obtenidos muestran que el ensayo Small Punch refleja de forma adecuada la transición dúctil-frágil del papel Kraft en sus propiedades de resistencia a tracción y límite elástico, permitiendo el establecimiento de un programa de vigilancia basado en la evolución de sus valores a lo largo del tiempo de utilización del transformador

A power transformer is a crucial component in electrical distribution and transmission systems. Its purpose is to alter the voltage of electrical energy to minimize losses caused by the Joule effect in the electrical system, thereby facilitating the use of electricity for different demanders. Oil-immersed transformers ase submerged in a dielectric oil that helps both in cooling and insulating the conductors. Additionally, the protagonist of this work, dielectric papel plays a role in the last function, helping to prevent short circuits and internal electrical discharges that could put he transformer out of service. The function of the paper is reflected in how it becomes sensitized and brittle, leading to its deterioration over the transformer’s lifetime. Therefore, the condition of the paper is the element that defines the transformer’s life. For this reason, knowing the status of the dielectric paper is critical to conveniently predicting the most appropiate time to take the transformer out of service without affecting the electric supply. For this work has proposed a monitoring program for the dielectric paper of oil-immersed Transformers by analyzing the elastic limit and strength tension through Small Punch tests, which allow the paper’s condition to be evaluated using a very small sample (which is very beneficial compared to other conventional tests such as tension tests). In this way, an acceptance or rejection standard (if 𝜎𝑅≤ 0,5 𝜎𝑅0 invalid paper) can be established for the subsequent removal and replacement of thetransformer with another one whose insulation system is in good condition, ensuring the continuous supply of electricity. Establishing the monitoring program base don the Small Punch test required evaluating the suitability of this test to effectively quantify the deterioration of Kraft dielectric paper as it ages overtime when immersed in dielectric oil. For this reason, the tension strength and elastic limit have been calculated for different samples of Kraft paper with 7 different aging levels, with level ‘’0’’ being new paper and level ‘’6’’ being the most deteriorated. The results obtained show that the Small Punch test adequately reflects the ductile-brittle transition of Kraft paper in its tension strength and elastic limit properties, allowing the establishment of a monitoring program base don the evolution of its values throughout the transformer’s service life.