Análisis del efecto de la humedad en las propiedades dieléctricas de papeles aislantes inmersos en líquidos biodegradables

Abstract

El sistema eléctrico es el medio en el que se genera, transporta y distribuye la electricidad. En ese sistema, los transformadores de potencia son máquinas imprescindibles para garantizar un transporte eficiente de la energía y un consumo seguro. Su función principal es incrementar la tensión del sistema, reduciendo de esta forma las pérdidas en el transporte de la energía y, en los puntos de consumo, adecuarla a los valores de uso. El sistema de aislamiento eléctrico es una de las partes fundamentales de los transformadores de potencia. Está compuesto básicamente por materiales celulósicos y, usualmente, aceite mineral. Este último material tiene un escaso nivel de biodegradabilidad y una temperatura de ignición muy baja. Por estas razones, en las últimas décadas se ha planteado el uso de algunos fluidos alternativos a este aceite, entre los que destacan los ésteres naturales y sintéticos. Sin embargo, sus diferentes propiedades físicas, térmicas y dieléctricas, además del desconocimiento de su comportamiento a largo plazo y de su compatibilidad con otros materiales del transformador, especialmente con la celulosa empleada en el aislamiento eléctrico, han limitado su utilización en estas máquinas. Por otro lado, la vida útil de la máquina pasa por mantener el sistema dieléctrico en condiciones óptimas, fundamentalmente el material celulósico. Los factores más influyentes en la salud del papel aislante - material celulósico más importante de la máquina, utilizado fundamentalmente en el encintado de sus devanados - son la humedad y la temperatura. Por esta razón, en este trabajo se ha analizado el comportamiento dieléctrico de tres tipos de papeles aislantes que se usan en transformadores de potencia: Kraft (más habitual en la actualidad), TUK y DPE (papeles mejorados y novedosos, más raramente usados). Estos se analizaron a temperatura ambiente, impregnándolos con cuatro nuevos líquidos biodegradables – dos ésteres naturales obtenidos de dos cultivos, colza y soja, aceite con base de palma, y un éster sintético- y un aceite mineral a diferentes niveles de humedad (del 1% al 5%, de unidad en unidad). El mencionado comportamiento dieléctrico de las muestras se ha determinado mediante el método, de carácter no destructivo, de respuesta dieléctrica. Siendo más preciso, en los dominios de la frecuencia y el tiempo, la Frequency Domain Spectroscopy (FDS) y la Polarization Depolarization Current (PDC) son los métodos principales empleados para estimar el estado del sistema de aislamiento papel-aceite y son los utilizados. Respecto al procedimiento experimental seguido, lo primero fue someter las muestras de papel a un proceso de secado. A continuación, se humectaron de forma controlada para obtener los distintos grados de humedad. Posteriormente, se midió mediante FDS y PDC la respuesta dieléctrica del papel humectado sin impregnar e impregnado con los aceites mencionados, obteniendo la permitividad compleja (ɛr), el factor de disipación (tan δ), y la conductividad eléctrica () de las muestras. Como conclusiones del estudio previamente descrito, se puede inferir que la impregnación con aceites supone un mejor comportamiento dieléctrico del papel con respecto al papel sin impregnar para los diferentes grados de humectación. Además, en la comparación entre los distintos líquidos dieléctricos utilizados para la impregnación de los papeles se ha visto que en muchas de las condiciones de ensayo los líquidos alternativos presentan un mejor comportamiento dieléctrico que el aceite mineral. Por último, en la comparación entre los papeles se ha observado que el papel Kraft es el que presenta mejor comportamiento dieléctrico, independientemente del tipo de líquido que se use para la impregnación.

The generation, transmission, and distribution of electricity are performed through the electrical system. In this system, power transformers are crucial pieces to ensure efficient energy transportation and safe consumption. Their primary purpose is to raise the voltage of the system, which lowers transportation losses, and to adapt the voltage to usable levels at consumption points. 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. As a result, some alternative fluids such as natural and synthetic esters, which are biodegradable and have high ignition temperatures, have been considered. However, their different physical, thermal, and dielectric properties, along with the lack of knowledge about their long-term behavior and compatibility with other transformer materials, especially the cellulose used in electrical insulation, have limited their use in these machines. Furthermore, the dielectric system must be kept in prime condition to increase the lifetime of the machine, principally the cellulosic material. The most influential factors affecting the condition of this material—most important material in power transformers solid insulating system, used for wrapping its windings—are moisture and temperature. For this reason, in this study, the dielectric behavior of three types of insulating papers used in power transformers has been analyzed: Kraft paper (the most widely used at present), TUK, and DPE (improved and innovative papers that are less commonly employed at this time). These papers were analyzed at room temperature, impregnating them with four new biodegradable liquids -two natural esters, based on rapeseed and soybean plants; palm oil; and a synthetic ester- as well as a mineral oil, at different moisture levels (ranging from 1% to 5%, in one-unit increments). The dielectric behavior of the insulating system has been determined using the nondestructive dielectric response method. In the frequency and time domains, Frequency Domain Spectroscopy (FDS) and Polarization Depolarization Current (PDC) are the primary methods used to assess the condition of paper-oil insulation systems. Regarding the experimental procedure followed, the initial procedure was drying the paper samples. Then, the samples were moistened in a controlled manner to achieve various moisture content levels. Finally, the dielectric response of the moistened paper, nonimpregnated and impregnated with the specified oils, was then measured using FDS and PDC, obtaining the complex permittivity (ɛɾ ” and ɛɾ ’), dielectric dissipation factor (tan δ), and electrical conductivity (σ) of the samples. As conclusions of the previously described study, it can be inferred that impregnation with oils results in improved dielectric behavior of the paper compared to nonimpregnated paper across various degrees of wetting. Furthermore, in the comparison of different dielectric liquids used for paper impregnation, it has been observed that under many testing conditions, alternative liquids exhibit superior dielectric performance compared to mineral oil. Lastly, among all the papers, Kraft paper consistently presents the best dielectric behavior, regardless of the type of impregnation liquid used.