Medida de la degradación mecánica de los materiales aislantes PSP y papel kraft mediante ensayos small punch

Abstract

Los dos materiales principales que componen el sistema de aislamiento de transformadores bañados en aceite son el aceite y el papel dieléctrico, la sustitución del segundo de estos componentes es complicada por lo que es importante mantener las propiedades mecánicas de este para mantener la efectividad de funcionamiento del transformador; en otras palabras, su vida suele limitar a efectos prácticos la vida en servicio del propio transformador. En este trabajo se ha realizado un análisis de la degradación de dos de los principales materiales dieléctricos presentes en sistemas de aislamiento de transformadores: en concreto del papel Kraft y del cartón PSP, dos tipos de material sólido dieléctrico. Debido a la dificultad para poder obtener muestras de este papel sin comprometer la integridad del transformador, se plantea para estos análisis el empleo del ensayo quasi-no-destructivo Small Punch (SPT), normalizado para su aplicación en materiales metálicos, como alternativa plausible de ensayo mientras el transformador continúa en servicio. Para caracterizar el envejecimiento del material celulósico, primero se deben tener distintas muestras de este material con distinto grado de deterioro, es por ello por lo que en este trabajo se ha partido de muestras obtenidas en el laboratorio mediante procesos de envejecimiento térmico acelerado a 130 ºC. De esta forma se ha intentado simular el estado de estos materiales en diversas fases de la vida operativa de los transformadores. A las muestras de papel Kraft y PSP envejecidas se les ha aplicado el ensayo Small Punch, el cual permite estudiar las características mecánicas del material con poca cantidad de muestra, a diferencia del ensayo a tracción que requiere muestras de mayor tamaño. A la hora de realizar los estudios se ha recurrido a la norma UNE EN10371-2022, que define el procedimiento y correlaciones a aplicar para relacionar los resultados del ensayo Small Punch con los del ensayo de tracción en el caso de materiales metálicos. Algunos de los principales rasgos del ensayo SPT indicados en la norma se han podido aplicar a los dos materiales celulósicos objeto de este trabajo, ya que se propone un método de ensayo de punzonado en miniatura basado en SPT, pero otros han tenido que ser adaptados por las diferencias intrínsecas de estos materiales con las probetas metálicas de 0,5mm de espesor que indica esta norma. Una vez ensayadas las muestras de siete estados de envejecimiento distintos del papel Kraft y PSP, se ha procedido a abordar el cálculo del límite elástico y la resistencia a tracción a partir de los resultados del ensayo Small Punch. Pare ello, a partir de las adaptaciones propuesta a la metodología para materiales metálicos, se han derivado ciertos valores de referencia de las curvas de ensayo que se han correlacionado con los obtenidos en ensayos de tracción realizados a muestras con el mismo grado de deterioro, para generar correlaciones experimentales válidas para estos tipos de material y degradación. A partir de los cálculos y correlaciones aplicadas se ha podido concluir que el ensayo Small Punch puede ser válido para materiales celulósicos en un amplio rango de niveles de degradación. Una vez analizadas las posibilidades de caracterización de la degradación proporcionadas por el ensayo Small Punch, se ha procedido a analizar las posibilidades de ahorro de costes, tanto de material celulósico, como de equipamiento y tiempo de técnico, que este ensayo proporciona frente al ensayo de tracción para programas cribado o caracterización experimentales con alto número de muestras; se ha obtenido que este ensayo permitiría ahorrar hasta un 50% de costes de ensayos de caracterización en campañas de estudio de envejecimiento acelerado en laboratorio, en los que se busque estudiar la compatibilidad de nuevos líquidos dieléctricos con los materiales celulósicos aquí considerados.

The two main materials that make up the insulation system of oil-bathed transformers are oil and dielectric paper. Replacing the second of these components is complicated, so it is important to maintain the mechanical properties of the latter in order to maintain the effectiveness of the transformer's operation; in other words, its life usually limits, for practical purposes, the service life of the transformer itself. In this work, an analysis has been carried out of the degradation of two of the main dielectric materials present in transformer insulation systems: specifically Kraft paper and PSP cardboard, two types of solid dielectric material. Due to the difficulty in obtaining samples of this paper without compromising the integrity of the transformer, the use of the quasi-non-destructive Small Punch (SPT) test, standardized for its application in metallic materials, is proposed for these analyses as a plausible alternative for testing while the transformer remains in service. In order to characterise the ageing of cellulose material, it is first necessary to have different samples of this material with different degrees of deterioration, which is why in this work we have started from samples obtained in the laboratory through accelerated thermal ageing processes at 130 ºC. In this way, we have tried to simulate the state of these materials in different phases of the operational life of transformers. The Small Punch test has been applied to the aged Kraft paper and PSP samples, which allows the mechanical characteristics of the material to be studied with a small amount of sample, unlike the tensile test, which requires larger samples. When carrying out the studies, we have used the UNE EN10371-2022 standard, which defines the procedure and correlations to be applied to relate the results of the Small Punch test with those of the tensile test in the case of metallic materials. Some of the main features of the SPT test indicated in the standard have been applied to the two cellulosic materials that are the object of this work, since a miniature punching test method based on SPT is proposed, but others have had to be adapted due to the intrinsic differences between these materials and the 0.5 mm thick metal test pieces indicated in this standard. Once the samples of seven different aging states of Kraft paper and PSP have been tested, the calculation of the elastic limit and tensile strength has been addressed from the results of the Small Punch test. To this end, from the proposed adaptations to the methodology for metallic materials, certain reference values have been derived from the test curves that have been correlated with those obtained in tensile tests carried out on samples with the same degree of deterioration, to generate experimental correlations valid for these types of material and degradation. Based on the calculations and correlations applied, it has been concluded that the Small Punch test can be valid for cellulosic materials in a wide range of degradation levels. Once the characterization possibilities of the degradation provided by the Small Punch test have been analyzed, the cost savings possibilities, both in cellulosic material and in equipment and technician time, that this test provides compared to the tensile test for screening or experimental characterization programs with a high number of samples have been analyzed; it has been found that this test would allow savings of up to 50% of characterization test costs in accelerated aging study campaigns in laboratories, in which the compatibility of new dielectric liquids with the cellulosic materials considered here is sought.