Estudio de la degradación mecánica del cartón PSP en aceite mineral y ésteres naturales mediante el ensayo de tracción

Abstract

Los trasformadores de potencia son las máquinas encargadas de variar la tensión de un circuito de corriente alterna, de forma que a su salida se pueda obtener el voltaje deseado. Para asegurar un correcto funcionamiento de los transformadores bañados en aceite se utilizan principalmente dos clases de materiales en su sistema de aislamiento, el componente sólido (papel y cartón dieléctricos, madera) y el fluido dieléctrico. El fluido dieléctrico históricamente empleado ha sido aceite mineral, un derivado del petróleo, que presenta dos grandes problemas, su baja biodegradabilidad y una baja temperatura de ignición lo que representa un riesgo desde el punto de vista de la seguridad contra incendios. Por estas razones, desde hace algunos años se han empezado a introducir fluidos dieléctricos biodegradables como los ésteres naturales o sintéticos, los cuales ofrecen una alta biodegradabilidad, así como altos puntos de ignición en comparación con el aceite mineral, además de prolongar la vida de los componentes sólidos del sistema de aislamiento. La introducción de estos aceites puede hacerse desde la fabricación inicial del transformador, o en los últimos años, a través del proceso de retrofilling, consistente en sustituir el aceite mineral presente en los transformadores en operación por fluidos biodegradables. La realización del proceso de retrofilling implica que contenidos residuales del aceite mineral en el sistema de aislamiento pueden afectar a las ventajas proporcionadas por los fluidos biodegradables. Este trabajo ha comparado la degradación de las propiedades mecánicas de uno de los materiales dieléctricos utilizados en el aislamiento de los trasformadores, cartón PSP, cuando ha estado sumergido toda su vida útil en aceite mineral frente a cuando ha estado sumergido un periodo de tiempo en aceite mineral y después en ésteres naturales, mediante el ensayo de tracción. Para poder realizar los ensayos de tracción con las muestras envejecidas, simulando así su vida dentro del trasformador, lo primero que se ha hecho es preparar en el laboratorio unas probetas de PSP según las medidas establecidas por la norma UNE-EN ISO 1924-2 para el ensayo de tracción de papel y cartón. Debido a las características anisotrópicas del cartón PSP, las probetas fueron cortadas de forma que la mitad tuviesen sus fibras en la dirección longitudinal a la aplicación de la carga durante el ensayo de tracción y la otra mitad en la dirección transversal, de forma que también se pudiesen comparar las diferencias en ambos sentidos. Después fueron sometidas a un proceso de envejecimiento acelerado en el laboratorio soportando temperaturas de 150ºC, sumergidas en los diferentes tipos de fluidos dieléctricos (aceite mineral, mezclas de aceite mineral y éster vegetal simulando diferentes condiciones que se pueden dar tras el proceso de retrofilling en cuanto a cantidades residuales de aceite mineral). Una vez finalizado el proceso de envejecimiento, las probetas fueron ensayadas mediante el ensayo de tracción obteniendo los valores de fuerza y posición para poder trabajar con ellos y obtener así las curva tensión-deformación de cada probeta y a partir de todas ellas calcular las propiedades mecánicas del cartón PSP (límite elástico, tensión última a tracción, Módulo de Young, deformación bajo tensión última, tenacidad e índice de tracción). Realizados los cálculos y obtenidas todas las propiedades anteriormente mencionadas, se pudo realizar una comparación de como variaban estas propiedades frente al tiempo de envejecimiento en función de en qué fluido habían sido envejecidas. Se compararon los valores de aceite mineral, mezclas de aceite mineral y éster vegetal y éster vegetal puro, observándose como dentro de las mezclas, la que más estabilidad presentaba y la que mantenía un comportamiento más constante fue la que contenía un 13% de aceite mineral y un 87% de éster vegetal, aunque las diferencias en los valores de las propiedades mecánicas con las mezclas con un mayor contenido en aceite mineral no eran destacables, lo que hace indicar que variaciones de hasta un 10% no afectan de forma importante a la velocidad de degradación. Las muestras envejecidas con un 100% de éster vegetal son las que mejores propiedades mecánicas presentaron, con una mejora de un 15% media como en el caso de la tensión de rotura e incluso de un 40% en el caso de la tenacidad con respecto a las mezclas de aceite mineral y éster vegetal. Se ha concluido, por lo tanto, que los procesos de retrofilling aun llegando a tener cantidades residuales de aceite mineral de hasta un 23%, permiten mejorar significativamente todas las propiedades mecánicas del cartón PSP conservándolo mejor, por lo tanto, alargando su vida útil en comparación a seguir trabajando con aceite mineral.

Power transformers are machines responsible for varying the voltage in an alternating current circuit, so that the desired voltage can be obtained at their output. To ensure the correct operation of oil-immersed transformers, two main types of materials are used in their insulation system: solid components (such as dielectric paper and cardboard, wood) and dielectric fluid. The historically used dielectric fluid has been mineral oil, a petroleum-derived product that presents two major issues: low biodegradability and a low ignition temperature, which poses a fire safety risk. For these reasons, in recent years, biodegradable dielectric fluids such as natural or synthetic esters have been introduced. These offer high biodegradability and higher ignition points compared to mineral oil, and they also help extend the life of the solid components of the insulation system. The introduction of these oils can be done during the initial manufacture of the transformer, or in recent years, through a process called retrofilling. This consists of replacing the mineral oil in transformers already in operation with biodegradable fluids. However, the retrofilling process can leave residual contents of mineral oil in the insulation system, which may affect the advantages offered by biodegradable fluids. This study compared the degradation of the mechanical properties of one of the dielectric materials used in transformer insulation, PSP cardboard, when it has been immersed for its entire service life in mineral oil versus when it has been immersed first in mineral oil and then in natural esters, using a tensile test. To conduct the tensile tests on aged samples—thus simulating their life inside the transformer—the first step was to prepare PSP test specimens in the laboratory according to the dimensions established by the UNE-EN ISO 1924-2 standard for paper and cardboard tensile testing. Due to the anisotropic characteristics of PSP cardboard, the specimens were cut so that half had their fibers aligned in the longitudinal direction of the applied load during the tensile test, and the other half in the transverse direction, allowing for a comparison in both directions. Then, they were subjected to an accelerated aging process in the laboratory at 150°C, immersed in different types of dielectric fluids (mineral oil, mixtures of mineral oil and vegetable ester simulating different residual content conditions after the retrofilling process). After the aging process, the specimens were tested using the tensile test, obtaining force and position data in order to plot stress-strain curves for each sample, and from these, calculate the mechanical properties of PSP cardboard (elastic limit, ultimate tensile strength, Young’s modulus, strain at ultimate stress, toughness, and tensile index). Once the calculations were completed and all the aforementioned properties were obtained, a comparison was made on how these properties varied over aging time depending on the fluid in which they had been aged. Values from mineral oil, mineral oil and vegetable ester mixtures, and pure vegetable ester were compared. It was observed that among the mixtures, the one with the most stability and the most consistent behavior was the one containing 13% mineral oil and 87% vegetable ester, although the differences in mechanical property values with mixtures containing higher mineral oil content were not significant, suggesting that variations of up to 10% do not greatly impact the degradation rate. The samples aged in 100% vegetable ester presented the best mechanical properties, with an average improvement of 15% in terms of breaking stress and even up to 40% in toughness compared to the mineral oil and vegetable ester mixtures. It was concluded, therefore, that retrofilling processes, even with residual mineral oil contents of up to 23%, significantly improve all the mechanical properties of PSP cardboard, thereby better preserving it and extending its useful life compared to continued use of mineral oil.