Medida del efecto, mediante ensayo de tracción, del retrollenado en sistemas de aislamiento de transformadores basados en papel térmicamente mejorado

Abstract

La utilización de transformadores eléctricos es una de las bases del sistema eléctrico, su importancia y precio hacen de esta máquina un componente estratégico. La vida útil de los transformadores se puede asumir equivalente a la del papel que estos emplean como aislante, dada la dificultad que existe para sustituirlo. Para poder alargar la vida de este papel aislante y, por lo tanto, la vida de los transformadores surge el proceso de “retrollenado”, consistente en la sustitución del aceite dieléctrico del interior de los transformadores por otro aceite nuevo. En este proceso de retrollenado se suele optar por cambiar el aceite mineral usado por un éster biodegradable, el cual aporta un rendimiento superior y, según diferentes experiencias, disminuye la degradación del papel aislante. En este Trabajo Fin de Grado (TFG) se ha estudiado el impacto del uso de un éster biodegradable en el proceso de retrollenado de sistemas de aislamiento basados en papel Kraft térmicamente mejorado, en comparación con el comportamiento de este papel envejecido en aceite mineral (transformador sin proceso de retrollenado), a partir de la evolución de sus propiedades mecánicas con el tiempo de envejecimiento. La realización de este TFG ha consistido en la preparación y ensayo a tracción de probetas de papel Kraft térmicamente mejorado, las cuales han sido sometidas a un proceso de envejecimiento acelerado a 150°C en aceite mineral durante 139 horas. Posteriormente, estas probetas parcialmente envejecidas fueron divididas en 4 grupos, uno de los grupos continuó el envejeciendo en aceite mineral, mientras que los demás, para simular los efectos de un retrollenado en un transformador, fueron envejecidos en una mezcla de aceite mineral y un éster natural hasta alcanzar un total de 2954 h de envejecimiento. Las mezclas en las que se envejecieron los otros tres grupos de probetas de papel Kraft térmicamente mejorado fueron de 95% - 5%, 92.5% - 7.5% y 90% - 10% (éster natural – aceite mineral), para simular distintas situaciones de retrollenado, dado que la cantidad de aceite mineral residual que se ha encontrado en el transformador en diferentes experiencias reales de este proceso de retrollenado fluctúa en el rango del 5-10%. Los resultados de la evaluación de las propiedades mecánicas (tensión máxima, límite elástico, módulo de elasticidad, índice de tracción, tenacidad y deformación bajo carga máxima) del papel Kraft térmicamente mejorado aquí determinadas, no son concluyentes. Estos resultados muestran que todas las propiedades mecánicas de las probetas con las fibras en posición paralela (longitudinal) a la de aplicación de la fuerza durante el ensayo de tracción, degradan más en el caso de envejecer en la mezcla de éster natural 95% y aceite mineral envejecido 5%. Sin embargo, en el caso de las probetas con las fibras en posición transversal con respecto a la fuerza aplicada, la degradación es mayor en el caso de envejecer en aceite mineral. Las probetas que menor degradación presentan, tanto en el caso de tener las fibras en posición transversal como en el caso de tener las fibras en posición longitudinal, son aquellas que envejecen en la mezcla de éster natural 92,5% y aceite mineral envejecido 7,5%. Sin embargo, en propiedades como la tenacidad o la deformación, al final del envejecimiento el valor de las propiedades es prácticamente el mismo independientemente del fluido en el que envejezcan las probetas. Por lo tanto, es necesario realizar más estudios para determinar si un papel más resistente a la temperatura como es el papel Kraft térmicamente mejorado, realmente se ve influenciado por el fluido en el que se envejece y, de no ser así, en transformadores cuyo sistema de aislamiento esté basado principalmente en este material, el retrollenado podría no ser atractivo, como si ha mostrado ser para otros materiales, como, por ejemplo, papel Kraft.

The use of power transformers is one of the cornerstones of the electrical system; their importance and cost make these machines strategic components. The service life of transformers can be assumed to be equivalent to that of the paper used as insulation, given the difficulty of replacing it. In order to extend the lifetime of this insulating paper, and therefore the lifetime of transformers, the “retrofilling” process has emerged. This process consists of replacing the dielectric oil inside transformers with new oil. In retrofilling, the usual approach is to replace the used mineral oil with a biodegradable ester, which provides superior performance and, according to various studies, reduces the degradation of the insulating paper. In this Bachelor’s Thesis, the impact of using a biodegradable ester in the retrofilling process of insulation systems based on thermally upgraded Kraft paper has been studied, in comparison with the behavior of this paper aged in mineral oil (transformer without retrofilling), based on the evolution of its mechanical properties with aging time. The work carried out in this thesis consisted of the preparation and tensile testing of thermally upgraded Kraft paper specimens, which were subjected to an accelerated aging process at 150 °C in mineral oil for 139 hours. Subsequently, these partially aged specimens were divided into four groups: one group continued aging in mineral oil, while the others, in order to simulate the effects of transformer retrofilling, were aged in a mixture of mineral oil and a natural ester until reaching a total of 2954 h of aging. The mixtures in which the other three groups of thermally upgraded Kraft paper specimens were aged consisted of 95%–5%, 92.5%–7.5%, and 90%–10% natural ester–mineral oil, in order to simulate different retrofilling situations, since the amount of residual mineral oil found in transformers in real retrofilling experiences ranges between 5–10%. The results of the evaluation of the mechanical properties (maximum stress, yield strength, modulus of elasticity, tensile index, toughness, and strain at maximum load) of the thermally upgraded Kraft paper specimens studied here are not conclusive. These results show that all the mechanical properties of specimens with fibers parallel (longitudinal) to the applied force during the tensile test degrade more when aged in the mixture of 95% natural ester and 5% aged mineral oil. However, in the case of specimens with fibers in the transverse position with respect to the applied force, the degradation is greater when aged in mineral oil. The specimens showing the least degradation, both for transverse and longitudinal fiber orientations, are those aged in the mixture of 92.5% natural ester and 7.5% aged mineral oil. Nevertheless, for properties such as toughness or strain, at the end of the aging process the property values are practically the same regardless of the fluid in which the specimens were aged. Therefore, further studies are needed to determine whether a paper more resistant to temperature, such as thermally upgraded Kraft paper, is indeed influenced by the fluid in which it is aged and, if not, whether in transformers whose insulation system is mainly based on this material, retrofilling might not be attractive, unlike what has been shown for other materials, such as conventional Kraft paper.