Ingeniería de Máquinas y Sistemas Eléctricos: Aceites minerales para Transformadores (Naturaleza y aditivación) (Parte 1ª)

Aceites minerales para Transformadores

Los aceites minerales son líquidos aislantes que tienen que cumplir las siguientes funciones para ser compatibles con un adecuado funcionamiento en los Transformadores:

Aislar los componentes sometidos a tensión
Impregnar los aislantes sólidos para eliminar el aire de sus poros
Evitar arcos y descargas parciales
Disipar el calor producido por las pérdidas

Las características del aceite minerales aislantes que intervienen en la transmisión de calor son:

Adecuada viscosidad dinámica y cinemática.
Densidad.
Conductividad térmica.
Capacidad calorífica.
Coeficiente de dilatación.
Adecuado punto de inflamación

Las características para satisfacer un adecuado aislamiento son:

Alto grado de pureza
Alta rigidez dieléctrica
Bajo punto de congelación
Libre de azufre corrosivo
Bajo índice de acidez
Buena estabilidad a la oxidación
Bajo factor de pérdidas dieléctricas
Aceptación normal de gases

Naturaleza de los aceites minerales aislantes.

Los aceites minerales utilizados como aislantes eléctricos proceden de la destilación fraccionada del petróleo bruto y están constituidos por una mezcla de hidrocarburos que le confieren unas propiedades físicas y químicas adecuadas.

Esta mezcla se somete después a un proceso de refinado para eliminar los compuestos inestables y corrosivos o cierto tipo de hidrocarburos.

A pesar de sus muchos orígenes y diferencias físicas, todos los aceites crudos son muy similares en su composición química. Los constituyentes principales son el carbono (del 83 al 87 %) y el hidrógeno (del 11 al 14 %) con pequeñas cantidades de azufre. oxigeno y nitrógeno y trazas de otros elementos, de lo que proviene que se utilice el término general de hidrocarburos para describir los aceites minerales.

Aunque los aceites crudos son esencialmente hidrocarburos, sus estructuras varían mucho. Hay mezclas muy complejas, que varían desde los productos gaseosos ligeros hasta los asfálticos pesados, sólidos o semisólidos, dependiendo del número de átomos de carbón y de hidrógeno que contengan.

Hidrocarburos parafínicos - aceites de base parafínica.

Las parafinas consisten en cadenas rectilíneas de átomos de carbono, cada uno con dos átomos de hidrógeno excepto para los átomos de carbono del extremo de la cadena que tiene adheridos tres átomos de hidrógeno.

Las parafinas son compuestos estables, saturados, sin enlaces dobles entre ninguno de sus átomos de carbono.

El número de átomos de carbono puede variar mucho, desde un compuesto simple como el propano (C3H8) hasta fracciones de aceite en donde la molécula hidrocarburo puede contener de 20 a 70 átomos de carbono, con pesos moleculares desde 250 hasta 1.000.

A estas moléculas se las denomina como parafinas normales. Su fórmula general es CnH2n+2.

Ramales de cadenas rectilíneas pueden estar adheridos a la cadena rectilínea principal, pero estos también son compuestos estables saturados.

Estas parafinas se denominan iso - parafinas. (Fig. 1 y 2).

Son compuestos químicos muy estables con respecto a influencias exteriores y buenos aislantes siendo muy viscosos.

En general los aceites parafínicos tienen buena resistencia natural a la oxidación, buena estabilidad térmica, puntos de inflamación altos, volatilidad baja y un alto índice de viscosidad.

Figura 1

Con la oxidación tienden a formar ácidos débiles orgánicos.

figura 2

Hidrocarburos nafténicos - Aceites de base nafténica.

Las naftas son también hidrocarburos saturados, esto es que las cuatro valencias del átomo de carbono están conectadas a átomos de hidrógeno o átomos de carbono adyacentes, pero los átomos de carbón en cada molécula están ordenados en un circuito cerrado o ciclo.

Su fórmula general es CnH2n y son descritos frecuentemente como ciclo parafinas. (Figura 3).

Figura 3

En aceites de alta calidad, cadenas parafínicas rectilíneas con frecuencia están adheridas al anillo o anillos cíclicos principales. (Figura 4).

Figura 4: Estructura típica de aceite mezcla nafténica - parafínica

Los aceites nafténicos tienen un índice de viscosidad más bajo y puntos de fluencia bajos, lo que les hace apropiados para aplicaciones en temperaturas bajas.

Su volatilidad es más alta que en aceites parafínicos de viscosidad similar, el punto de inflamación es más bajo y la resistencia a la oxidación generalmente es más pobre.

Con la oxidación la tendencia es a formar depósitos de lodo más que ácidos.

Hidrocarburos aromáticos - Aceites de base aromática.

Los hidrocarburos aromáticos también son compuestos cíclicos o de anillo, pero al contrario que las naftas, están sin saturar, con dobles enlaces entre algunos átomos de carbono.

Su fórmula general es CnH2n-6. La estructura básica de los hidrocarburos aromáticos es un anillo de seis átomos de carbono, pero varios anillos similares pueden estar conectados y ramales de cadenas pueden adherirse formando una gran variedad de hidrocarburos aromáticos (Fig. 5).

Los de estructura más simple, aromáticos de un punto de ebullición bajo, son químicamente activos, menos estables químicamente que las moléculas saturadas, tiende a oxidarse con más facilidad con la consecuente formación de ácidos orgánicos, barnices y lodos.

Los de dos anillos producen lodos que se depositan en el núcleo bobinas y fondo de la cuba.

Los de tres anillos coartan la oxidación haciendo de inhibidores naturales.

Figura 5

Aditivación - Aditivos naturales y artificiales en aceites aislantes.

Son sustancias específicas, que son deliberadamente añadidas en pequeñas proporciones al aceite para mejorar ciertas características.

Aditivos naturales.

Los aceites llevan inhibidores naturales que tienen el mismo origen que ellos y que, son compuestos de azufre e hidrocarburos aromáticos.

Aditivos artificiales.

La acción de los aditivos naturales prolongan un determinado tiempo la vida de un aceite, pero una vez gastado, el proceso de oxidación prosigue por lo que es importante reforzar esta acción añadiendo antioxidantes artificiales.

Desde el punto de vista de su función podemos clasificarlos en:

a) Inhibidor de oxidación.

Normalmente de tipo fenólico o amínico, reaccionan con moléculas altamente activas que propagan la reacción en cadena. El inhibidor se consume pero antes ha desviado gran número de reacciones en cadena.

Reducen o retardan la degradación del aceite por oxidación

b) Desactivadores.

Hacen total o parcialmente inactivos a los catalizadores metálicos solubles en el aceite, convirtiéndoles en complejos organometálicos de menor solubilidad en los que el átomo de metal tiene una actividad reducida.

c) Pasivantes.

Por combinación química o por absorción forman una película sobre la superficie de los catalizadores metálicos. No retardan las reacciones de oxidación que no sean catalizadas por metales.

d) Antioxidantes indirectos.

Productos inicialmente inactivos pero que llegan a ser activos una vez que la oxidación ha empezado.

e) Depresores del punto de congelación.

Reducen el punto de congelación del aceite sin modificar el punto de niebla, es aconsejable en climas muy fríos.

Generalmente son necesarios en aceites de base parafínica. Los aceites nafténicos mantienen por lo general buenas condiciones de viscosidad a muy bajas temperaturas.

La determinación del punto de niebla puede ser útil para, en su caso, poner de manifiesto el grado de desparafinado y la separación de este con el punto de congelación, como consecuencia de la presencia de un depresor del punto de congelación.