El papel Kraft y su utilización en Transformadores de potencia

 

En los transformadores eléctricos, el aislamiento está garantizado principalmente por la suma de materiales sólidos como el papel kraft y líquidos aislantes, principalmente aceites minerales. Esta importante innovación fue inventada y reivindicada por el famoso científico Nikola Tesla sobre la base de su patente 655838 "Método para aislar los conductores eléctricos" del 14 de agosto de 1900 "mi invento, se puede utilizar en cualquier tipo de fluido capaz de cubrir las necesidades … como el aceite,…".

Los aislamientos sólidos, también llamados papeles aislantes, provienen esencialmente de los procesos de producción del papel kraft, el resultado es un producto que ofrece unas propiedades sorprendentes tanto desde el punto de vista mecánico como eléctrico. el papel kraft ha encontrado una de sus aplicaciones más importantes, especialmente en el aislamiento de equipos eléctricos de muy alta tensión. Con el tiempo, gracias al uso de aditivos específicos, el papel kraft ha ido mejorando, en particular en lo que se refiere a su comportamiento frente a la temperatura, dando lugar a los papeles TUP (Thermal Upgraded Paper, papel térmico mejorado). También se encuentran disponibles en el mercado productos a base de polímeros sintéticos, como el material Nomex de Dupont, que es un compuesto a base de meta-aramida.

Materiales aislantes utilizados en transformadores de potencia

El papel kraft

El papel Kraft o papel de estraza se inventa en el año 1887 cuando el alemán Carl Dahl crea el proceso llamado Kraft que es sinónimo de pulpeo al sulfato, su fabricación se realiza a partir de la pulpa de la madera mediante un proceso de enfibrado.

Los papeles aislantes se impregnan en los transformadores con aceite u otros líquidos aislantes. Al final del ciclo de impregnación (normalmente al vacío, 60-80 °C y al menos 72 horas), el papel kraft se impregna con aceite hasta un 150 -180 % de su masa inicial.

El papel kraft recubre los conductores de cobre o aluminio para aislarlos eléctricamente y, por lo tanto, está expuesto a esfuerzos térmicos, eléctricos y mecánicos.

Algunos tipos de papel utilizados como aislantes en transformadores de potencia

La principal propiedad del papel es el DP (IEC 450:1974), el grado de polimerización, este parámetro caracteriza las propiedades del material que son principalmente las siguientes: resistencia a la tracción, alargamiento, resistencia a la flexión, módulo de elasticidad, factor de pérdida, resistividad. Un papel kraft nuevo típico tiene un DP entre 1000 y 1500.

Durante el ciclo de vida real del transformador, el DP disminuye gradualmente hasta alcanzar el valor de aproximadamente 200 (reducción de aproximadamente un 80% respecto al papel nuevo), al que normalmente corresponde el término final de vida térmica, pierde sus propiedades mecánicas sin por ello perder sus propiedades eléctricas, que siguen siendo suficientes para proporcionar el aislamiento requerido.

Rangos de envejecimiento del papel según el grado de polimerización

Degradación del papel aislante

El aislamiento eléctrico puede ser considerado el corazón del transformador: si es insuficiente, la consecuencia directa es el fallo eléctrico. En presencia de fuertes arcos eléctricos, el fallo puede inflamar el aceite aislante, que es combustible, provocando explosiones e incendios del transformador y posibles accidentes mayores.

Duración de vida térmica del papel aislante

En términos muy sencillos, se podría decir que la vida térmica de los aislantes sólidos (fabricados con papel kraft sin aditivos específicos antienvejecimiento) se estima en unas 160.000 horas de carga nominal del transformador.

En concreto, para un transformador elevador de generación (GSU) de una central térmica, con una disponibilidad operativa de 7.500 horas/año y un perfil de carga medio del 80%, en ausencia de problemas particulares, la duración de vida térmica convencional se estima en unos 25 años, la vida térmica convencional se estima en unos 50 años. Para el mismo transformador, instalado en una central hidroeléctrica, y por tanto con un perfil de carga medio del 40% (estacionalidad del agua), en ausencia de problemas particulares, la vida térmica convencional se estima en unos 50 años. Sin embargo, los reactores Shunt, que están dimensionados para operar de forma intensiva con valores cercanos a la carga nominal, tienen una esperanza de vida térmica más corta.

La duración de vida del transformador depende no solo de la vida térmica de los papeles, sino también de otros cofactores como fallos eléctricos que, al evolucionar en averías eléctricas, interrumpen la disponibilidad operativa de la máquina. También es necesario evaluar la opción de reemplazar el transformador; en este caso, se debe elegir una máquina que cumpla con los requisitos de diseño ecológico, en particular en términos de reducción de las pérdidas en carga y en vacío y reducción de emisiones en términos de CO2 equivalentes.

Degradación del papel

Los procesos de degradación térmica del papel son el resultado de la interacción de 3 mecanismos: hidrólisis, oxidación y pirólisis.

El envejecimiento del papel mediante oxidación ocurre debido a la presencia de oxígeno; se puede decir que es una forma de pirólisis, ya que sus productos finales son el agua y el dióxido de carbono.

El envejecimiento del papel por pirólisis ocurre cuando existen temperaturas altas que generan agua, monóxido de carbono y dióxido de carbono.

El envejecimiento del papel también es función de la posición que ocupa en el transformador, la temperatura en la parte activa de un transformador es un agente crítico. Uno de los problemas es que no mantiene la simetría de calor en sus componentes y de esta manera deteriora algunas partes más que otras.

Los procesos de degradación del papel son en si extremadamente complejos, y cuando se suman a los efectos de la degradación del aceite (debido a la interacción aceite-papel), dan como resultado mecanismos influenciados por varios factores críticos difíciles de cuantificar. Los factores críticos que determinan el envejecimiento de los papeles aislantes son temperatura, agua, oxígeno, si el sistema está abierto o cerrado, ciclos térmicos y la relación con el perfil de carga del transformador.

Sea Marconi ha realizado una serie de experiencias para determinar la relación entre la degradación del papel y la del aceite. Uno de estos ensayos, de acuerdo con IEC 62535 (en un frasco de 20 ml, con 10 ml de aceite, una muestra de cobre de aproximadamente 3 g de peso, se envuelve en unos 23 g de papel, se deja a 150°C durante 72 horas), mostró una progresiva pérdida de peso del papel (hasta un 25%) y una disminución del DP (hasta un 80% en comparación con el valor cuando era nuevo y un 60% menos en comparación con un aceite inicialmente no ácido) con el aumento de la acidez del aceite analizado.

Pérdida de peso del papel y disminución del DP al aumentar la acidez

Los principales productos de degradación de los papeles aislantes son: agua, ácidos, CO2, CO, compuestos furánicos, metanol, etanol, partículas, estos compuestos se mezclan con los lodos de envejecimiento del aceite, formando el lodo total.