Ingeniería de Máquinas y Sistemas Eléctricos: El diseño del aislamiento en transformadores convertidores de UHVDC

El transformador convertidor que conecta la válvula del convertidor con la red de CA es un componente fundamental de las estaciones convertidoras de UHVDC. Para diseñar un aislamiento eléctrico para CC rentable y robusto para estos transformadores, es esencial comprender perfectamente tanto el material en sí mismo, como el proceso físico que se produce en el aislamiento sometido a la carga de la CC.

El objetivo principal del transformador convertidor en una estación convertidora HVDC es transformar las tensiones de CA de la red de CA al lado de CA de la válvula convertidora. El aislamiento eléctrico de un transformador convertidor varía respecto al de un transformador de potencia normal, puesto que tiene que soportar la carga combinada de CA y CC. Mientras que el parámetro del material que determina la distribución del campo de CA es la permitividad, la distribución del campo de CC viene determinada por la resistividad. El cartón prensado y el aceite difieren en un factor de 2 para la permitividad y en uno de 100 para la resistividad, en consecuencia, se precisa más aislamiento sólido en un transformador convertidor.

Una característica importante del comportamiento en relación con la CC del material aislante es que el parámetro determinante no es constante. La resistividad del aceite varía con la carga eléctrica aplicada, la temperatura, el periodo de energización, el contenido de humedad, etc. Asimismo, la migración de iones en los campos de CC produce cargas espaciales en las interfaces de aislamiento que influyen considerablemente en la distribución del campo eléctrico.

Normalmente, el aislamiento eléctrico se proyecta empleando cálculos simplificados basados en un circuito RC equivalente (figura 1). Sin embargo, esto no puede cubrir aspectos tales como la acumulación de cargas espaciales y el complejo comportamiento de la resistividad del aceite del transformador.

Figura 1: Dos métodos de simulación para sistemas de aislamiento de CC

En la década de 1980, el centro de investigación de ASEA en Vasteras investigó las propiedades para CC del aislamiento eléctrico y desarrolló un modelo que tuvo en cuenta la generación y el arrastre de iones. El modelo se verificó y aplicó experimentalmente en una herramienta de simulación. Gracias a estas constataciones se ha desarrollado una solución técnica exclusiva.

Modelo de arrastre de iones para el aislamiento de aceite/celulosa

La resistividad de los líquidos aislantes, como el aceite mineral, no es una propiedad intrínseca o bien definida de los materiales. La resistividad aparente de un líquido de ese tipo viene definida por la concentración de iones libres y movilidad eléctrica. No obstante, si expone un líquido a un campo eléctrico, los iones libres empezarán a moverse siguiendo la dirección del campo, causando reducción de iones y, de esa forma, una menor resistividad (en ciertas regiones). Esto representa que la resistividad aparente depende del “historial de carga eléctrica” del aceite.

Tal comportamiento no lineal de los líquidos aislantes hace difícil emplear modelos resistivos clásicos para predecir la distribución de campos eléctricos en sistemas aislantes basados en aceite bajo cargas de CC. En la década de 1980 los investigadores de ASEA introdujeron una alternativa a los modelos resistivos: el modelo de arrastre de iones. En el modelo de arrastre de iones, las ecuaciones del transporte se utilizan para calcular el comportamiento en función del tiempo de la densidad iónica en el líquido aislante (ver anexo). Aplicando la diferencia en la densidad de los iones positivos y negativos se puede calcular el campo eléctrico como una función del tiempo para cada posición del sistema. De lo que en el anexo se deduce es que la resolución de las ecuaciones tridimensionales para muchos puntos es exigente desde el punto de vista del cálculo. Sin embargo, los ordenadores modernos junto con esquemas numéricos mejorados hacen posible utilizar el modelo de arrastre de iones para diseñar partes críticas del sistema de aislamiento de los transformadores convertidores.

Medición de los campos eléctricos bajo carga de CC en el aceite de transformador

El modelo de arrastre de iones tuvo que verificarse con mediciones experimentales. Por lo tanto, en el laboratorio del Corporate Research de ABB de Vasteras se creó un sistema de detección extremadamente sensible para medir directamente la carga eléctrica en el aceite mineral. La configuración utiliza el efecto electro-óptico Kerr, que influye en la birrefringencia de la luz que atraviesa un dieléctrico líquido en un campo electrostático (figura 2). Empleando esta técnica, se puede resolver las cuestiones relativas a la dirección, la magnitud y la evolución con el tiempo de los campos eléctricos.

Figura 2: Experimento para demostrar la técnica de medición Kerr

Los resultados de la técnica Kerr se compaginan con las predicciones del modelo de arrastre de iones y se desvían considerablemente de los campos eléctricos previstos por modelos resistivos, como sería de esperar.

La técnica Kerr y el modelo de arrastre de iones (usado por primera vez para el proyecto de Itaipu) se han convertido en herramientas importantes del continuo desarrollo de sistemas de aislamiento para transformadores convertidores. Estas herramientas, junto con las simulaciones asociadas, permitieron el desarrollo en muy poco tiempo del prototipo de transformador convertidor de 1.100 kV de CC. Las herramientas de diseño, junto con un conocimiento profundo de los fenómenos correspondientes, han contribuido considerablemente al liderazgo técnico de ABB en lo que se refiere a transformadores convertidores de HVDC y UHVDC.

ANEXO

Ecuaciones de la densidad iónica en función del tiempo en aislante líquido. Estos cálculos tridimensionales precisan un ordenador de gran potencia para conseguir buena precisión