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.
