El voltaje de ruptura en aceite aislante baja las influencias de la humedad, acidez, partículas y presión.
El voltaje de ruptura de un aceite mineral aislante fue investigado bajo las influencias de humedad, acidez, presión y partículas, Los estándares IEC156/95 (VDE0370/Part5/96 y ASTM D1816) especificaban las condiciones de la prueba. La humedad provee cargadores de carga, por lo tanto una saturación de humedad de 0 a 20% decrece el voltaje de ruptura de 72 a 61 kV.
El ácido como producto deteriorante también reduce la fuerza dieléctrica por la misma razón. No el número total de acido NTA, pero a menor efecto de ácidos moleculares, mayor será el decrecimiento. Desde que el proceso de ruptura se inicia con una burbuja microscópica, y una presión en incremento; incrementa también el voltaje de ruptura. La observación del comportamiento asintótico parece llegar a un máximo valor final en el voltaje de ruptura alrededor de 150 kV. Bajo inflación apoya la generación de burbujas, reduciendo el soporte de la fuerza dieléctrica. Las partículas secas (fibra celulosa) reducen el voltaje de ruptura sólo bajo inflación, casi ninguna influencia fue observada en presión atmosférica.
Aceite mineral, ruptura, partículas, acidez, humedad, presión
1 Ruptura en aceite aislante
- Introducción
El aceite aislante en transformadores de potencia sirve como un medio transmisor de calor y como un aislante liquido, dos razones que motivaron la investigación de sus propiedades de aislamiento: Primeramente los transformadores de potencia son usualmente operados bajo condiciones de envejecimiento. Así el contenido de humedad en el aceite incrementa, los productos de envejecimiento o deterioro se disuelven y las partículas se dispersan. En segundo lugar, los transformadores son operados bajo nuevas condiciones ambientales, donde se producen bajas y altas de presión. El servicio de seguridad y mantenimiento necesita una investigación meticulosa de estas influencias.
- Consideraciones Teóricas
Los líquidos aislantes derivan su fuerza dieléctrica desde la más alta densidad comparada con los gases. El proceso de ruptura comienza con una burbuja microscópica, un área de largas distancias entre corpúsculos, donde los iones y electrones pueden iniciar avalanchas. Estas burbujas microscópicas son originadas por impulsos de corriente en un electrodo. El siguiente impulso de corriente inyecta portadores de carga en la burbuja, conduciendo la amplificación de corriente y finalmente a la ruptura [1]. A partir de estas consideraciones, se espera lo siguiente:
- La humedad conduce a los portadores de cargas y por lo tanto disminuye el soporte de la fuerza dieléctrica.
- Oxidamiento por productos tales como el ácido también llevan a los transportadores de carga a través de la disociación. Adicionalmente éstos son activos en la superficie, disminuyendo la tensión superficial. Así mantienen la evolución de la burbuja siguiendo un decrecimiento de la fuerza dieléctrica.
- La presión también ejerce influencia en la evolución de la burbuja. Con un incremento de presión, el voltaje de ruptura debería incrementar. Para presiones debajo de la presión atmosférica el voltaje de ruptura debería reducirse.
- Las partículas se moverán en áreas de gran tensión dependiendo de sus permitividad en relación a la del aceite. Se espera una disminución en el voltaje de ruptura si son altamente conductoras o húmedas.
- Influencia de humedad y acidez
- Dispositivo de medición
Un sistema de prueba dieléctrica convencional, Portatest midió el voltaje de ruptura a diferente contenido de humedad y acidez. El sistema funciona completamente automatizado, lo que es muy conveniente para períodos largos de prueba. La ventaja especial es una rápida detección de la ruptura y la desconexión de la corriente en menos de 1ms, que junto con una baja de energía en el circuito de prueba previene la carbonatación del aceite mineral, incluso cientos de exámenes en la misma muestra de aceite no redujeron el voltaje de ruptura debido a los productos de combustión.
Figura 1: Un equipo de prueba automático de líquidos aislantes Portatest
Los exámenes fueron llevados a cabo de acuerdo al IEC156/95 Figura II (VDE0370/Teil5/96 y ASTM D1816), i.e. electrodos esféricos con un radio de 25mm. La figura 1 muestra el sistema de pruebas automático. Un sistema automático de valoración potenciométrica “Titrino SM 702 con unidad de intercambio 806” hecho por Metrohm midió la acidez de los aceites (Figura 2). Aquí el Número Total de Acido NTA fue determinado por una valoración volumétrica con potasa para neutralizar los ácidos carboxílicos.
Figura 2
La humedad de los aceites fue determinada como la humedad contenida relativa a la saturación (RS en %) por sensores capacitivos Vaisala HMP 228. En orden de obtener resultados dependientes, los sensores fueron cuidadosamente calibrados por soluciones saturadas de sal con cloruro de litio y cloruro de sodio. El contenido de humedad relativo a la saturación (%) brinda más información sobre los efectos cruciales de la humedad en el voltaje de ruptura que el uso convencional del contenido de humedad relativo al peso en ppm. Por lo tanto fue controlado para medir la humedad en ppm. No obstante este valor puede ser calculado por isotermas de adsorción como fue publicado en [2].
- Aceites aislantes investigados
Nuevo tipo de aceite aislante mineral tipo Nynas Nytro 3000 y servicio de desgaste Shell K 6 SX de 1964 fueron investigados. Ambos aceites estaban libres de partículas y saturados de gas, la temperatura era de 20-21ºC. Con el fin de obtener aceites con acidez variada ambos aceites fueron mezclados en seis pasos, ver la siguiente tabla y los resultados de la valoración del acido en Figura 3. Radio del acido total de Nynas a Shell.
Figura 3: Resultados de la determinación del NTA en los seis aceites aislantes investigados
Investigar la influencia en una baja molecular de ácidos carboxílicos, ácido fórmico HCOOH, el cual también es un producto deteriorante, fue agregado al nuevo Nynas Nytro 3000.
Esto resulto en un NTA de 0,27. La humedad de los aceites investigados fue variada en cuatro pasos: 0-5-10-20% de la saturación relativa de humedad. Esto cubre un rango típico de transformadores de poder. Para obtener varios contenidos de humedad, cada uno de los seis aceites fue establecido por la inmersión de la celulosa, De acuerdo al equilibrio termodinámico y las capacidades de adsorción de la humedad, la saturación relativa de la celulosa determina la saturación relativa del aceite [2].
Ejemplos para obtención de 10% de saturación de humedad relativa en aceite, papel aislante con 10% de saturación de humedad relativa fue agregado. Ciclos de calor subsecuentemente afectan una difusión rápida y homogénea de la distribución de la humedad.
- Resultados y discusión.
Un gran dispersamiento de los resultados significa la medida del voltaje de ruptura. Los primeros 40-100 pruebas de ruptura fueron significativamente más bajos que el anterior valor alcanzado. Esto puede ser explicado por partículas en el aceite y en los electrodos. La figura 3 ilustra dicho fenómeno.
Número de mediciones
Ruptura del voltaje/kV-
Figura 4: Esparcimiento del voltaje de ruptura
Figura 5 representa el voltaje de ruptura en aceite mineral como una función de la saturación de humedad relativa y número total del acido. Cada punto de medición es el promedio de alrededor de 150 rupturas únicas, considerando que los primeros resultados con la enorme dispersión fueran rechazados. La saturación relativa de humedad/ % del voltaje de ruptura / kV
Figura 5: El voltaje de ruptura en aceite mineral como una función de la saturación de humedad relativa y un número total de acido
Es evidente, que con el incremento de la saturación de humedad relativa desde 0 a 20% el voltaje de ruptura para nuevo aceite se reduce desde 72 a 61 kV. Con el acido en incremento (NTA) desde 0,01 a 0,49 y una saturación constante relativa de 0% el voltaje de ruptura se reduce de, 72 kV a 61 kV.
Figura 6 muestra la influencia de bajo acido molecular disuelto adicionalmente comparado a un nuevo y a un aceite de servicio deteriorante. La saturación de la humedad relativa in todos los aceites fue de 10%. Aquí el acido fórmico fue agregado a un nuevo Nynas Nytro 3000, conduciendo a un NTA de 0,27.
Debido a la fuerza del acido en el voltaje de ruptura se reduce a un 38,7 kV, el cual es mucho menor que el del aceite de servicio deteriorante, aunque la acidez de este último es mayor con 0,49. Uno puede concluir, que no el número total de acido, pero más bien el bajo acido molecular contribuye a la reducción del voltaje de ruptura. Esto tiene que ser considerado cuando se comparan esos resultados con otros.
- Influencia de presión y partículas
- Dispositivo de medición
El voltaje de ruptura de aceite aislante fue medido con tres diferentes dispositivos de prueba para tres rangos de presión. Para una presión de aceite de 1-21 barras y para 1-100 barras dos celdas especiales de medición fueron construidas. El sistema de pruebas automatizada de Portatest con una medida de celda modificada a la presión del aceite de 0,1-1,5 barras. En este contexto la presión de una barra es igual a la presión atmosférica o estándar. Figura 7 muestra el dispositivo de medición para 1-21 barras de presión de aceite. Un transformador de alto voltaje genera la prueba de voltaje AC, el cual es conectado sobre resistencias protectoras con la celda de medición. En la conexión a tierra en la celda de una investigación actual observa la corriente del cortocircuito.
Figura 7: Dispositivo para 1-21 barras de presión de aceite.
Una celda de prueba para la sobrepresión fue construida hecha de resina epoxi. El volumen del aceite ascendía 1,1l. Los electrodos son hechos de acero inoxidable con una forma de acuerdo a EN 60156/ VDE 0370 T.5 (tipo seta o esférica con un radio de 25mm) y un espacio de 2,5 mm. La presión muy alta de hasta 100 barras requiere una segunda celda de prueba. Aquí fueron usados electrodos hechos de aleaciones de bronce. La figura 8 muestra la celda de prueba y los electrodos.
Figura 8: Celda de prueba y electrodos para presión de aceite 1-100 barras
Un convencional AC el transformador de prueba generó el voltaje de prueba. Un divisor de tensión capacitivo junto con un osciloscopio digital midió el voltaje de ruptura.
Figura 9: Diagrama de circuito para las investigaciones a 1-100 barras
Para las pruebas de rupturas de líquidos es muy importante limitar la corriente del cortocircuito, ya que las partículas de aceite que hacen combustión influenciaran los resultados de las pruebas. Lo siguiente significa disminuir este error potencial.
- Una serie de resistencias Rp al lado LV del transformador HV teniendo 5 Ohms reduce la corriente.
- Una serie de resistencias Rp al lado HV teniendo 1 MOhm amortiguando adicionalmente.
- Un circuito electrónico detecta la ruptura por componentes de alta frecuencia en el voltaje y la corriente. En consecuencia el arco eléctrico se extingue en las próximas 30ms después de la ruptura. La carga eléctrica por ruptura es menos que 800 µC. Para el rango de presión menor de 0,1-1,5 barras el sistema automático de prueba como fue descrito en la sección 2.1 fue usado. La medida original de su celda se volvió a prueba de presión por una nueva tapa con conexiones a una bomba de vacio y un manómetro, ver la figura 10.
- Figura 10: el sistema de prueba automático Portatest con celdas de medida modificada teniendo aquí 0,3 barras de presión.
- Aceites aislantes investigados
Los nuevos aceites minerales aislantes tipo Nynas Nytro 3000 (no inhibido) y Nynas Nytro 3000 X (inhibido) fueron investigados.
Ambos aceites estaban libres de partículas y gas saturado. Desgasificación con un secado convencional y la planta de desgasificación mostro que no había influencia durante el voltaje de ruptura. La saturación de la humedad relativa fue 4-6%, la temperatura 20-22ºC. Para investigar la influencia de partículas, fibras de cartón prensado seco fueron dispersadas en una concentración de 20 t 75 g/t aceite.
- Resultados y discusión
Figura 11 muestra ejemplar de voltaje y corriente durante una ruptura en la configuración para las investigaciones de 100 barras.
La figura izquierda muestra el voltaje, la derecha la corriente con una escala de 1 V=1 A. Figura 11: Voltaje (izquierda) y corriente de una ruptura a 1 barra.
Figura 12 muestra el voltaje de ruptura del aceite aislante como una función de presión con escala lineal del eje x.
Este diagrama combina los resultados de todos los tres dispositivos de medición usados para las investigaciones de presión. El número de las rupturas únicas por cada punto de medida fue 200-420 para el rango de presión bajo 1 barra y 75 para el rango de presión sobre 1 barra. Los resultados muestran una derivación considerable del estándar causada por naturaleza estocástica del proceso de ruptura, pero un pequeño 5%, del cinturón de confianza.
Figura 12: el voltaje de ruptura de un aceite aislante como una función de presión con una escala lineal en el eje x.
Solo como la teoría deja que uno asuma, un aumento de presión en el aceite causa un incremento en el voltaje de ruptura hasta un valor asintótico final. El proceso de ruptura comienza en burbujas microscópicas, inducido por la inyección de corriente [1]. Una alta presión obstaculiza la evolución de la burbuja. Por otro lado bajo inflación la apoya. Resultando en un valor de ruptura descendiente. En la figura 13 permite para una mejor vista de la baja del rango de presión debido a su escala logarítmica en el eje x.
Figura 13: el voltaje de ruptura del aceite aislante como una función de presión con una escala logarítmica del eje x.
El aceite inhibido tiene solo una pequeña influencia en el voltaje de ruptura. El valor máximo asintótico para el aceite desinhibido parece estar alrededor de 140 kV, considerando que el aceite inhibido viniera cerca de los 150 kV.
Figura 14 muestra, como las partículas secas de celulosa influencian el voltaje de ruptura en un nuevo aceite. Para el rango bajo de presión hay una reducción, pero para la presión atmosférica y sobre la influencia y solamente pequeña, La razón para la influencian que las partículas permiten a la burbuja evolucionar. Este efecto claramente visible sucede solo bajo inflamación. Debe ser mencionado, que solo fibras secas celulósicas fueron agregadas, para fibras húmedas la influencia será más dramática.
Figura 14: Influencia de partículas secas de celulosa en el voltaje de ruptura en aceite nuevo
Durante las medidas en alta presión del aceite un fenómeno fue observado: el aceite recupero su capacidad aislante, la ruptura en aceite desapareció en la siguiente mitad de ciclo de la prueba de voltaje. Estas “rupturas parciales” ocurrieron típicamente a 70-85% del promedio del voltaje de ruptura en una presión especifica de aceite.
La figura 15 ilustra su comportamiento, por favor ver el contraste con la figura 11, donde una ruptura completa en aceite es representado.
Figura 15: El voltaje en la brecha de aceite en una “ruptura parcial”
El radio de las rupturas totales para las “rupturas parciales” depende de la presión de aceite, como mostrado en la figura 16. Bajo presión atmosférica todas las rupturas fueron completas, en 60 barras 80% de las rupturas fueron “parcialmente”. Una explicación posible de la presión dependiente es, que la alta presión apaga el arco eléctrico en la brecha de aceite. Así el aceite recupero su capacidad aislante en algunos milisegundos.
Figura 16: Radio total de las rupturas parciales como una función de la presión del aceite
- Resumen y conclusiones
El voltaje de ruptura en aceite mineral aislante fue investigado bajo las influencias de humedad, acidez, presión y partículas usando electrodos de acuerdo a IEC156/95 Figura II (VDE0370/Teil5/96 y ASTM D1816)
- El proceso de ruptura comienza con una burbuja microscópica
- La humedad provee cargas eléctricas, por lo tanto una saturación de humedad de 0 a 20% reduce la fuerza dieléctrica de 72 a 61 kV.
- El acido como producto deteriorante reduce la fuerza dieléctrica también por la misma razón.
- No el número total de acido NTA, pero los bajos ácidos moleculares causan mayor efecto.
- Una presión en aumento también incrementa el voltaje de ruptura. El comportamiento asintótico parece llegar a un valor máximo final de alrededor de 150 kV.
- Bajo inflación apoya la generación de burbujas. Reduciendo el soporte de la fuerza dieléctrica.
- Partículas secas (fibras de celulosa) reducen el voltaje de ruptura solo bajo inflación, ya que ellos apoyan la generación de burbujas. Casi no hay influencia bajo presión atmosférica y por encima de ella.
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