Transformadores Clase Alta Temperatura

Javier Echeverry, PTE / Marzo 30_2016
Transformadores Clase Alta Temperatura
Transformers Seminar Version 6 - Chile
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Transformadores clase alta temperatura
Agenda
Introducción
•
Concepto “Energy Efficiency” objeto del seminario
Fluidos Esteres
•
Ester natural
•
Ester sintético
Aislamiento sólidos clase alta temperatura
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•
Aislamiento Semi - Híbrido
•
Aislamiento Híbrido
•
Aislamiento Mixto
Transformadores clase alta temperatura
Introducción
Actualmente hay muchos gobiernos, sectores y organismos
requiriendo transformadores más amigables ambientalmente.
q La Comisión estudio de la Unión Europea 548 /2014 ha
Reglamentado como requisitos de diseño ecológico de
transformadores:
• Diseño de transformadores de potencia que aumenten
su rendimiento o eficiencia energética.
• Que correspondan a menos emisiones de Dióxido de
carbono (CO2) a la atmósfera.
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Transformadores clase alta temperatura
Introducción
q El acuerdo climático firmado en Paris en Diciembre 12
/2015 (COP21) por 195 naciones para combatir el cambio
climático; el cual debe ser ratificado el 22 de Abril /2016 en
la sede central de las Naciones Unidas en New York:
• Energías renovables, eficiencia energética y
reducción de emisiones de Gases de efecto
invernadero.
Los Transformadores de potencia Clase Alta Temperatura
son una solución.
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Transformadores clase alta temperatura
Antecedentes
Por cientos de años se han usado transformadores inmersos
en aceite derivados del petróleo (aceite mineral) como
elemento aislante, refrigerante y portador de información.
Ventajas:
• Su bajo costo.
• Su comprobado buen desempeño en servicio por muchos
años.
Limitantes o desventajas:
• Su baja biodegradación que ocasiona un alto impacto
ambiental.
• Su bajo punto de inflamación que puede conducir a la
generación de incendios y accidentes.
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Transformadores clase alta temperatura
Antecedentes – Aislamiento sólido
• Uso de papel Kraft (Clase térmica A) y del tipo térmicamente
estabilizado (Clase térmica E) como aislamiento para los
conductores.
• Cable transpuesto del tipo Netting tape (con esmalte – Clase
térmica E) y/o empapelado
Cola
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Antecedentes - Aislamientos sólidos
Cartones precomprimidos y madera contraplacada Clase térmica A.
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Transformadores clase alta temperatura
Antecedentes - Aislamientos sólidos
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Transformadores clase alta temperatura
Antecedentes - Aislamientos sólidos
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Fluidos Esteres
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Transformadores clase alta temperatura
Fluidos Esteres
Desde el inicio de los años 1990 se han desarrollado líquidos
dieléctricos de origen vegetal con el objeto de mejorar las
limitaciones del aceite mineral (Seguridad y medio
ambiente).
Son del tipo biodegradables y tienen alto punto de inflamación.
Pueden ser del origen vegetal – Ester Natural, o del tipo
sintético – Ester Sintético.
Son especificados por las normas (ASTM D 6871, ABNT NBR
15422, IEEE C57.147.)
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Transformadores clase alta temperatura
Esteres Naturales
Se fabrican empleando materiales renovables (productos agrícolas)
cuyas emisiones de carbono son inferiores a las del aceite mineral.
Normalmente se usan semillas de Soya, Canola, Girasol, Maíz.
El proceso de fabricación es el mismo empleado para la producción
de aceite vegetal comestible; sólo difiere en su etapa final, en que
se agregan aditivos para mejorar sus propiedades dieléctricas y
ser más estable a la oxidación.
Para su aplicación en transformadores se consideran aspectos como:
• Características químicas
• Propiedades físicas y eléctricas
• Compatibilidad con los diferentes materiales de los
transformadores
• Proceso de envejecimiento e inspección en operación
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Transformadores clase alta temperatura
Esteres Naturales
La sensibilidad al deterioro con el oxígeno ha sido mejorada con la
aplicación de aditivos y sistemas de manejo y hermeticidad
adecuados.
Las marcas más reconocidas son:
Envirotemp FR3 – Ester natural (Carguill Industrias Oil – US, Brasil)
Biotemp - Ester natural
MIDEL eN - Ester natural (M&I Materials – United Kingdom - US)
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Esteres Naturales
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Esteres Naturales
Los ésteres naturales tienen unos valores más elevados de
viscosidad y conductividad térmica.
A menor viscosidad el aceite se desplaza más fácilmente; por
esta razón, se puede limitar el comportamiento térmico del
transformador.
A su vez, una mayor conductividad térmica permite que el
calor generado en las bobinas del transformador se transfiera
a una mayor velocidad hacia el aceite, para luego disiparse.
Lo cual es una ventaja.
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Transformadores clase alta temperatura
Esteres Naturales
§
Comparación de la variable Rigidez dieléctrica
Fluid
Dielectric Breakdown
(ASTM D 877) kV
Dielectric Breakdown
(ASTM D 1816) kV
Vegetable Oil
52
36
Mineral Oil
50
35
Los fluidos esteres poseen una mayor constante dieléctrica.
Debido a este comportamiento las tensiones eléctricas se reducen
en los ductos de aceite y se aumenta en la celulosa impregnada.
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Fluid
Fluid Only
Impregnated Kraft Paper
Impregnated HD
Pressboard
Vegetable Oil
3.2
4.1
4.7
Mineral Oil
2.2
3.5
4.4
Transformadores clase alta temperatura
Esteres Naturales
Para un mismo diseño de transformador, los fluidos ésteres están
sometidos a menores esfuerzos eléctricos.
Debido a la relación cercana entre los valores de las constantes
dieléctricas de los materiales, el esfuerzo de tensión en el
aislamiento papel – conductor, se incrementa.
Los fluidos esteres pueden retener mayor humedad que el aceite
mineral, esta propiedad mejora las características de
envejecimiento del papel al mantenerlo más seco.
El resultado final es una capacidad térmica del aislamiento papel–
aceite más alta; del mismo modo, se mejora la capacidad
dieléctrica del papel.
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Transformadores clase alta temperatura
Esteres Naturales
Vegetal
Vegetal
La IEEE (IEEE C57.154™) confirma el aumento de la clase térmica del
papel aislante y amplia los limites de temperatura de operación, debido a
las comprobadas propiedades térmicas del aceite vegetal aislante.
Transformadores nuevos y existentes inmersos en éster natural, pueden
operar a temperaturas más altas que las convencionales, permitiendo
ganancia en potencia (Sobrecarga) o aumentando su vida útil.
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Transformadores clase alta temperatura
Esteres Naturales
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Transformadores clase alta temperatura
Esteres Naturales
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Esteres Sintéticos
Desarrollados en base a alcohol y ácidos orgánicos o grasos.
Midel 7131 desarrollado en los años 1970 por M&I Materials – UK -US.
Nycodiel 1255a - Ester sintético (Nyco S.A - Francia)
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Transformadores clase alta temperatura
Esteres Sintéticos
Los ésteres sintéticos tienen una estabilidad mucho mayor frente al
oxígeno que los ésteres naturales.
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Transformadores clase alta temperatura
Esteres Sintéticos
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Fluidos Esteres
Transformadores clase alta temperatura
El Ester Natural y Sintético es Certificado por “Factory Mutual y Underwriters
Laboratories” como líquidos menos inflamables para uso en transformadores.
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Transformadores clase alta temperatura
Fluidos Esteres
Clasificación de los líquidos aislantes basados en el Punto de
flameo y Poder calorífico de acuerdo con la Norma IEC 61100.
Clasificación de los fluidos
Propiedades de los fluidos
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Transformadores clase alta temperatura
Biodegradabilidad
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Transformadores clase alta temperatura
Biodegradabilidad
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Transformadores clase alta temperatura
Fluidos Esteres
Por aspectos de seguridad algunas medidas en instalaciones
pueden ser minimizadas (Fosas recolectoras de aceite y muros
corta fuegos).
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Transformadores clase alta temperatura
Fluidos Esteres
Diagnóstico de gases en los transformadores (DGA)
Ante fallas eléctricas, los fluidos esteres generan los
mismos que se presentan en el aceite mineral en
relativamente iguales proporciones.
Lo anterior hace aplicable las mismas herramientas de
diagnóstico establecidas para el aceite mineral; por
ejemplo el tradicional Triángulo de Duval.
Para fallas térmicas se tienen otras consideraciones, por
lo cual, el sistema de diagnóstico mediante gases claves
ha sido ajustado.
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Transformadores clase alta temperatura
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Transformadores clase alta temperatura
Aislamientos sólidos – Clase alta temperatura
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Transformadores clase alta temperatura
Aislamientos sólidos – Clase alta temperatura
Transformador con aislamiento:
A. Sistema de aislamiento Semi-Híbrido
B. Sistema de aislamiento Híbrido
C. Sistema de aislamiento Mixto
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Transformadores clase alta temperatura
Aislamientos sólidos – Clase alta temperatura
A. Sistema de aislamiento Semi-Hibrido:
Utiliza materiales clase alta temperatura sólo
para el aislamiento del conductor en
bobinas que operan por encima de
temperaturas convencionales.
Todos los demás materiales son clase térmica
convencional (105 °C).
Líquido: convencional (aceite mineral)
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Transformadores clase alta temperatura
Aislamientos sólidos – Clase alta temperatura
B. Sistema de aislamiento Hibrido:
Utiliza clase alta temperatura en toda la bobina,
pero no necesariamente todos los devanados.
Aislamiento sólido: clase alta temperatura en
todo el aislamiento en contacto con los
conductores.
Líquido: convencional (aceite mineral).
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Transformadores clase alta temperatura
Aislamientos sólidos – Clase alta temperatura
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Transformadores clase alta temperatura
Aislamientos sólidos – Clase alta temperatura
C. Sistema de aislamiento Mixto:
Utiliza aislamiento clase alta temperatura
para ciertos componentes o partes de las
bobinas, como los conductores en las
regiones con temperaturas por encima de los
límites convencionales.
Aislamiento sólido alta temperatura para
proteger
contra
el
calentamiento
localizado en regiones específicas de
algunas bobinas.
Líquido: convencional (aceite mineral)
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Transformadores clase alta temperatura
Aislamientos sólidos – Clase alta temperatura
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Transformadores clase alta temperatura
Aislamientos sólidos – Clase alta temperatura
Material sólido convencional - Nomex
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Transformadores clase alta temperatura
Aislamientos sólidos – Clase alta temperatura
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Transformadores clase alta temperatura
Aislamientos sólidos – Clase alta temperatura
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Transformadores clase alta temperatura
Aislamientos sólidos – Clase alta temperatura
Características principales - Nomex
• Polímero
• Estabilidad térmica para exposiciones continuas hasta 220 °C
• Excelente desempeño:
• Altas temperaturas en líquidos aislantes
• No inflamable
• Resistente a ácidos y álcalis
• Compatible con todos los materiales del transformador
(Barnices, aceites, adhesivos)
• Estable a cambios de temperatura y humedad
• Buena resistencia dieléctrica
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Transformadores clase alta temperatura
Aislamientos sólidos – Clase alta temperatura
Características principales - Nomex
• Mejor expectativa de vida útil respecto al papel Kraf y el papel
Termoestabilizado.
Based on 50% Tensile Strength
100
Aramid / Oil
Normal Life (Years)
10
55 K
1
65 K
.1
.01
0
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100
200
Hot Spot Temperature (°C)
Based on ANSI/IEEE C57.92
300
400
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Aislamientos sólidos – Clase alta temperatura
Excelente resistencia a la tensión y compresión
Static Compression of Board at 100 MPa
100
98
Th
ick
ne
ss
re
du
cti
on
(%
)
96
94
Aramid pressboard @ 135°C
Aramid pressboard @ 150°C
Cellulose pressboard @ 135°C
Cellulose pressboard @ 150°C
92
90
88
0
50
100
Aging time (days)
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150
200
250
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Aislamientos sólidos – Clase alta temperatura
Excelente resistencia dieléctrica
Dielectric Puncture Breakdown
Dielectric Creepage Breakdown
3 mm Boards in Mineral Oil
3.0 & 4.5 mm Boards
in Mineral Oil
7
100
(per ASTM D-149 / D-3426)
6
80
75
Nomex® T-994
5
60
60
40
26
21
Failure Stress (kV/mm)
Failure Stress (kV/mm)
Kraft
Nomex® T-994
Kraft
4
3
2
20
1
0
0
60 Hertz
Impulse
60 Hertz
Impulse
Nomex tiene 25% más resistencia dieléctrica al impulso que
el papel Kraft
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Transformadores clase alta temperatura
Aislamientos sólidos – Clase alta temperatura
Temperature Drop Through Conductor
Insulation
260
Temp. @ TC Location
240
220
220
200
180
160
200
180
160
140
120
100
0
0.48
0.96
Distance from Conductor (mm)
Conductor
Surface
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Oil / Insulation
Surface
Transformadores clase alta temperatura
Aislamientos sólidos – Clase alta temperatura
Conclusiones:
El sistema de aislamiento híbrido ofrece muchas ventajas:
• Mayor vida útil de los transformadores
• Mayor resistencia mecánica a esfuerzos de cortocircuito
• Mejor distribución de esfuerzo dieléctrico en el material
reduciendo el riesgo de fallas eléctricas.
• Menor riesgo de fallas en procesos de fabricación
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Aislamientos sólidos – Clase alta temperatura
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Aislamientos sólidos – Clase alta temperatura
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