Transformadores Clase Alta Temperatura - Javier Echeverry

Javier Echeverry, PTE / Marzo 30_2016

Transformadores Clase Alta TemperaturaTransformers Seminar Version 6 - Chile

© ABB GroupApril 6, 2016 | Slide 1

Agenda

Transformadores clase alta temperatura

• Concepto “Energy Efficiency” objeto del seminario


Introducción

Fluidos Esteres• Ester natural

• Ester sintético

Aislamiento sólidos clase alta temperatura• Aislamiento Semi - Híbrido

• Aislamiento Híbrido• Aislamiento Mixto



Actualmente hay muchos gobiernos, sectores y organismosrequiriendo transformadores más amigables ambientalmente.

• Diseño de transformadores de potencia que aumentensu rendimiento o eficiencia energética.

• Que correspondan a menos emisiones de Dióxido decarbono (CO2) a la atmósfera.

q La Comisión estudio de la Unión Europea 548 /2014 haReglamentado como requisitos de diseño ecológico detransformadores:

Introducción



q El acuerdo climático firmado en Paris en Diciembre 12/2015 (COP21) por 195 naciones para combatir el cambioclimático; el cual debe ser ratificado el 22 de Abril /2016 enla sede central de las Naciones Unidas en New York:

Los Transformadores de potencia Clase Alta Temperaturason una solución.

Introducción

• Energías renovables, eficiencia energética yreducción de emisiones de Gases de efectoinvernadero.



Por cientos de años se han usado transformadores inmersosen aceite derivados del petróleo (aceite mineral) comoelemento 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.

Antecedentes


Antecedentes – Aislamiento sólido

• Uso de papel Kraft (Clase térmica A) y del tipo térmicamenteestabilizado (Clase térmica E) como aislamiento para losconductores.

Cola

• Cable transpuesto del tipo Netting tape (con esmalte – Clasetérmica E) y/o empapelado



Cartones precomprimidos y madera contraplacada Clase térmica A.

Antecedentes - Aislamientos sólidos



Antecedentes - Aislamientos sólidos



Antecedentes - Aislamientos sólidosTransformadores clase alta temperatura


Fluidos Esteres



Fluidos Esteres


Desde el inicio de los años 1990 se han desarrollado líquidosdieléctricos de origen vegetal con el objeto de mejorar laslimitaciones del aceite mineral (Seguridad y medioambiente).

Son del tipo biodegradables y tienen alto punto de inflamación.

Pueden ser del origen vegetal – Ester Natural, o del tiposintético – Ester Sintético.

Son especificados por las normas (ASTM D 6871, ABNT NBR15422, IEEE C57.147.)


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 producciónde aceite vegetal comestible; sólo difiere en su etapa final, en quese agregan aditivos para mejorar sus propiedades dieléctricas yser 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


Esteres Naturales


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)

La sensibilidad al deterioro con el oxígeno ha sido mejorada con laaplicación de aditivos y sistemas de manejo y hermeticidadadecuados.


Esteres Naturales



Esteres Naturales


A menor viscosidad el aceite se desplaza más fácilmente; poresta razón, se puede limitar el comportamiento térmico deltransformador.

Los ésteres naturales tienen unos valores más elevados deviscosidad y conductividad térmica.

A su vez, una mayor conductividad térmica permite que elcalor generado en las bobinas del transformador se transfieraa una mayor velocidad hacia el aceite, para luego disiparse.Lo cual es una ventaja.



§ Comparación de la variable Rigidez dieléctrica

Esteres Naturales

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 reducenen los ductos de aceite y se aumenta en la celulosa impregnada.

Fluid Fluid Only Impregnated Kraft Paper Impregnated HDPressboard

Vegetable Oil 3.2 4.1 4.7

Mineral Oil 2.2 3.5 4.4


Esteres Naturales


Para un mismo diseño de transformador, los fluidos ésteres estánsometidos a menores esfuerzos eléctricos.

Debido a la relación cercana entre los valores de las constantesdieléctricas de los materiales, el esfuerzo de tensión en elaislamiento papel – conductor, se incrementa.

Los fluidos esteres pueden retener mayor humedad que el aceitemineral, esta propiedad mejora las características deenvejecimiento 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 capacidaddieléctrica del papel.



Vegetal Vegetal

Transformadores nuevos y existentes inmersos en éster natural, puedenoperar a temperaturas más altas que las convencionales, permitiendoganancia en potencia (Sobrecarga) o aumentando su vida útil.

La IEEE (IEEE C57.154™) confirma el aumento de la clase térmica delpapel aislante y amplia los limites de temperatura de operación, debido alas comprobadas propiedades térmicas del aceite vegetal aislante.

Esteres Naturales



Esteres Naturales


Esteres Naturales



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)


Esteres Sintéticos


Los ésteres sintéticos tienen una estabilidad mucho mayor frente aloxígeno que los ésteres naturales.


Esteres SintéticosTransformadores clase alta temperatura



El Ester Natural y Sintético es Certificado por “Factory Mutual y UnderwritersLaboratories” como líquidos menos inflamables para uso en transformadores.

Flui

dos

Este

res



Clasificación de los fluidos

Clasificación de los líquidos aislantes basados en el Punto deflameo y Poder calorífico de acuerdo con la Norma IEC 61100.

Propiedades de los fluidos

Fluidos Esteres



Biodegradabilidad



Biodegradabilidad



Por aspectos de seguridad algunas medidas en instalacionespueden ser minimizadas (Fosas recolectoras de aceite y muroscorta fuegos).

Fluidos Esteres



Diagnóstico de gases en los transformadores (DGA)

Fluidos Esteres

Ante fallas eléctricas, los fluidos esteres generan losmismos que se presentan en el aceite mineral enrelativamente iguales proporciones.

Lo anterior hace aplicable las mismas herramientas dediagnóstico establecidas para el aceite mineral; porejemplo el tradicional Triángulo de Duval.

Para fallas térmicas se tienen otras consideraciones, porlo cual, el sistema de diagnóstico mediante gases clavesha sido ajustado.





Aislamientos sólidos – Clase alta temperatura




Transformador con aislamiento:

A. Sistema de aislamiento Semi-HíbridoB. Sistema de aislamiento HíbridoC. Sistema de aislamiento Mixto


Utiliza materiales clase alta temperatura sólopara el aislamiento del conductor enbobinas que operan por encima detemperaturas convencionales.

Todos los demás materiales son clase térmicaconvencional (105 °C).

Líquido: convencional (aceite mineral)

A. Sistema de aislamiento Semi-Hibrido:




B. Sistema de aislamiento Hibrido:

Utiliza clase alta temperatura en toda la bobina,pero no necesariamente todos los devanados.

Aislamiento sólido: clase alta temperatura entodo el aislamiento en contacto con losconductores.

Líquido: convencional (aceite mineral).







Utiliza aislamiento clase alta temperaturapara ciertos componentes o partes de lasbobinas, como los conductores en lasregiones con temperaturas por encima de loslímites convencionales.

Aislamiento sólido alta temperatura paraproteger contra el calentamientolocalizado en regiones específicas dealgunas bobinas.

Líquido: convencional (aceite mineral)

C. Sistema de aislamiento Mixto:









Material sólido convencional - Nomex










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


Transformadores clase alta temperaturaAislamientos sólidos – Clase alta temperatura

4003002001000.01

.1

1

10

100

55 K

65 K

Aramid / Oil

Hot Spot Temperature (°C)Based on ANSI/IEEE C57.92

Nor

mal

Life

(Yea

rs)

Based on 50% Tensile Strength

Características principales - Nomex

• Mejor expectativa de vida útil respecto al papel Kraf y el papelTermoestabilizado.



Aislamientos sólidos – Clase alta temperaturaExcelente resistencia a la tensión y compresión

88

90

92

94

96

98

100

0 50 100 150 200 250Aging time (days)

Thicknessreduction(%)

Aramid pressboard @ 135°CAramid pressboard @ 150°CCellulose pressboard @ 135°CCellulose pressboard @ 150°C

Static Compression of Board at 100 MPa


Transformadores clase alta temperaturaAislamientos sólidos – Clase alta temperatura

60 Hertz Impulse0

20

40

60

80

100

Nomex® T-994

Kraft

Dielectric Puncture Breakdown

3 mm Boards in Mineral Oil

Failu

reSt

ress

(kV

/mm

)

(per ASTM D-149 / D-3426)

2621

75

60

60 Hertz Impulse0

1

2

3

4

5

6

7

Nomex® T-994Kraft

Dielectric Creepage Breakdown

3.0 & 4.5 mm Boards in Mineral Oil

Failu

reSt

ress

(kV

/mm

)

Nomex tiene 25% más resistencia dieléctrica al impulso queel papel Kraft

Excelente resistencia dieléctrica




Temperature Drop Through ConductorInsulation

100

120

140

160

180

200

220

240

260

0 0.48 0.96

Distance from Conductor (mm)

Tem

p.@

TCLo

catio

n

220200180160

ConductorSurface

Oil / InsulationSurface




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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