Introducción

En los transformadores eléctricos, el aislamiento está garantizado principalmente por la suma de materiales sólidos, como papel kraft, y fluidos aislantes, principalmente aceites minerales. Esta importante innovación ha sido inventada y reivindicada por el famoso científico Nikola Tesla a partir de la patente N° 655.838 “Método de aislamiento eléctrico Conductores” del 14 de agosto de 1900 “mi invención cualquier tipo de líquido capaz de cumplir con los requisitos (75 …) como aceite, se puede utilizar (130 …)”, y de muchas otras patentes.

El aislante sólido, también llamado papeles aislantes o cartones, deriva principalmente de los procesos de producción de papel kraft (ver definiciones para más información). El resultado es un producto que ofrece sorprendentes propiedades mecánicas y eléctricas. En esta área, el papel kraft ha encontrado una de sus aplicaciones más importantes, especialmente en el aislamiento de equipos eléctricos hasta tensiones muy altas. Con el tiempo, gracias a la utilización de aditivos específicos, el papel kraft se ha mejorado especialmente en su comportamiento en relación con la temperatura dando origen a los papeles TUP (papel térmico mejorado). Los productos basados en polímeros sintéticos, tales como el material Nomex de Dupont, un compuesto de meta-aramida, también están disponibles en el mercado.

En cuanto al líquido aislante, además de aceites minerales, también hay ésteres naturales, ésteres sintéticos, fluidos de silicona y en el pasado también la Askarel a base de PCB.

Los papeles aislantes están impregnados con aceite u otros líquidos aislantes. Al final del ciclo de impregnación (típicamente al vacío, 60-80 °C y al menos 72 horas), el papel kraft llega a impregnarse de aceite hasta 150-180% de su masa inicial.

El papel kraft cubre los conductores de cobre o de aluminio con el fin de aislarlos eléctricamente y, por lo tanto, está expuesto a tensiones térmicas, eléctricas y mecánicas.
La propiedad principal del papel es DP (IEC 450: 1974), grado de polimerización. Este parámetro caracteriza las propiedades del material que son principalmente: resistencia a la tracción, elongación, resistencia a la flexión, módulo de elasticidad, factor de pérdida, resistividad específica. Un típico papel Kraft nuevo tiene un DP entre 1000 y 1500.
Durante el ciclo de vida real del transformador, el DP disminuye progresivamente hasta alcanzar el valor de aproximadamente 200 (aproximadamente 80% de reducción sobre el nuevo) al cual convencionalmente corresponde al término de la vida térmico. En esta condición, el papel pierde sus propiedades mecánicas, pero no las eléctricas, que, en cambio, siguen siendo aptas para garantizar el aislamiento requerido.

El aislamiento eléctrico puede ser considerado el corazón del transformador, si se pierde la consecuencia directa es el fallo eléctrico (metafóricamente como un infarto). En presencia de arcos eléctricos de potencia, el fallo puede desencadenar el aceite aislante, que es combustible, causando explosiones e incendios del transformador, y posibles accidentes graves.

Simplificando, podríamos decir que la vida térmica de los aislantes sólidos (basada en papel Kraft sin aditivos antienvejecimiento específicos) se estima en aproximadamente 160.000 horas a la carga nominal del transformador.

Específicamente, para un transformador elevador de generación (GSU) de una central térmica con una disponibilidad operativa de 7500 horas / año y un perfil de carga media del 80%, en ausencia de criticidades específicas, se estima una vida térmica convencional de alrededor de 25 años. Sin embargo, para el mismo transformador instalado en una central hidroeléctrica y por lo tanto con un perfil de carga media del 40% (estacionalidad del agua), en ausencia de criticidad específica, se estima una vida térmica convencional de unos 50 años. Por otro lado, los reactores shunt están dimensionados para operar intensivamente a valores cercanos a la carga nominal y, por tanto, con una esperanza de vida térmica menor.

La vida útil del transformador depende no sólo de la vida térmica de los papeles, sino también de otros cofactores como por ejemplo los defectos eléctricos que, al evolucionar en fallas eléctricas, interrumpen la disponibilidad operativa de la máquina. En presencia de esta criticidad, también es necesario evaluar la opción de sustitución del transformador; en este caso, conviene elegir una máquina que cumpla los requisitos de diseño ecológico, en particular en lo que respecta a reducir las pérdidas al vacío y reducir las emisiones de CO2. (Enlace a la Directiva)

Los procesos de degradación térmica del papel son el resultado de la interacción de 3 mecanismos: hidrólisis, oxidación, pirólisis.
Los procesos de degradación de papel son de por sí extremadamente complejos, si se suman a los efectos de la degradación del aceite (debido a la interacción aceite-papel) derivan mecanismos influenciados por numerosos factores críticos de difícil formalización cuantitativa. Los factores críticos que determinan el envejecimiento de papeles aislantes son la temperatura, el agua, el oxígeno, si el sistema es abierto o cerrado, los ciclos térmicos y la relación con el perfil de carga del transformador.

Sea Marconi ha llevado a cabo una serie de experimentos para determinar la relación entre la degradación del papel y la del aceite. Una de estas pruebas, de acuerdo con IEC 62535 (en un vial de 20 ml, con 10 ml de aceite, se introduce un tubo de cobre de aproximadamente 3 g de peso, envuelta con aproximadamente 23 g de papel, a 150 ° C durante 72 horas), demostró una pérdida de peso gradual del papel (hasta 25%) y una reducción de la DP (hasta un 80% en comparación con el valor a nuevo y del 60% menos que en comparación con un aceite inicialmente no ácido) al aumentar la acidez del aceite analizado (TAN). (ver gráfico abajo).

Los principales productos de degradación de los papeles aislantes son: agua, ácidos, CO2, CO, compuestos de furano, metanol, etanol, partículas. Estos compuestos se amalgaman al lodo resultante del envejecimiento del aceite formando la suspensión total.