ES2309777T3 - Utilizacion de aceite dielectrico de alto rendimiento en equipos de alta tension. - Google Patents
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Abstract
Utilización de un aceite éster sintético en una cantidad del 5 al 25% en volumen para aumentar el comportamiento al envejecimiento de un aceite dieléctrico que comprende del 75 al 95% en volumen de un aceite nafténico.
Description
Utilización de aceite dieléctrico de alto
rendimiento en equipos eléctricos de alta tensión.
La presente invención se refiere a la
utilización de un aceite dieléctrico de alto rendimiento en equipos
eléctricos de alta tensión.
Estos equipos pueden ser especialmente
transformadores de potencia, de medición, de distribución o de
tracción, pero también cambiadores de toma, pasamuros,
distribuidores, disyuntores de baño de aceite, condensadores de
potencia o también cables.
Los transformadores de potencia forman parte de
los componentes más estratégicos y más costosos de las redes de
transporte y de distribución de la energía eléctrica. Por lo tanto
es esencial que funcionen correctamente el mayor tiempo posible.
La mayoría de estos transformadores están llenos
de un líquido que desempeña la función a la vez de aislante
eléctrico y de fluido caloportador. Este líquido es casi siempre un
aceite mineral, procedente de la destilación fraccionada de aceites
brutos de petróleo. Esta preponderancia de los aceites minerales se
explica especialmente por su bajo coste en comparación con el de los
líquidos aislantes de síntesis susceptibles de emplearse en
electrotecnia como los alquilbecenos. Se utilizan aceites éster y
aceites silicona en los transformadores de distribución, pero de
manera escasa, debido a su elevado coste, en los transformadores de
potencia.
Los progresos realizados estos últimos años en
el campo de los materiales han permitido reducir notablemente las
dimensiones de los transformadores de potencia con, como
consecuencia, una reducción del tamaño de los intervalos aislantes y
un aumento de las densidades de calor que necesitan ser
evacuadas.
Los aceites minerales presentes en estos
transformadores se ven abocados a ejercer su función de aislante
eléctrico en intervalos más reducidos para tensiones de
funcionamiento equivalentes, incluso más elevadas, y garantizar
paralelamente la evacuación de densidades de calor más
importantes.
Se teme, aunque no se haya demostrado
expresamente, que el uso de los aceites minerales en estas
condiciones se traduzca en un fallo de los transformadores o en una
reducción de duración de vida, especialmente debido a una
degradación prematura de estos aceites.
Los inventores se han fijado por lo tanto como
objetivo proporcionar un aceite que tenga un mayor rendimiento que
el de los aceites minerales actualmente utilizados en los
transformadores de potencia, en particular en cuanto a rigidez
dieléctrica y de comportamiento al envejecimiento, para garantizar
un funcionamiento de estos transformadores en las mejores
condiciones de fiabilidad y de seguridad, conferirles una duración
de vida satisfactoria y ofrecer la posibilidad de hacerlos aun más
compactos.
Los inventores se han fijado, además, como
objetivo proporcionar un aceite que, a la vez que presenta estas
ventajas, tenga un coste de fabricación compatible con un uso en
estos transformadores de potencia, sabiendo que un transformador de
potencia puede contener más de 40.000 litros de aceite.
Este objetivo y otros más se consiguen mediante
la invención que propone un aceite dieléctrico que comprende del 75%
al 95% aproximadamente en volumen de un aceite nafténico y del 5% al
25% aproximadamente en volumen de un aceite éster.
Los inventores han constatado, en efecto, que,
de manera sorprendente, la adición de un aceite éster a un aceite
nafténico en las proporciones indicadas anteriormente se traduce en
una mejora muy nítida de las propiedades dieléctricas de este aceite
nafténico, así como que su comportamiento al envejecimiento, sin que
por ello se vea afectada su viscosidad, y por lo tanto, su aptitud
para garantizar una transferencia de calor. Se obtiene de este modo
un aceite con rendimientos muy superiores a los de los aceites
minerales actualmente utilizados en los transformadores de potencia,
así como a los de los aceites de silicona.
Según una primera disposición preferida de la
invención, el aceite nafténico es un aceite o una mezcla de aceites
que presenta(n) un contenido de carbono aromático (C_{a})
de entre el 10 y el 15% aproximadamente, un contenido de carbono
parafínico (C_{p}) de entre el 40 y el 45% aproximadamente y un
contenido de carbono nafténico (Cn) de entre el 45 y el 50%
aproximadamente. A titulo de ejemplos de aceites nafténicos que
presentan este tipo de composición, se pueden citar los aceites
Nytro 10GBN, Nutro 3000 y Nytro 10X de la sociedad NINAS, el aceite
Poweroil TO-10 de la sociedad APAR, los aceites
Univolt 60 y Voltesso 35 de la sociedad ESSO, así como los aceites
Diala A y Diala M de la sociedad SHELL.
Según la invención, el aceite éster puede ser un
aceite vegetal o sintético, o una mezcla de varios aceites vegetales
y/o sintéticos. Sin embargo, se prefiere utilizar un aceite
sintético o una mezcla de aceites sintéticos debido al hecho de que
estos aceites presentan generalmente un punto de fluencia inferior
al de los aceites vegetales próximo al de los aceites minerales
nafténicos, de manera que permanecen líquidos a temperaturas a las
cuales los aceites vegetales tienden a solidificarse. Además, los
aceites éster sintéticos se oxidan más rápidamente que los aceites
éster vegetales.
Según otra disposición preferida de la
invención, el aceite éster es por lo tanto un aceite éster sintético
o una mezcla de aceites que contienen al menos un aceite éster
sintético.
Preferiblemente, este aceite éster sintético es
de la familia de los poliolésteres, y es más particularmente un
aceite basado en tetraéster de pentaeritritol.
Ventajosamente, este aceite basado en tetraéster
de pentaeritritol responde a la siguiente fórmula (I):
en la cual R representa un grupo
alquilo que varía entre C_{5}H_{11} y C_{9}H_{19}. Tal
aceite está especialmente disponible en la sociedad M&I con la
referencia comercial Midel
7131.
Sin embargo, se pueden utilizar también otros
aceites éster como por ejemplo, los aceites sintéticos ProRco TR3746
de la sociedad COGNIS o Envirotemp 200 de la sociedad CPS, o los
aceites vegetales Biotemp de la sociedad ABB o Envirotemp FR3 de la
sociedad CPS.
Según una disposición particularmente preferida
de la invención, el aceite dieléctrico comprende un aceite nafténico
que presenta un contenido de carbono aromático (C_{a}) del 14%
aproximadamente, un contenido de carbono parafínico (C_{p}) del
41% aproximadamente y un contenido de carbono nafténico (C_{n})
del 45% aproximadamente, y un aceite basado en tetraéster de
pentaeritritol que responde a la fórmula anterior (I).
Preferiblemente, la relación volumétrica entre
estos dos aceites va de 75:25 a 85:15, prefiriéndose particularmente
una relación volumétrica de aproximadamente 80:20.
Además de presentar las ventajas anteriormente
mencionadas, el aceite según la invención presenta la de ser
económicamente interesante, en la medida en que está constituido
principalmente de aceite mineral.
Por lo tanto se adapta particularmente al
propósito de servir de aislante eléctrico y de fluido caloportador
en equipos eléctricos de alta tensión.
En el sentido de la presente invención, se
entiende por "alta tensión", cualquier tensión superior a 1.000
V en corriente alterna y a 1.500 V en corriente continua, según las
especificaciones de la Comisión Electrotécnica Internacional
(CEI).
En particular, el aceite según la invención es
susceptible de utilizarse ventajosamente en transformadores de
potencia, de medición, de distribución o de tracción, y
especialmente en distribuidores de potencia.
La invención se entenderá mejor a la luz del
complemento de descripción, que se refiere a un ejemplo de
realización de un aceite según la invención y de demostración de sus
propiedades.
Por supuesto, este ejemplo no se proporciona más
que a título ilustrativo del objeto de la invención y no constituye
en ningún caso una limitación de este objeto.
La figura 1 representa la evolución de la
viscosidad (en mm^{2}/s) de un aceite nafténico (curva A), de un
aceite según la invención compuesto de este aceite nafténico y de un
aceite éster sintético en una relación volumétrica de 80:20 (curva
B), y de un aceite compuesto de este mismo aceite nafténico y de un
aceite silicona en una relación volumétrica de 80:20 (curva C), en
función de la temperatura (en ºC).
La figura 2 representa las probabilidades
gaussianas acumulativas de sobrevenida de una descarga eléctrica
para un aceite nafténico (curva A), para un aceite según la
invención compuesto de este aceite nafténico y de un aceite éster
sintético en una relación volumétrica de 80:20 (curva B), y para un
aceite compuesto de este mismo aceite nafténico y de un aceite
silicona en una relación volumétrica de 80:20 (curva C).
La figura 3 representa la acidez (en mg de KOH/g
de aceite) de un aceite nafténico (curva A), de un aceite según la
invención compuesto de este de este aceite nafténico y de un aceite
éster sintético en una relación volumétrica de 80:20 (curva B), y de
un aceite compuesto de este mismo aceite nafténico y de un aceite
silicona en una relación volumétrica de 80:20 (curva C) antes del
envejecimiento (punto 0 del eje de abscisas) y después del
envejecimiento sin catalizador metálico (punto 1 del eje de
abscisas), en presencia de un catalizador metálico (punto 2 del eje
de abscisas) y en presencia de un aislante celulósico denominado
papel Kraft (punto 3 del eje de abscisas).
La figura 4 representa el factor de disipación
(o tan \delta) de un aceite nafténico (curva A), de un aceite
según la invención que comprende este aceite nafténico y un aceite
éster sintético en una relación volumétrica de 80:20 (curva B), y de
un aceite compuesto de este mismo aceite nafténico y de un aceite
silicona en una relación volumétrica de 80:20 (curva C), antes del
envejecimiento (punto 0 del eje de abscisas) y después sin
catalizador metálico (punto 1 del eje de abscisas), en presencia de
un catalizador metálico (punto 2 del eje de abscisas) y en presencia
de un aislante celulósico denominado papel Kraft (punto 3 del eje de
abscisas).
La figura 5 representa la densidad de cargas de
un aceite nafténico (punto 1 del eje de abscisas), de un aceite
éster sintético (punto 2 del eje de abscisas) de una aceite según la
invención compuesto de este aceite nafténico y de este aceite éster
sintético en una relación volumétrica de 80:20 (punto 3 del eje de
abscisas), y de un aceite compuesto de este mismo aceite nafténico y
de un aceite silicona en una relación volumétrica de 80:20 (punto 4
del eje de abscisas) antes y después de la filtración, al vacío de
10^{-3} bares, en un vidrio sinterizado de 11-16
micrómetros de porosidad.
\vskip1.000000\baselineskip
Se prepara un aceite según la invención
mezclando:
- \bullet
- 80 partes en volumen del aceite nafténico comercializado por la sociedad NYNAS con la referencia comercial Nytro 10 GBN (C_{a} = 14%; C_{p} = 41%; C_{n} = 45%), y
- \bullet
- 20 partes en volumen del aceite tetraéster de pentaeritritol de fórmula (I) anteriormente mencionada, comercializado por la sociedad M&I con la referencia comercial Midel 7131,
hasta la obtención de una mezcla
homogénea.
El aceite obtenido de este modo se somete a
cuatro series de ensayos destinados a apreciar respectivamente la
evolución de su viscosidad en función de la temperatura, su rigidez
dieléctrica, su comportamiento al envejecimiento y su tendencia a
cargarse eléctricamente.
Con fines comparativos, se someten a estas
cuatro mismas series de ensayos, por una parte, el aceite nafténico
NYNAS Nytro 10GBN solo, y por otra parte, un aceite constituido de
una mezcla de este mismo aceite nafténico y del aceite silicona
Rhodorsil 604V50 (sociedad (RHODIA), también en una relación
volumétrica de 80:20. Estos aceites se designan respectivamente de
ahora en adelante "aceite nafténico" y "aceite al 20% de
aceite silicona".
Se ensaya igualmente la tendencia a cargarse
eléctricamente del aceite de éster sintético Midel 7131 solo. A este
aceite se le llamará en lo sucesivo "aceite de éster
sintético"
La viscosidad de los aceites se determina según
la norma CEU 60296/ ISO 3104.
La rigidez dieléctrica de los aceites se estudia
a temperatura ambiente según la norma CEI 60156, es decir bajo un
campo eléctrico casi uniforme, obtenido con electrodos esféricos, de
eje horizontal. El espacio interelectrodos se ajusta en 2,5 \pm
0,05 mm. La tensión aumenta de manera regular (2,0 \pm 0,2 kV/s)
hasta la descarga eléctrica y cada muestra de aceite ensayada se
agita durante toda la duración del ensayo.
Antes de cada ensayo, las muestras de aceite se
filtran en un vidrio sinterizado de 11 a 16 micrómetros de
porosidad, al vacío de 10^{-3} bares. Su contenido de agua se
determina según la norma CEI 60814 (valoración coulométrica de Karl
Fischer); el número de partículas se cuenta según la norma CEI 60970
y la contaminación de partículas de las muestras se clasifica de 1 a
12 según la norma alemana NAS 1638.
Las tensiones de descarga eléctrica se miden
mediante un dieltest BAUR (100 kV-50 Hz) sobre 32
muestras para cada aceite ensayado y las mediciones se analizan por
la ley de Laplace-Gauss o la ley normal,
representada por la siguiente fórmula:
f(x, u,
\sigma) = [1/(\sqrt{2Pi} \sigma)] \cdot exp –
[(x-u)^{2}/2\sigma^{2}])
en la cual x representa el
valor de la tensión de descarga eléctrica (en kV), u
representa la tensión de descarga eléctrica media (en kV) y \sigma
representa el coeficiente de
variación.
El coeficiente de seguridad, que corresponde al
valor mínimo de tensión de descarga eléctrica de un aceite, se
determina para f (x, u, \sigma) = 0,001, es
decir, para una probabilidad del 99,9%.
El comportamiento al envejecimiento de los
aceites se aprecia según la norma ASTM D1934-95
(2000) que propone dos procedimientos de envejecimiento oxidativo,
uno sin catalizador metálico, el otro en presencia de un catalizador
metálico, a saber un hilo de cobre. En este último procedimiento,
para hacer el ensayo más severo que el ASTM D1934-95
(2000) (que preconiza 15 cm^{2} de cobre para 300 ml de aceite),
se han seguido las recomendaciones de la norma CEI 61125 (que
preconiza 9,7 cm^{2} de cobre para 25 g de aceite), lo cual
representa el 8,8% del peso del aceite.
El comportamiento al envejecimiento de los
aceites también se ha ensayado después de la impregnación de papel
Kraft y el secado del papel así impregnado en condiciones análogas a
las utilizadas para preparar los papeles aceitados empleados en los
transformadores.
En todos los casos, el envejecimiento se realiza
dejando las muestras durante 96 horas en un horno con circulación de
aire ajustado a una temperatura de 115ºC.
La acidez y el factor de disipación (o tan
\delta) de los aceites se miden antes y después del
envejecimiento.
La tendencia de los aceites a cargarse
eléctricamente se aprecia mediante un dispositivo denominado
"probador miniestático de carga" (ministatic charge tester).
Este ensayo consiste en obligar al aceite ensayado a pasar a través
de un filtro constituido por una hoja de celulosa para provocar una
separación de las cargas. Las cargas que permanecen sobre el filtro
se miden con la ayuda de un electrómetro y los resultados se
expresan en cuanto a densidad de cargas, es decir, la cantidad de
cargas generadas por unidad de volumen de aceite en el flujo. La
densidad de cargas se determina mediante la siguiente fórmula:
Densidad de ca
(\muC/m^{3}) =
(i.t.10^{12})/v
en la cual i representa la
corriente (en amperios), t representa el flujo de aceite (en
segundos) y v representa el volumen de aceite (en
ml).
Cada aceite se ensaya antes y después de la
filtración sobre un vidrio sinterizado que presenta una porosidad de
11 a 16 micrómetros, al vacío de 10^{-3} bares.
Los resultados de los ensayos se ilustran en las
figuras 1 a 5 que representan:
Figura 1: la evolución de la viscosidad
expresada en mm^{2}/s, del aceite nafténico (curva A), del aceite
según la invención (curva B) y del aceite al 20% de aceite silicona
(curva C), en función de la temperatura, expresada en ºC.
Figura 2: Las probabilidades gaussianas
acumulativas de sobrevenida de una descarga eléctrica tales como las
obtenidas para el aceite nafténico (curva A), para el aceite según
la invención (curva B) y para el aceite al 20% de aceite silicona
(curva C);
Figura 3: la acidez expresada en mg de KOH/g de
aceite, del aceite nafténico (curva A), de un aceite según la
invención (curva B), y de un aceite al 20% de aceite silicona (curva
C) antes del envejecimiento (punto 0 del eje de abscisas) y después
del envejecimiento sin catalizador metálico (punto 1 del eje de
abscisas), en presencia de un catalizador metálico (punto 2 del eje
de abscisas) y sobre papel Kraft (punto 3 del eje de abscisas);
Figura 4: el tan \delta del aceite nafténico
(curva A), de un aceite según la invención que comprende (curva B) y
de un aceite al 20% de aceite silicona (curva C), antes del
envejecimiento (punto 0 del eje de abscisas) y después sin
catalizador metálico (punto 1 del eje de abscisas), en presencia de
un catalizador metálico (punto 2 del eje de abscisas) y sobre papel
Kraft (punto 3 del eje de abscisas);
Figura 5: la densidad de cargas expresada en
\muC/m^{3} y en valor absoluto, del aceite nafténico (punto 1
del eje de abscisas), de un aceite éster sintético (punto 2 del eje
de abscisas), de una aceite según la invención (punto 3 del eje de
abscisas), del aceite cal 20% de aceite silicona (punto 4 del eje de
abscisas) antes y después de la filtración sobre el vidrio
sinterizado.
Estas figuras muestran que:
1.- El aceite según la invención presenta una
viscosidad casi idéntica a la del aceite nafténico que lo
constituye, en toda la gama de temperaturas estudiadas. El aceite al
20% de aceite silicona presenta, una viscosidad que, ciertamente, es
más baja a bajas temperaturas pero que es más elevada a las
temperaturas habituales de funcionamiento de los transformadores de
potencia (80-90ºC).
2.- De los tres aceites ensayados, el aceite
según la invención es el que presenta las propiedades de rigidez
dieléctrica más interesantes, con valores medios de tensión de
descarga eléctrica y un coeficiente de seguridad netamente más
elevado que los obtenidos para el aceite nafténico y para el aceite
al 20% de silicona.
El coeficiente de seguridad es, en efecto, de 86
kV para el aceite según la invención (para un contenido en agua de
66 ppm y una contaminación de partículas de 5), mientras que no es
más que de 50 kV para el aceite nafténico (para un contenido en agua
de 10 ppm y una contaminación de partículas de 6) y de 72 kV para el
aceite al 20% de aceite silicona (para un contenido en agua de 12
ppm y una contaminación de partículas de 5).
Esto se puede explicar por el hecho de que el
comportamiento a la descarga eléctrica depende fuertemente del
contenido en agua de un aceite, y que para los aceites éster
sintéticos, la solubilidad del agua en aceite es mucho más elevada
que para los aceites minerales.
3.- De los tres aceites ensayados, el aceite
según la invención es también el que presenta el comportamiento al
envejecimiento más interesante, al aumentar menos su acidez y su tan
\delta en situación de envejecimiento que los del aceite nafténico
y del aceite al 20% de aceite silicona.
4.- El aceite según la invención tiene una
tendencia a cargarse eléctricamente más elevada que las del aceite
nafténico que lo constituye o del aceite al 20% de aceite silicona y
esto, sea cual sea su contenido en agua. Sin embargo, los valores de
densidad de cargas obtenidas para el aceite según la invención
permanecen perfectamente compatibles con un uso como aislante
eléctrico en transformadores de potencia, y son netamente menos
elevadas que para el aceite éster sintético solo.
Claims (10)
1. Utilización de un aceite éster sintético en
una cantidad del 5 al 25% en volumen para aumentar el comportamiento
al envejecimiento de un aceite dieléctrico que comprende del 75 al
95% en volumen de un aceite nafténico.
2. Utilización según la reivindicación 1, en la
cual el aceite nafténico es un aceite o una mezcla de aceites que
presenta(n) un contenido de carbono aromático del 10 al 15%,
un contenido de carbono parafínico del 40 al 45% y un contenido de
carbono nafténico del 45 al 50%.
3. Utilización según la reivindicación 1, en la
cual el aceite éster sintético es un aceite de la familia de los
poliolésteres.
4. Utilización según la reivindicación 3 en la
cual el aceite de la familia de los poliolésteres es basado en
tetraéster de pentaeritritol.
5. Utilización según la reivindicación 4, en la
cual el aceite basado en tetraéster de pentaeritritol responde a la
siguiente fórmula (I):
en la cual R representa un grupo
alquilo que varía entre C_{5}H_{11} y
C_{9}H_{19}.
6. Utilización según la reivindicación 4, que
comprende un aceite nafténico que presenta un contenido de carbono
aromático del 14%, un contenido de carbono parafínico del 41% y un
contenido de carbono nafténico del 45%, y un aceite basado en
tetraéster de pentaeritritol de fórmula (I).
7. Utilización según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la cual la relación volumétrica del
aceite nafténico respecto del aceite éster varía entre 75:25 y
85:15.
8. Utilización según la reivindicación 7, en la
cual la relación volumétrica del aceite nafténico respecto del
aceite éster es de aproximadamente 80:20.
9. Utilización según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, en la cual el aceite dieléctrico es un
aceite para equipos eléctricos de alta tensión.
10. Utilización según la reivindicación 9, en la
cual los equipos eléctricos son transformadores de potencia, de
medición, de distribución o de tracción, y en particular
transformadores de potencia.
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