Determinación de coeficientes de difusión de humedad en papeles aislantes de transformador

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El transformador de potencia es uno de los activos imprescindibles en la operación de los sistemas de generación y transmisión de energía eléctrica, siendo a la vez uno de los equipos más costosos de estos sistemas. Los transformadores de potencia son los encargados de elevar el nivel de tensión de la energía en las estaciones de generación para reducir así las pérdidas en su transporte, así como de reducir la tensión a valores adecuados en los puntos de consumo. La fiabilidad de los transformadores de potencia es esencial para una adecuada operación del sistema eléctrico de potencia. La mayoría de las causas de fallo en los transformadores están relacionadas con su aislamiento eléctrico. En transformadores de grandes y medianas potencias, el aislamiento eléctrico está compuesto principalmente de celulosa (papel Kraft y cartón prensado) y aceite. El agua es uno de los agentes más dañinos para los transformadores de potencia, ya que su presencia acelera el envejecimiento de los aislamientos, reduce su margen dieléctrico y disminuye la tensión de iniciación de las descargas parciales. Todas estas condiciones incrementan la probabilidad de aparición de fallos inesperados en el transformador. El comprender y estimar de manera adecuada la dinámica de la humedad en los aislamientos del transformador de potencia es esencial para mejorar los procesos de fabricación, operación y mantenimiento de estos equipos. La dinámica de la humedad en el interior de los aislamientos celulósicos puede ser estimada mediante un modelo matemático de difusión basado en la segunda ley de Fick. El parámetro básico de este modelo matemático es el denominado coeficiente de difusión de humedad. Para que los modelos puedan operar correctamente, obteniendo estimaciones precisas, es imprescindible disponer de un valor adecuado de este parámetro. La determinación experimental del coeficiente de difusión de humedad en aislamientos celulósicos es una tarea difícil debido a la dependencia que presenta su valor respecto de la concentración de humedad. En la literatura técnica se pueden encontrar distintos valores del coeficiente de difusión de humedad para aislamientos celulósicos. La mayor parte de estos trabajos fueron desarrollados hace más de 25 años y, tal como se ha comprobado experimentalmente, no representan de manera adecuada el comportamiento de la humedad en estos sistemas. En la presente tesis doctoral se ha llevado a cabo un estudio experimental dirigido a obtener expresiones que permitan calcular con precisión el coeficiente de difusión de humedad en papeles aislantes de transformadores, tanto impregnados con aceite mineral como sin impregnar. En las ecuaciones obtenidas se incluye la dependencia del coeficiente con la concentración local de humedad, la temperatura del aislamiento y el espesor del aislamiento. Adicionalmente se ha estudiado la dependencia del coeficiente con el grado de envejecimiento del papel. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Power transformers are key elements in power systems, while being one of the most expensive equipment in these systems. They are responsible for raising voltage levels at generation stations in order to reduce power losses in electricity transmission, and also for reducing the voltage to adequate levels at consumption points. Power transformer reliability is essential for an adequate operation of power systems. Some of the main causes of transformer failures are related to their electrical insulation. In high and medium size transformers, electrical insulation is composed of oil impregnated cellulose (Kraft paper wound in layers around the conductors and pressboard pieces) and oil. Water is one of the most damaging agents for power transformer insulation. Water is harmful to cellulose insulation because it accelerates the aging process, reduces the dielectric margin and decreases the partial discharges inception voltage. These phenomenon increases the probability of unexpected failures. Understanding and properly estimating the moisture dynamics in power transformer insulation is essential for improving the manufacturing process, operation and maintenance of these equipments. Moisture dynamics inside the cellulose insulation can be estimated using a mathematical model of diffusion based on Fick's second law. The main parameter of this mathematical model is the so-called moisture diffusion coefficient. The simulation models accuracy estimations depends on the moisture diffusion coefficient value. The experimental determination of the moisture diffusion coefficient in cellulose insulation is a difficult task, mainly because of its dependence with moisture concentration. In the technical literature different values of the diffusion coefficient of moisture into cellulose insulation can be found. Most of these works were performed more that 25 years ago and, as has been experimentally proved, they do not represent properly the moisture behavior in these systems. In this thesis work, an experimental study has been performed oriented to obtain expressions that allow an accurate calculation of the moisture diffusion coefficient into the transformer solid insulation. Expressions have been obtained both for impregnated and non-impregnated Kraft paper. In the proposed equations the dependence with local moisture concentration, insulation temperature and insulation thickness have been included. Further the dependence of the coefficient with aging degree has been studied.
Publicado el : martes, 01 de mayo de 2012
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Número de páginas: 252
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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

TESIS DOCTORAL
DETERMINACIÓN DE COEFICIENTES DE
DIFUSIÓN DE HUMEDAD EN PAPELES
AISLANTES DE TRANSFORMADOR


Autor:
D. Diego Fernando García Gómez


Directores:
aDra. D. María Belén García de Burgos
Dr. D. Juan Carlos Burgos Díaz






DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
Leganés, mayo 2012





TESIS DOCTORAL
DETERMINACIÓN DE COEFICIENTES DE DIFUSIÓN DE
HUMEDAD EN PAPELES AISLANTES DE TRANSFORMADOR

Autor: Diego Fernando García Gómez

aDirectores: Dra. D María Belén García de Burgos
Dr. D. Juan Carlos Burgos Díaz



Firma del tribunal calificador.

Presidente: Nombre
Vocal: Nombre
Vocal: Nombre
Vocal: Nombre
Secretario: Nombre


Calificación:

Leganés, 22 de mayo de 2012


















«Puede ser un héroe lo mismo el que triunfa que el que sucumbe, pero
jamás el que abandona el combate. Quizá ganen los impertinentes medio
mundo, pero los constantes poseen el mundo entero».

Thomas Carlyle

Agradecimientos
En el final de este camino he de recordar y agradecer a todas aquellas personas
que durante esta travesía han dado pasos a mi lado, brindándome apoyo, consejo,
buenos momentos y ante todo su amistad. Por ello he de decir que soy un hombre
afortunado.
Afortunado por contar con unos magníficos tutores quienes más que guía en lo
técnico y en lo científico, han sido amigos, brindándome su apoyo incondicional. A
Belén y Juan Carlos, mi infinita gratitud.
Agradecimiento especial a los hermanos Gonzalez y su familia, quienes han sido
como una familia para la mía propia. A Carlos por su apoyo desinteresado incluso
antes de iniciar este periplo. A Javier con quién compartí muchas horas de trabajo, y
cuyo compromiso y dedicación han hecho posible culminar con éxito esta etapa.
A quienes brindaron su ayuda para sacar adelante los montajes experimentales
Fernando Serrano, Carlos Valdivia y Ángel Gómez, apoyo invaluable para llegar a este
momento.
Quiero hacer especial mención a los profesores del Departamento de Ingeniería
Térmica y de Fluidos, Néstor García, Domingo Santana, Javier Villa y Ulpiano Ruiz-
Rivas. Consejos valiosos, apoyos oportunos y confianza. Esta última en especial
permitió que usásemos parte de sus equipos e instalaciones de manera irrestricta. Por
todo ello, gracias.
En el mismo sentido quiero agradecer a la profesora Bernarda Serrano del
Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Química por su
ayuda para la realización de parte de los ensayos químicos reportados en esta tesis.
Un agradecimiento especial a José Antonio Almendros de la Universidad de
Castilla la Mancha. Su trabajo preliminar con el grupo se constituyo en punto de
partida de esta tesis doctoral. Recuerdo que en los primeros días, en una reunión con
él en Albacete, nos indicó cual debería ser el objetivo de la tesis y al cabo de este
tiempo hemos de decir que tenía razón en ello.


DETERMINACIÓN DE COEFICIENTES DE DIFUSIÓN DE HUMEDAD EN PAPELES AISLANTES DE TRANSFORMADOR

Quiero dar las gracias también a Henry Laniado y Dalia Valencia del
Departamento de Estadística por su apoyo en el procesamiento y posterior análisis
estadístico de los resultados de las optimizaciones.
Agradezco a mis compañeros del Departamento de Ingeniería Eléctrica: Edwin,
Gloria, Ignacio, Jaime, Jorge A., Jorge V., Lucía, Miguel M. y familia, Miguel S.,
Miriam, Mónica, Rafael, y en especial a Ricardo y Sandra con quienes he compartido
algo más que despacho durante este tiempo. A todos los profesores del
Departamento de Ingeniería Eléctrica y por supuesto a Eva. Como suelo ser muy
olvidadizo, si se me escapa algún nombre, ruego me disculpen por ello.
A mis compañeros de Univalle, Guillermo, Héctor, Carlos, Ferley, Echeverry,
Gladys y Eduardo. Su apoyo y confianza en mí, me impulsaron a esta aventura. No
defraudar esa confianza ha sido siempre un aliciente para recorrer este camino.
Muy afortunado también por el apoyo incondicional de mi familia a quienes
agradezco de manera especial. Mi esposa Betty y mi hija Ada Salomé quienes han
hecho grandes concesiones, perdiendo durante muchos días y noches, por
sustracción mental y corporal, al esposo y al padre, solo para que este objetivo sea
hoy una realidad. Betty recuerdo también que superaste, aunque sea
momentáneamente, tu fobia a volar, sé que ese ha sido lo más difícil para ti, por ello
gracias. A Salomé porque tú amor de hija es mi razón de vida. ¡Gracias!

…Por supuesto a Dios y a los Ángeles.
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Resumen
El transformador de potencia es uno de los activos imprescindibles en la
operación de los sistemas de generación y transmisión de energía eléctrica, siendo a
la vez uno de los equipos más costosos de estos sistemas. Los transformadores de
potencia son los encargados de elevar el nivel de tensión de la energía en las
estaciones de generación para reducir así las pérdidas en su transporte, así como de
reducir la tensión a valores adecuados en los puntos de consumo.
La fiabilidad de los transformadores de potencia es esencial para una adecuada
operación del sistema eléctrico de potencia. La mayoría de las causas de fallo en los
transformadores están relacionadas con su aislamiento eléctrico. En transformadores
de grandes y medianas potencias, el aislamiento eléctrico está compuesto
principalmente de celulosa (papel Kraft y cartón prensado) y aceite.
El agua es uno de los agentes más dañinos para los transformadores de potencia,
ya que su presencia acelera el envejecimiento de los aislamientos, reduce su margen
dieléctrico y disminuye la tensión de iniciación de las descargas parciales. Todas estas
condiciones incrementan la probabilidad de aparición de fallos inesperados en el
transformador.
El comprender y estimar de manera adecuada la dinámica de la humedad en los
aislamientos del transformador de potencia es esencial para mejorar los procesos de
fabricación, operación y mantenimiento de estos equipos. La dinámica de la
humedad en el interior de los aislamientos celulósicos puede ser estimada mediante
un modelo matemático de difusión basado en la segunda ley de Fick. El parámetro
básico de este modelo matemático es el denominado coeficiente de difusión de
humedad. Para que los modelos puedan operar correctamente, obteniendo
estimaciones precisas, es imprescindible disponer de un valor adecuado de este
parámetro.
La determinación experimental del coeficiente de difusión de humedad en
aislamientos celulósicos es una tarea difícil debido a la dependencia que presenta su
valor respecto de la concentración de humedad. En la literatura técnica se pueden
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encontrar distintos valores del coeficiente de difusión de humedad para aislamientos
celulósicos. La mayor parte de estos trabajos fueron desarrollados hace más de 25
años y, tal como se ha comprobado experimentalmente, no representan de manera
adecuada el comportamiento de la humedad en estos sistemas.
En la presente tesis doctoral se ha llevado a cabo un estudio experimental dirigido
a obtener expresiones que permitan calcular con precisión el coeficiente de difusión
de humedad en papeles aislantes de transformadores, tanto impregnados con aceite
mineral como sin impregnar. En las ecuaciones obtenidas se incluye la dependencia
del coeficiente con la concentración local de humedad, la temperatura del
aislamiento y el espesor del aislamiento. Adicionalmente se ha estudiado la
dependencia del coeficiente con el grado de envejecimiento del papel.

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