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Máster en Ingeniería Industrial

RESUMEN: El diseño del aislamiento es uno de los aspectos más importantes del diseño del transformador, y de él depende en gran medida su calidad y fiabilidad. El aislamiento usado a lo largo de la historia está formado por materiales celulósicos, principalmente papel y cartón, y líquidos dieléctricos, especialmente aceite mineral, que rellenan las cavidades de estos materiales, proporcionando una mayor rigidez dieléctrica. Además, el líquido dieléctrico cumple las funciones de aislar las partes activas del transformador, transferir el calor de los conductores y diagnosticar el estado del equipo. Por estas razones, varios miles de millones de litros de aceite son utilizados en los transformadores de todo el mundo. Sin embargo, debido a la poca biodegradabilidad de los aceites minerales y el agotamiento de las reservas petrolíferas, se ha impulsado desde hace años una búsqueda de un nuevo líquido dieléctrico capaz de sustituir al aceite mineral y cumplir con las exigencias medioambientales. Los fluidos basados en ésteres, naturales y sintéticos, ofrecen varias ventajas comparados con los aceites minerales, como son su mayor biodegradabilidad y punto de inflamación, pero, sin embargo, su mayor viscosidad influye negativamente en los procesos de impregnación y de evacuación del calor. Por eso, es necesario el estudio del proceso de impregnación con líquidos dieléctricos basados en ésteres. El presente Trabajo de Fin de Grado consiste en una simulación computacional del proceso de impregnación de sólidos celulósicos usados en transformadores de potencia con líquidos dieléctricos. La fiabilidad del aislamiento depende en gran medida del proceso de impregnación, que garantiza que no queden cavidades en la celulosa y así evitar descargas parciales. Un paso importante previo a la realización de la simulación es la caracterización de los materiales a utilizar, sólidos celulósicos y aceites dieléctricos. Usando el software de dinámica de fluidos ANSYS Fluent en medios porosos, se pretende realizar una simulación del proceso de impregnación en varios materiales celulósicos (madera fenólica, cartón y pressboard) y con varios aceites dieléctricos (aceite mineral y éster natural) para obtener una primera aproximación del resultado del proceso sin tener que recurrir a métodos experimentales. ABSTRACT: The insulation design is one of the most important aspects of transformer design, and its quality and reliability depend to a large extent on it. The insulation used throughout history consists of cellulosic materials, mainly paper and cardboard, and dielectric liquids, especially mineral oil, which fill the cavities of these materials, providing greater dielectric strength. In addition, the dielectric liquid performs the functions of insulating the active parts of the transformer, transferring heat from the conductors and diagnosing the condition of the equipment. For these reasons, several billion liters of oil are used in transformers around the world. However, due to the poor biodegradability of mineral oils and the depletion of oil reserves, a search for a new dielectric fluid capable of replacing mineral oil and meeting environmental requirements has been underway for years. Ester-based fluids, both natural and synthetic, offer several advantages over mineral oils, such as higher biodegradability and flash point, but their higher viscosity, however, has a negative influence on the impregnation and heat dissipation processes. Therefore, it is necessary to study the impregnation process with ester-based dielectric liquids. This project consists of a computational simulation of the impregnation process of cellulosic solids used in power transformers with dielectric liquids. The reliability of the insulation depends to a large extent on the impregnation process, which ensures that no cavities are left in the cellulose and thus avoids partial discharges. An important step prior to the simulation is the characterization of the materials to be used, cellulosic solids and dielectric oils. Using the ANSYS Fluent fluid dynamics software in porous media, it is intended to perform a simulation of the impregnation process in various cellulosic materials (phenolic wood, cardboard and pressboard) and with various dielectric oils (mineral oil and natural ester) to obtain a first approximation of the result of the process without having to carry out experimental methods. Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales

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RESUMEN: El aislamiento eléctrico de los transformadores de potencia en baño de aceite se constituye de la combinación de un líquido dieléctrico y sólidos celulósicos, que deben ser completamente impregnados por el líquido dieléctrico. Esto garantiza que las cavidades presentes en el aislante sólido sean rellenadas por el líquido, confiriendo así alta rigidez dieléctrica al conjunto y evitando descargas parciales que puedan acelerar considerablemente el deterioro del aislamiento. Los aceites minerales son los líquidos dieléctricos más utilizados para este propósito, a pesar de dos grandes inconvenientes: su bajo punto de inflamación y peligrosidad medioambiental (ecotoxicidad y baja biodegradabilidad). Para hacer frente a estas dos importantes limitaciones, desde hace años se han desarrollado distintos líquidos dieléctricos alternativos entre los que se encuentran los ésteres naturales y sintéticos. Sin embargo, estos líquidos poseen una mayor viscosidad que perjudica el proceso de impregnación. Surge así la necesidad de estudiar el proceso de impregnación con ésteres, aumentando el conocimiento existente y obteniendo datos cuantitativos valiosos para la industria, para facilitar la sustitución del aceite mineral por estos fluidos alternativos. En este trabajo se han realizado en el laboratorio distintos ensayos experimentales de impregnación de tres líquidos dieléctricos (aceite mineral, éster sintético y éster natural) en diversos materiales celulósicos y a diferentes temperaturas. Para complementar estos datos se ha medido el efecto de la temperatura en la tensión superficial y viscosidad de los líquidos dieléctricos, sus principales propiedades con influencia en la impregnación. La impregnación con los ésteres es considerablemente más lenta que con el aceite mineral, como consecuencia de su mayor viscosidad. Elevando la temperatura se consigue acelerar la impregnación al reducirse la viscosidad, aunque afecta negativamente a la presión capilar. Con los datos recopilados se ha realizado un estudio comparativo de las características de impregnación de diferentes combinaciones de sólido y líquido dieléctrico, y se han planteado ecuaciones para estimar el tiempo necesario para completar la impregnación de cada una de estas combinaciones en función de la temperatura de impregnación. Los resultados de impregnación han sido comparados con un modelo analítico elaborado a partir de los datos experimentales obtenidos en el laboratorio, observándose buena concordancia entre ambos. Finalmente, para completar el estudio se ha planteado un primer acercamiento a la elaboración de un modelo numérico del proceso de impregnación. Este modelo se ha construido con la herramienta COMSOL Multiphysics y permite observar la influencia de la temperatura en la capilaridad de los distintos líquidos dieléctricos estudiados. ABSTRACT: The electrical insulation of oil-immersed power transformers is a combination of insulating liquid and cellulosic solids, which requires full impregnation in the insulating liquid. This ensures that the air cavities present in the solid insulator are filled by the liquid, conferring high dielectric strength to the assembly and avoiding partial discharges that can significantly accelerate the deterioration of the insulation. Mineral oils are most commonly used the insulating liquids for this purpose, despite two major drawbacks: low fire point and environmental hazard (ecotoxicity and poor biodegradability). To deal with these two important limitations, different alternative insulating liquids have been developed, including natural and synthetic esters. However, these liquids have a higher viscosity that impairs the impregnation process. This motivates the need to study the impregnation process with esters, bolstering existing knowledge and obtaining valuable quantitative data for the industry, to facilitate the replacement of mineral oils with these alternative liquids. In this work, different experimental tests of impregnation of three insulating liquids (mineral oil, synthetic ester and natural ester) in various cellulosic materials and at different temperatures have been carried out in the laboratory. To complement these data, the effect of temperature on the surface tension and viscosity of insulating liquids has been measured, as these are the main insulating liquid properties that affect the impregnation. Impregnation with esters is considerably slower than with mineral oil, as a consequence of its higher viscosity. Raising the temperature can accelerate the impregnation by reducing the viscosity, although it negatively affects the capillary pressure. With the data collected, a comparative study of the impregnation characteristics of different combinations of solid and insulating liquid has been carried out, and equations have been proposed to estimate the time required to complete the impregnation of each of these combinations at different impregnation temperatures. These impregnation results are consistent with an analytical model developed from the experimental data obtained in the laboratory. Finally, to complete the study, a first approach to the elaboration of a numerical model of the impregnation process has been proposed. This model, built using the simulation software COMSOL Multiphysics, shows the influence of the temperature on the capillarity of the different insulating liquids studied. Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales

Grado en Ingeniería Mecánica

Máster en Ingeniería Industrial

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Since the start of transformers immersed in refrigerating liquid, the fluid traditionally used has been mineral oil. However, in recent decades, efforts have been joined in the search for alternatives with a lower environmental impact and which also satisfy the technical requirements of insulation and refrigeration in the transformers. Currently, insulating vegetable oils are available in the market, which may have lower environmental impact during their use and final disposition; nevertheless, their high cost and short time of use have limited their massive application. This work presents the thermal behavior evaluation of two distribution transformers at different powers immersed in dielectric vegetable oil, comparing their performance with that of two constructively equal transformers immersed in mineral oil. The results obtained reveal that the transformers comply with the requirements of existing standards.Desde los inicios de los transformadores inmersos en líquido refrigerante, el fluido empleado por tradición ha sido el aceite de origen mineral. Sin embargo, en las últimas décadas se han unido esfuerzos en la búsqueda de alternativas que tengan un menor impacto en el medio ambiente y que a su vez satisfagan los requerimientos técnicos de aislamiento y refrigeración en los transformadores. Actualmente se encuentran en el mercado aceites aislantes de origen vegetal que pueden tener un menor impacto ambiental durante su uso y disposición final; no obstante, su elevado costo y su poco tiempo de uso han limitado su aplicación masiva. En este trabajo se presenta la evaluación del comportamiento térmico de dos transformadores de distribución de diferente potencia inmersos en aceite dieléctrico de origen vegetal y se compara su desempeño con el de dos transformadores constructivamente iguales inmersos en aceite mineral. Los resultados obtenidos revelan que los transformadores cumplen con los requerimientos de la normatividad existente.