El aceite de transformador o aceite aislante es un aceite que es estable a altas temperaturas y tiene excelentes propiedades de aislamiento eléctrico. Se utiliza en transformadores húmedos llenos de aceite, [1] algunos tipos de condensadores de alto voltaje , balastos de lámparas fluorescentes y algunos tipos de interruptores y disyuntores de alto voltaje. Sus funciones son aislar , suprimir la descarga de corona y el arco eléctrico y servir como refrigerante.
El aceite de transformador generalmente se basa en aceite mineral , pero están ganando popularidad formulaciones alternativas con diferentes propiedades ambientales o de ingeniería.
Las funciones principales del aceite de transformador son aislar y enfriar un transformador . Por lo tanto, debe tener una alta rigidez dieléctrica , conductividad térmica y estabilidad química , y debe mantener estas propiedades cuando se mantienen a altas temperaturas durante períodos prolongados. [2] Por lo general, tienen un punto de inflamación mayor que 140 °C (284 °F), un punto de fluidez menor que −40 °C (−40 °F) y una ruptura dieléctrica a más de 28 kV RMS . [3] Para mejorar la refrigeración de los grandes transformadores de potencia, el tanque lleno de aceite puede tener radiadores externos a través de los cuales el aceite circula por convección natural . Los transformadores de potencia con capacidades de miles de kilovoltios-amperios también pueden tener ventiladores de refrigeración , bombas de aceite e incluso intercambiadores de calor de aceite a agua . [4]
Los transformadores de potencia se someten a procesos de secado prolongados, mediante autocalentamiento eléctrico, la aplicación de vacío o ambos, para garantizar que el transformador esté completamente libre de vapor de agua antes de introducir el aceite aislante. Esto ayuda a prevenir la formación de corona y la posterior ruptura eléctrica bajo carga.
Los transformadores llenos de aceite con un depósito de aceite conservador pueden tener un relé detector de gas como un relé Buchholz . Estos dispositivos de seguridad detectan la acumulación de gas dentro del transformador debido a una descarga de corona , un sobrecalentamiento o un arco eléctrico interno . En caso de una acumulación lenta de gas o un aumento rápido de la presión, estos dispositivos pueden activar un disyuntor de protección para cortar la energía del transformador. Los transformadores sin conservadores suelen estar equipados con relés de presión repentina, que realizan una función similar a la del relé Buchholz.
El aceite mineral es generalmente eficaz como aceite para transformadores, pero tiene algunas desventajas, una de las cuales es su punto de inflamación relativamente bajo en comparación con algunas alternativas. Si un transformador pierde aceite mineral, puede provocar un incendio. Los códigos contra incendios suelen exigir que los transformadores que se encuentren dentro de los edificios utilicen un líquido menos inflamable o que utilicen transformadores de tipo seco sin líquido alguno. El aceite mineral también es un contaminante ambiental y sus propiedades aislantes se degradan rápidamente incluso con pequeñas cantidades de agua. Por este motivo, los transformadores están bien equipados para mantener el agua fuera del aceite.
Los ésteres sintéticos y naturales de ácidos grasos tetracíclicos de pentaeritritol han surgido como una alternativa cada vez más común al aceite mineral, especialmente en aplicaciones con alto riesgo de incendio, como en interiores, debido a su alto punto de ignición , que supera los 300 °C (572 °F). [5] Son biodegradables , pero son más caros que el aceite mineral. Los ésteres naturales tienen una menor estabilidad a la oxidación en la prueba de saturación de oxígeno a 120 °C de aproximadamente 48 horas en comparación con las 500 horas de los aceites minerales y, por lo tanto, se utilizan en transformadores cerrados.
Los sellos herméticos son importantes para los transformadores más grandes debido a la expansión y contracción térmica. Los transformadores de potencia de tamaño mediano y grande generalmente tienen un conservador y emplean una bolsa de goma con el uso de éster natural para reducir la entrada de oxígeno y evitar que el éster natural experimente una oxidación más rápida de la que las empresas de servicios públicos están acostumbradas a experimentar con los aceites minerales. También se utilizan aceites a base de silicona o fluorocarbono , que son incluso menos inflamables, pero son más caros que los ésteres y no son biodegradables. [ cita requerida ]
Existen más de 3 millones de transformadores en servicio con formulaciones a base de vegetales, que hasta el momento utilizan formulaciones a base de soja o colza en transformadores de hasta 500 kV. Sin embargo, las formulaciones a base de aceite de coco no son adecuadas para su uso en climas fríos o para voltajes superiores a 230 kV. [7] Los investigadores también están investigando nanofluidos para su uso en transformadores; estos se utilizarían como aditivos para mejorar la estabilidad y las propiedades térmicas y eléctricas del aceite. [8]
Los bifenilos policlorados (PCB) son dieléctricos sintéticos que se fabricaron por primera vez hace más de un siglo y se descubrió que tenían propiedades deseables que llevaron a su uso generalizado. [9] Los bifenilos policlorados se usaban anteriormente como aceite para transformadores, ya que tienen una alta rigidez dieléctrica y no son inflamables. Desafortunadamente, también son tóxicos , bioacumulables , nada biodegradables y difíciles de eliminar de forma segura. Cuando se queman, forman productos aún más tóxicos, como dioxinas cloradas y dibenzofuranos clorados .
A partir de la década de 1970, la producción y los nuevos usos de los PCB se prohibieron en muchos países debido a las preocupaciones sobre la acumulación de PCB y la toxicidad de sus subproductos. Por ejemplo, en los EE. UU., la producción de PCB se prohibió en 1979 en virtud de la Ley de Control de Sustancias Tóxicas . [10] En muchos países existen programas importantes para recuperar y destruir de forma segura los equipos contaminados con PCB. [ cita requerida ] Un método que se puede utilizar para recuperar el aceite de transformador contaminado con PCB es la aplicación de un sistema de eliminación de PCB, también llamado sistema de decloración de PCB.
Los sistemas de eliminación de PCB utilizan una dispersión alcalina para separar los átomos de cloro de las otras moléculas en una reacción química. Esto forma un aceite de transformador libre de PCB y un lodo libre de PCB. Ambos pueden separarse mediante una centrífuga. El lodo puede eliminarse como residuo industrial normal sin PCB. El aceite de transformador tratado se restaura por completo, cumpliendo con los estándares requeridos, sin ningún contenido detectable de PCB. Por lo tanto, puede volver a utilizarse como fluido aislante en transformadores. [11]
Los PCB y el aceite mineral son miscibles en todas las proporciones y, en ocasiones, se utiliza el mismo equipo (bidones, bombas, mangueras, etc.) para ambos tipos de líquido, por lo que la contaminación del aceite de transformador con PCB sigue siendo un problema. Por ejemplo, según las normas actuales, las concentraciones de PCB superiores a 5 partes por millón pueden hacer que un aceite se clasifique como residuo peligroso en California. [12]
Los aceites de transformadores están sujetos a tensiones eléctricas y mecánicas mientras el transformador está en funcionamiento. Además, existe contaminación causada por interacciones químicas con los devanados y otros aislamientos sólidos, catalizadas por la alta temperatura de funcionamiento . Las propiedades químicas originales del aceite de transformador cambian gradualmente, volviéndolo ineficaz para su propósito previsto después de muchos años. [13] El aceite en transformadores grandes y aparatos eléctricos se prueba periódicamente para comprobar sus propiedades eléctricas y químicas, para asegurarse de que sea adecuado para su uso posterior. A veces, la condición del aceite se puede mejorar mediante filtración y tratamiento. Las pruebas se pueden dividir en:
Los detalles de la realización de estas pruebas están disponibles en las normas publicadas por la Comisión Electrotécnica Internacional , ASTM International , International Standard y British Standards , y las pruebas se pueden realizar mediante cualquiera de los métodos. Las pruebas de furano y DGA no están destinadas específicamente a determinar la calidad del aceite del transformador, sino a determinar cualquier anomalía en los devanados internos del transformador o en el aislamiento de papel del transformador, que no se puede detectar de otro modo sin una revisión completa del transformador. Los intervalos sugeridos para estas pruebas son:
Algunas pruebas de aceite de transformador se pueden realizar en el campo, utilizando aparatos de prueba portátiles. Otras pruebas, como las de gas disuelto, normalmente requieren que se envíe una muestra a un laboratorio. Los detectores electrónicos de gas disuelto en línea se pueden conectar a transformadores importantes o en problemas para monitorear continuamente las tendencias de generación de gas.
Para determinar la propiedad aislante del aceite dieléctrico, se toma una muestra de aceite del dispositivo bajo prueba y se mide su voltaje de ruptura en el sitio de acuerdo con la siguiente secuencia de prueba: