El aceite de transformador o aceite aislante es un aceite 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 en corona y la formación de arcos, y servir como refrigerante.
El aceite de transformador se basa con mayor frecuencia en aceite mineral , pero están ganando popularidad formulaciones alternativas con diferentes propiedades ambientales o de ingeniería.
Las funciones principales del aceite para transformadores 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 mantiene a altas temperaturas durante períodos prolongados. [2] Por lo general, tienen un punto de inflamación superior a 140 °C (284 °F), un punto de fluidez inferior a −40 °C (−40 °F) y una ruptura dieléctrica superior a 28 kV RMS . [3] Para mejorar la refrigeración de los grandes transformadores de potencia, el tanque lleno de aceite puede disponer de radiadores externos por los que circula el aceite 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 falla 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 , 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 conservador 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 de transformador, 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 a menudo exigen que los transformadores dentro de los edificios utilicen un líquido menos inflamable o el uso de transformadores de tipo seco sin ningún líquido. 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 naturales y sintéticos de ácido tetragraso de pentaeritritol han surgido como una alternativa de aceite mineral cada vez más común, especialmente en aplicaciones con alto riesgo de incendio, como en interiores, debido a su alto punto de inflamación , que supera los 300 °C (572 °F). [5] Son biodegradables , pero sin embargo son más caros que el aceite mineral. Los ésteres naturales tienen una menor estabilidad a la oxidación en la prueba saturada 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 transformadores más grandes debido a la expansión y contracción térmica. Los transformadores de potencia de tamaño mediano y grande generalmente tendrán un conservador y emplearán una bolsa de goma con éster natural para reducir el ingreso de oxígeno y evitar que el éster natural experimente una oxidación más rápida a la que las empresas de servicios públicos están acostumbradas con aceites minerales. También se utilizan aceites a base de silicona o fluorocarbonos , que son incluso menos inflamables, pero son más caros que los ésteres y no son biodegradables. [ cita necesaria ]
Hasta el momento hay más de 3 millones de transformadores en servicio con formulaciones a base de vegetales, utilizando 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 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 utilizaban antiguamente como aceite de transformador, ya que tienen una alta rigidez dieléctrica y no son inflamables. Lamentablemente, también son tóxicos , bioacumulativos , nada biodegradables y difíciles de eliminar de forma segura. Cuando se queman, forman productos aún más tóxicos, como las dioxinas cloradas y los 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 Estados Unidos, la producción de PCB fue prohibida 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 equipos contaminados con PCB. [ cita necesaria ] Un método que se puede utilizar para recuperar 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 aceite de transformador sin PCB y un lodo sin PCB. Luego, los dos se pueden separar mediante una centrífuga. El lodo se puede eliminar como residuo industrial normal sin PCB. El aceite de transformador tratado se restaura completamente, cumpliendo con los estándares requeridos, sin ningún contenido de PCB detectable. Por tanto, puede volver a utilizarse como fluido aislante en transformadores. [11]
Los PCB y el aceite mineral son miscibles en todas las proporciones y, a veces, se utiliza el mismo equipo (bidones, bombas, mangueras, etc.) para cualquier tipo de líquido, por lo que la contaminación del aceite de transformador con PCB sigue siendo una preocupación. Por ejemplo, según las regulaciones actuales, las concentraciones de PCB que exceden las 5 partes por millón pueden hacer que un aceite se clasifique como residuo peligroso en California. [12]
Los aceites para transformadores están sujetos a tensiones eléctricas y mecánicas mientras un transformador está en funcionamiento. Además, existe contaminación causada por interacciones químicas con devanados y otros aislamientos sólidos, catalizadas por altas temperaturas de funcionamiento . Las propiedades químicas originales del aceite de transformador cambian gradualmente, haciéndolo ineficaz para el propósito previsto después de muchos años. [13] El aceite en grandes transformadores y aparatos eléctricos se prueba periódicamente para determinar sus propiedades eléctricas y químicas, para garantizar que sea adecuado para un uso posterior. A veces, la condición del aceite se puede mejorar mediante filtración y tratamiento. Las pruebas se pueden dividir en:
Los detalles sobre la realización de estas pruebas están disponibles en las normas publicadas por la Comisión Electrotécnica Internacional , ASTM International , la norma internacional , las normas británicas , y las pruebas se pueden realizar mediante cualquiera de los métodos. Las pruebas Furan y DGA no son específicamente para determinar la calidad del aceite del transformador, sino para determinar cualquier anomalía en los devanados internos del transformador o en el aislamiento de papel del transformador, que de otro modo no se puede detectar 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 la de gas disuelto, normalmente requieren el envío de una muestra a un laboratorio. Los detectores electrónicos de gases disueltos en línea se pueden conectar a transformadores importantes o en dificultades 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 su voltaje de ruptura se mide en el sitio de acuerdo con la siguiente secuencia de prueba: