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IEEE TRANSACTIONS ON DIELECTRICS AND ELECTRICAL INSULATION, VOL. 29, NO. 2, ABRIL 2022
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Mezcla de líquidos aislantes con aceite
mineral para aplicaciones de
transformadores de alta tensión: Una
revisión
Marina N. Lyutikova , Sergey M. Korobeynikov, Miembro, IEEE, U. Mohan Rao , Miembro Senior,
IEEE, e Issouf Fofana, Miembro Senior, IEEE.
Resumen - Debido al creciente interés por las
cuestiones medioambientales, los ésteres sintéticos y
naturales se han convertido en las dos últimas décadas en
el centro de atención como fluidos aislantes para equipos
de alta tensión. Esto se debe a que, a diferencia del aceite
mineral, los líquidos éster son biodegradables, no tóxicos
y seguros para el medio ambiente y la salud humana.
Estos fluidos proceden de fuentes renovables y tienen
una alta resistencia al fuego. Sin embargo, los fluidos de
éster sintéticos y naturales se siguen utilizando en un
número bastante limitado de equipos eléctricos por varias
razones (alto coste, alta viscosidad y densidad, mayor
tendencia a la carga electrostática, propulsión más rápida
de serpentinas en un campo eléctrico no homogéneo,
etc.). Además, una gran cantidad de equipos se llenan con
aceites minerales. La sustitución masiva de equipos
rellenos de aceite por ésteres naturales o sintéticos puede
resultar extremadamente cara para las empresas de
servicios públicos y los propietarios de transformadores.
Además, en caso de rellenado parcial o total del aceite
mineral con un fluido éster, el equipo puede contener
evidentemente una mezcla de dos fluidos aislantes, y por
lo tanto, exigir el ámbito de la investigación sobre los
líquidos aislantes mixtos. El objetivo de este artículo es
presentar una revisión exhaustiva de la bibliografía sobre la
mezcla de aceite mineral y otros fluidos dieléctricos
alternativos. Se discuten los avances críticos de la
investigación, los aspectos más destacados y los retos
relacionados con los líquidos mixtos, junto con elementos
tutoriales significativos, así como algunos análisis. Esta
revisión debería ser útil para los investigadores, las
empresas de servicios públicos y los propietarios de
transformadores interesados en los líquidos éster y los
aspectos relacionados con el rellenado posterior.
Fecha de publicación 8 de marzo de 2022; fecha de la versión actual 2
de mayo de 2022.
(Autora correspondiente: Marina N. Lyutikova.)
Marina N. Lyutikova y Sergey M. Korobeynikov trabajan en el
Departamento de Seguridad Industrial de la Universidad Técnica Estatal
de Novosibirsk, Novosibirsk 630092, Rusia (correo electrónico:
m.lyutikova@mail.ru).
U. Mohan Rao e Issouf Fofana trabajan en el Departamento de
Ciencias Aplicadas de la Universidad de Quebec en Chicoutimi
(UQAC), Chicoutimi, QC G7H 2B1, Canadá.
Las versiones en color de una o más figuras de este artículo están
disponibles en https://doi.org/10.1109/TDEI.2022.3157908.
Identificador de objeto digital 10.1109/TDEI.2022.3157908
Términos índice- Fluidos éster, líquido aislante, aceite
mineral, líquidos mixtos, transformador.
T
I. INTRODUCCIÓN
O DATE, los aceites minerales han seguido siendo un
líquido dieléctrico de éxito para los transformadores de
potencia y distribución y otros aparatos de alta tensión en todo
el mundo. Sin embargo, los aceites minerales son recursos no
renovables que se obtienen del crudo.
Manuscrito recibido el 27 de agosto de 2021; aceptado el 1 de febrero
de 2022.
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reservas de petróleo. Debido al hecho de que los aceites
minerales no son biodegradables, tienen una baja resistencia
al fuego y un impacto negativo en la salud y el medio
ambiente, la cuestión de sustituir el aceite mineral por
biofluidos es de gran importancia para la ingeniería [1]-[4]. A
pesar de que en el mercado existe una gama bastante amplia
de fluidos de éster biodegradables, los aceites minerales
aislantes siguen siendo la columna vertebral para el
aislamiento y la refrigeración de los transformadores de alta
tensión.
Esto se debe a varias razones: su coste asequible, sus
buenas propiedades aislantes, su baja viscosidad y la
disponibilidad de requisitos normalizados para controlar sus
propiedades, tanto para los aceites sin usar como para los
aceites en servicio. Además, con más de 130 años de
experiencia con aceites minerales, se han desarrollado
muchos métodos y criterios valiosos para evaluar el estado
del sistema aislante de los equipos rellenos de aceite [5]-[8].
Durante décadas, se han desarrollado pocos métodos para
diagnosticar los equipos rellenos de aceite, para restaurar las
características aislantes (en particular, métodos para
recuperar o regenerar el aceite mineral, secar el aislamiento
sólido) [6], [9]-[16]. En otras palabras, el funcionamiento de
los equipos de potencia rellenos de aceite mineral aislante se
entiende bastante bien, está bien establecido y no plantea
problemas graves a los especialistas ni a los ingenieros de
control de estado.
Además, para 2025 se espera un aumento de la producción
de aceites minerales aislantes del 7% [17]. Esto está asociado
al aumento de la población mundial, a la creciente
industrialización y urbanización, a la introducción de
tecnologías digitales y a la sustitución de equipos eléctricos
viejos y desgastados. Los países asiáticos, Norteamérica y
Europa utilizan las mayores cantidades de hidrocarburos [17].
En consecuencia, en estas partes del mundo está previsto
aumentar la producción de aceites aislantes (parafínicos,
nafténicos, aromáticos) destinados a diversos equipos
eléctricos. Así pues, teniendo en cuenta el enorme volumen de
aceite aislante (varios miles de millones de litros) en los
transformadores mundiales y la tendencia a la disponibilidad
de petróleo crudo, los métodos para mejorar la trabajabilidad y
las alternativas son de gran importancia.
Numerosos investigadores de todo el mundo han hecho
hincapié en la mejora del rendimiento y la trabajabilidad de
los aceites minerales. La resistencia al fuego es uno de los
principales retos abordados en [18] mediante la adición de
diversos aditivos que aumentan el punto de inflamación. Sin
embargo, los aditivos propuestos permitieron aumentar el
punto de inflamación en sólo 2 C-7◦◦ C. Se observan varios
aditivos
1070-9878 © 2022 IEEE. Se permite el uso personal, pero la republicación/redistribución requiere el permiso del IEEE.
Para más información, consulte https://www.ieee.org/publications/rights/index.html.
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TRANSFORMADORES DE ALTA TENSIÓN
reducir casi dos veces el punto de inflamación (de 135◦ C a
73◦ C). Asimismo, la introducción de determinadas
nanopartículas (TiO2 , Al O23 , Fe O34 , SiO2 , C60 , etc.) en
aceites minerales puros no han
planteado ningún resultado inequívoco [19]-[21].
La forma más práctica de mejorar algunas de las
propiedades de los aceites minerales aislantes es mezclándolos
con otros líquidos dieléctricos en diferentes concentraciones
volumétricas. La mezcla de aceite mineral con líquidos
dieléctricos alternativos durante un rellenado parcial o una
sustitución completa es una solución factible [22], [23]. Se
calcula que tras el proceso de rellenado, hasta un 7%-10% del
aceite mineral permanece en el aislamiento de celulosa, pero
también en el fondo y las paredes del depósito o en el núcleo
del transformador [24]. Por lo tanto, es necesario comprender
el fenomenal comportamiento y los cambios en las
propiedades de los líquidos mezclados. Desde principios del
año 2000 se han llevado a cabo trabajos de investigación en
este sentido. Diferentes investigadores se han centrado en
diversos líquidos mezclados con aceites minerales. Al mismo
tiempo, algunos investigadores se han centrado en diferentes
proporciones con el objetivo de comprender la relación óptima
de mezcla. Este tema se ha centrado sobre todo en las
propiedades (fisicoquímicas, eléctricas), el comportamiento,
los índices de degradación y la influencia en el aislamiento de
celulosa. Los resultados detallados de la investigación se han
organizado y presentado en las secciones II y III de este
artículo. Las discusiones del artículo abarcan estudios sobre la
mezcla de aceite mineral con aceites de silicona, ésteres
naturales y ésteres sintéticos. También se ha resumido en este
artículo la bibliografía relativa a la proporción de mezcla, los
cambios en diversas propiedades y el comportamiento
operativo. La presente revisión puede ser útil para los
propietarios de transformadores, las empresas de servicios
públicos y los investigadores interesados en mejorar la
trabajabilidad de los aceites minerales y los que se ocupan de
los líquidos dieléctricos alternativos.
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características físico-químicas. La mezcla de ésteres naturales
(ésteres a base de glicerina y ácidos grasos) con aceite mineral
tiene efectos tanto positivos como negativos. Entre las ventajas
se encuentran: la miscibilidad en cualquier proporción, el
aumento de la biodegradabilidad debido al bioéster añadido, el
aumento del punto de inflamación y del punto de combustión,
y el aumento del límite de solubilidad en agua. La buena
higroscopicidad
II. MEZCLAS DE DISTINTOS LÍQUIDOS AISLANTES
A. Aceite mineral y fluido de silicona
Los experimentos de mezcla de aceites minerales con
fluidos de silicona (polidimetilsiloxanos) en distintas
proporciones producen cambios positivos, como el aumento
del punto de inflamación y del punto de combustión [25]. Pero
al mismo tiempo, el polidimetilsiloxano añadido al aceite
mineral no mejora la resistencia a la oxidación, sino que
aumenta la viscosidad y el coste de la mezcla [26]. Además, el
límite de saturación de agua no mejora, ya que ni el aceite ni
el líquido de silicona tienen una buena capacidad para disolver
el agua [25], [27]. Otra desventaja de esta mezcla es su
bajísima
degradabilidad
bajo
la
influencia
de
microorganismos. Desde el punto de vista de la seguridad
medioambiental, este comportamiento no cumple uno de los
requisitos más importantes para los fluidos aislantes en la
actualidad: un alto grado de biodegradabilidad.
B. Aceite mineral y éster natural
Las más valiosas son las mezclas compuestas por aceites
minerales y ésteres biodegradables, con mejoras en algunas
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TRANSFORMADORES DE ALTA TENSIÓN
La naturaleza de los ésteres tiene un efecto positivo en el
aumento de la rigidez dieléctrica de la mezcla con un
contenido relativo de humedad determinado. Con el aumento
del rendimiento térmico, se alarga la vida útil del papel
aislante [28], [29]. Las propiedades de absorción de gases de
los ésteres naturales, en general, también son otro efecto
positivo en la mezcla aislante. Pero al mismo tiempo, la
mezcla de estos dos líquidos conduce a resultados no
deseados: un aumento de la viscosidad de la mezcla y un
aumento del punto de fluidez, ya que el éster natural tiene un
punto de fluidez elevado. Otro inconveniente importante de
esta mezcla es el deterioro de una de las principales
propiedades: la estabilidad a la oxidación, ya que los ésteres
naturales no tienen inicialmente un nivel suficiente de
estabilidad antioxidante [30]-[33]. Muchos ésteres naturales
contienen paquetes de aditivos consistentes en depresores del
punto de fluidez, potenciadores de la resistencia al oxígeno y,
en algunos casos, agentes antimicrobianos o desactivadores
del cobre. Sin embargo, estos aditivos no siempre producen
el efecto deseado, y algunos de ellos, por el contrario,
perjudican las características fisicoquímicas [34], [35]. La
forma de mejorar la estabilidad a la oxidación de un éster
natural mezclándolo con aceite mineral o con un líquido éster
sintético tampoco da un resultado provechoso debido a la
presencia de una gran cantidad de ácidos grasos
poliinsaturados contenidos inicialmente en el éster natural
[36].
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centrarse en una mezcla de 80% de aceite mineral y 20% de
éster sintético [38], [39]. Esta proporción es la mejor solución
de compromiso, tanto desde el punto de vista técnico como
económico. Después de todo, el coste de los líquidos de éster
sintético es varias veces (siete-diez veces) más caro que el de
los aceites minerales. En [26], [38] y [39] se demostró que las
mezclas de aceite nafténico con una proporción
C. Aceite mineral y éster sintético
El éster sintético (ésteres de ácidos grasos de pentaeritritol)
tiene el límite de solubilidad en agua más alto entre todos los
líquidos dieléctricos, un punto de fluidez bajo, una excelente
resistencia a la oxidación y es biodegradable. Este fluido es
más homogéneo en términos de composición química, ya que
no es necesario introducir todo un complejo de aditivos
diversos. El éster sintético no es inferior al natural en
términos de resistencia al fuego: punto de inflamación y
punto de combustión. En particular, cuando la llama de un
acetilenoquemador de oxígeno (con una temperatura superior a 2000◦
C) se dirige a la superficie del éster sintético en 70 min, la
temperatura del líquido alcanza 260◦ C, y no se produce la
ignición. En cambio, en las mismas condiciones, el aceite
mineral se inflama al cabo de 4 min [37]. Además, la
desventaja relativa a la alta viscosidad puede eliminarse
mezclando éster sintético con aceite mineral, mejorando así
el rendimiento de refrigeración del transformador sin
necesidad de una inversión significativa.
III. AVANCES DE LA INVESTIGACIÓN SOBRE LA MEZCLA DE
ESTERES MINERALES Y
SINTÉTICOS
A. Proporción de mezcla
Beroual et al. [30], [31], Fofana et al. [38], [39],
Hamdi et al. [40], Mohan Rao et al. [41], [44]-[47], Dombek
y Gielniak [42], Mohan Rao y Jarial [43], y otros destacados
científicos han realizado una importante contribución al
estudio de las propiedades de las mezclas de aceite mineral y
fluidos de éster sintético. Fofana et al. fueron los primeros en
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de 10%, 20%, 50% y 90% (en volumen) de éster sintético no
delaminan a temperaturas de -40◦ C a 105◦ C. En [41], se
informa de que la estabilidad oxidativa del aceite mineral
aislante aumenta con la mezcla de 20% de aceite mineral con
éster sintético. La tasa de degradación del
se controla significativamente con esta proporción. Fofana et
al. [38], [39], Hamdi et al. [40], Mohan Rao y Jarial [43], y
Mohan Rao et al. [44]-[47] han investigado ampliamente la
relación 80:20 (aceite mineral:éster sintético) para su uso en
transformadores. Los resultados de las investigaciones son
favorables a la prometedora relación 80:20 para su uso en
equipos de alta tensión rellenos de líquido.
kV, y el BDV dc de esta mezcla es de 57 kV, mientras que el
BDV del aceite mineral es de 53 (dc) y 52 kV (ac).
B. Viscosidad cinemática
La viscosidad cinemática es uno de los parámetros más
importantes para la transferencia de calor dentro de los
equipos de alta tensión. Para lograr una alta transferencia de
calor en los transformadores de potencia por con- vección, se
requiere una baja viscosidad y un buen calor específico. La
viscosidad del aceite mineral es mucho menor que la del éster
sintético. Por lo tanto, se espera que al aumentar la proporción
de éster aumente la viscosidad de la mezcla, lo que dificulta la
transferencia de calor. Sin embargo, la adición de éster
dieléctrico en una cantidad de hasta el 30% no tiene un efecto
notable y la viscosidad de dicha mezcla se mantiene muy
próxima a la del propio aceite mineral [26], [27], [38]. Por lo
tanto, la eficacia de transferencia de calor del líquido aislante
de la mezcla no disminuye demasiado. Esto se explica por el
hecho de que las mezclas resultantes, debido a la interacción
química, no obedecen a la regla de la mezcla simple, que se
expresa mediante la siguiente ecuación [26]:
Cψ
= X - ψA - 0,01 + Y - ψB - 0,01
(1)
donde ψC es la característica de la mezcla, X es el contenido
líquido A (%) con el parámetro ψA , e Y es el contenido
líquido B (%) con el parámetro ψB .
C. Tensión de ruptura
Curiosamente, la adición de éster sintético en una cantidad
del 10%-50% aumenta el valor medio de la tensión de ruptura
ac (BDV) frente al contenido relativo de humedad, del aceite
mineral y ralentiza la disminución de su rigidez dieléctrica con
el envejecimiento [27], [30]. Esto se debe a que los ésteres
sintéticos tienen un alto límite de saturación de agua, unas 30
veces el del aceite
(o 2500 ppm frente a 70 ppm a 25◦ C). Cabe señalar que el ac
BDV del aceite depende en gran medida del contenido de
agua en emulsión o dispersa. Así, cuando se añade el éster
polar al aceite no polar, la humedad pasa del estado de
emulsión a
una disuelta, reduciendo así significativamente el efecto de la
humedad sobre el BDV [39]. Además, el BDV ac sigue siendo
elevado para la mezcla aislante envejecida [37].
En las tensiones continuas, el valor más bajo de BDV de
las distintas mezclas de aceite y éster sintético siempre es
superior al valor más alto del aceite mineral solo. Sin
embargo, el BDV medio en cc de las mezclas de aceite
mineral y éster sintético es inferior al BDV en ca. Por
ejemplo, el BDV ac de la mezcla 80%MO + 20%SE es de 85
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Sea cual sea el tipo de tensión (cc o ca), las mezclas de aceite
y éster sintético siempre tienen un BDV significativamente
mayor que el aceite mineral solo. La adición de sólo un 20%
de aceite de éster sintético basta para aumentar
considerablemente el BDV (cc o ca) del aceite mineral. La
rigidez dieléctrica de dicha mezcla es muy superior a la del
aceite mineral solo y puede alcanzar la de los aceites de éster
[30].
grupo éster al aceite mineral mejora el límite de saturación de
agua de la mezcla.
G. Flashpoint
El punto de inflamación (vaso cerrado) de las mezclas
aislantes de aceite mineral y éster sintético aumenta con el
incremento de la proporción
D. Permitancia relativa
La permitividad relativa del aceite mineral es de
aproximadamente 2,2 y la del éster sintético es de 3,2. La
permitividad relativa del aislamiento de papel es de
aproximadamente 4,2 [42], [49]. El uso de dieléctricos con
diferente permitividad relativa provoca un cambio en la
distribución de la intensidad del campo eléctrico en el
aislamiento multicapa. Como es sabido, las averías se
producirán en el lugar donde la intensidad del campo
eléctrico sea mayor. En otras palabras, la violación de la
fuerza eléctrica del aislamiento de la barrera de aceite
comienza con la ruptura del canal de aceite.
El uso de mezclas de aceite mineral con un contenido de
éster sintético superior al 20% en volumen como dieléctrico
líquido en combinación con aislamiento de papel provoca una
disminución de la intensidad de campo en las capas de
líquido y papel. El campo eléctrico en el sistema "mezcla de
éster-aceite-papel" es más uniforme que con el aceite
mineral. En general, esto tiene un efecto positivo en el
aumento de la resistencia eléctrica del aislamiento "papelmezcla éster-aceite" y una mayor resistencia a los efectos de
una descarga en la superficie del cartón eléctrico (descarga
por deslizamiento) impregnado con mezclas aislantes de
aceite mineral y éster sintético. Se ha establecido que la
permitividad relativa prácticamente no cambia con el
envejecimiento de las mezclas (menos del 5% de cambio)
[38].
E. Factor de disipación dieléctrica
Al aumentar la proporción de éster, aumenta el factor de
disipación dieléctrica de la mezcla o tg δ (DDF). Así, en
comparación con el aceite puro, el DDF de las mezclas
frescas aumenta entre 1,5 y 4,0 veces [50]. La tendencia al
aumento de las pérdidas dieléctricas también se observa con
el envejecimiento de las mezclas (véase la Tabla I) [38], [49].
Por lo tanto, existe la posibilidad de reducir las pérdidas
dieléctricas con el sistema de aislamiento mezclado.
F. Contenido en agua
Debido a la naturaleza higroscópica del éster sintético, el
límite de saturación de humedad también aumenta en la
mezcla resultante de éster sintético y aceite mineral (véase la
Tabla I) [37]. También se ha observado que, durante el
envejecimiento, aumenta el contenido de agua en las mezclas
[51]. Esto se debe a la absorción de humedad en forma de
vapor de agua del aire, especialmente si los experimentos de
envejecimiento se llevaron a cabo en condiciones no selladas.
Dado que los ésteres son hidrófilos y los aceites minerales
hidrófobos, existe una diferencia significativa en la capacidad
de retención de agua de ambos líquidos. La adición de un
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TRANSFORMADORES DE ALTA TENSIÓN
TABLA I
PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS MIXTOS (ACEITE
NAFTÉNICO Y
ÉSTERES SINTÉTICOS DE ÁCIDOS GRASOS DE
PENTAERITRITOL) [38], [41], [50], [51]
457
mayor formación de lodos en un factor de envejecimiento
temprano en los aceites minerales. En cambio, la evidencia de
la ausencia de lodos en los ésteres es un mérito potencial para
añadir
de éster. Así, el punto de inflamación de la mezcla de aceite
mineral y éster sintético en una proporción de 80%-20% es de
unos 180◦ C, que es casi un 30% superior al punto de
inflamación del aceite mineral [27]. En consecuencia, se
produce un aumento de las propiedades ignífugas de los
líquidos mezclados [42], [44], [50], [52]. Se consigue un
aumento significativo de las propiedades ignífugas de la
mezcla cuando el contenido de éster en el aceite es mayor que
superior al 80% [42], [52]. Esto se debe a que los ésteres
sintéticos tienen un punto de inflamación superior a 300 C.◦
H. Estabilidad a la oxidación
La estabilidad a la oxidación del aceite mineral y de las
mezclas de ésteres sintéticos se controla en [26] mediante el
cambio en la tangente de la DDF (tg δ) y la acidez. Estos
indicadores son las propiedades más adecuadas para evaluar el
estado de oxidación de un líquido. La acidez y el tg δ se
midieron antes y después del proceso de envejecimiento. La
oxidación de las mezclas se llevó a cabo en condiciones
próximas a las existentes en transformadores de potencia de
respiración libre con entrada de aire (según la norma ASTM
D1934, que regula la exposición del aceite durante 96 h con
aire circulante a 115◦ C). Se realizó otro experimento de
oxidación de las mezclas en presencia de cobre (8,8% en peso)
y papel kraft (15% en peso) IEC 61125 (A). Tras comprobar
los indicadores pertinentes, el
Los autores concluyen que la adición de un 20%-50% de
líquido éster al aceite mineral ralentiza su envejecimiento
[38], pero con un ligero aumento de la acidez y de la DDF (tg
δ) [26]. Sin embargo, el primer indicio de oxidación es la
formación de coloides y la reducción de la tensión interfacial.
Este proceso sigue aumentando el índice de acidez y la
formación de lodos. Por ello, en [41] y [47] se llevó a cabo
una degradación extensiva del aceite mineral y de la mezcla de
aceite mineral y ésteres sintéticos (80:20). Se informa de que
los lodos aparecen en el aceite mineral en una fase más
temprana que en la mezcla de aceite mineral y éster sintético.
Aunque la tensión interfacial del aceite mezclado es baja en
comparación con la de los aceites minerales, es cuestionable la
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TRANSFORMADORES DE ALTA TENSIÓN
líquidos de éster al aceite mineral. Recientemente, se ha
informado de que los ésteres tienen tendencia a disolver las
partículas coloidales de los lodos [53].
I. Envejecimiento de las mezclas
El trabajo reportado en [38] presenta los resultados sobre el
envejecimiento de mezclas de éster sintético y aceite mineral
nafténico. Los autores demostraron que el envejecimiento
acelerado de las mezclas en un recipiente abierto a una
temperatura en presencia de catalizadores (acero, aluminio y
zinc cada uno 3 g/L) provoca un cambio en el color de los
líquidos. El color del líquido de éster cambia ligeramente,
mientras que el aceite mineral se vuelve casi negro. En los
líquidos mezclados que contienen 10%, 20% y 50% de éster,
el efecto de oscurecimiento es menos pronunciado a medida
que aumenta la proporción. El oscurecimiento del color del
líquido indica la destrucción termo-oxidativa de los
componentes del aislamiento con la formación de dióxido de
carbono, sustancias resinosas y otros compuestos. El color
del papel de filtro, en el que se envolvieron los catalizadores
metálicos, también cambió tras el envejecimiento. En aceite,
el papel se vuelve casi negro, mientras que el color del papel
sumergido en éster es ligeramente amarillo. En el caso de las
mezclas, el filtro de papel es menos marrón con el aumento
de la cantidad de éster en el aceite. Estas observaciones
indican una disminución de la velocidad de descomposición
de los líquidos mezclados en relación con la cantidad de éster
sintético añadida. En [44]-[47] se presentan estudios
exhaustivos de la degradación del aceite mineral, el éster
natural, el éster sintético y una mezcla de éster sintético y
aceite mineral (80:20). Las mediciones críticas incluyen
curvas espectrales UV, tensión interfacial, puntos de
inflamación, color, control de lodos y cambios de grupos
funcionales con el envejecimiento. La degradación de los
fluidos mezclados es menor que la del aceite mineral.
457
veces menor que el volumen de gas generado sólo por el
aceite [38], [40].
Cabe señalar que la tendencia a la gasificación caracteriza
la resistencia de un líquido aislante a la descomposición
cuando se expone a altas temperaturas sin la presencia de una
chispa. Y un indicador como el punto de inflamación indica la
presencia de sustancias explosivas e inflamables que forman
una mezcla con el aire, que se inflama cuando se aplica una
chispa.
J. Tendencia al gaseado
En condiciones de servicio, bajo la influencia de
temperaturas elevadas y descargas parciales, el líquido sufre
descomposiciones químicas. Como resultado, se forman
gases ligeros con trazas iniciales de hidrógeno. Las burbujas
de gas son dieléctricos débiles, y su presencia favorece las
descargas parciales o inicia la descomposición. Cuanto mayor
es la tendencia a la formación de gases, mayor es el riesgo de
rotura del sistema de aislamiento. En el caso del aceite
mineral, las primeras burbujas de gas apreciables aparecen a
temperaturas comprendidas entre
250◦ C y 300◦ C. Esto significa que, a esta temperatura, el
aceite empieza a hervir y se desprenden burbujas de gas del
volumen de aceite. Mientras que el éster sintético en contacto
directo con la bobina de calentamiento empieza a hervir a
una temperatura más alta -a partir de 350 C◦
a 400◦ C [38]. A esta temperatura, la cantidad total de gas
generado por el aceite mineral es mucho mayor que la cantidad
de
gas generado en el éster sintético. Una tendencia similar se
observa para una mezcla de aceite y éster en una proporción
de 80:20, es decir, cuando la mezcla se calienta a 600◦ C
durante 3 min, el volumen del gas evolucionado es cinco
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K. Tendencia a la carga electrostática
La tendencia a la carga electrostática describe la propiedad
de un líquido de adquirir una carga al moverse sobre una
superficie sólida. La electrificación por fricción conduce a la
carga electrostática y a la posible rotura del aislamiento de los
equipos. Perrier et al. [26] informaron de que la adición de un
20% de éster aumenta el nivel de carga electrostática de la
mezcla en relación con los aceites minerales de base. Se sabe
que la electrificación de flujo de una mezcla aislante
disminuye con el aumento de la concentración de agua [54],
[55]. Según Peyraque et al. [55] y Okubo et al. [56], cuanto
mayor es la resistividad, menor es la tendencia a la carga
electrostática del aceite. Cuando se mezclan líquidos, la
resistividad de la mezcla aislante disminuye, lo que explica en
parte por qué los líquidos de éster y las mezclas con aceites
minerales tienen una mayor tendencia a la carga electrostática.
Zdanowski y Maleska [57] mostraron cómo cambia la
magnitud de la corriente de electrificación en las mezclas de
aceite y éster cuando fluyen a una velocidad de 0,34 m/s (flujo
gravitacional) a través de tubos de diferentes materiales
(hierro, aramida y celulosa). Pocos estudios [26], [57], [58]
han demostrado que la electrificación de las mezclas
preparadas depende en gran medida de su composición, o más
bien de la proporción de aceite y éster en el aceite mezclado.
Las mezclas del éster sintético con aceite mineral fresco
presentan propiedades electrostáticas muy diferentes de las del
aceite mineral envejecido. En el primer caso, la corriente de
electrificación aumenta con el incremento de la proporción de
éster, alcanzando un valor máximo con un 40% de contenido
de éster en la mezcla y, a continuación, disminuye. En el caso
de una mezcla del éster sintético con aceite mineral oxidado
que oscila entre el 10% y el 80% (en volumen), la corriente de
electrificación disminuye. A partir del 80% de la fracción de
éster en la mezcla, se observa un aumento de la corriente de
electrificación [57]. La tendencia descrita anteriormente se
observa para las mezclas en movimiento, independientemente
del material de la tubería. Sin embargo, la mayor corriente de
electrificación se observa cuando las mezclas pasan a través
de una tubería metálica, y la menor a través de una tubería
celu- pierda, mientras que el material de aramida ocupa una
posición intermedia.
relativa del papel, tanto para la celulosa como para la aramida,
este indicador aumenta con el incremento de la proporción de
éster en el líquido impregnante.
L. Influencia de las mezclas en el estado del papel
aislante
Uno de los principales requisitos que deben cumplir los
nuevos fluidos aislantes es la compatibilidad con los
materiales de construcción, incluido el aislamiento sólido. En
[39] se describen las características de aislamiento eléctrico de
la celulosa (PSP 3010) y el papel de aramida impregnados con
una mezcla de éster sintético (proporción en la mezcla: 10%,
20% y 50%) y aceite aislante nafténico (proporción en la
mezcla: 90%, 80% y 50%, respectivamente). Los autores
llegan a la conclusión de que la resistencia eléctrica del papel
de celulosa impregnado con las mezclas de diferentes
contenidos de éster no difiere significativamente entre sí
(variación inferior al 4%). En el caso de la impregnación con
el papel de aramida, se observa un aumento de la rigidez
dieléctrica de hasta el 10% en comparación con el papel
impregnado con aceite mineral. En cuanto a la permitividad
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IEEE TRANSACTIONS ON DIELECTRICS AND ELECTRICAL INSULATION, VOL. 29, NO. 2, ABRIL 2022
Se observa una tendencia similar para la DDF (tg δ) de los
papeles aislantes [39].
Para evaluar los efectos a largo plazo de las mezclas
aislantes, los autores realizaron el envejecimiento de
materiales aislantes sumergidos en mezclas con distintos
contenidos de éster. El resultado fue que, al aumentar la
proporción de éster, disminuye la velocidad de
envejecimiento de la celulosa y, sobre todo, del papel de
aramida. Además, se produce un ligero aumento del tan- to
de pérdida dieléctrica, pero este aspecto no afecta al
rendimiento de los transformadores. También se concluye
que las mezclas de aceite y éster con un contenido del 20% y
superior tienen un efecto positivo en el aumento de la
estabilidad térmica y oxidativa del papel aislante y el cartón
aislante a temperaturas más elevadas [27], [59]. Mohan Rao y
Jarial [43] y Mohan Rao et al. [46] destacaron la degradación
de papeles kraft de celulosa en diversos líquidos junto con
aceite mezclado. La degradación directa y física de los
papeles de celulosa envejecidos en diferentes líquidos se
mide utilizando análisis de dilatometría y análisis de
difracción de rayos X. El alargamiento/encogimiento del
papel, el cambio en el tamaño de los cristales de celulosa, se
controla con la adición de líquido éster al aceite mineral.
relativa, teniendo en cuenta al mismo tiempo la influencia del
envejecimiento y los subproductos del envejecimiento.
Cabe señalar que la proporción 80/20 (aceite/éster) sólo es
aplicable para trabajar con aceites nafténicos. Esto se debe a
que varios
IV. RETOS CONTEMPORÁNEOS
La mejora del rendimiento del sistema aislante de los transformadores de potencia puede lograrse mejorando las
propiedades de un líquido aislante. Desde el punto de vista de
la ingeniería y los materiales, esto puede consistir en
mezclarlo con otros líquidos e introducir los aditivos
pertinentes. Esta sección se centra en los posibles retos a los
que hay que hacer frente cuando se mejoran las propiedades
mediante la mezcla con otros líquidos aislantes.
La tabla II resume los cambios en las características de las
mezclas de aceite mineral con fluido de silicona, éster natural
y éster sintético. El análisis de los datos recogidos en la
bibliografía muestra que las mezclas más prometedoras para
su uso en equipos de alta tensión son las mezclas formadas
por aceite mineral aislante y éster sintético. Esto se debe a
que, muchos parámetros de la mezcla formada, mejoraron.
Según [26], [38]-[41] y [44]-[47], la proporción más
adecuada de líquidos de aceite mineral y éster sintético es la
relación de 80% de aceite mineral y 20% de éster sintético.
Las características de esta mezcla cumplen los requisitos
de la norma IEC 60296 [60]. Esto último significa que
d i c h a proporción de mezcla es el criterio para su uso en
equipos eléctricos sin limitar las cargas ni realizar cambios en
el diseño. Los aspectos de diseño y control de la mezcla de
aceite mineral y éster sintético se enumeran en [44] y [47].
Las propiedades específicas del aceite mineral y de la mezcla
de líquidos de éster mineral y sintético se recogen en [38],
[39] y [44]. No obstante, los aspectos de diseño no requieren
cambios exigentes en el diseño existente. Es necesario
comprender la dinámica térmica de un transformador lleno de
líquidos mezclados. Esto debería permitir una mejor
comprensión del comportamiento de enfriamiento, la
dinámica térmica, el comportamiento de la humedad y los
cambios de viscosidad con el envejecimiento. Además, es
necesario investigar varios parámetros, como la tendencia a la
formación de gases, el análisis de gases disueltos, las
migraciones de humedad, la absorción de agua y la saturación
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LYUTIKOVA et al: MEZCLA DE LÍQUIDOS AISLANTES CON ACEITE MINERAL PARA APLICACIONES EN
TRANSFORMADORES DE ALTA TENSIÓN
TABLA II
CAMBIOS EN LAS CARACTERÍSTICAS DEL ACEITE NAFTÉNICO AL
MEZCLADO CON DIVERSOS LÍQUIDOS AISLANTES [26], [27],
[30], [32], [36], [38]-[52], [57]-[59]
459
Por lo tanto, es urgente establecer marcadores de
envejecimiento (como la acidez, la tensión interfacial, la
interpretación de los análisis de gases disueltos, etc.) de los
fluidos mezclados. Otro aspecto significativo del uso potencial
de los líquidos mezclados en la energía
investigadores han realizado estudios sobre esta relación. Se
ha registrado un gran número de experimentos con aceites
nafténicos, ya que la mayoría de las empresas de servicios
públicos y los propietarios de transformadores utilizan
principalmente aceites de base nafténica. Esto no significa que
los líquidos parafínicos no sean miscibles, sino que es
necesario realizar más investigaciones antes de recomendarlo
a la industria. También debe tenerse en cuenta que algunas
compañías eléctricas utilizan equipos de alta tensión con
aceites parafínicos y muy pocas con aceites aromáticos. En el
caso de los aceites parafínicos y aromáticos, cuya
composición química es diferente de la de los aceites
nafténicos, la proporción óptima de mezcla de aceite y éster
puede ser diferente.
A pesar de los numerosos estudios en el campo de la mezcla
de aceites minerales nafténicos con líquidos éster y de los
retos enumerados, existen otras lagunas en la investigación,
entre ellas: los fenómenos previos a la rotura, la aparición y
distribución de las serpentinas, las características de las
serpentinas y las descargas parciales, la formación de gases
combustibles e incombustibles y el comportamiento de las
mezclas aislantes durante el envejecimiento prolongado o el
envejecimiento real. La compatibilidad de las mezclas
aislantes con otros componentes del transformador (barnices,
pinturas, metales, aislamientos sólidos, juntas de goma, etc.)
también puede servir como información valiosa para su
aplicación práctica. Con el fin de conseguir un arranque "en
frío" satisfactorio del transformador, es necesario saber
exactamente cómo pueden comportarse las mezclas a
temperaturas muy bajas, típicas de las regiones de clima frío.
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TRANSFORMADORES DE ALTA TENSIÓN
transformadores es la determinación de procedimientos que
permitan mantener las propiedades operativas del sistema de
aislamiento en condiciones prístinas (eficacia de los
sorbentes en los filtros de adsorción y termosifón,
regeneración, sustitución, rellenado, rellenado posterior, etc.).
En general, cabe señalar que las investigaciones sobre el
estudio de las propiedades aislantes eléctricas de los líquidos
aislantes y sus mezclas tienen una gran importancia práctica,
ya que son útiles para los ingenieros de aislamiento. Para
mejorar la fiabilidad de un transformador, reducir los riesgos
medioambientales y mejorar la seguridad contra incendios,
los conocimientos adquiridos también deben tenerse en
cuenta a la hora de modernizar los equipos de potencia que se
llenarán con líquidos éster (incluida la mezcla con aceite
mineral aislante). En particular, deben establecerse los
aspectos de control del estado de los líquidos mezclados y la
experiencia de servicio.
Con la creciente demanda de electricidad y, en
consecuencia, con el aumento de la tensión de
funcionamiento de las redes eléctricas, aumentan los
requisitos de los fluidos aislantes. Deben tener excelentes
propiedades de aislamiento eléctrico, alta estabilidad
química, alta biodegradabilidad y alta resistencia al fuego. El
aceite mineral, utilizado desde hace más de 130 años en
equipos eléctricos, no cumple las dos últimas propiedades.
Por lo tanto, el desarrollo de un líquido aislante que
maximice las propiedades requeridas es una tarea importante.
459
sintético. Cuando se añade un éster sintético al aceite, se
produce una mejora significativa en muchos indicadores
(Tabla II). En particular, las mezclas de aceite con un
contenido de éster sintético igual o superior al 20% en
volumen presentan buenas propiedades dieléctricas y una
elevada estabilidad a la oxidación. También se ha demostrado
que el aceite mezclado contribuye a la longevidad del
aislamiento sólido. La proporción de mezcla de
80%MO:20%SE es la
V. CONCLUSIÓN
Dado el gran número de equipos de potencia que se
rellenan con aceite mineral en todo el mundo, una posible
solución sería el rellenado posterior o la mejora del
rendimiento mediante la adición de otros líquidos o aditivos
adecuados.
Según los resultados publicados en la literatura, la mezcla
de aceite mineral con fluidos de silicona mejora indicadores
como el punto de inflamación y el punto de combustión. Al
mismo tiempo, se deterioran otras características importantes,
como la solubilidad en agua, el BDV, la resistividad y la
biodegradabilidad. Es decir, no se consigue el objetivo
principal de mejorar el sistema de aislamiento de los equipos
de alta tensión mezclando aceite con fluido de silicona.
Un análisis de la bibliografía también ha demostrado que la
mezcla de aceite mineral con ésteres naturales en diferentes
proporciones mejora varias características: la solubilidad en
agua, el BDV, la permitividad relativa, el punto de
inflamación, el punto de combustión, la vida útil del
aislamiento de celulosa y la biodegradabilidad. Sin embargo,
añadir un éster natural al aceite no mejora una de las
principales propiedades de un líquido aislante: la estabilidad
a la oxidación. Esto significa que tales mezclas, al igual que
el propio éster natural, están sujetas a una oxidación
acelerada bajo la influencia del oxígeno, las altas
temperaturas, la alta tensión, etcétera. Y como demuestran
algunos estudios, tales
Las mezclas (MO + NE), al igual que el propio éster
natural, sólo pueden utilizarse en equipos sellados.
Los resultados de los estudios multilaterales muestran que
la mejor solución técnica actual para mejorar las propiedades
del sistema aislante es la mezcla de aceite mineral con éster
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IEEE TRANSACTIONS ON DIELECTRICS AND ELECTRICAL INSULATION, VOL. 29, NO. 2, ABRIL 2022
para su uso en equipos eléctricos sin limitar las cargas ni
realizar ningún cambio en el diseño. Sin embargo, para
garantizar el uso de estas mezclas o para rellenar las unidades
existentes, deben abordarse las preocupaciones adicionales
enumeradas en este artículo de revisión.
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Marina N. Lyutikova nació en Tyumen (URSS)
en 1983. En 2006 se licenció en Ciencias por la
Universidad de Tyumen (Rusia) y en 2013 se
doctoró en Ciencias Químicas por la Academia
Rusa de las Ciencias (Moscú, Rusia).
Actualmente es profesora del Departamento
de Seguridad Industrial de la Universidad
Técnica Estatal de Novosibirsk (Rusia). Al
mismo tiempo, trabaja como ingeniera química
jefe en un laboratorio del Instituto Unificado de
Energía de Rusia.
System Federal Grid Company, Rusia. Trabaja en temas relacionados
con el diagnóstico de equipos de alta tensión rellenos de aceite, en
particular, sus temas son los aceites aislantes y los métodos
fisicoquímicos de análisis, así como en nuevos métodos de diagnóstico
preventivo más eficaces. Es autora o coautora de más de 30 artículos.
461
Sergey M. Korobeynikov (Miembro, IEEE)
nació en Lesnaya Pristan, región de Kazajstán
Oriental, URSS, en 1950. Se licenció en la
Universidad Estatal de Novosibirsk (Rusia) en
1973, se doctoró en el Instituto Siberiano de
Investigación de Ingeniería Energética de
Novosibirsk en 1983 y obtuvo el doctorado en el
Instituto de Investigación de Electrónica de Alta
Cur- tencia de Tomsk (Rusia) en 1998.
Actualmente es profesor y director del
Departamento de Seguridad Industrial de
Novosibirsk.
Universidad Técnica Estatal de Novosibirsk. Es autor de más de
100 artículos y cuatro monografías (Impulse Breakdown of Liquids,
Springer Verlag, 2007).
El Dr. Korobeynikov es miembro del DEIS IEEE.
U. Mohan Rao (Senior Member, IEEE) se
licenció en Ingeniería Eléctrica y Electrónica por
la Universidad Tecnológica Jawaharlal Nehru
de Kakinada (India) en 2010 y obtuvo un
máster y un doctorado en el Instituto Nacional
de Tecnología (NIT) de Hamirpur (India) en
2012 y 2017, respectivamente.
Desde 2018, es Fel- low Posdoctoral en la
Université du Québec à Chicoutimi (UQAC),
Chicoutimi, QC, Canadá, con la Cátedra de
Investigación sobre el Envejecimiento de la
Red Eléctrica.
(ViAHT). Sus principales intereses de investigación incluyen los
fenómenos de envejecimiento del aislamiento de alta tensión, la
monitorización del estado de los equipos eléctricos, el diagnóstico de
los transformadores de potencia, los dieléctricos líquidos alternativos y
las aplicaciones de inteligencia artificial y aprendizaje automático
(AIML).
El Dr. Rao es miembro del IEEE DEIS. Es Secretario del Comité
Técnico del IEEE DEIS sobre "Dieléctricos líquidos".
Issouf Fofana (Senior Member, IEEE) obtuvo
el título de Ingeniero Electromecánico por la
Universidad de Abiyán, Abiyán, Costa de
Marfil, en 1991, y los títulos de máster y doctor
por la École Centrale de Lyon, Écully, Francia,
en 1993 y 1996, respectivamente.
Fue investigador postdoctoral en la Ecole
Centrale de Lyon en 1997 y trabajó en el
Instituto Schering de Técnicas de Ingeniería de
Alta Tensión de la Universidad de Hannover
(Alemania) de 1998 a 2000. Se incorporó a la
Université du Québec à Chicoutimi (UQAC), Chicoutimi, QC, Canadá, como
Investigador Asociado, en 2000, donde actualmente es Catedrático y
Director del Laboratorio MODELE y del Centro Internacional de
Investigación sobre Hielo Atmosférico e Ingeniería de Redes
Eléctricas (Cen- Givre). Es autor o coautor de más de 280
publicaciones científicas, dos capítulos de libros y un libro de texto, ha
editado dos libros y es titular de tres patentes.
El Dr. Fofana ocupó la Cátedra de Investigación de Canadá, nivel 2,
de líquidos aislantes y dieléctricos mixtos para electrotecnología
(ISOLIME) de 2005 a 2015. Actualmente ocupa la Cátedra de
Investigación sobre el Envejecimiento de las Infraestructuras de Redes
Eléctricas (ViAHT). Es Ingeniero Profesional Acreditado en QC y
miembro del IET. Actualmente es miembro del DEIS AdCom y de los
comités científicos internacionales de algunas conferencias del IEEE
patrocinadas por DEIS o patrocinadas técnicamente (ICDL, CEIDP,
ICHVE y CATCON). Es miembro del Comité ASTM D27. Fue miembro
de la Fundación Alexander von Humboldt desde noviembre de 1997
hasta agosto de 1999.
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