Aceites de transformador en aparatos eléctricos de alta tensión

La dañabilidad de los transformadores de alta tensión en presencia de condiciones de operación severas está determinada en gran medida por la calidad del aceite aislante. En aparatos eléctricos llenos de aceite, los aceites de transformador se utiliza ampliamente como medio de aislamiento y enfriamiento de líquidos. Los aceites para transformadores son el producto del refino de petróleo y su composición química se debe a la composición de hidrocarburos del aceite y al método de refinación. Se sabe que el rendimiento de los aceites está determinado por la composición química del aceite y la tecnología de su producción. La composición química de los aceites de transformadores tiene un impacto significativo en sus propiedades de rendimiento.

Las fracciones de aceite y los aceites de transformador que se obtienen de ellos, independientemente de la tecnología de purificación y el campo petrolero del que se derivan, se caracterizan por la composición química compleja de los hidrocarburos aromáticos parafínicos, nafténicos.

Además, el aceite contiene oxígeno, azufre y derivados que contienen nitrógeno de estos hidrocarburos, que afectan principalmente su rendimiento.

Los aceites de transformadores se caracterizan por su baja viscosidad y alta capacidad para humedecer el aislamiento sólido, lo que proporciona una impregnación profunda del aislamiento fibroso, lo que en última instancia aumenta significativamente la resistencia dieléctrica del aislamiento. Además, los aceites de transformador tienen una alta capacidad calorífica. La combinación de aceite de baja viscosidad con su alta capacidad calorífica permite el uso de aceites de transformadores obtenidos del petróleo como medio de transferencia de calor. En equipos eléctricos llenos de aceite, la eliminación de calor se realiza principalmente por la característica de convección de los medios líquidos. La evacuación de calor por convección está determinada en gran medida por la viscosidad del aceite del transformador; por lo tanto, cuanto más baja sea la viscosidad del aceite, más intenso será el proceso de evacuación de calor por convección, es decir, en este caso se intensificará el enfriamiento.

Para el desarrollo sostenible de la energía, la condición más importante es un aumento en el volumen de producción; y el uso de aceite de alta calidad en bujes de alta tensión y aparatos eléctricos llenos de aceite.

Para satisfacer las demandas de la industria energética en los aceites de transformadores, es necesario racionalizar al máximo el uso de aceites obtenidos a partir de aceites sulfúricos en plantas de energía térmica, con un aumento integral en sus características de calidad y rendimiento directamente en las instalaciones eléctricas.

La parte principal del aceite del transformador es hidrocarburos. Los componentes hidrocarbonados que forman la mayor parte del aceite se dividen en tres grupos estructurales principales, representados por compuestos parafínicos, nafténicos y aromáticos.

Además de los componentes de hidrocarburos, el aceite contiene compuestos no hidrocarburos que contienen el esqueleto de hidrocarburos correspondiente con uno, dos, tres o más átomos de azufre, oxígeno y nitrógeno.

Los componentes no hidrocarburos de los aceites de transformadores incluyen sustancias asfálticas resinosas, compuestos orgánicos que contienen azufre y nitrógeno, ácidos nafténicos, ésteres, alcoholes y compuestos que contienen metales.

 Aceites de transformador y sustancias resinosas asfálticas

En el proceso de limpieza de los destilados de aceite, se eliminan la mayoría de las sustancias resinosas asfálticas, cuyo contenido en el aceite de aislamiento no excede el 2.0-2.5%. A pesar de esta concentración relativamente baja, algunos de los compuestos de este tipo tienen un impacto significativo en las propiedades de rendimiento de los aceites de transformador. Los compuestos resinosos asfálticos le dan al aceite un color distintivo; Algunos de ellos tienen un efecto inhibitorio, otros, por el contrario, pasivan los aditivos antioxidantes. Además, la resina durante la oxidación se convierte en parte del sedimento.

Sustancias resinosas y asfálticas están representadas por los siguientes compuestos:

• resinas neutras, solubles en éter de petróleo, fracciones de petróleo, que tienen una consistencia líquida o semilíquida; su densidad es de alrededor de 1.0;
• asfaltenos son sólidos insolubles en éter de petróleo, pero solubles en benceno, compuestos de benceno, cloroformo, disulfuro de carbono; su densidad es superior a 1;
• carbenos, son insolubles en solventes comunes y solo parcialmente solubles en piridina y disulfuro de carbono;
• ácidos asfálticos y sus anhídridos, se caracterizan por su insolubilidad en éter de petróleo y buena solubilidad en alcohol;
• asfaltenos y resinas neutras, que son compuestos policíclicos que contienen oxígeno que no tienen más de un doble enlace;
• reacciones específicas permitieron determinar los núcleos aromáticos, el azufre y el nitrógeno en la composición de las resinas, por lo que se clasifican como heterocompuestos policíclicos neutros.

  Contenido de compuestos de azufre en

aceites de transformador

Los compuestos de azufre se encuentran en todos los aceites, pero su número varía ampliamente, desde décimas de porcentaje hasta 20% (en peso). Los compuestos de azufre tienen un impacto significativo en las propiedades de los aceites y determinan la tecnología de su tratamiento.

Si en fracciones de petróleo de bajo punto de ebullición (gasolina, queroseno, etc.) se establece la presencia de casi todos los tipos de compuestos de azufre, las fracciones que se evaporan a temperaturas superiores a 200 ° C se caracterizan por compuestos de azufre de estructura cíclica, principalmente aromáticos.

En la destilación fraccionada del petróleo, una porción significativa de los compuestos de azufre se concentra en las fracciones de aceite.

En los aceites de transformador del petróleo de azufre, el contenido de azufre como resultado del uso de procesos de desulfuración no es más del 0,6-0,8% en peso.

Los compuestos de azufre reducen la estabilidad térmica de los aceites de transformadores y aumentan la cantidad de lodo durante la operación.

Compuestos de azufre en los aceites están representados principalmente:

• mercaptan
• disulfuro;
• sulfuro;
• tiofeno.

Los compuestos de azufre contenidos en los aceites de transformadores comerciales son compuestos corrosivos.

Dada la alta actividad química de los compuestos de azufre, su contenido en aceite de transformador está determinado por los estándares.

Compuestos de nitrógeno

La cantidad de compuestos que contienen nitrógeno en los aceites no es superior al 0,8%. Los compuestos de nitrógeno están representados por derivados de piridina y quinolina.     Existen compuestos relacionados con los pirroles, indoles, carbazoles. Los compuestos de nitrógeno contenidos en los aceites de transformadores aceleran la oxidación de los hidrocarburos. Por lo tanto, los compuestos nitrogenados heterocíclicos (como la piridina y la quinolina) son catalizadores de oxidación y, por lo tanto, componentes indeseables en los aceites transformadores.

Ácidos nafténicos y compuestos que contienen oxígeno

Los ácidos nafténicos están contenidos en destilados de aceite en una cantidad de 0,02% a 2,6%. Se ha establecido que los ácidos nafténicos aumentan la velocidad de formación de sedimentos insolubles en aceites, que interactúan con los metales estructurales de los transformadores.

Los ácidos nafténicos están representados por cíclicos (ciclopentano y ciclohexano) que incluyen ácidos monobásicos bicíclicos.

El grupo carboxilo de los ácidos nafténicos está conectado al ciclo a través de uno o más grupos de metileno. En el proceso de purificación de los destilados del transformador, los ácidos nafténicos se eliminan en gran medida, por lo que su contenido en aceites comerciales no excede el 0.02% en peso, lo que corresponde a un índice de acidez de 0.05 mg KOH / g. Los ácidos nafténicos interactúan fácilmente con alcoholes, aminas, álcalis y metales como el cobre y el plomo.

La formación de ácidos nafténicos ocurre y durante la oxidación de los hidrocarburos nafténicos durante la operación del aceite de transformador.

Además de los ácidos nafténicos, los aceites contienen ácidos aromáticos grasos, así como ésteres, alcoholes y cetonas, y compuestos de peróxido.

Сompuestos que contienen metal

Los aceites transformadores siempre contienen sales de ácidos orgánicos y compuestos metálicos complejos. Los compuestos de germanio se encuentran en todas las fracciones de petróleo, cuya concentración es de 19 g / t, en los aceites, el hierro y el cobre están presentes en pequeñas cantidades. Otros metales también se encuentran en el aceite: aluminio, plata, cromo, molibdeno, calcio, etc.; cuya concentración es baja. Los metales forman sales con componentes ácidos del aceite, lo que a la aumentación de los valores numéricos de la tangente del ángulo de pérdida dieléctrica en el aceite.

El principal requisito para los aceites de transformador es una alta resistencia dieléctrica. En la actualidad, para la tensión de 110-1150 kV, se utilizan principalmente bujes herméticos con aislamiento de papel-aceite de tipo condensador. Por lo tanto, para garantizar un funcionamiento confiable de bujes con aceite, factores tales como la resistencia del aceite del transformador a las descargas parciales son particularmente importantes. Además, el aceite del transformador no debe interactuar con los materiales estructurales de los equipos eléctricos.

En el moderno equipo eléctrico lleno de aceite, el aceite del transformador funciona en condiciones de alta intensidad de campo eléctrico, por ejemplo, en transformadores de potencia, la intensidad del campo eléctrico en el canal de aceite en el devanado de alto voltaje puede alcanzar 70 kV / cm. La temperatura de las capas superiores de aceite de transformador alcanza los 95 ° C. La alta intensidad del campo eléctrico y las elevadas temperaturas en combinación con pequeñas brechas aislantes aseguran el funcionamiento del aceite del transformador en equipos eléctricos llenos de aceite en condiciones difíciles.

Por lo tanto, junto con una alta resistencia eléctrica, los aceites de transformadores deben  tener una alta estabilidad a la oxidación, resistencia a los gases en un campo eléctrico de alta tensión y bajas pérdidas dieléctricas. Además, en aparatos eléctricos, el aceite del transformador está en contacto con el cobre y el hierro, que son catalizadores activos para la conversión oxidativa de hidrocarburos del aceite. Estos factores aceleran el proceso de envejecimiento del aceite, que se acompaña con un deterioro de su rendimiento de aislamiento y una disminución del rendimiento en aparatos con alta tensión que forman parte del complejo de trabajo de una empresa eléctrica.

Durante la operación con equipos eléctricos bajo la acción de un campo eléctrico y altas temperaturas, el aceite del transformador sufre un envejecimiento termoquímico y eléctrico, que se acompaña de una disminución en las características de rendimiento del aceite debido a cambios en su composición molecular.

En el proceso de envejecimiento del aceite, se produce una acumulación de sedimento sólido en los devanados y el núcleo magnético de los transformadores. El sedimento sólido formado en las partes activas de las máquinas eléctricas dificulta la eliminación del calor, acelera el envejecimiento del aislamiento de celulosa y deteriora significativamente su rendimiento dieléctrico.

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