Determinación de coeficientes de difusión de humedad en papeles aislantes de transformador

El transformador de potencia es uno de los activos imprescindibles en la operación de los sistemas de generación y transmisión de energía eléctrica, siendo a la vez uno de los equipos más costosos de estos sistemas. Los transformadores de potencia son los encargados de elevar el nivel de tensión de la energía en las estaciones de generación para reducir así las pérdidas en su transporte, así como de reducir la tensión a valores adecuados en los puntos de consumo. La fiabilidad de los transformadores de potencia es esencial para una adecuada operación del sistema eléctrico de potencia. La mayoría de las causas de fallo en los transformadores están relacionadas con su aislamiento eléctrico. En transformadores de grandes y medianas potencias, el aislamiento eléctrico está compuesto principalmente de celulosa (papel Kraft y cartón prensado) y aceite. El agua es uno de los agentes más dañinos para los transformadores de potencia, ya que su presencia acelera el envejecimiento de los aislamientos, reduce su margen dieléctrico y disminuye la tensión de iniciación de las descargas parciales. Todas estas condiciones incrementan la probabilidad de aparición de fallos inesperados en el transformador. El comprender y estimar de manera adecuada la dinámica de la humedad en los aislamientos del transformador de potencia es esencial para mejorar los procesos de fabricación, operación y mantenimiento de estos equipos. La dinámica de la humedad en el interior de los aislamientos celulósicos puede ser estimada mediante un modelo matemático de difusión basado en la segunda ley de Fick. El parámetro básico de este modelo matemático es el denominado coeficiente de difusión de humedad. Para que los modelos puedan operar correctamente, obteniendo estimaciones precisas, es imprescindible disponer de un valor adecuado de este parámetro. La determinación experimental del coeficiente de difusión de humedad en aislamientos celulósicos es una tarea difícil debido a la dependencia que presenta su valor respecto de la concentración de humedad. En la literatura técnica se pueden encontrar distintos valores del coeficiente de difusión de humedad para aislamientos celulósicos. La mayor parte de estos trabajos fueron desarrollados hace más de 25 años y, tal como se ha comprobado experimentalmente, no representan de manera adecuada el comportamiento de la humedad en estos sistemas. En la presente tesis doctoral se ha llevado a cabo un estudio experimental dirigido a obtener expresiones que permitan calcular con precisión el coeficiente de difusión de humedad en papeles aislantes de transformadores, tanto impregnados con aceite mineral como sin impregnar. En las ecuaciones obtenidas se incluye la dependencia del coeficiente con la concentración local de humedad, la temperatura del aislamiento y el espesor del aislamiento. Adicionalmente se ha estudiado la dependencia del coeficiente con el grado de envejecimiento del papel. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Power transformers are key elements in power systems, while being one of the most expensive equipment in these systems. They are responsible for raising voltage levels at generation stations in order to reduce power losses in electricity transmission, and also for reducing the voltage to adequate levels at consumption points. Power transformer reliability is essential for an adequate operation of power systems. Some of the main causes of transformer failures are related to their electrical insulation. In high and medium size transformers, electrical insulation is composed of oil impregnated cellulose (Kraft paper wound in layers around the conductors and pressboard pieces) and oil. Water is one of the most damaging agents for power transformer insulation. Water is harmful to cellulose insulation because it accelerates the aging process, reduces the dielectric margin and decreases the partial discharges inception voltage. These phenomenon increases the probability of unexpected failures. Understanding and properly estimating the moisture dynamics in power transformer insulation is essential for improving the manufacturing process, operation and maintenance of these equipments. Moisture dynamics inside the cellulose insulation can be estimated using a mathematical model of diffusion based on Fick's second law. The main parameter of this mathematical model is the so-called moisture diffusion coefficient. The simulation models accuracy estimations depends on the moisture diffusion coefficient value. The experimental determination of the moisture diffusion coefficient in cellulose insulation is a difficult task, mainly because of its dependence with moisture concentration. In the technical literature different values of the diffusion coefficient of moisture into cellulose insulation can be found. Most of these works were performed more that 25 years ago and, as has been experimentally proved, they do not represent properly the moisture behavior in these systems. In this thesis work, an experimental study has been performed oriented to obtain expressions that allow an accurate calculation of the moisture diffusion coefficient into the transformer solid insulation. Expressions have been obtained both for impregnated and non-impregnated Kraft paper. In the proposed equations the dependence with local moisture concentration, insulation temperature and insulation thickness have been included. Further the dependence of the coefficient with aging degree has been studied