Experimental and numerical evaluation of the dielectric properties of insulating paper as a function of aging

RESUMEN: El sistema de aislamiento eléctrico es uno de los sistemas fundamentales de los transformadores de potencia. Está compuesto por materiales celulósicos y aceite mineral o vegetal. Un buen funcionamiento de la máquina pasa por mantener dichos componentes en condiciones óptimas. Resulta para ello fundamental conocer sus propiedades y tener perfectamente definido su comportamiento dieléctrico en relación con los factores que le afecten. En cuanto al papel aislante, a día de hoy es bien conocida la relación de ciertos factores, como el porcentaje de humedad, con su respuesta dieléctrica. Sin embargo, hay un factor cuya relación aún no se ha definido correctamente: el grado de deterioro del papel o envejecimiento. Por ello, este trabajo tratará de definir dicha relación para dos tipos de papel aislante: papel Kraft y DDP (acrónimo en inglés de Diamond Dotted Paper). Se han realizado dos tipos de estudios complementarios: análisis experimental y numérico. Experimentalmente, se sometieron muestras de ambos tipos de papel a un envejecimiento acelerado. Una vez se tenían varias muestras con diferentes niveles de envejecimiento, se sometieron a un proceso de secado y humectación para obtener el mismo contenido de agua en las muestras. El objetivo era estudiar mediante la técnica de espectroscopía la capacidad dieléctrica de las muestras envejecidas, descartando la influencia del agua sobre ella. A continuación, se calculó el grado de envejecimiento de las muestras mediante la técnica del grado de polimerización (Degree of Polymerization, DP) para correlacionar ambas propiedades, la capacidad dieléctrica y el envejecimiento. Con la permitividad compleja hallada experimentalmente para cada una de las muestras, se realizó el modelo numérico con el software basado en elementos finitos COMSOL, con la finalidad de obtener resultados complementarios a los experimentales. Geométricamente, este modelo consistía en el modelado de la celda de medición y el papel analizado. Se aplicaba sobre dicha geometría la física del electromagnetismo. El tipo de estudio realizado fue en el dominio de la frecuencia. La validación del modelo se realizó mediante la comparación de los resultados óhmicos de las muestras de papel con los obtenidos experimentalmente. Una vez validado, se obtuvo la permitividad relativa de todas las muestras. De igual manera, se obtuvieron las pérdidas absolutas en W, y se comprobó que la variación porcentual de pérdidas hallada con el modelo numérico coincidía con la variación porcentual de la parte imaginaria de la permitividad compleja hallada experimentalmente. También el programa aportó gráficas de distribución de campos y corrientes. Gracias a los valores de las permitividades relativas obtenidas del modelo en frecuencias se pudo estudiar el modelo numérico en el dominio del tiempo, lo que permitió analizar la variación temporal de las variables electromagnéticas implicadas. Del estudio previamente descrito se puede inferir que la capacidad dieléctrica del papel Kraft empeora con su envejecimiento, mientras que no es posible extraer conclusiones ciertas sobre el papel DDP porque se descubrió a posteriori la presencia de una humedad residual en las muestras no eliminada en el proceso de secado.ABSTRACT: The electrical insulation system is one of the fundamental elements of power transformers. It is composed of cellulosic materials and mineral or vegetable oil. A good operation of the machine requires of an optimal maintenance of those components. For this, it is essential to know its properties and have its behaviour perfectly defined -related to the factors that affect it-. Related to insulation paper, nowadays, it is well-known the relationship of certain factors, such as moisture content, with its dielectric properties. However, there is a factor whose relationship has not been defined: the degree of deterioration or aging. Thus, this project’s objective is to define that relationship for two types of insulating paper: Kraft paper and DDP (Diamond Dotted Paper). Two types of complementary studies have been done: experimental and numerical analysis. Experimentally, samples of both types of paper were subjected to accelerated aging. Once there were samples with different aging levels, they were dried and moistened to obtain the same water content in all of them. The objective was to obtain the dielectric capacity of the aged samples based on the spectroscopy technique ruling out the influence of water. Next, the degree of aging was calculated using the degree of polymerization (DP) technique. With the complex permittivity obtained experimentally, a numerical model was done with the software based in the Finite Element Method, COMSOL, to obtain complementary results to the experimental ones. Geometrically, this model consisted on the dielectric sample holder and the analysed paper. The physics applied in the model was electromagnetism, and the study was done in the frequency domain. Experimental impedance was compared to the impedance provided by COMSOL to validate the model. Once the numerical model was verified, the relative permittivity of all the samples was obtained. Similarly, the absolute losses in W were obtained and it was found that the percentage variation in losses obtained numerically fitted perfectly with the percentage variation in imaginary part of the complex permittivity achieved experimentally. The model also provided distribution graphs of electric field and currents. Thanks to the values of relative permittivities given by the frequency model, it was possible to simulate a model in time domain, which allowed to analyse the temporal variation of the involved electromagnetic variables. From the previously described study, it can be concluded that the dielectric capacity of Kraft paper worsens with aging, while it is currently not possible to obtain conclusions about DDP paper, because it was discovered that there was a residual moisture in the samples.Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriale