Optimización del aislamiento del transformador: materiales, mecanismos y mantenimiento

El aislamiento del transformador constituye la columna vertebral de una distribución de energía segura y eficiente. Ya sea que estén enterrados en bóvedas subterráneas o elevados sobre postes de servicios públicos, los transformadores dependen de medios aislantes cuidadosamente elegidos para evitar fallas eléctricas, administrar el calor y soportar fuerzas mecánicas. Este artículo profundiza en la selección y el rendimiento de los materiales aislantes, examina las tensiones que enfrentan, describe las rutas de degradación típicas y ofrece orientación sobre cómo extender la vida útil del aislamiento, todo diseñado tanto para montaje tipo pedestal como para aislamiento. Aplicaciones de transformadores montados en postes .

1. Funciones principales del aislamiento del transformador

1.1 Barrera Eléctrica

El aislamiento crea un velo protector entre los componentes conductores. En En los transformadores tipo pedestal , donde los voltajes a menudo exceden los 15 kV, las robustas barreras dieléctricas protegen contra cortocircuitos entre fases y devanado a núcleo. En las unidades montadas en postes, los devanados compactos dependen de combinaciones de fluido y papel para mantener la holgura incluso en condiciones climáticas extremas o sobretensiones transitorias.

1.2 Transferencia de calor

Los devanados de cobre y los núcleos de hierro generan calor bajo carga. Los fluidos aislantes, como los aceites minerales o los ésteres ecológicos, absorben este calor y lo transmiten a los radiadores o al entorno circundante. Los materiales sólidos como el papel de celulosa y las películas de polímero complementan la refrigeración por fluido proporcionando vías térmicas alejadas de los puntos calientes, lo que garantiza que no se excedan los índices de temperatura (Clase F, H).

1.3 Soporte Estructural

Los eventos de cortocircuito producen intensas fuerzas electrodinámicas. Los espaciadores de cartón prensado, las láminas Nomex® y las barreras epóxicas ayudan a preservar la geometría de la bobina y evitan el movimiento del bobinado. En instalaciones elevadas, el aislamiento también debe resistir la vibración del viento o el balanceo de los postes sin agrietarse ni deslaminarse.

2. Factores estresantes que afectan la integridad del aislamiento

2.1 Tensiones eléctricas

• Voltaje continuo: la exposición prolongada al voltaje operativo nominal debilita la rigidez dieléctrica con el paso de los años.

• Sobretensiones de impulso: los rayos y las operaciones de conmutación introducen pulsos de frente pronunciado (1,2/50 μs), lo que desafía los límites de resistencia a los impulsos.

2.2 Esfuerzos térmicos

• Calentamiento relacionado con la carga: las pérdidas I⊃2;R y la histéresis del núcleo elevan las temperaturas. Sin un flujo de aceite o una conductividad del papel adecuados, los puntos calientes localizados aceleran el envejecimiento.

• Ambientes extremos: Los transformadores montados en pedestal y en poste para exteriores enfrentan grandes oscilaciones de temperatura (–40 °C a +65 °C), lo que exige materiales que permanezcan estables en este rango.

2.3 Esfuerzos mecánicos

• Fuerzas de condición de falla: El empuje electrodinámico durante las fallas comprime y corta las capas de aislamiento.

• Fatiga por vibración: la vibración prolongada en líneas aéreas o durante el transporte puede desgastar el aislamiento sólido y exponer los conductores.

3. Vías comunes de degradación del aislamiento

3.1 Envejecimiento térmico

La exposición prolongada al calor altera la estructura molecular de las moléculas de celulosa y éster, produciendo ácidos y lodos. Con el tiempo, el papel pierde flexibilidad y la viscosidad del aceite aumenta, lo que impide la eficiencia del enfriamiento.

3.2 Erosión eléctrica

Los huecos microscópicos dentro del aislamiento sólido o en las interfaces aceite-papel pueden provocar descargas parciales. Los microarcos repetitivos erosionan el material hasta que se produce una ruptura dieléctrica.

3.3 Ingreso de humedad

Las moléculas de agua, atraídas por el papel higroscópico, reducen la rigidez dieléctrica general. En instalaciones montadas en postes, las fallas en los sellos o en los respiraderos pueden permitir la entrada de humedad, agravando las tensiones térmicas y eléctricas.

3.4 Daño mecánico

Las cargas mecánicas de alta magnitud durante las fallas o la vibración continua pueden fracturar el cartón prensado, agrietar las películas de polímero o deslaminar las piezas fundidas de epoxi, creando caminos para fallas eléctricas.

4. Selección de materiales y mejores prácticas

1. Elección de fluidos:

• Los aceites minerales destacan por su costo y disponibilidad, con buenas propiedades dieléctricas y refrigerantes.

• Los ésteres naturales/sintéticos ofrecen puntos de inflamación y biodegradabilidad más altos, adecuados para sitios ambientalmente sensibles.

2. Aisladores sólidos:

• Los papeles de celulosa siguen siendo el estándar de la industria, equilibrando resistencia y flexibilidad.

• Las películas poliméricas (p. ej., Nomex®, poliimida) proporcionan clasificaciones térmicas superiores para aplicaciones de alta temperatura.

3. Diseños compuestos:
   la combinación de fluidos con espaciadores sólidos y barreras de resina fundida optimiza el rendimiento: el fluido hace circular el calor, mientras que los sólidos mantienen espacios libres precisos y rigidez mecánica.

4. Monitoreo de condición:

• El Análisis de Gas Disuelto (DGA) detecta fallas eléctricas incipientes.

• Las pruebas de humedad (p. ej., valoración Karl Fischer) evalúan el contenido de agua en aceite y papel.

• Las imágenes térmicas detectan calefacción desigual o radiadores bloqueados.

5. Mejora de la vida útil del aislamiento

• Mantenimiento regular: la filtración programada de aceite, la desgasificación y la sustitución de papeles degradados previenen el envejecimiento acelerado.

• Controles ambientales: El sellado adecuado y el uso de respiradores de gel de sílice minimizan el ingreso de humedad.

• Gestión de carga: evitar sobrecargas continuas reduce el estrés térmico y extiende la vida dieléctrica.

La confiabilidad y la vida útil de un transformador están indisolublemente ligadas a su sistema de aislamiento. Al comprender la interacción de las tensiones eléctricas, térmicas y mecánicas, seleccionar combinaciones adecuadas de fluido y sólido e implementar un monitoreo proactivo, los operadores pueden reducir significativamente el riesgo de fallas en transformadores montados en pedestal y en postes. Para una oferta optimizada de tubos y láminas aislantes de primera calidad, productos de papel y películas poliméricas avanzadas, Fenhar Insulation Materials ofrece soluciones personalizadas que cumplen con rigurosos estándares ambientales y de rendimiento.