ES2242924T3 - Refrigerante dielectrico basado en aceite vegetal. - Google Patents

Abstract

Un transformador que incluye un depósito que alberga un conjunto de núcleo/arrollamientos del transformador, en el que el conjunto de núcleo/arrollamientos está rodedado por un fluido aislante dieléctrico; y caracterizado porque el fluido dieléctrico comprende dos o más aceites vegetales y un antioxidante; los aceites vegetales tienen una viscosidad entre 2x10- 6 y 15x10-6 m2/s a 100ºC y menos de 110x10-6 a 40ºC, y en que los aceites vegetales tienen un punto de inflamación en recipiente abierto mayor que 300ºC.

Description

Refrigerante dieléctrico basado en aceite vegetal.

La presente invención se refiere en general al campo de transformadores que incluyen refrigerantes dieléctricos o aceites aislantes. Más particularmente, la presente invención se refiere a un líquido aislante basado en aceites vegetales y, todavía más particularmente, a una composición que comprende uno o más aceites vegetales y al menos un aditivo que aumenta la solubilidad del aceite vegetal para ser usada como un refrigerante dieléctrico. La presente invención también se refiere a modificaciones de la instalación, como depósitos de transformadores, que pueden aumentar adicionalmente el carácter adecuado del aceite vegetal para ser usado como un refrigerante dieléctrico.

Un líquido aislante para ser usado en una instalación de distribución y energía eléctrica, incluidos los transformadores, tiene dos funciones importantes. En primer lugar, actúa como un medio aislante eléctrico y, en segundo lugar, transporta el calor generado en la instalación. Por ejemplo, el calor es transportado desde los arrollamientos y el núcleo del transformador o circuitos conectados, hasta superficies de enfriamiento. Además de poseer resistencia dieléctrica y capacidad de enfriamiento, el líquido aislante ideal debe ser compatible con el medio ambiente y relativamente no inflamable.

Durante más de un siglo, los aceites minerales derivados del crudo de petróleo han sido usados extensivamente como líquidos aislantes y refrigerantes en instalaciones eléctricas. Sin embargo, a medida que los patrones de seguridad se hicieron más exigentes para muchas instalaciones interiores y acorazadas, estos aceites fueron sustituidos en gran medida por líquidos no inflamables, como fluidos askarel (bifenil-PCB policlorado). Comenzando en los años 30, los PCB, que generalmente son considerados no inflamables, fueron ampliamente utilizados como sustitutos de aceites minerales como líquidos aislantes en instalaciones eléctricas. El carácter no inflamable es una propiedad necesaria para los aceites aislantes que son usados en instalaciones colocadas dentro o alrededor de estructuras de edificios, ya que es necesario minimizar los riesgos de daños por incendio y explosión en el caso de fallos eléctricos en la instala-
ción.

Finalmente, fue reconocido que los PCB son líquidos perjudiciales para el medio ambiente. Como consecuencia, se prohibió la producción y la comercialización de PCB y su uso en instalaciones nuevas. Para instalaciones existentes que contienen PCB, se promulgaron regulaciones estrictas que requerían la retirada de PCB en ciertas instalaciones y estrictas restricciones para todas las demás instalaciones. Además, el informe sobre vertidos, limpieza y desechos requiere el cumplimiento de regulaciones muy estrictas indicadas en las reglas EPA de EE.UU. publicadas en diversas ediciones del Registro Federal. Además de ello, debido a su capacidad relativamente escasa de suprimir arcos y subproductos de degradación de arcos, los fluidos basados en PCB no fueron aplicados a dispositivos de seguridad y funcionamiento como fusibles de energía sumergidos, cortadores de circuitos y seccionadores para ruptura de
carga.

Debido a las desventajas e inconvenientes de los bifenilos policlorados, ha habido numerosos esfuerzos por desarrollar aceites aislantes relativamente baratos, seguros para el medio ambiente y no inflamables. Hasta la fecha, estos esfuerzos no han sido completamente satisfactorios. Es el objeto general de la presente invención proporcionar una instalación eléctrica que utiliza un líquido aislante que es no tóxico, biodegradable, relativamente no inflamable, inocuo para el medio ambiente y comparativamente barato. Además, los aceites aislantes normalmente se adaptan a las especificaciones o normas existentes para fluidos dieléctricos y deben exhibir características de rendimiento que sean generalmente comparables a los aceites aislantes actualmente usados.

Algunas de las propiedades funcionales del aceite y su carácter significativo son como sigue. Una ruptura dieléctrica del aceite a 60 hertzios indica su capacidad para resistir la ruptura eléctrica a una frecuencia de potencia y es medida como el voltaje mínimo requerido para provocar un arco entre dos electrodos sumergidos en el aceite. El voltaje de descomposición dieléctrica por impulsos indica su capacidad para resistir la ruptura eléctrica bajo tensiones de voltajes transitorios como oscilaciones bruscas de iluminación y potencia. El factor de disipación de un aceite es una medida de las pérdidas dieléctricas en ese aceite. Un factor de disipación bajo indica pérdidas dieléctricas bajas y una concentración baja de contaminantes solubles polares. La tendencia a la gasificación de un aceite mide su tendencia a desprenderse o absorber gas bajo condiciones en las que está presente una descarga parcial.

Como una de las funciones del fluido dieléctrico es portar calor, los factores que afectan significativamente a la capacidad relativa del fluido para funcionar como un refrigerante dieléctrico son la viscosidad, calor específico, conductividad térmica y coeficiente de expansión. Los valores de estas propiedades, particularmente en el intervalo de las temperaturas de funcionamiento para la instalación a valores máximos, son sopesados en la selección de fluidos dieléctricos adecuados.

Además de todas las propiedades anteriores que afectan a la transferencia de calor, un fluido dieléctrico para uso comercial debe tener una resistencia dieléctrica relativamente elevada, un factor de disipación bajo, una constante dieléctrica compatible con el dieléctrico sólido, una baja tendencia a la gasificación y debe ser compatible con los materiales típicos de las instalaciones eléctricas que están expuestos al mismo. Con en fin de que funcione adecuadamente, el material debe tener una capacidad adecuada de transferencia de calor, que depende de su viscosidad, calor específico y coeficiente de expansión.

Los códigos y patrones actuales requieren adicionalmente que cualquier fluido dieléctrico previsto para ser usado como un refrigerante no debe ser clasificado como inflamable, sino como un líquido combustible de clase IIIB. Los requisitos de seguridad dependen de la aplicación en la que sea usada la instalación eléctrica que contiene el fluido, como en instalaciones interiores, tapadas, acorazadas y adyacentes a edificios. Según el grado de peligro, pueden ser necesarias uno o más controles de seguridad. Una opción de control de seguridad reconocida es la sustitución del aceite mineral convencional con líquidos menos inflamables o no inflamables. Los líquidos menos inflamables deben tener un punto de inflamación en recipiente abierto igual o mayor a 300ºC.

Como se describió anteriormente, son conocidos y usados diversos fluidos aplicables en las instalaciones eléctricas. Sin embargo, debido a la creciente concienciación y la sensibilidad en lo que respecta a las preocupaciones medioambientales, ha resultado deseable proporcionar un fluido dieléctrico que tenga un efecto mínimo sobre el medio ambiente y que se degrade de forma suficientemente rápida y fácil con el fin de que los vertidos no contaminen el terreno o las aguas durante un período de tiempo significativo, ni representen una amenaza significativa antes del procedimiento natural de biodegradación. Está resultando más deseable sustituir recursos no renovables por recursos renovables, particularmente en el sector de los productos basados en petróleo. Hay una demanda aumentada por los compradores de productos completamente naturales. Finalmente, se está dedicando más atención a los efectos a largo plazo de los materiales y sus subproductos de degradación. Todas estas tendencias medioambientales, sanitarias y de seguridad favorecen el uso de refrigerantes dieléctricos basados en vegetales, sobre los derivados del
petróleo.

Los aceites derivados de diversos vegetales, denominados en la presente memoria descriptiva "aceites vegetales", incluyen los numerosos aceites que tienen propiedades dieléctricas adecuadas cuando el aceite es fresco y cuidadosamente tratado. Sin embargo, a menudo es el caso que estos aceites son particularmente susceptibles a la polimerización cuando son expuestos a oxígeno libre. La exposición a oxígeno activa los enlaces insaturados, provocando una polimerización oxidativa del aceite, con efectos potencialmente adversos tanto sobre la instalación en el fluido como sobre las propiedades del propio fluido.

Muchos tipos de instalaciones de distribución de energía eléctrica, incluidos transformadores, son instalaciones de bajo mantenimiento que pueden estar muchos años sin inspección. Los aceites minerales actualmente usados son significativamente menos susceptibles de degradación debido a la exposición al oxígeno que los aceites vegetales y, por lo tanto, normalmente superan los ensayos estándar de estabilidad respecto a la oxidación. Por lo tanto, los aceites minerales son bien adecuados para ser usados en este tipo de instalaciones eléctricas debido a su larga vida de funcionamiento. Correspondientemente, hasta ahora no ha habido una forma aceptable de reducir eficazmente los efectos a largo plazo de la exposición de aceites vegetales al oxígeno, por lo que los aceites vegetales no han sido satisfactoriamente usados como refrigerantes dieléctricos en las instalaciones eléctricas modernas. Por lo tanto, se desea proporcionar un refrigerante dieléctrico de bajo mantenimiento basado en aceites vegetales que cumpla o exceda los patrones de seguridad y que sea inocuo para el medio ambiente.

El documento US-A-4437082 describe un aparato de inducción eléctrica que tenga un depósito, y un líquido aislante y refrigerante en el depósito y una estructura de arrollamiento eléctrico sumergida en el líquido, en la que el líquido tiene una presión de vapor baja y contiene contaminantes derivados de las diversas fuentes en el depósito.

El documento US-A-4806276 se refiere a un transformador que incluye un depósito que alberga un conjunto de núcleo/arrollamientos, en el que el conjunto de núcleo/arrollamientos está rodeado por un fluido aislante dieléctrico.

La presente invención se caracteriza porque el fluido dieléctrico comprende dos o más aceites vegetales y un antioxidante,

los aceites vegetales tienen una viscosidad entre 2 x 10^{-6} y 15 x 10^{-6} m^{2}/s a 100ºC y menos de 110 x 10^{-6} m^{2}/s a 40ºC, y los aceites vegetales tienen un punto de inflamación en recipiente abierto mayor que 300ºC.

El aceite vegetal pueden tener un contenido en agua menor del 10 por ciento de la saturación a temperatura ambiente, una resistencia dieléctrica de al menos 26 kV, una capacidad calorífica de aproximadamente 0,3 cal/g/ºC y un punto de descongelación por debajo de -20ºC.

El aceite vegetal puede ser seleccionado entre el grupo que consiste en aceites de soja, girasol, colza, semilla de algodón, oliva, cártamo, jojoba, lesquerella y veronia.

El antioxidante puede ser seleccionado entre el grupo que consiste en BHA, BHT, TBHQ, THBP, palmitato de ascorbilo, galato de propilo, alfa-, beta- o delta-tocoferol y aceite de romero.

Preferentemente, el fluido aislante dieléctrico comprende adicionalmente un aditivo de bajas temperaturas para rebajar el punto de descongelación del aceite. Preferentemente, el fluido aislante dieléctrico comprende uno o más aceites vegetales componentes, y dicho fluido tiene un punto de descongelación inferior a cualquiera de los aceites componentes.

Preferentemente, el fluido aislante dieléctrico comprende 10-90% de aceite de soja y 90-10% de aceite de colza.

La presente invención se refiere al uso de aceites vegetales como base de fluidos dieléctricos en transformadores. Los aceites vegetales comprenden normalmente glicéridos mixtos formados a partir de la combinación de un poliol como glicerina, que tiene un número de grupos hidroxilo que ha sido esterificado con un número igual de moléculas de ácido graso. Muchos aceites vegetales son triglicéridos, es decir, tienen tres ácidos grasos químicamente unidos a la glicerina. La fórmula generalizada para un triglicérido es:

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en la que R_{1}, R_{2} y R_{3} pueden ser iguales o diferentes, con cadenas carbonadas de C_{4} a C_{12} y niveles de insaturación de 0 a 3.

Las diferencias en los aceites vegetales están provocadas por las variaciones en las moléculas de ácidos grasos. Hay varios ácido grasos diferentes, que incluyen los ácidos mirístico, palmítico, esteárico, oleico, linoleico, linolénico, araquídico, eicosenoico, behénico, erúcico, palmitiolítico, docosadiénico, lignosérico, tetracosenoico, margárico, margaroleico, gadoleico, caprílico, cáprico, laúrico, pentadecanoico y heptadecanoico. Los ácidos grasos y los aceites vegetales resultantes pueden variar en su grado de saturación. Los tres ácidos grasos en una molécula de triglicérido pueden ser todos iguales o pueden comprender dos o tres ácidos grasos diferentes. Aunque la composición de triglicéridos varía de una especie a otra, y menos de una variedad a otra de una especie particular, un aceite vegetal derivado de una única variedad tendrá esencialmente la misma composición de ácidos grasos.

Todo triglicérido que se produce de forma natural tiene propiedades únicas. Por ejemplo, algunos de los triglicéridos son más susceptibles de oxidación que otros. Según la presente invención, se prefiere usar aceites que tengan ácidos grasos que incluyan al menos un grado de insaturación (al menos un enlace doble C=C). Esto atenúa los efectos de la oxidación y ayuda a reducir el desprendimiento de gas hidrógeno que se podría producir de otra forma. Se ha encontrado que los aceites que contienen mono-insaturados se oxidan menos fácilmente que otros aceites y, por lo tanto, son de alguna forma preferidos para ser usados en la presente solicitud. Los aceites vegetales adecuados incluyen: soja, girasol, colza (canola), semilla de algodón, oliva, cártamo, jojoba, lesquerella y veronia. Todos tienen puntos de inflamación por encima de 300ºC.

Evitación de la oxidación

Cuando los triglicéridos de los que están comprendidos los aceites vegetales son expuestos a oxígeno, reaccionan para activar los encales insaturados, provocando la polimerización oxidativa del aceite. Los productos de esta reacción son indeseables porque tienen propiedades químicas que son inferiores a las del aceite vegetal original. Se ha encontrado que la degradación a largo plazo de las propiedades del aceite debida a la oxidación requiere una exposición a oxígeno a largo plazo. Por tanto, por ejemplo, incluso si un aceite está saturado con oxígeno antes del ensayo, puede soportar un ensayo de vida acelerada sin efectos adversos si se evita un contacto adicional con oxígeno durante el ensayo.

Por lo tanto, es deseable proporcionar un medio para reducir la exposición del aceite al oxígeno. Eliminando oxígeno en el espacio superior de la instalación eléctrica y minimizando la cantidad de oxígeno inicialmente disuelto en el aceite vegetal, la velocidad de la reacción de oxidación puede ser grandemente reducida como se describe con posterioridad. Sin embargo, debido a las expectativas de la prolongada vida de funcionamiento de algunas instalaciones eléctricas, que normalmente está por encima de los veinte años, es deseable proporcionar medios adicionales para reducir la velocidad global de la reacción. Según la presente invención, esto se realiza en parte disolviendo un producto químico depurador de oxígeno en el aceite vegetal. Ejemplos de antioxidantes adecuados incluyen BHA (hidroxianisol butilado), BHT (hidroxitolueno butilado), TBHQ butil-hidroquinona terciaria), THBP (tetra-hidro-butiro-fenona), palmitato de ascorbilo, aceite de romero, galato de propilo y alfa-, beta- o delta-tocoferol (vitamina E). Otros antioxidantes adecuados serán conocidos por los expertos en la técnica.

Aditivos a bajas temperaturas

Otro factor crítico para el rendimiento de los refrigerantes dieléctricos es sus propiedades físicas a bajas temperaturas, incluidos los valores del punto de descongelación. Normalmente, los aceites vegetales no tienen puntos de descongelación naturales suficientemente bajos para que sean adecuados para las aplicaciones estándar de distribución de energía eléctrica. Una aplicación media de distribución de energía eléctrica requiere un refrigerante que tenga un punto de descongelación por debajo de -20ºC. Según la presente invención, el refrigerante basado en aceites vegetales es modificado con en fin de asegurar que permanecerá en un líquido fluido incluso cuando la instalación es sometida a temperaturas moderadamente bajas (inferiores a -20ºC) durante su ciclo de manipulación. La modificación del aceite incluye la adición de un depresor del punto de descongelación del grupo que incluye oligómeros de poli(acetato de vinilo) y polímeros y/o oligómeros y polímeros acrílicos.

Se ha encontrado adicionalmente que ciertas mezclas de aceites tienen un punto de descongelación inferior a que tiene cualquiera de los aceites componentes solo. Por ejemplo, se ha encontrado que una mezcla de 25 por ciento de aceite de soja (I) con 75 por ciento de aceite de colza (II) respectivamente. Algunas otras combinaciones que exhiben reducciones análogamente ventajosas en el punto de descongelación incluyen: 25% de aceite de soja + 75% de aceite modificado de oleato, 50% de aceite de soja + 50% de aceite modificado de oleato, 25% de aceite de soja + 75% de aceite de girasol. La adición de 0,1% a 0,3% de triestearato de sorbitán reducirá también el punto de descongelación del aceite. Se comprenderá que la lista de combinaciones expuesta en la presente memoria descriptiva no es exhaustiva, sino que está destinada a ser ilustrativa de la naturaleza de la invención.

Se ha encontrado adicionalmente que los aceites vegetales exhiben un comportamiento a bajas temperaturas que es diferente de los aceites minerales. Específicamente, si un aceite vegetal es enfriado a una baja temperatura que está ligeramente por encima de su temperatura del punto de descongelación, con lo cual es todavía fluido, se puede volver sólido o gelificado tras un almacenamiento prolongado a esa temperatura. Se ha encontrado también que la estabilidad a bajas temperaturas del aceite puede ser mejorada mediante la adición de uno o más aditivos depresores del punto de descongelación, y mediante la mezcladura de dos o más aceites, como se describió con anterioridad.

Aditivos antimicrobianos

Es adicionalmente preferido incluir en el aceite vegetal un compuesto que inhiba el crecimiento de microorganismos. Puede utilizarse cualquier sustancia antimicrobiana adecuada compatible con aceite vegetal. Por ejemplo, es conocido que los antioxidantes fenólicos como el BHA tienen alguna actividad contra las bacterias, mohos, virus y protozoos, particularmente cuando son usados con otras sustancias antimicrobianas como sorbato de potasio, ácido sórbico o monoglicéridos. La vitamina E, 6-decanoato de ascorbilo, y otros compuestos conocidos, son también adecuados para ser usados como agentes antimicrobianos en el aceite.

Separación de agua

Debido a su efecto negativo sobre el rendimiento dieléctrico, la presencia de agua, un contaminante polar, en el fluido, es indeseable. El agua en el fluido aumentará la velocidad de descomposición de los ésteres de ácidos grasos en la base de aceite vegetal en proporción a la cantidad de agua disponible para la reacción. El indicador más evidente de estas reacciones es un aumento significativo en el valor del índice de neutralización debido a la acidez aumentada del fluido. Esta reacción conducirá a la formación de contaminantes polares (norma ASTM D974).

El problema está planteado por el amplio intervalo de temperaturas sobre el que debe funcionar la instalación de distribución eléctrica. Es conocido que las características de descomposición dieléctrica y otras propiedades dieléctricas de los aceites minerales están directamente relacionadas con el porcentaje de saturación del agua presente en el aceite. A medida que se alcanza el punto de saturación, la resistencia dieléctrica cae rápidamente. El punto de saturación a temperatura ambiente para los aceites minerales típicos usados para refrigerantes dieléctricos es de aproximadamente 65 ppm a temperatura ambiente, y por encima de 500 ppm a la temperatura de funcionamiento nominal, aproximadamente 100ºC. Sin embargo, es normalmente necesario que la instalación de distribución eléctrica sea capaz de funcionar sobre un intervalo de temperaturas amplio, que dé lugar a aumentos y disminuciones constantes en la temperatura del contenido de agua necesario para conseguir la saturación. El agua que está disuelta o en equilibrio vapor/líquido a una temperatura de funcionamiento elevada puede precipitar o condensarse cuando el aceite es llevado a una temperatura inferior.

Las normas estándar normalmente requieren la supresión de la humedad de los aceites minerales convencionales hasta por debajo de 35 ppm para ser usados en una instalación de distribución nueva. El procedimiento de supresión de la humedad usa una evaporación en una cámara a presión reducida, filtración o ambas hasta un nivel típico de 15-25% de saturación a temperatura ambiente (10-15 ppm) antes de la introducción en la instalación de distribu-
ción.

Por el contrario, los aceites vegetales tienen unos puntos de saturación de agua mucho mayores, normalmente bastante por encima de 500 ppm a temperatura ambiente. Por lo tanto, los niveles de humedad aceptables para ser usados en una instalación de distribución nueva pueden ser mucho mayores que los de los aceites convencionales en términos de partes por millón. Sin embargo, debido a que la influencia negativa adicional del agua en el aceite vegetal provoca la descomposición de los ésteres de ácidos grasos, el procedimiento de supresión de la humedad debe conducir a niveles de humedad como un porcentaje de la saturación bastante por debajo de los valores deseados del aceite mineral. Un nivel de saturación de 5% a 10% es el intervalo recomendado para un aceite vegetal al final del procedimiento de supresión de la humedad.

Supresión de sólidos

También se ha encontrado que es preferible separar diversas partículas céreas y otros contaminantes sólidos diminutos del aceite por medio de filtración. Un ejemplo de medios de filtración adecuados es un medio de filtración capaz de separar la materia en forma de partículas tan pequeña como de cinco (5) micrómetros.

Tratamiento

Cada aceite de base vegetal será tratado para suprimir la humedad excesiva hasta un nivel de menos de diez por ciento (10%) del nivel de saturación, y para separar las partículas y otros contaminantes, de una manera análoga a la práctica actual para tratar aceites de base dieléctricos minerales convencionales. Los aceites de base tratados son seguidamente mezclados para conseguir las composiciones deseadas. A estas mezclas, se añaden aditivos para mejorar ciertas propiedades clave del compuesto, incluidos antioxidante(s), agente(s) antimicrobiano(s) y depresor(es) del punto de descongelación. Una vez que el material ha sido uniformemente mezclado, el producto es preferentemente almacenado en sistemas o recipientes herméticos para un uso futuro.

Relleno de la instalación

El refrigerante dieléctrico debe ser apropiadamente introducido en el depósito de la instalación eléctrica. El procedimiento preferido para rellenar el depósito minimiza la exposición del refrigerante al oxígeno atmosférico, humedad y demás contaminantes que podrían afectar adversamente a sus propiedades claves. El procedimiento de relleno preferido incluye el secado del contenido del depósito, vaciamiento y sustitución del aire con gas nitrógeno seco, relleno bajo vacío parcial y cierre hermético inmediato del depósito. Si el dispositivo eléctrico requiere un espacio superior entre el fluido dieléctrico y la tapadera del depósito, después del relleno y cierre hermético del depósito, el gas en el espacio superior podría ser vaciado y sustituido por un gas inerte, como nitrógeno seco, con una presión nominal positiva estable de entre 1,33 x 10^{4} y 2,07 x 10^{4} Pa a 25ºC.

Propiedades del aceite presente

Se ha encontrado que la mayoría de los aceites vegetales tienen un punto de inflamación en recipiente abierto bastante por encima del patrón mínimo aceptado (300ºC) tanto para un aceite dieléctrico convencional como para fluidos menos inflamables. Por ejemplo, los aceites de soja tienen normalmente puntos de inflamación de aproximadamente 350ºC. Según la presente invención, los aceites preferidos tienen viscosidades entre 2 x 10^{-6} y 15 x 10^{-6} m^{2}/s a 100ºC y menos de 110 x 10^{-6} m^{2}/s a 40ºC y capacidades caloríficas (calores específicos) mayores que 1,26 J/g/ºC (0,3 cal/g/ºC).

La estabilidad a largo plazo es aumentada mediante la selección de las mezclas más favorables de aceites vegetales, el tratamiento y la adición de agentes antioxidantes y antimicrobianos. La estabilidad es adicionalmente aumentada controlando el entorno al que es expuesta la composición, particularmente, minimizando el ingreso de oxígeno, humedad y contaminantes en el depósito, y proporcionando medios para separar o capturar el oxígeno que se pueda escapar del depósito.

Las propiedades a bajas temperaturas son mejoradas usando mezclas óptimas de aceites vegetales y usando aditivos depresores del punto de descongelación. Conjuntamente, estos métodos pueden dar lugar a puntos de descongelación por debajo de -20ºC, que son suficientemente bajos para la mayoría de las aplicaciones estándar de instalaciones eléctricas.

Eliminación de oxígeno en el espacio superior del depósito

Es deseable también eliminar el oxígeno que pueda estar presente en el espacio superior de la instalación eléctrica que contiene un fluido dieléctrico basado en aceites vegetales. Hay diferentes aproximaciones al diseño de las instalaciones eléctricas. Un diseño que no es adecuado para el uso de refrigerantes aislantes basados en vegetales es el tipo no sellado de conservador.

Más común en la distribución eléctrica de patrones ANSI/IEEE y diseño de instalaciones de potencia media es el uso de un espacio superior en el depósito para permitir la expansión y contracción del contenido del depósito. Incluso si el espacio superior de la instalación es purgado de aire y vuelto a rellenar con sus gases inertes, es posible durante la vida de funcionamiento que el oxígeno (aire) acceda al espacio superior debido a las aberturas de la tapadera o accesorios, el lento desplazamiento a través de las juntas y el funcionamiento del dispositivo de liberación de la presión. El ingreso de oxígeno en el espacio superior contribuirá eventualmente al consumo de los aditivos antioxidantes en el fluido. Por tanto, es deseable eliminar el oxígeno que pueda acceder al espacio superior del depósito.

Un método para reducir el ingreso de oxígeno es soldar cualquiera de los componentes, tapaderas o puntos de acceso que comuniquen con el espacio superior, ya que las juntas y otros medios para cerrar herméticamente estas aberturas son todos susceptibles de tener escapes con el tiempo.

Esto se puede realizar proporcionando un compuesto depurador de oxígeno seco en el espacio superior. Con el fin de evitar el contacto entre el compuesto depurador de oxígeno y el vegetal, es preferido contener este compuesto en un recipiente polímero impermeable al oxígeno e impermeable al aceite. Ejemplos de recipientes adecuados incluyen los que están hechos de poliolefinas que incluyen polietileno de alta densidad, polipropileno, polibutileno o polimetilpenteno, y sus copolímeros. El material seleccionado debe ser suficientemente permeable al oxígeno y debe ser estable para mantener las características deseadas tanto a las elevadas temperaturas de funcionamiento como en el amplio intervalo de temperaturas a las que está expuesto el depósito. Un material preferido es una película de polímero, que puede estar hecha en forma de un embolsamiento para contener el compuesto depurador de oxígeno.

Un compuesto depurador de oxígeno preferido es comercializado bajo la denominación Ageless por Cryovac Division de la empresa W.R. Grace & Company, Duncan, South Carolina 29334. El constituyente principal de Ageless es óxido de hierro. Alternativamente, el agente absorbedor de oxígeno puede comprender una mezcla de sales ferrosas con un modificador de la oxidación y/o compuestos metálicos de sulfitos y sulfatos. Estos compuestos reaccionan con oxígeno según las siguientes fórmulas:

Fe \rightarrow Fe^{+2} + 2e^{-}

^{1}/_{2} O_{2} + H_{2}O + 2e^{-} \rightarrow 2OH^{-}

Fe^{+2} + 2OH^{-} \rightarrow Fe(OH)_{2}

Fe(OH)_{2} + ^{1}/_{2} O_{2} + ^{1}/_{2} H_{2}O \rightarrow Fe(OH)_{3}

En la reacción anterior, se hace reaccionar también agua, que es ventajosa en la presente solicitud, ya que el agua es un contaminante polar que puede afectar adversamente a las propiedades dieléctricas del aceite.

Alternativamente, se puede proporcionar un compuesto supresor de oxígeno según lo expuesto en la patente de EE.UU. nº 2.825.651, que describe un supresor de oxígeno que comprende una mezcla de una sal de sulfito con un acelerador como sulfato de cobre hidratado, cloruro estannoso u óxido cobaltoso. Un segundo compuesto depurador de oxígeno alternativo se describe en la patente de EE.UU. nº 4.384.972, que expone el uso de una sal de manganeso, hiero, cobalto o níquel, un compuesto alcalino y un sulfito o una sustancia delicuescente.

Ejemplos de otros compuestos que pueden ser usados para depurar oxígeno del espacio superior incluyen: una combinación de carbono y polvo de hierro activado, mezclas de hidrosulfito, hidróxido de calcio, bicarbonato de sodio y carbono activado, un polvo de haluro metálico aplicado como revestimiento sobre la superficie de un polvo metálico y combinaciones de un compuesto alcalino como hidróxido de calcio con carbonato de sodio o bicarbonato de sodio.

Haciendo referencia ahora a la Figura 1, un depósito 10 del transformador comprende normalmente una estructura 12 del depósito, una tapadera 14 afianzada o soldada a la estructura 12 del depósito y sellada con una junta 16. La estructura 12 del depósito es herméticamente cerrada. El depósito 10 alberga el núcleo del transformador y arrollamientos (no mostrados) u otra instalación eléctrica, que están sumergidos en un fluido aislante dieléctrico 18. El espacio entre la superficie del fluido y la tapadera del depósito es el espacio superior 20 del depósito. Según una realización preferida de la presente invención, un recipiente 22 de polímero que contiene un material depurador de oxígeno está dispuesto en el espacio superior del depósito, preferentemente en el interior de la tapadera del depósito, como se muestra en la Figura 1. Como se expuso con anterioridad, el recipiente 22 es preferentemente un embolsamiento o bolsa construido de una película permeable a los gases. Como se muestra más en detalle en la Figura 2, el recipiente 22 está soportado por un alojamiento 24 de poliolefina dispuesto adyacente a una abertura 26 en la tapadera 14 del depósito y mantenido en su sitio por medio de un anillo 27 de retención. Un tapón 28 y una junta 30 sellan el extremo exterior del alojamiento 24. El extremo interior del alojamiento 24 es cerrado preferentemente con una membrana de material altamente permeable al oxígeno e impermeable a la humedad, como son conocidos en la técnica. Un ejemplo de un material adecuado es polimetilpentano. Como la membrana 33 es fina y por tanto frágil, está preferentemente soportada en los dos lados por una malla o rejilla 34 de plástico. Al menos uno del alojamiento 24 y el tapón 28 son preferentemente transparentes, con el fin de permitir ver el material depurador de oxígeno desde fuera del depósito. Se comprenderá que el alojamiento 24 puede ser incorporado alternativamente en otra parte de la tapadera o las paredes del depósito.

Cuando se desee o sea necesario sustituir el recipiente de material depurador de oxígeno, el tapón 28 es retirado y el recipiente 22 es retirado del alojamiento 24 de poliolefina y sustituido. La baja permeabilidad para los gases del alojamiento 24 evita un intercambio significativo de gases entre el espacio superior 20 y la atmósfera exterior durante el corto período que es retirado el tapón roscado. Esto se puede realizar incluso aunque la permeabilidad a los gases del recipiente no sea tan elevada como para impedir el funcionamiento del material depurador de oxígeno durante períodos de tiempo más prolongados.

Todavía, haciendo referencia a la Figura 2, además del material depurador de oxígeno, es preferido proporcionar un medio para indicar la presencia de oxígeno en el espacio superior del depósito. Este indicador es preferentemente un compuesto sensible al oxígeno como el comercializado por la empresa Mitsubishi Gas Chemical Company y distribuido en Estados Unidos por la división Cryovac de la empresa W.R. Grace and Company bajo la marca registrada Ageless Eye. Este compuesto exhibe un cambio de color de rosa a azul cuando la concentración de oxígeno en el ambiente sobrepasa 0,1%.

El indicador de oxígeno está albergado preferentemente en la pared del espacio superior del depósito de manera que puede tanto entrar químicamente en contacto con el gas en el espacio superior como ser visible para una inspección desde fuera del depósito. Una forma de realizar esto es disponer el indicador de oxígeno adyacente a la abertura 28.

Modificaciones del depósito

Además de lo que antecede, el uso de fluidos aislantes dieléctricos basados en aceites vegetales en transformadores es facilitado por varias modificaciones en el depósito del transformador. Estas incluyen proporcionar la cámara sellada y accesible anteriormente descrita, en la que el material absorbedor de oxígeno puede ser repuesto sin aumentar la exposición del aceite en el depósito al aire. Otras modificaciones reducen el acceso de aire al depósito, con el fin de reducir la exposición a largo plazo del aceite al aire.

Haciendo referencia ahora a la Figura 3, una de estas modificaciones se refiere al volumen de espacio superior 20 del depósito. Por ejemplo, los patrones actuales de la serie ANSI/IEEE C57 requieren que los depósitos de transformadores de difusión permanezcan sellados por encima de un intervalo de temperaturas de -5ºC a +105ºC para el polo y diseños de transformadores en aceite de tipo pedestal y de -20ºC a +105ºC para transformadores de subestación. Fuera de este intervalo, el depósito es normalmente jaspeado para evitar el deterioro del depósito o instalación relacionada. Según la presente invención, el volumen del espacio superior es aumentado con el fin de que el intervalo de temperaturas sobre el que el depósito permanece sellado aumente correspondientemente, reduciendo así la posibilidad de que el oxígeno (aire) acceda al depósito. Específicamente, la presente invención incluye preferentemente un volumen de espacio superior suficiente para permitir que el depósito permanezca sellado de -20ºC a +115ºC.

Además, cada depósito incluye un dispositivo automático 40 de liberación de la presión (PRD) para evacuar el depósito como se describió anteriormente. Según la presente invención, el PRD está calibrado para evacuar automáticamente el espacio de gas sin contaminar solamente cuando la presión nominal interna sobrepasa 62,1 x 10^{3} \pm 6,9 x 10^{3} Pa y para volver a sellar automáticamente cuando la presión nominal se reduce a 41,9 x 10^{3} \pm 6,9 x 10^{3} Pa. Como el PRD vuelve a sellar a una presión positiva, el espacio superior mantendrá una presión positiva incluso después de evacuar mediante el PRD. El mantenimiento de una presión positiva en el espacio superior ayuda a evitar el acceso de aire en el depósito.

Además de lo que antecede, es preferido también sustituir las juntas convencionales (no mostradas) con juntas hechas de un material que sea sustancialmente impermeable a los gases. Debe entenderse que este material de las jutas debe ser también resistente a la degradación por el refrigerante dieléctrico. Ejemplos de un material adecuado para las juntas incluyen caucho de nitrilo con un elevado contenido de acrilonitrilo, y diversos fluoroelastómeros, de los que es representativo el compuesto comercializado bajo la marca VITON, una marca registrada de la empresa E.I. du Pont de Nemours & Company. Por el contrario, se cree que el caucho de silicona, y el caucho de nitrilo que tiene un bajo contenido de acrilonitrilo, son menos adecuados, debido a la permeabilidad relativamente elevada a los gases. Debe entenderse que esta lista es solamente ilustrativa, y que se podrían usar otros materiales flexibles impermeables a los gases para formar las juntas para el depósito del transformador. Como se mencionó anteriormente, otra forma de evitar el escape asociado con el uso a largo plazo de las juntas, es cerrar por soldadura el alojamiento de la instalación, eliminando completamente los sellos con juntas.

Otro método para reducir el acceso de gas es eliminar el espacio superior proporcionando una expansión térmica por otros medios. El mantenimiento de la presión/vacío parcial estaría basado en un intervalo térmico de la temperatura media del fluido de -20 a 115ºC.

Para unidades con suficiente espacio superior, los contenidos de dieléctricos basados en aceites vegetales podrían servir también como un excelente material en el reciente desarrollo de transformadores a temperatura elevada, que tienen normalmente una elevación del aceite superior de estimación máxima por encima del ambiente de 115ºC.

Modificación del aislamiento interno

Además de lo que antecede, los fluidos aislantes dieléctricos basados en aceites vegetales en una instalación eléctrica en la que el aislamiento con papel ha sido sustituido con "papel" aislante no celulósico tendrían una mayor estabilidad inherente. Esto es debido al hecho de que los materiales celulósicos liberan agua a medida que son térmicamente degradados. Los materiales candidatos incluyen material aislante de aramida, materiales de poliésteres o poliamidas.

Claims (8)

1. Un transformador que incluye un depósito que alberga un conjunto de núcleo/arrollamientos del transformador, en el que el conjunto de núcleo/arrollamientos está rodedado por un fluido aislante dieléctrico; y caracterizado porque

el fluido dieléctrico comprende dos o más aceites vegetales y un antioxidante;

los aceites vegetales tienen una viscosidad entre 2 x 10^{-6} y 15 x 10^{-6} m^{2}/s a 100ºC y menos de 110 x 10^{-6} a 40ºC, y en que los aceites vegetales tienen un punto de inflamación en recipiente abierto mayor que 300ºC.

2. El transformador de la reivindicación 1, en el que dicho aceite vegetal se selecciona entre el grupo que consiste en aceites de soja, girasol, colza, semilla de algodón, oliva, cártamo, jojoba, lesquerella y veronia.

3. El transformador de la reivindicación 1, en el que dicho antioxidante se selecciona entre el grupo que consiste en BHA (hidroanisol butilado), BHT (hidrotolueno butilado), TBHQ (butilhidroquinona terciaria), THBP (tetrahidrobutirofenol), palmitato de ascorbilo, galato de propilo, alfa-, beta- o delta-tocoferol, y aceite de romero.

4. El transformador de la reivindicación 1, en el que el fluido aislante dieléctrico comprende adicionalmente un aditivo de bajas temperaturas para rebajar el punto de descongelación del aceite.

5. El transformador de la reivindicación 1, en el que el fluido aislante dieléctrico comprende dos o más aceites vegetales componentes, y dicho fluido tiene un punto de descongelación inferior a cualquiera de los aceites componentes.

6. El transformador de la reivindicación 5, en el que el fluido aislante dieléctrico comprende 10-90% de aceite de soja y 90-10% de aceite de colza.

7. El transformador de la reivindicación 1, en el que al menos uno de los aceites es un aceite modificado con oleato.

8. El transformador de la reivindicación 1, en el que el fluido dieléctrico es biodegradable.