ES2250829T3 - Refrigerante dielectrico basado en aceite vegetal. - Google Patents

Abstract

Un dispositivo eléctrico que comprende un transformador con un fluido dieléctrico (18) en él; comprendiendo el fluido eléctrico al menos un aceite vegetal y un antioxidante; caracterizado porque el aceite vegetal tiene una viscosidad de 2x10-6 a 15x10-6 m2/s a 100ºC y menor de 110x10-6 m2/s a 40ºC; y porque el fluido eléctrico (18) es biodegradable.

Description

Refrigerante dieléctrico basado en aceite vegetal.

La presente invención se refiere generalmente al campo de los refrigerantes dieléctricos o aceites aislantes, para uso en equipamientos de potencia y distribución eléctrica, que incluyen transformadores. Más particularmente, la presente invención se refiere a un líquido aislante basado en un aceite vegetal y aún más particularmente a una composición que comprende uno o más aceites vegetales y al menos un aditivo que aumenta la idoneidad del aceite vegetal para uso como un refrigerante dieléctrico. La presente invención también se refiere a modificaciones del equipamiento, tales como tanques transformadores, que pueden adicionalmente mejorar la idoneidad del aceite vegetal para uso como un refrigerante dieléctrico.

Un líquido aislante para uso en equipamientos de distribución y potencia eléctrica, incluyendo transformadores, tiene dos funciones importantes. La primera, actúa como un medio aislante eléctrico y la segunda, transporta el calor generado en el equipamiento. Por ejemplo, el calor es transportado desde los bobinados y el núcleo del transformador o los circuitos conectados a las superficies refrigerantes. Además de poseer la resistencia eléctrica y la capacidad refrigerante, el líquido aislante ideal debería ser medioambientalmente compatible y relativamente no inflamable.

Durante un siglo, los aceites minerales derivados del petróleo crudo se han usado ampliamente como líquidos aislantes y refrigerantes en equipamiento eléctrico. Sin embargo, a medida que los estándares de seguridad se hicieron más exigentes para muchas instalaciones de equipamiento cubierto e interiores, tales aceites se reemplazaron en gran parte por líquidos no inflamables, tales como fluidos askarel (bifenilo policlorado- PCB). A principios de los años 30, los PCBs, que se consideraban no inflamables, se utilizaron ampliamente como sustitutos de aceites minerales como líquidos aislantes en equipamiento eléctrico. La no inflamabilidad es un propiedad requerida para los aceites aislantes que se usan en equipamiento colocado en o alrededor de estructuras de edificios, ya que es necesario minimizar el riesgo de daño por fuego y explosión en el caso de fallos eléctricos dentro del equipamiento.

Eventualmente, se ha reconocido que los PCBs son líquidos peligrosos medioambientalmente. Como resultado, la producción y venta de PCBs y su uso en equipamiento nuevo se ha prohibido. Para el equipamiento existente que contiene PCBs, se publicaron varían regulaciones severas requiriendo la eliminación de PCB en ciertas instalaciones y restricciones severas para el resto de las instalaciones. Además, la información de derrames, limpieza y eliminación requieren conformidad con las regulaciones muy estrictas bosquejadas en las reglas EPA de Estados Unidos publicadas en diversas ediciones del Registro Federal. Adicionalmente, debido a su capacidad relativamente pobre para suprimir arcos y degradación por arcos de subproductos dañinos, los fluidos basados en PCB no fueron aplicados a dispositivos operacionales y de seguridad sumergidos tales como fusibles de potencia sumergidos, interruptores protectores de circuito y disyuntores automáticos.

A causa de las desventajas y los defectos de los bifeniles policlorados, se han hecho numerosos esfuerzos para desarrollar aceites aislantes no inflamables, seguros medioambientalmente y relativamente no costosos. Hasta la fecha estos esfuerzos no han sido completamente satisfactorios. El objeto general de la presente invención es proporcionar equipamiento eléctrico utilizando un líquido aislante que sea no tóxico, biodegradable, relativamente no inflamable, inocuo con el medioambiente y comparativamente no costoso. Además, los aceites aislantes típicamente se ajustan a las guías o especificaciones existentes para fluidos dieléctricos y deben exhibir características de actuación que son comparables generalmente a los aceites aislantes usados actualmente.

Algunas de las propiedades funcionales del aceite y su significado son como sigue. Una ruptura dieléctrica del aceite a 60 hertzios indica su capacidad para resistir ruptura eléctrica a la frecuencia de potencia y se mide como el voltaje mínimo necesario para causar un arco entre dos electrodos sumergidos en aceite. El voltaje de ruptura dieléctrica de impulso indica su capacidad para resistir la ruptura eléctrica bajo tensiones de voltaje transitorias tales como encendido y aumentos de 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 polares solubles. La tendencia gasificante de un aceite mide su tendencia a desprender o absorber gas bajo condiciones donde se presenta descarga parcial.

Debido a que una función del fluido dieléctrico es transportar calor, los factores que afectan significativamente a la capacidad relativa del fluido para funcionar como un refrigerante dieléctrico son la viscosidad, el calor específico, la conductividad térmica y el coeficiente de expansión. Los valores de estas propiedades, particularmente en el rango de temperaturas de operación para el equipamiento a pleno rendimiento, son sopesadas 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 debería tener una resistencia dieléctrica relativamente alta, un factor de disipación bajo, una constante dieléctrica compatible con el dieléctrico sólido, una tendencia gasificante baja y debe ser compatible con los materiales de equipamiento eléctrico típicos que están expuestos a él. Para funcionar adecuadamente, el material debe tener una capacidad de transferencia de calor adecuada, que depende de su viscosidad, calor específico y coeficiente de expansión.

Los códigos y estándares actuales requieren adicionalmente que cualquier fluido dieléctrico destinado para uso como refrigerante no debe estar clasificado como inflamable, sino como Clase IIIB líquido combustible. Los requerimientos de seguridad dependen de las aplicaciones en las cuales será usado el equipamiento eléctrico que contiene el fluido, tal como en interiores, tejados, cubiertas y adyacente a instalaciones de edificios. De acuerdo con el grado de riesgo, se pueden requerir una o más medidas de seguridad. Una opción de seguridad reconocida es la sustitución de aceites minerales convencionales por líquidos menos inflamables o no inflamables. Los líquidos menos inflamables deben tener una temperatura de inflamabilidad espontánea medida por el método de taza abierta igual o mayor a 300ºC.

Como se ha descrito anteriormente, varios fluidos factibles son conocidos y usados en equipamiento eléctrico. Sin embargo, debido al aumento de la conciencia y sensibilidad relativa a las preocupaciones medioambientales, se ha hecho deseable proporcionar un fluido dieléctrico que tenga efectos mínimos sobre el medioambiente y se degrade rápida y fácilmente lo suficiente para que los vertidos no contaminen el suelo o el nivel freático durante ningún periodo significativo de tiempo, que no representen un riesgo significativo antes del proceso de biodegradación natural. Se hace más deseable reemplazar las fuentes no renovables por fuentes renovables, particularmente en el área de productos basados en petróleo. Ha aumentado la demanda de los compradores por productos naturales. Finalmente, se está poniendo más atención en los efectos a largo plazo de los materiales y su subproductos de degradación. Todas estas tendencias medioambientales, de salud y de seguridad favorecen el uso de refrigerantes dieléctricos basados en vegetales frente a aquellos derivados del petróleo.

Los aceites derivados de diversas plantas, en adelante referidos como "aceites vegetales", incluyen muchos aceites que tienen propiedades dieléctricas adecuadas cuando el aceite está fresco y cuidadosamente procesado. Sin embargo, a menudo se da el caso de que dichos aceites son particularmente susceptibles a la polimerización cuando se exponen a oxígeno libre. La velocidad de polimerización está directamente relacionada con la temperatura de los aceites durante el tiempo de exposición al oxígeno libre. La exposición al oxígeno activa los enlaces no saturados causando una polimerización oxidativa del aceite, con efectos potencialmente adversos tanto sobre el equipamiento en el fluido como sobre las propiedades del fluido en sí.

Muchos tipos de equipamiento de distribución de potencia eléctrica, incluyendo transformadores, son equipamiento de bajo mantenimiento que pueden funcionar muchos años sin revisión. Los aceites minerales usados actualmente son significativamente menos susceptibles a la degradación debido a la exposición al oxígeno que los aceites vegetales y por consiguiente superan típicamente los ensayos de estabilidad a la oxidación estándar. Por consiguiente, los aceites minerales son muy satisfactorios para el uso en este tipo de equipamiento eléctrico debido a su larga vida de operación. Correspondientemente, hasta ahora no había forma aceptable de reducir los efectos a largo plazo de la exposición de los aceites vegetales al oxígeno, de modo que los aceites vegetales no se han usado satisfactoriamente como refrigerantes dieléctricos en el equipamiento eléctrico moderno. Por tanto, se desea proporcionar un refrigerante dieléctrico basado en un aceite vegetal de bajo mantenimiento que satisfaga o exceda los estándares de seguridad y que sea medioambientalmente inocuo.

El documento USA4806276 describe un aditivo para aceites de transformador que comprenden un flourotensioactivo no iónico y un hidrocarburo hidrogenado.

El documento USA4437082 describe un aparato inductivo eléctrico que tiene un tanque y un líquido aislante y refrigerante en el tanque y una estructura bobinada eléctrica inmersa en el líquido, teniendo el líquido una presión de vapor baja y conteniendo contaminantes derivados de distintas fuentes dentro del tanque.

El documento JPA61042816 describe un aceite vegetal para uso en aplicaciones eléctricas tales como condensadores y transformadores.

De acuerdo con la solicitud principal, un transformador incluye un alojamiento del tanque y un conjunto núcleo/bobina de transformador en el que el conjunto núcleo/bobina está rodeado por un fluido aislante dieléctrico biodegradable que comprende un aceite vegetal y un antioxidante.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención se proporciona un dispositivo eléctrico que comprende un transformador con un fluido eléctrico dentro de él;

comprendiendo el fluido eléctrico al menos un aceite vegetal y un antioxidante;

caracterizado porque

el aceite vegetal tiene una viscosidad de 2x10^{-6} a 15x10^{-6} m^{2}/s a 100ºC y menor de 110x10^{-6} m^{2}/s a 40ºC;

y porque el fluido eléctrico es biodegradable.

De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención se proporciona un método para llenar un transformador que comprende:

llenar el transformador con un fluido eléctrico que comprende un aceite vegetal y un antioxidante; caracterizado porque

el aceite vegetal tiene una viscosidad de 2x10^{-6} a 15x10^{-6} m^{2}/s a 100ºC y menor de 110x10^{-6} m^{2}/s a 40ºC;

y porque el fluido eléctrico es biodegradable.

Preferiblemente, el aceite vegetal tiene una temperatura de inflamación espontánea superior a 300ºC.

El aceite vegetal se puede seleccionar del grupo que consiste de soja, girasol, colza, semilla de algodón, oliva, cartamo, jojoba, lesquerela y aceites de veronia y combinaciones de los mismos.

El aceite vegetal puede ser aceite de soja.

El fluido dieléctrico además puede comprender un antioxidante. El antioxidante se puede seleccionar de un grupo consistente en BHA (hidroanisol butilado), BHT (hidrotolueno butilado), TBHQ (butilhidroquinona terciaria), THBP (tetra-hidro-butro-fenona), aceite de romero, galato de propilo, \alpha-tocoferol, \beta-tocoferol, \delta-tocoferol y combinaciones de los mismos.

El fluido dieléctrico además puede comprender al menos un aditivo de baja temperatura y un aditivo antimicrobiano.

El transformador puede comprender un compuesto de purga de oxígeno.

La presente invención permite el uso de aceites basados en vegetales como fluidos dieléctricos en equipamientos de distribución y potencia eléctrica, incluyendo transformadores. Los aceites vegetales típicamente comprenden mezclas de glicéridos formados por la combinación de un poliol tal como glicerina que tiene un número de grupos hidroxilo que han sido esterificados con un número igual de moléculas de ácido graso. Muchos aceites vegetales son triglicéridos, es decir, tienen tres ácidos grasos químicamente enlazados a la glicerina. La fórmula general para un triglicérido es:

1

donde R_{1}, R_{2} y R_{3} pueden ser los mismos o diferentes con cadenas de carbono C_{4} a C_{12} y los niveles de no saturación de 0 a 3.

Las diferencias en los aceites vegetales con causadas por variaciones en las moléculas de ácidos grasos. Hay varios ácidos grasos diferentes, incluyendo ácidos mirístico, palmítico, esteárico, oleico, linoleico, linolénico, araquídico, eicosenoico, behénico, erúcico, palmiolítico, docosadienoico, lignosérico, tetracosenoico, margárico, margaroleico, gadoleico, caprílico, cáprico, laúrico, pentadecanoico y hepadecanoico. 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 los mismos o pueden comprender dos o tres ácidos grasos diferentes. Mientras que la composición del triglicérido varía entre especies y menos entre cepas de una especie particular, los aceites vegetales derivados de una cepa única tienen esencialmente la misma composición de ácido graso.

Naturalmente ocurre que cada triglicérido tiene propiedades únicas. Por ejemplo, algunos de los triglicéridos son más susceptibles a oxidación que otros. De acuerdo con la presente invención, se prefiere el uso de aceites que tienen ácidos grasos que incluyen al menos un grado de instauración (al menos un enlace doble C=C). Esto mitiga los efectos de oxidación y ayuda a reducir la evolución de gas hidrógeno que de otro modo podría ocurrir. Se ha encontrado que los aceites que contienen mono- no saturaciones oxidan menos rápidamente que otros aceites y por consiguiente, de alguna manera se prefiere su uso en la presente invención. Los aceites vegetales adecuados incluyen: soja, girasol, colza (canola), semilla de algodón, oliva, cartamo, jojoba, lesquerela y veronia. Todos tienen temperaturas de inflamación espontánea superiores a 300ºC.

Evitación de la oxidación

Cuando se exponen los triglicéridos de los que se constituyen los aceites vegetales al oxígeno, reaccionan para activar los enlaces no saturados, causando la polimerización oxidativa del aceite. Los productos de tal reacción son indeseables porque tienen propiedades químicas que son inferiores a las del aceite original. Se ha encontrado que la degradación a largo plazo de las propiedades del aceite debido a la oxidación requieren exposiciones al oxígeno a largo plazo. Así, por ejemplo, incluso si un aceite se satura con oxígeno antes del ensayo, puede perdurar en un ensayo de vida acelerada sin efectos adversos si se le impide el contacto con oxígeno adicional durante el ensayo.

Por consiguiente, se desea proporcionar unos medios para reducir la exposición del aceite al oxígeno. Eliminando el oxígeno en el espacio de cabeza del equipamiento eléctrico y minimizando la cantidad de oxígeno inicialmente disuelto en el aceite vegetal, la velocidad de la reacción de oxidación puede ser reducida enormemente como se describe abajo. Sin embargo, debido a la esperanza de vida operacional prolongada de algún equipamiento eléctrico, que está típicamente por encima de veinte años, se desea proporcionar medios adicionales para reducir la velocidad de reacción global. De acuerdo con la presente invención, esto se consigue en parte disolviendo un producto químico de purga de oxígeno en el aceite vegetal. Ejemplos de tales antioxidantes incluyen BHA(hidroanisol butilado), BHT(hidrotolueno butilado), TBHQ(butilhidroquinona terciaria), THBP(tetra-hidro-butro-fenona), palmitato de ascorbilo (aceite de romero), galato de propilo y alfa-, beta- o delta-tocoferol (vitamina E). Otros antioxidantes adecuados serán conocidos por aquellos expertos en la técnica.

Aditivos a baja temperatura

Otro factor crítico en la realización de refrigerantes dieléctricos son sus propiedades físicas a baja temperatura, incluyendo los valores del punto de fluidez. Típicamente, los aceites vegetales no tienen puntos de fluidez lo suficientemente bajos para ser adecuados para aplicaciones de distribución de potencia eléctrica estándar. Una aplicación de distribución de potencia eléctrica media requiere un refrigerante que tenga un punto de fluidez por debajo de -20ºC. De acuerdo con la presente invención, el refrigerante basado en aceites vegetales se modifica para asegurar que permanecerá como líquido fluyente incluso cuando el equipamiento esté sometido a temperaturas moderadamente bajas (menores que -20ºC) durante su ciclo de vida. La modificación del aceite incluye la adición de un reactivo depresivo del grupo que incluye oligómeros y polímeros de acetato de polivinilo y/o oligómeros y polímeros acrílicos.

Se ha encontrado adicionalmente que ciertas mezclas de aceites tienen un punto de fluidez menor al que tienen los aceites componentes solos. Por ejemplo, se ha encontrado que una mezcla de 25% de aceite de soja (I) con 75% de aceite de colza (II) tiene un punto de fluidez de -24ºC, comparado con -15ºC y -16ºC para (I) y (II), respectivamente. Algunas otras combinaciones que exhiben similarmente reducciones ventajosas en el punto de fluidez 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 sorbitano también reduce el punto de fluidez del aceite. Debe entenderse que la lista de combinaciones propuestas aquí no es exhaustiva, pero pretende ser ilustrativa de la naturaleza de la invención.

Se ha encontrado adicionalmente que los aceites vegetales exhiben un comportamiento a baja temperatura que es diferente del de los aceites minerales. Específicamente, si un aceite vegetal se refrigera a una temperatura baja que está ligeramente por encima de su temperatura de punto de fluidez, de modo que sea aún vertible, puede llegar a solidificarse o gelificarse por almacenamiento prolongado a esa temperatura. Se ha encontrado que la estabilidad a baja temperatura del aceite puede ser mejorada por la adición de uno o más aditivos depresivos de punto de fluidez, y por la mezcla de dos o más aceites, como se ha descrito anteriormente.

Aditivos antimicrobianos

Adicionalmente se prefiere incluir en el aceite vegetal un compuesto para inhibir el crecimiento de microorganismos. Cualquier sustancia antimicrobiana adecuada que sea compatible con el aceite vegetal puede ser usada. Por ejemplo, se conoce que los antioxidantes fenólicos tales como BHA tienen alguna actividad contra bacterias, mohos, virus y protozoos, particularmente cuando se usan con otras sustancias antimicrobianas tales como sorbato potásico, ácido sórbico o monoglicéridos. La vitamina E, el 6-decanoato de ascorbilo y otros compuestos conocidos son también adecuados para usar como agentes antimicrobianos en el aceite.

Eliminación del 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 ruptura 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 obvio de tales reacciones es un aumento significativo del valor del número de neutralización debido a la acidez aumentada del fluido. Esta reacción conducirá a la formación de contaminantes polares (ASTM D974).

El problema se agrava por el amplio rango de temperaturas en el que el equipamiento de distribución eléctrica debe operar. Se conoce que las características de ruptura dieléctrica y otras propiedades dieléctricas de los aceites minerales están relacionadas directamente con el porcentaje de saturación de agua presente en el aceite. Según se alcanza el punto de saturación la resistencia dieléctrica cae rápidamente. El punto de saturación a temperatura ambiente para aceites minerales típicos usados para refrigerantes dieléctricos es aproximadamente 65 ppm a temperatura ambiente y sobre 500 ppm a temperatura de operación nominal, aproximadamente 100ºC. Sin embargo, el equipamiento de distribución eléctrica típicamente se requiere capaz de operar en un amplio rango de temperaturas, lo que resulta en un constante aumento y reducción en la temperatura del contenido de agua necesaria para conseguir la saturación. El agua que está disuelta o en equilibrio líquido/vapor a temperatura de operación alta puede precipitar o condensar cuando el aceite se lleva a una temperatura menor.

Los estándares típicamente requieren la eliminación de la humedad de los aceites minerales convencionales hasta por debajo de 35 ppm para uso en equipamiento de distribución nuevo. El proceso de eliminación de humedad usa o la evaporación en una cámara a presión reducida, la filtración o ambas, hasta un nivel típico de 15-25% de saturación a temperatura ambiente (10-15 ppm) antes de llenar el equipamiento de distribución.

Los aceites vegetales, en contraste, tienen puntos de saturación de agua mucho mayores, típicamente bien por encima de 500 ppm a temperatura ambiente. Por consiguiente, niveles de humedad aceptables para uso en equipamiento de distribución nuevo pueden ser mucho mayores que los aceites convencionales en términos de partes por millón. Sin embargo, debido a la influencia negativa adicional del agua en el aceite vegetal que causa la ruptura de los ésteres de ácido graso, el proceso de eliminación de humedad debería procurarse para niveles de humedad como un porcentaje de saturación bien por debajo de los valores deseados del aceite mineral. Cinco a 10% de nivel de saturación es el rango recomendado para el aceite vegetal al final del proceso de eliminación de humedad.

Eliminación de sólidos

Se ha encontrado preferible eliminar distintos contaminantes particulados céreos y otros sólidos diminutos del aceite por medio de filtración. Un ejemplo de medios de filtración adecuados es un medio de filtración capaz de eliminar materia particulada tan pequeña como cinco (5) micras.

Procesado

Cada aceite de base vegetal será procesado eliminando la humedad excesiva hasta un nivel del menos del diez por ciento (10%) del nivel de saturación y eliminando las partículas y otros contaminantes, de forma similar a la práctica actual de tratamiento de aceites dieléctricos de base mineral convencionales. Los aceites de base tratados entonces se mezclan para conseguir las composiciones deseadas. A estas mezclas se añaden los aditivos para mejorar ciertas propiedades clave de los compuestos, que incluyen antioxidante(s), agente(s) antimicrobiano(s) y reactivo(s) depresivo(s) de punto de fluidez. Una vez que los materiales se han mezclado uniformemente el producto se almacena preferiblemente en sistemas o contenedores sellados para uso futuro.

Llenado del equipamiento

El refrigerante dieléctrico debe ser adecuadamente introducido en el tanque del equipamiento eléctrico. El proceso preferido para llenado del tanque minimiza la exposición del refrigerante al oxígeno atmosférico, la humedad y otros contaminantes que podrían afectar adversamente sus propiedades clave. El proceso de llenado preferido incluye el secado de los contenidos del tanque, la evacuación y sustitución de aire por gas nitrógeno seco, el llenado bajo vacío parcial y el sellado inmediato del tanque. Si el dispositivo eléctrico requiere un espacio de cabeza entre el fluido dieléctrico y la cubierta del tanque, después del llenado y sellado del tanque, el gas en el espacio de cabeza debe ser evacuado y sustituido por un gas inerte, como nitrógeno seco, con una presión manométrica estable positiva de entre 1,38x10^{4} y 2,07x10^{4} Pa a 25ºC.

Propiedades del aceite actual

Se ha encontrado que la mayoría de los aceites vegetales tienen una temperatura de inflamabilidad espontánea medida por el método de taza abierta bien por encima del estándar mínimo aceptado (300ºC) tanto para aceite dieléctrico convencional como para fluidos menos inflamables. Por ejemplo, los aceites de soja típicamente tienen temperaturas de inflamabilidad espontánea de aproximadamente 350ºC. De acuerdo con la presente invención, los aceites preferidos tienen viscosidades entre 2 y 15x10^{-6} m^{2}/s a 100ºC y menores de 110x10^{-6} m^{2}/s a 40ºC y capacidades caloríficas (calores específicos) mayores que 1,26 J/gr/ºC (0,3 cal(gr/ºC).

La estabilidad a largo plazo se favorece por selección de las mezclas de aceites vegetales más favorables, el procesamiento y la adición de agentes antioxidantes y antimicrobianos. La estabilidad es adicionalmente favorecida controlando el medio al que se expone la composición, particularmente, minimizando la entrada de oxígeno, humedad y contaminantes en el tanque y proporcionando medios de eliminación o captura de oxígeno que podría fugarse hacia el tanque.

Las propiedades a baja temperatura se mejoran usando mezclas de aceites vegetales óptimas y usando aditivos depresivos de punto de fluidez. Al mismo tiempo, estos métodos pueden resultar en puntos de fluidez por debajo de -20ºC, que es suficientemente bajo para la mayoría de las aplicaciones de equipamiento eléctrico estándar.

Eliminación del oxígeno en el espacio de cabeza del tanque

También se desea eliminar el oxígeno que pudiera estar presente en el espacio de cabeza del equipamiento eléctrico que contiene un fluido dieléctrico basado en aceite vegetal. Hay diferentes enfoques de diseño de equipamiento eléctrico. Un diseño que no es adecuado para uso de refrigerantes aislantes basados en vegetales es el depósito para mantener el nivel de aceite de tipo no sellado.

Más común en el diseño de equipamiento de potencia media y distribución eléctricas estándar ANSI/IEEE es el uso de un espacio de cabeza del tanque para permitir la expansión y contracción de los contenidos del tanque. Incluso si el espacio de cabeza del equipamiento es purgado de aire y sustituido por gases inertes, es posible durante toda la vida de operación que el oxígeno (aire) se fugue hacia el espacio de cabeza debido a las aberturas de la cubierta o los accesorios, la baja migración a través de juntas y la operación del dispositivo de alivio de presión. La entrada de oxígeno en el espacio de cabeza eventualmente contribuirá a consumir los aditivos antioxidantes en el fluido. Por eso, se desea eliminar el oxígeno que pueda fugarse hacia el espacio de cabeza del tanque.

Un método para reducir la entrada de oxígeno es soldar cualesquiera componentes, cubiertas o puntos de acceso que comuniquen con el espacio de cabeza, tales como juntas y otros medios para sellar tales aberturas que son susceptibles de fuga a lo largo del tiempo.

Esto se puede conseguir proporcionando un compuesto de purga de oxígeno seco en el espacio de cabeza. Con objeto de impedir el contacto entre el compuesto de purga de oxígeno y el aceite vegetal, se prefiere contener tal compuesto en un contenedor de polímero impermeable a la humedad y al aceite y permeable al oxígeno. Ejemplos de contenedores adecuados incluyen aquellos hechos de poliolefinas que incluyen polietileno de alta densidad, polipropileno, polibutileno o polimetilpenteno y copolímeros de los mismos. El material seleccionado deber ser suficientemente permeable al oxígeno y debe ser capaz de mantener las características deseadas tanto a temperaturas de operación elevadas como en el ancho rango de temperaturas a las que el tanque está expuesto. Un material preferido es una película de polímero, que se puede hacer en un saquito para contener el material de purga de oxígeno.

Un compuesto de purga de oxígeno preferido se vende bajo el nombre de Ageless por Cryovac División de W.R. Grace & Company, Duncan, Carolina del Sur 29334. El constituyente primario de Ageless es óxido de hierro. Alternativamente, el agente absorbente de oxígeno puede comprender un mezcla de sales ferrosas con un modificador de oxidación y/o compuestos sulfatos y sulfitos metálicos. Estos compuestos reaccionan con el oxígeno de acuerdo con las siguientes fórmulas:

\quad

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

\quad

½ O_{2} + H_{2}O +2e^{-} \rightarrow 2OH^{-}

\quad

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

\quad

Fe(OH)_{2} + ½ O_{2} + ½ H_{2}O \rightarrow Fe(OH)_{3}

En la reacción anterior, el agua también reacciona, lo que es ventajoso en la presente aplicación, ya que el agua es un contaminante polar que puede afectar adversamente a las propiedades dieléctricas del aceite.

Alternativamente, un compuesto que elimina oxígeno puede ser proporcionado de acuerdo con las enseñanzas de la patente estadounidense nº 2825651, que describe un eliminador de oxígeno que comprende una intermezcla de una sal de sulfito con un acelerador tal como sulfato de cobre hidratado, cloruro de estaño u óxido de cobalto. Un segundo compuesto alternativo de purga de oxígeno se describe en la patente estadounidense nº 4384972, que muestra el uso de una sal de manganeso, hierro, cobalto o níquel, un compuesto alcalino y un sulfito o una sustancia delicues-
cente.

Ejemplos de otros compuestos que se pueden usar para purgar oxígeno del espacio de cabeza incluyen: una combinación de polvo de carbono y hierro activado, mezclas de hidrosulfito, hidróxido de calcio, bicarbonato sódico y carbono activado, un polvo de haluro de metal cubierto en la superficie de un polvo de metal y combinaciones de un compuesto alcalino tales como hidróxido de calcio con carbonato sódico o bicarbonato sódico.

La siguiente descripción se da en términos de un transformador eléctrico. Será entendido por aquellos expertos en la técnica que las composiciones y el método expuestos son igualmente convenientes para uso en otros tipos de equipamiento eléctrico, incluyendo, pero no limitándose a: reactores, transformadores, conmutadores, reguladores, compartimentos de cambiador de tomas, pasantes aislantes de alta tensión, etc.

Con referencia ahora a la figura 1, un tanque 10 de transformador típicamente comprende un cuerpo 12 de tanque, una cubierta 14 de tanque atornillada o soldada al cuerpo 12 del tanque y sellada con una junta 16. El cuerpo 12 del tanque está sellado. El tanque 10 aloja el núcleo y los bobinados del transformador (no mostrados) u otro equipamiento eléctrico, que está inmerso en el fluido aislante dieléctrico 18. El espacio entre la superficie del fluido y la cubierta del tanque es el espacio de cabeza 20 del tanque. De acuerdo con una realización preferida de la presente invención, un contenedor 22 de polímero que contiene el material de purga de oxígeno se monta en el espacio de cabeza del tanque, preferentemente en el lado interior de la cubierta del tanque como se muestra en la figura 1. Como se expuso arriba, el contenedor 22 es preferiblemente un saquito o bolsa construida de película permeable a gas. Como se muestra más detalladamente en la figura 2, el contenedor 22 está apoyado en un alojamiento 24 de olefina montado adyacente a una abertura 26 en la cubierta 14 del tanque y mantenido en su sitio por un anillo 27 de retención. Una tapa 28 y una junta 30 sellan el extremo exterior del alojamiento 24. El extremo interior del alojamiento 24 se cierra preferiblemente con una membrana de material altamente permeable al oxígeno, impermeable a la humedad, tal como se conoce en la técnica. Un ejemplo de un material adecuado es el polimetilpenteno. Debido a que la membrana 33 es delgada y por tanto frágil, preferiblemente se apoya en ambos lados en una malla o red plástica 34. Al menos uno de entre el alojamiento 24 y la tapa 28 es preferiblemente transparente, de modo que permitan ver el material de purga de oxígeno desde fuera del tanque. Se entiende que el alojamiento 24 puede alternativamente ser incorporado en otra parte de la cubierta o paredes del tanque.

Cuando se desee o sea necesario reemplazar el contenido del material de purga de oxígeno, la tapa 28 se retira y el contenedor 22 se retira del alojamiento 24 de poliolefina y se sustituye. La baja permeabilidad a gas del alojamiento 24 impide intercambios significativos de gas entre el espacio de cabeza 20 y la atmósfera exterior durante el corto periodo en el que se retira la tapa roscada. Esto se puede conseguir incluso si la permeabilidad de gas del contenedor no es tan alta como para impedir la operación del material de purga de oxígeno durante periodos más extensos de tiempo.

Aún con referencia a la figura 2, además del material de purga de oxígeno, se prefiere proporcionar medios para indicar la presencia de oxígeno en el espacio de cabeza del tanque. Este indicador es preferiblemente un compuesto sensible al oxígeno tal como el comercializado por Mitsubishi Gas Chemical Company y distribuido en los Estados Unidos por Cryovac División de 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 excede el 0,1%.

El indicador de oxígeno se aloja preferiblemente en la pared del espacio de cabeza del tanque de tal modo que pueda tanto contactar químicamente con el gas en el espacio de cabeza como ser visible para la inspección desde el exterior del tanque. Un modo de conseguir esto es montar el indicador de oxígeno adyacente a la abertura 28.

Modificaciones del tanque

Además de lo anterior, el uso en trasformadores de fluidos aislantes dieléctricos basados en aceites vegetales se facilita por varias modificaciones en el tanque del transformador. Estas incluyen proporcionar la cámara accesible, sellada, descrita arriba, en la que el material absorbente de oxígeno puede ser sustituido sin aumentar la exposición del aceite en el tanque al aire. Otras modificaciones reducen la fuga de aire hacia el tanque, de modo que se reduce la exposición a largo plazo del aceite al aire.

Con referencia ahora a la figura 3, una de tales modificaciones se refiere al volumen del espacio de cabeza 20 del tanque. Por ejemplo, los estándares de las series ANSI/IEEE C57 actuales requieren unos tanques de transformador de distribución que permanezcan sellados en un rango de temperatura de -5ºC a +105ºC para diseños mástil y montados en placas y de -20ºC a +105ºC para transformadores de subestación. Fuera de este rango el tanque está típicamente ventilado para evitar daño al tanque o equipamiento relacionado. De acuerdo con la presente invención, el volumen del espacio de cabeza se aumenta de modo que el rango de temperatura en el que el tanque permanece sellado aumenta correspondientemente, reduciendo así la probabilidad del fuga de oxígeno (aire) hacia el tanque. Específicamente, el tanque actual preferiblemente incluye un volumen del espacio de cabeza suficiente como para permitir que el tanque permanezca sellado entre -20ºC y +115ºC.

Además, cada tanque incluye un dispositivo automático 40 de alivio de presión (DAP) para ventear el tanque como se describe arriba. De acuerdo con la presente invención, el DAP 40 se calibra para ventear automáticamente el gas del espacio de cabeza sólo cuando la presión manométrica interna exceda 62,1x10^{3} \pm 6,9x10^{3} Pa y se vuelva a sellar automáticamente cuando la presión manométrica se reduzca a 41,9x10^{3} \pm 6,9x10^{3} Pa. Debido a que el DAP se vuelve a sellar a una presión positiva, el espacio de cabeza mantendrá una presión positiva incluso después de ventear con el DAP. Mantener una presión positiva en el espacio de cabeza ayuda a impedir la entrada de aire hacia el
tanque.

Adicionalmente a lo anterior, también se prefiere reemplazar las juntas convencionales (no mostradas) por juntas hechas de un material que sea sustancialmente impermeable a gas. Se entiende que dicho material de junta debe también ser resistente a la degradación por el refrigerante dieléctrico. Ejemplos de materiales de junta adecuados incluyen goma de nitrilo con un alto contenido en acrilonitrilo, y diversos fluoroelastómeros, de los cuales los compuestos vendidos bajo el nombre de VITON, una marca registrada de E.I. du Pont de Nemours & Company, es representativo. En contraste, la goma de silicona y la goma de nitrilo que tienen un bajo contenido de acrilonitrilo se cree que son menos adecuadas, debido a la relativamente alta permeabilidad. Se entiende que esta lista es sólo ilustrativa y que otros materiales impermeables al gas elásticos podrían ser usados para formar juntas para el tanque del transformador. Como se mencionó anteriormente, otro modo de evitar la fuga asociada al uso de las juntas a largo plazo, es sellar el cierre del alojamiento del equipo, eliminando completamente los cierres con juntas.

Otro método de reducir la entrada de gas es eliminar el espacio de cabeza proporcionando para expansión térmica otros medios. La oposición al vacío parcial/presión estaría basada en un rango térmico de la temperatura del fluido media de -20 a 115ºC.

Para unidades con suficiente cabeza de espacio, los refrigerantes dieléctricos basados en aceites vegetales podrían servir también como un material excelente en el desarrollo reciente de Transformadores de Alta Temperatura, que típicamente tienen una máxima elevación nominal de aceite alta en un ambiente de 115ºC.

Modificación del aislante interno

Además de lo anterior, los fluidos aislantes dieléctricos basados en aceites vegetales en equipamiento eléctrico en los que el papel de aislamiento ha sido sustituido por "papel" aislante de no celulosa tendrían una estabilidad inherente mayor. Esto es debido al hecho que los materiales celulósicos liberan agua cuando son degradados térmicamente. Materiales candidatos incluyen material aislante de aramida, materiales poliéster, polamida.

Aunque se ha mostrado y descrito una realización preferida de la invención, modificaciones de la misma pueden ser hechas por un experto en la técnica sin desviarse del espíritu de la invención.

Claims (8)

1. Un dispositivo eléctrico que comprende un transformador con un fluido dieléctrico (18) en él;

comprendiendo el fluido eléctrico al menos un aceite vegetal y un antioxidante;

caracterizado porque

el aceite vegetal tiene una viscosidad de 2x10^{-6} a 15x10^{-6} m^{2}/s a 100ºC y menor de 110x10^{-6} m^{2}/s a 40ºC;

y porque el fluido eléctrico (18) es biodegradable.

2. El dispositivo eléctrico de la reivindicación 1, en el que el aceite vegetal tiene una temperatura de inflamación espontánea superior a 300ºC.

3. El dispositivo eléctrico de la reivindicación 1, en el que el aceite vegetal se selecciona del grupo que consiste de soja, girasol, colza, semilla de algodón, oliva, cartamo, jojoba, lesquerela y aceites de veronia.

4. El dispositivo eléctrico de la reivindicación 1, en el que el aceite vegetal es aceite de soja.

5. El dispositivo eléctrico de la reivindicación 1, en el que el antioxidante se selecciona de un grupo consistente en BHA (hidroanisol butilado), BHT (hidrotolueno butilado), TBHQ (butilhidroquinona terciaria), THPB (tetra-hidro-butro-fenona), aceite de romero, galato de propilo, \alpha-tocoferol, \beta-tocoferol, \delta-tocoferol.

6. El dispositivo eléctrico de la reivindicación 1, en el que el fluido dieléctrico además comprende al menos un aditivo de baja temperatura y un aditivo antimicrobiano.

7. El dispositivo eléctrico de la reivindicación 1, en el que el transformador comprende un compuesto de purga de oxígeno.

8. Un método para llenar un transformador que comprende:

llenar el transformador con un fluido eléctrico que comprende un aceite vegetal y un antioxidante; caracterizado porque

el aceite vegetal tiene una viscosidad de 2x10^{-6} a 15x10^{-6} m^{2}/s a 100ºC y menor de 110x10^{-6} m^{2}/s a 40ºC;

y porque el fluido eléctrico (18) es biodegradable.