ES2925503T3 - Devanado eléctrico para un transformador seco y procedimiento para fabricar un devanado eléctrico para un transformador seco - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un devanado eléctrico para transformador seco que permite construir un transformador seco compacto incluso para clases de tensión relativamente altas. Con este fin, el devanado eléctrico presenta una pluralidad de espiras de un conductor de devanado que están enrolladas para formar una bobina. La bobina está incrustada en un aislante sólido. De acuerdo con la invención, se aplica un revestimiento compuesto por un material eléctricamente conductor que comprende una matriz de resina y un relleno a nanoescala en al menos una superficie del aislador. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Devanado eléctrico para un transformador seco y procedimiento para fabricar un devanado eléctrico para un transformador seco

La presente invención hace referencia al revestimiento de un cuerpo aislante de un transformador seco.

Los transformadores secos, en particular, los transformadores de resina fundida, son transformadores de potencia que se utilizan en la ingeniería energética para la transformación de tensiones de hasta aproximadamente 36 kV en el lado de alta tensión. En el caso de este tipo de transformadores, un devanado de baja tensión y un devanado de alta tensión están dispuestos coaxialmente alrededor de un miembro de un núcleo. El devanado con menor tensión se denomina devanado de baja tensión y el de mayor tensión se denomina como devanado de alta tensión. Ambos devanados están integrados en un material aislante sólido, para ello, en el caso del devanado de alta tensión, con frecuencia se usa una resina de moldeo. Un correspondiente transformador seco se conoce de la solicitud EP 1133779 B1.

De la solicitud EP 15185886 A1 aún no publicada (= número de archivo interno 201519004) se conoce un perfeccionamiento del transformador seco descrito anteriormente, en particular, también para tensiones superiores a 36 kV. Allí se revela un diseño constructivo más compacto del transformador seco, que se caracteriza, entre otras cosas, por el hecho de que el transformador seco presenta dimensiones más pequeñas, es decir, está realizado más compacto, y en este contexto se reemplaza el aire como aislante por una resina de moldeo adecuada como cuerpo aislante sólido.

En la superficie del cuerpo aislante sólido, en el cual está integrado un devanado eléctrico, es decir, en particular, un devanado de alta y/o baja tensión bobinado, está previsto un revestimiento, que preferentemente está compuesto de un material semiconductor.

A las propiedades químicas y/o físicas de este recubrimiento semiconductor se imponen exigencias especiales, en particular, con respecto a la estabilidad térmica, mecánica y química además de una resistencia de capa determinada.

Actualmente se utilizan lacas con partículas de carga a microescala, por ejemplo, con negro de carbón conductor, grafito conductor y/o partículas de mica recubierta. Por regla general, se trata de sistemas muy llenos con niveles de llenado muy por encima del 10% en volumen o del 20% en peso y en particular por encima del 30% en peso. El tamaño de partículas de los materiales de relleno suele ubicarse en el rango de unos pocos micrómetros y más, por lo cual se necesitan grandes cantidades de contenido de relleno. Debido al alto nivel de llenado de partículas de relleno a microescala, el recubrimiento se vuelve considerablemente más costoso y también más difícil de procesar debido a que la fluidez de las formulaciones altamente cargadas con partículas de relleno a microescala es menor que la de las formulaciones menos cargadas. Las propiedades de aplicación también empeoran a altos niveles de relleno debido a la creciente fragilidad del recubrimiento.

Las solicitudes GB 1 156 369 A y FR 2 784 787 A1 revelan respectivamente un devanado eléctrico para un transformador seco que presenta un conductor de devanado bobinado en múltiples devanados para conformar una bobina; en donde la bobina está integrada en un cuerpo aislante sólido; en donde al menos una superficie del cuerpo aislante está provisto de un revestimiento con una resistencia de hoja determinada. Las solicitudes WO 2012/152573 A1 y US 6 689 835 describen respectivamente una laca eléctricamente conductora, en donde la laca conductora comprende resina y un relleno eléctricamente conductor a nanoescala hecho de nanotubos de carbono.

Existe la necesidad de proporcionar una formulación adecuada para un revestimiento del cuerpo aislante de un transformador seco, que contenga tal perfil de propiedades pero que contenga un contenido reducido de material de relleno a microescala, preferentemente sin relleno a microescala.

Por lo tanto, el objeto de la presente invención consiste en especificar un devanado eléctrico para un transformador seco de un diseño compacto, así como, un procedimiento para la fabricación de un revestimiento para un cuerpo aislante de dicho devanado eléctrico de un transformador seco en un diseño compacto; en donde el revestimiento se proporciona en al menos una superficie del cuerpo aislante, cuya resistencia laminar está en el rango entre los 102 y los 105 ohmios/cuadrado (Q/^) y que muestra una alta resistencia térmica, alta robustez mecánica y resistencia a las influencias ambientales tales como la humedad y la radiación solar.

Para ello se propone un devanado eléctrico de acuerdo con la reivindicación 1.

El conductor de devanado se puede tratar de un conductor de lámina, un conductor de banda o un alambre conductor. La bobina está integrada en un cuerpo aislante de un material aislante sólido. Con frecuencia, para ello, se utiliza resina de moldeo para, que se vierte en la bobina y que se endurece tras el moldeo. El resultado es un devanado mecánicamente estable en forma de cilindro hueco cuya bobina está bien protegida de las influencias ambientales. De acuerdo con la invención, se aplica un revestimiento como se especifica en la reivindicación 1 a por lo menos una superficie del cuerpo aislante.

Además, conforme a la invención se propone un procedimiento para la fabricación de un devanado eléctrico según la reivindicación 11.

De acuerdo con la invención, el material de relleno se presenta en forma de al menos una fracción de material de relleno a escala nanométrica cuyo contenido de carga es inferior al 20% en peso y/o inferior al 10% en volumen del revestimiento.

De acuerdo con una forma de ejecución preferida de la invención, al menos dos fracciones de partículas de material de relleno están presentes en el recubrimiento.

Resulta especialmente ventajoso que se pueda determinar una resistencia de hoja definida por la cantidad y/o el material en la que está presente la, al menos una, fracción de material de relleno a nanoescala en el revestimiento. Por otro lado, la resistencia de hoja definida también se puede determinar mediante la relación de dos fracciones de carga a nanoescala que están presentes en el recubrimiento.

De acuerdo con otra forma de ejecución, existe una fracción del material de relleno a nanoescala en combinación con una fracción del material de relleno a microescala.

El recubrimiento se puede fabricar aplicando una formulación. En este caso, una mezcla procesable, es decir, preferentemente fluida, de un componente de resina sin curar con un endurecedor, presente bien como dos componentes separados o en un componente, se mezcla con un material de relleno y se aplica en solución a una superficie. Esta formulación después se endurece sobre la superficie, por ejemplo, mediante una reacción térmica y/o iniciada por UV, conformando el revestimiento acabado.

De acuerdo con una forma de ejecución, la matriz de resina está presente como un sistema de 2 componentes de resina y endurecedor. Un sistema de dos componentes soluble en agua es especialmente ventajoso porque en la producción del revestimiento se evitan los disolventes orgánicos, que generalmente se consideran nocivos para el medio ambiente. Los componentes endurecedor y/o resina se pueden procesar en una solución acuosa.

Por lo tanto, es particularmente ventajoso cuando se utiliza un sistema de resina de uno o dos componentes que sea amigable con el medio ambiente, en particular, mediante el uso de disolventes de base acuosa. Por ejemplo, al usar un sistema acuoso de poliuretano-resina acrílica, se pueden lograr aspectos ecológicos de mayor alcance, como la omisión del reciclaje o postcombustión del solvente. Aquí también juega un papel importante la simplificación en la seguridad laboral para el operador y/o el fabricante, como, por ejemplo, un pintor.

Por lo tanto, conforme a la invención, los disolventes a base acuosa son suficientes para producir la formulación que se aplica para la fabricación del revestimiento en al menos una superficie del cuerpo aislante.

En el ámbito profesional y en el sentido de la invención, se considera que un material es eléctricamente conductor cuando la resistencia eléctrica es inferior a 108 üfe (ohmio por cuadrado). Al respecto, un material se considera aislante o no conductor. El revestimiento debería aplicarse al menos en la superficie lateral interna del cuerpo aislante, preferentemente también en las superficies frontales. El revestimiento se aplica de forma especialmente preferente sobre toda la superficie del cuerpo aislante, es decir, no sólo sobre la superficie lateral interior y las caras frontales, sino también sobre la superficie lateral exterior. Con dicho revestimiento, el campo eléctrico del devanado eléctrico se disipa en gran medida en la resina fundida y, por lo tanto, se reduce fuera del devanado a un tamaño que permite reducir la distancia a otros componentes del transformador, como el núcleo o el devanado de baja tensión, lo que permite un diseño constructivo más compacto.

Preferentemente, el revestimiento está compuesto de un material semiconductor. Un material se considera semiconductor en los círculos especializados y en el sentido de la invención cuando su resistencia específica es inferior a los 108 ü/^ y superior a los 101 ü/^ . Debido a que un revestimiento eléctricamente conductor, en particular, uno de toda la superficie, de un devanado representa un devanado en cortocircuito, en el mismo fluirá una corriente eléctrica, lo que genera una pérdida de potencia. Esta pérdida de potencia se puede limitar con un recubrimiento compuesto de un material semiconductor.

Los recubrimientos conductores o semiconductores adecuados se basan en un sistema de resina en el cual se incorpora una carga semiconductora a nanoescala, ventajosamente en una cantidad inferior al 20% en peso y/o inferior al 10% en volumen.

Se ha demostrado que resulta adecuado, por ejemplo, un sistema de resina de dos componentes con un primer componente seleccionado del grupo de las siguientes resinas: sistema de resina epoxi, poliuretano, acrilato, poliimida y/o poliéster, y cualquier mezcla, copolímero y combinación de las resinas antes mencionadas. Como segundo componente se añade a la formulación, por ejemplo, un endurecedor adaptado a la respectiva resina, como amina, anhídrido de ácido, peróxido, poliisocianato, en particular, un poliisocianato alifático. Se usa un componente endurecedor soluble en agua debido a su compatibilidad con el medio ambiente, ya que no hay combustión posterior del solvente y el uso de solventes orgánicos es generalmente desventajoso en términos ecológicos y de sustentabilidad.

La formulación tiene un cierto tiempo de procesamiento durante el cual se aplica a por lo menos una superficie del cuerpo aislante como una formulación no reticulada para el revestimiento. La aplicación se realiza, por ejemplo, mediante pulverización, rociado, brocha, rodillo y/o inmersión. Después del curado, la formulación se reticula y logra estabilidad frente a las influencias ambientales, la radiación solar, el estrés mecánico, etc. La reticulación se refuerza, por ejemplo, mediante calentamiento.

Según una forma de ejecución ventajosa de la invención, el revestimiento es estable a temperaturas de hasta 170° C.

Para lograr una conductividad eléctrica definida, se agrega a la formulación un material de relleno a nanoescala. Este material está presente en la formulación en una cantidad inferior al 20% en peso, preferentemente, inferior al 15% en peso y de forma especialmente preferida inferior al 10% en peso de la masa seca de la formulación o en correspondientes porcentajes de volumen inferiores al 10 % del volumen.

Como material de relleno se utiliza un relleno a nanoescala, que, al menos en una dimensión, presenta una longitud de menos de 500 nm, en particular, menos de 200 nm y de manera particularmente preferida menos de 100 nm. El material de relleno puede comprender todo tipo de formas de partículas de relleno. Por ejemplo, los rellenos globulares se pueden mezclar con rellenos en forma de plaquetas. En el caso de partículas de relleno muy ligeras, que están presentes en combinación o solas en la formulación, el límite de menos del 20 % en peso se toma como el límite superior por el correspondiente porcentaje en volumen, es decir, por ejemplo, aproximadamente el 10% en volumen.

Las partículas de relleno son nanotubos de carbono. En particular, los nanotubos de carbono de paredes múltiples han demostrado ser ventajosos.

Mediante el uso de nanopartículas, es posible que el nivel de llenado de partículas de relleno semiconductoras en la resina se reduzca a cantidades por debajo del 10% en peso cuando se establece una resistencia eléctrica en el rango de 103 üfe a 104 üfe .

Los materiales rellenos en nanopartículas se pueden usar en combinaciones multimodales, es decir, en diferentes tamaños de partículas de relleno y/o formas de partículas de relleno.

El grosor del recubrimiento se encuentra, por ejemplo, en el rango de 1 mm a 5 mm, preferentemente en el rango de 30pm a 500pm, en particular, en el rango de 70pm a 130pm.

Mediante una selección adecuada del material de las partículas de relleno, el tamaño de las partículas de relleno, la forma de las partículas de relleno, la estructura de las partículas de relleno, la distribución del tamaño de las partículas, el tamaño de la superficie específica y/o la actividad superficial del material de relleno, se genera un perfil de propiedades de amplio rango. De acuerdo con la invención, la proporción de material de relleno a nanoescala en el recubrimiento es inferior al 20% en peso, pero este relleno a nanoescala con un tamaño de partícula inferior a 500 nm también se puede complementar, en al menos una dimensión, con material de relleno a microescala con un tamaño de al menos 1 |jm. El material de relleno a microescala en la mezcla de relleno es discrecional; en donde preferentemente se combinan pequeñas cantidades de material de relleno a microescala con material de relleno a nanoescala. Por ejemplo, menos del 50% en peso o un porcentaje de volumen equivalente en el caso de partículas de material de relleno ligeras y a microescala, como partículas huecas, se combinan con material de relleno a nanoescala en la formulación.

De acuerdo con la invención, el revestimiento presenta una resistencia superficial específica, también denominada como resistencia de hoja, de 102 ü/^ a 105 ü/^ , preferentemente de 103 ü E a 104 üE . Esta resistencia superficial presenta el devanado eléctrico en el estado nuevo. Esto puede cambiar como resultado del envejecimiento, las influencias ambientales o la contaminación. Por un lado, una resistencia superficial de esta magnitud limita la pérdida de potencia de forma especialmente efectiva, pero por otro lado, aún ofrece un margen suficiente para una reducción de la resistencia superficial debido a la contaminación.

En una ejecución preferida de la invención, el recubrimiento se aplica mediante un proceso de brocha y/o pulverización. En particular, la aplicación por pulverización asegura, por un lado, un grosor uniforme de la capa y, por otro, evita las inclusiones de aire que darían lugar a descargas parciales.

Se considera ventajoso cuando el revestimiento está conectado a tierra. De este modo, el campo eléctrico en el exterior del devanado se reduce de forma particularmente eficaz.

El revestimiento se puede aplicar a toda la superficie o sólo a partes de la superficie del cuerpo aislante, como ya se ha descrito. El cuerpo aislante está compuesto, por ejemplo, de una resina epoxi; en donde una determinada rugosidad superficial del cuerpo aislante en los lados a recubrir resulta ventajosa para la adherencia del recubrimiento a la superficie.

Para optimizar una distribución homogénea de las partículas del material de carga, se puede añadir a la formulación un aditivo dispersante, por ejemplo, un tensioactivo y/o un aditivo de base iónica.

Mediante un procedimiento de este tipo, se puede fabricar un devanado eléctrico cuyo campo eléctrico esté en gran parte protegido por el recubrimiento y que se use en un transformador seco permitiendo un diseño constructivo más compacto. Preferentemente, el revestimiento consiste en una laca. El revestimiento se puede aplicar mediante pulverización, rociado, brocha, rodillo y/o como revestimiento por inmersión. Múltiples de los métodos mencionados se pueden usarse sucesiva o simultáneamente para aplicar la formulación.

Según una forma de ejecución ventajosa del procedimiento, la superficie del cuerpo aislante se trata antes de aplicar la formulación, asegurando así una buena adherencia de la formulación y después del revestimiento sobre el cuerpo aislante.

Preferentemente, el revestimiento está compuesto de un material semiconductor.

El revestimiento se aplica de forma especialmente preferida en un proceso de pulverización, con el cual se puede conseguir un grosor de capa especialmente uniforme.

A continuación, la presente invención se explica en detalle mediante una figura: La figura 1 muestra un gráfico que representa el envejecimiento de un revestimiento semiconductor según la presente invención durante 150 días a 170°C. Después de una solidificación del revestimiento en los primeros días, se puede observar una retención estable de la resistencia de hoja definida a pesar del almacenamiento a 170°C durante todo el período de observación de al menos medio año.

A continuación, mediante un resumen tabular se explica con más detalle la fabricación de una formulación a modo de ejemplo para fabricar un revestimiento de acuerdo con una forma de ejecución conforme a la invención:

Ejemplo:

En el ejemplo mostrado, se indica una formulación con material de relleno a nanoescala para un recubrimiento de laca de un transformador seco en un diseño constructivo compacto; en donde la combinación de tecnología de pintura respetuosa con el medio ambiente con componentes endurecedores a base de agua y la robustez que, sin embargo, se logra desde un punto de vista mecánico y térmico, tal como se muestra en la figura 1, demuestra la innovación técnica de la formulación que se muestra aquí, especialmente, cuando se usa para transformadores secos.

Claims (16)

REIVINDICACIONES

1. Devanado eléctrico, en particular, devanado de alta tensión para rangos de tensión de hasta 36 kV, para un transformador seco con un conductor de devanado que está enrollado con múltiples vueltas en una bobina; en donde la bobina está integrada en un cuerpo aislante sólido; en donde la bobina y el cuerpo aislante son parte del devanado; en donde al menos una superficie del cuerpo aislante está provista de un revestimiento con una cierta resistencia de hoja en el rango de 102 üfe a 105 üfe , el revestimiento se puede fabricar aplicando una formulación que contiene agua como disolvente y un componente de resina y al menos un material de relleno a nanoescala conductor de electricidad en una cantidad inferior al 20% en peso y/o inferior al 10% en volumen; en donde el material de relleno a nanoescala presenta un tamaño de partícula inferior a los 500nm y comprende nanotubos de carbono, CNT.

2. Devanado eléctrico según la reivindicación 1,

caracterizado porque

el revestimiento cubre completamente la superficie del cuerpo aislante.

3. Devanado eléctrico según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque

el revestimiento es de un material semiconductor.

4. Devanado eléctrico según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque

el recubrimiento está relleno al menos bimodalmente, es decir, en el recubrimiento están presentes al menos dos fracciones de partículas del material de relleno.

5. Devanado eléctrico según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque

la resistencia superficial del recubrimiento alcanza entre 103 ü/^ y 104 üfe .

6. Devanado eléctrico según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque

la formulación para producir el revestimiento se puede aplicar mediante un proceso de pulverización.

7. Devanado eléctrico según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque

el material de relleno a nanoescala comprende nanotubos de carbono de paredes múltiples, "MWCNT”.

8. Devanado eléctrico según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque

el revestimiento está conectado a tierra.

9. Devanado eléctrico según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque

mediante el ajuste de la relación de al menos dos fracciones de partículas de material de relleno en la formulación se puede ajustar la resistencia de hoja definida del recubrimiento.

10. Devanado eléctrico según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque

el grosor del recubrimiento se encuentra entre los 1|jm y 5|jm.

11. Procedimiento para la fabricación de un devanado eléctrico para un transformador seco con los siguientes pasos del procedimiento:

- bobinado de un conductor de devanado en múltiples devanados para conformar una bobina;

- integración de la bobina en un cuerpo aislante sólido, preferentemente mediante fundición con una resina de moldeo y posterior curado del cuerpo aislante;

- fabricación de una formulación para la generación de un recubrimiento con una resistencia de hoja de 102 a 105 ohmfe ;

- aplicación de la formulación para producir el revestimiento sobre al menos una superficie del cuerpo aislante; en donde la formulación se aplica como una solución de base acuosa y el revestimiento comprende un componente de resina así como un material de relleno a nanoescala eléctricamente conductora en una cantidad inferior al 20% en peso y/o inferior al 10% en volumen; en donde el relleno a nanoescala está presente en un tamaño de partícula inferior a los 500 nm e incluye nanotubos de carbono.

12. Procedimiento según la reivindicación 11,

caracterizado porque

el revestimiento se aplica a toda la superficie del cuerpo aislante.

13. Procedimiento según una de las reivindicaciones 11 ó 12,

caracterizado porque

el revestimiento es de un material semiconductor.

14. Procedimiento según una de las reivindicaciones 11 a 13,

caracterizado porque

el revestimiento se fabrica mediante la pulverización de una formulación y el posterior curado.

15. Procedimiento según una de las reivindicaciones 11 a 14,

caracterizado porque

la formulación se aplica mediante pintura, pulverización, brocha, rodillo y/o recubrimiento por inmersión.

16. Procedimiento según una de las reivindicaciones 11 a 15,

caracterizado porque

el material de relleno a nanoescala comprende nanotubos de carbono de paredes múltiples, "MWCNT”.