ANÁLISIS TÉCNICO DEL LÍQUIDO CONTENIDO COMO REFRIGERANTE Y AISLANTE EN TRANSFORMADORES

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ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”

INGENIERÍA ELÉCTRICA

“

ANÁLISIS TÉCNICO DEL LÍQUIDO CONTENIDO

COMO REFRIGERANTE Y AISLANTE EN

TRANSFORMADORES

”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTAN:

JORGE LUIS CEBALLOS SÁNCHEZ

ERNESTO GARCÍA MALDONADO

ASESOR TÉCNICO

ING. RÚBEN DE JESÚS NAVARRO BUSTOS

ASESOR METODOLÓGICO

M en C. CARLOS TEJADA MARTÍNEZ

Agradecimientos especiales

Por el apoyo recibido por parte de Laboratorios Pesados II del

Departamento de Ingeniería Eléctrica de la ESIME

Zacatenco por facilitar el préstamo del equipo e instrumentación

necesarios para llevar a cabo las pruebas correspondientes de este

trabajo de titulación.

Además de la amabilidad y completo concepto de ética profesional de

la Coordinadora del Laboratorio de Fenómenos de Transporte de

la ESIQIE la Doctora Karla Edith Campos Díaz,

pues sin su apoyo y colaboración, este trabajo no hubiera llegado a su

culminación.

Gracias es moduce; empiezo con esta frase significativa en mi religión ya

que me da la fuerza de voluntad y entrega con la que me he dedicada estos

años de formación escolar para lograr ser una persona de bien y capaz de

afrontar retos de cualquier índole.

Sin la ayuda de bien querida madre Margarita Maldonado Velázquez

y mis tíos Padrinos Leonor Maldonado Velázquez y Marcelino

Ibarra Aguirre, que siempre estuvieron, están y estarán, hasta que el

tiempo lo decida, cuidando de mi tanto como hijo y sobrino.

Me falta espacio pera las palabras son infinitas para agradecer a mis

demás familiares, amistades a lo largo de mi vida personal y escolar, y

profesores que han sido parte de mis estudios tanto adentro como afuera de

mi casa de estudios superiores. Sin olvidar a los asesores Ing. Rubén

Navarro Bustos y M. en C. Carlos Tejada Martínez ya que sin

ellos este trabajo no sería posible. También a la Dra. Karla Edith

Campos Díaz que ayudo a realizar dos de las tres pruebas para

culminar este trabajo.

Y sobre todo a mi compañero de trabajo Jorge Luis Ceballos Sánchez.

De toda alma y sinceridad

Análisis técnico del aceite mineral y vegetal contenido como refrigerante y aislante en transformadores

i RESUMEN

En el presente trabajo se muestra un análisis técnico de las propiedades físico-químicas de los aceites que se tienen en uso en los transformadores eléctricos.

Estas propiedades son de relevancia ya que cada una de estas dictamina la vida útil en las partes internas de un transformador. Si se tiene la seguridad de que esta máquina cuenta con un buen sistema de aislamiento y un fluido dieléctrico adecuado, la maquina funcionará con un mínimo de pérdidas, por causa a las pérdidas por histéresis y por corrientes de Foucault, y con un máximo aprovechamiento de la energía eléctrica.

Existen leyes, reglamentos y normatividades mexicanas para regular los parámetros mínimos requeridos por la ley para considerar o clasificar un líquido dieléctrico como bueno o malo, según sus características. Para lo cual, en este estudio también se lleva a cabo un estudio normativo sobre las diferentes pruebas a las que se debe someter a este aceite y, así, considerarlo idóneo para el uso en transformadores.

Estas también en su momento prohibieron el uso de ciertas categorías de estos fluidos, es por eso que se debe tener especial consideración en estas restricciones, ya que se consideran peligrosos para el medio ambiente y nocivos para los operadores que mantengan contacto directo con estos líquidos.

Actualmente los avances tecnológicos, dejan ver propuestas ecológicas sobre utilizar fluidos que sean amigables con el ambiente y que son totalmente inofensivos en caso de algún accidente que pueda repercutir en la operación o seguridad del equipo y personal operador de este.

ii ÍNDICE

Resumen……….………..i

Índice……….…………..ii

Índice de figuras………..v

Índice de tablas……….………..vi

Glosario de términos………viii

Introducción………...x

Justificación………..……….xi Objetivos………...………xii Capítulo I Consideraciones teóricas, principio de funcionamiento y enfriamiento del Transformador 1.1 Equipo eléctrico que utiliza fluidos para su refrigeración y/o aislamiento…...…2

1.1.1 Transformador……….………...………..….2

1.1.2 Principio de funcionamiento del transformador………...………..…...3

1.1.3 Transformadores trifásicos………..………...…...5

1.2 Partes constructivas del transformador………..………..……...…….6

1.2.1 Tanque………..………...………...6

1.2.2 Núcleo………...………...………..…7

1.2.3 Devanados………..………...………7

1.2.4 Aislamientos………..………...………8

1.3 Enfriamiento o Refrigeración………..………...10

1.3.1 Refrigeración natural o por aire………..……….10

1.3.2 Refrigeración por corriente de aire o ventilador……..………...11

1.3.3 Refrigeración por aceite………..………....11

1.4 Circulación del aceite………..………..…….12

1.4.1 Temperatura efectiva del aceite………..………...13

1.5 Dieléctrico liquido en un transformador………...……...13

1.5.1 Transformadores aislados con aceite……….………..14

1.5.2 Transformadores aislados con Askarel………..………..14

Capítulo II Características de los líquidos aislantes 2.1 Antecedentes históricos de los aceites………...………...…...16

2.1.1 Líquidos contenidos como refrigerante y aislante en el transformador…….18

2.1.2 Bifenilos Policlorados (BPC’s)………...………..…...18

Análisis técnico del aceite mineral y vegetal contenido como refrigerante y aislante en transformadores

iii

2.3 Silicona Líquida….………..………..…………...……...22

2.4 Hidrocarburo modificado RTEmp………..…...24

2.5 Aceites minerales………...…25

2.5.1 Propiedades dieléctricas en Aceites Minerales………..….27

2.5.2 Resistencia dieléctrica de Aceites minerales………...…27

Capítulo III Aspectos Legales y Normativos 3.1 Historia de los Aspectos Legales………...29

3.1.1 México y el marco legal………...………..…...29

3.1.2 Problemáticas Ambientales en el Mundo...……….………31

3.2 Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección al Ambiente………..32

3.2.1 Uso de la Normatividad Aplicable en el Manejo de Equipo………...38

contaminado con BPC’s 3.3 NOM-133-ECOL-2000 (norma oficial mexicana, protección ambiental………..38

Bifenilos policlorados (BPC’s)-especificaciones de manejo) 3.4 NMX-J-628-ANCE-2010 “TRANSFORMADORES-LÍQUIDOS………...…44

AISLANTES-ÉSTERES NATURALES” Capítulo IV Pruebas demostrativas al aceite mineral y vegetal

4.1.1 Ésteres Sintéticos………...54

4.1.2 Ésteres naturales………55

4.2 Aceite Vegetal………...55

4.3 Comparativa de las propiedades de aceite vegetal vs aceite mineral………..56

4.4 Métodos de prueba……….59

4.4.1 Tensión de ruptura dieléctrica……….59

4.4.2 Densidad de un aceite………..62

4.4.3 Viscosidad de un aceite………...65

4.4.4 Contenido de Bifenilos Policlorados………...68

Capítulo V Análisis de resultados y conclusiones 5.1 Análisis de la rigidez dieléctrica………73

5.1.1 Comparación de valores de ruptura………73

iv

5.2 Análisis de la densidad………..74

5.3 Análisis de viscosidad………....74

5.3.1 Aceite vegetal como mejor propuesta de aislamiento………..75

5.3.2 Concordancia con la norma nmx-j-628-ance-2010………...…..75

5.4 Conclusiones y recomendaciones………..76

Referencias………...….80

Análisis técnico del aceite mineral y vegetal contenido como refrigerante y aislante en transformadores

v ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 Diagrama ideal de un Transformador………..3

Figura 1.2 Transformador Monofásico con carga en el secundario………...…….…….4

Figura 1.3 Banco de tres Transformadores Monofásicos……….………..……….5

Figura 1.4 Núcleo de un Transformador Trifásico...………...….6

Figura 1.5 Laminaciones tipo “U” y tipo “T” para armado del núcleo…………...…….7

Figura 1.6 Papel KRAFT y Cintas de Lino…….……….9

Figura 1.7 Transformadores enfriados por corriente de aire o tipo seco……….……...10

Figura 1.8 Transformador refrigerado con la ayuda de ventiladores………..…11

Figura 1.9 Típico Transformador refrigerado con aceite………12

Figura 1.10 Ciclo del aceite en un Transformador…………..………..12

Figura 1.11 Diferentes tonalidades de color según el refinamiento de……….13

dieléctricos líquidos Figura 2.1 Tipos de construcciones que se requieren para posible……….17

derramamiento de aceite de transformadores instalados en interiores Figura 3.1 Etiqueta de identificación de equipos contaminados con BPC’s…………..42

Figura 4.1 Equipo de prueba para medir rigidez dieléctrica de aceites………...57

Figura 4.2 Tipos de electrodos para realizar la prueba………58

Figura 4.3 Cuba para depositar el aceite en el equipo de prueba……….60

Figura 4.4 Probeta con aceite en su interior con densímetro depositado dentro………63

vi ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1.1 Clases de aislamiento para devanados……..……….……….8

Tabla 2.1 Nivel de reproducción de los chimpancés que se les suministró………….16

alimento contaminado con Askarel Tabla 2.2 Características físicas de líquidos aislantes…...………..26

Tabla 2.3 Porcentaje de gas soluble en Aceite Mineral para transformador………...26

Tabla 2.4 Tensiones de ruptura de los aceites según su clasificación………...…27

Tabla 3.1 Límites máximos permisibles para emisiones al medio………...43

ambiente de BPC’s en tratamientos térmicos, químicos y biológicos. Tabla 3.2 Límites máximos de contaminación……….44

Tabla 3.3 Especificaciones de líquidos aislantes nuevos a base de ésteres naturales…45 Tabla 3.4 Especificaciones químicas de líquidos a base de ésteres naturales………...46

Tabla 3.5 Especificaciones para líquidos aislantes a base de ésteres naturales……….47

que proviene de equipos cuya clase de aislamiento sea menor o igual que 69 kV Tabla 3.6 Especificaciones para líquidos aislantes a base de ésteres naturales………49

que provienen de equipos cuya clase de aislamiento sea mayor que 69 kV y menor que 230 kV Tabla 3.7 Especificaciones para líquidos aislantes a base de ésteres………50

naturales que provienen de equipos sin energizar con clase de aislamiento mayor o igual que 230 kV y menor que 345 kV Tabla 3.8 Especificaciones para líquidos aislantes a base de ésteres………...52

naturales que provienen de equipos en servicio. Tabla 4.1 Formulas químicas y aromas particulares de algunos esteres………..……54

Tabla 4.2 Perfiles típicos de ácidos grasos en porciento de 3 semillas……….56

Tabla 4.3 Tipos de expresiones de las viscosidades……….58

Análisis técnico del aceite mineral y vegetal contenido como refrigerante y aislante en transformadores

vii

Tabla 4.5 Tensión de ruptura dieléctrica del aceite vegetal………...62

Tabla 4.6 Lecturas obtenidas con el densímetro para el aceite mineral………...64

Tabla 4.7 Lecturas obtenidas con el densímetro para el aceite vegetal………64

Tabla 4.8 Viscosidades de los dos tipos de aceites estudiados…….………67

Tabla 4.9 Viscosidades de los dos tipos de aceites estudiados sin corregir…………..67

Tabla 4.10 Viscosidades de los dos tipos de aceites estudiados corregida………….…68

Tabla 4.11 Resultados comparativos del contenido de Bifenilos Policlorados………...71

Tabla 5.1 Temperatura máxima de incendio en los aceites………..73

Tabla 5.2 Comparativa entre las viscosidades de las dos clases de aceites…………...75

viii PARA LA CORRECTA INTERPRETACIÓN, COMPRENSIÓN Y VALORACIÓN DE ESTE DOCUMENTO, SE ENTIENDE POR

Φ.- Flujo magnético o corriente magnetizante.

Tan δ.- Conductividad en Corriente Alterna.

Aditivo.- Compuesto de origen químico que es adicionado a fluidos aislantes para el propósito de adquirir nuevas propiedades físicas y químicas.

Askarel.- Aceite mineral que es introducido al mercado en 1929 ganando rápida aceptación por tener excelentes cualidades como dieléctrico, liquido enfriador y no tener punto de ignición. En su composición química, se encuentra la presencia de BPC’s.

Bifenilos policlorados (BPC’s).- Compuestos químicos que comprenden la molécula de bifenilo clorada de composición química C12H10 – Cln, cuyas propiedades dependen de la cantidad y posición de los átomos de cloro en la molécula.

Bis.- En un texto o escrito, indica que lo que precede está repetido o debe repetirse.

Bobina (devanado).- Arrollamiento en espiras de un material conductor sobre un núcleo construido de material ferromagnético.

Código Nacional Eléctrico de E.U.A.- Organismo internacional que busca proteger a las personas y su propiedad de los peligros emergentes del uso de la electricidad.

Densidad.- Volumen del fluido en masa por unidad, expresado en 3 /

kg dm



Dieléctrico.- Sustancia con la fundamental propiedad electromagnética de polarizarse en un campo eléctrico.

Distribución.- Se refiere en términos eléctricos a las zonas de consumo de la energía eléctrica, en donde se divide o secciona el suministro en diferentes tipos de carga.

Fluido.- Sustancias cuyas moléculas presentan gran movilidad y se desplazan libremente debido a la poca cohesión existente entre estas moléculas. Estos tienen consistencia blanda y se adaptan con facilidad a la forma del recipiente que los contiene.

Generación.- Transformación de la energía eléctrica por medio del movimiento de un generador eléctrico.

Análisis técnico del aceite mineral y vegetal contenido como refrigerante y aislante en transformadores

ix Ley.- Norma jurídica dictada por el legislador, es decir, un precepto establecido por la autoridad competente, en que se manda o prohíbe algo en consonancia con la justicia. Su incumplimiento trae aparejada una sanción.

Material peligroso.- Elementos, substancias, compuestos, residuos o mezclas de ellos que, independientemente de su estado físico, represente un riesgo para el ambiente, la salud o los recursos naturales, por sus características corrosivas, reactivas, explosivas, tóxicas,

inflamables o biológico-infecciosas.

N1,2.- Número de espiras en el devanado de alta y baja tensión, respectivamente, de un transformador.

NMX.- Normas Mexicanas. Opcionales o de recomendación en procedimientos pero en caso de ser parte de una norma NOM, se cambian al uso obligatorio.

Normatividad Mexicana.- Serie de normas cuyo objetivo es asegurar valores, cantidades y características mínimas o máximas en el diseño, producción o servicio de los bienes de consumo entre personas morales y/o personas físicas, sobre todo los de uso extenso y de fácil adquisición por parte del público en general, poniendo atención en especial en el público no especializado en la materia.

NOM.- Normas Oficiales Mexicanas. De carácter obligatorio.

Ppm.- Es la abreviatura de partes por millón y es la unidad de medida con la que se evalúa la concentración. Se refiere a la cantidad de unidades de la sustancia (agente, etc.) que hay por cada millón de unidades del conjunto.

Residuo.- Cualquier material generado en los procesos de extracción, beneficio,

transformación, producción, consumo, utilización, control o tratamiento cuya calidad no permita usarlo nuevamente en el proceso que lo generó.

Residuos peligrosos.- Todos aquellos residuos, en cualquier estado físico, que por sus características corrosivas, reactivas, explosivas, tóxicas, inflamables o biológico-infecciosas, representen un peligro para el equilibrio ecológico o el ambiente.

Secretaría.- Sección administrativa adjunta a un jefe de administración o de empresa, cuya función es la de descongestionar a la dirección de las operaciones de carácter más usual, sin poder tomar decisiones.

Transmisión.- Transporte de la energía eléctrica desde el punto de generación hasta los puntos de consumo.

x INTRODUCCIÓN

Hoy en día, se ha descubierto evidencia de que en el medio ambiente existen demasiados daños ecológicos que se han debido a procesos industriales inadecuados, y sistemas de comercialización altamente contaminantes.

Los equipos eléctricos durante su funcionamiento, operación, instalación y mantenimiento pueden afectar a los ecosistemas donde se desarrollan tanto seres humanos como animales. Esto es un problema en todo el territorio nacional, ya que en cualquier parte se pueden encontrar diversas formas de contaminación como lo son la visual, atmosférica, el ruido, etcétera.

Se debe hacer notar que en la fabricación y diseño de equipo eléctrico, algunos de los principales problemas a resolver son: el cómo disminuir los efectos nocivos de la temperatura a que se someten los equipos eléctricos, el uso de líquidos o gases que conforme a las cualidades de estos, proporcionen el nivel de aislamiento requerido por el diseño, la construcción y condiciones de operación.

Uno de los principales equipos con los que se cuenta para la transmisión y distribución de la energía eléctrica en una red eléctrica, es el transformador. Esta máquina estática tiene la necesidad de refrigerarse y aislar eléctricamente sus devanados, para esto, se han destinado diversos líquidos que poseen características que perjudican desde la salud humana hasta la propia fertilidad del suelo.

Durante la evolución y desarrollo técnico y tecnológico de estos líquidos, se han creado aceites sintéticos (minerales) que no son amigables al medio ambiente y a su vez no son biodegradables. Inclusive los efectos de estos aceites, tengan repercusión en generaciones futuras.

Análisis técnico del aceite mineral y vegetal contenido como refrigerante y aislante en transformadores

xi JUSTIFICACIÓN

Diversos estudios han arrojado evidencia de que en el diseño y fabricación de equipo eléctrico que en su funcionamiento utilizaba aceite mineral como aislante y/o refrigerante, que han contenido compuestos altamente peligrosos para la integridad física e inmensamente agresivos con el medio ambiente, razón por la cual se requiere hacer un estudio técnico que determine la necesidad de cambiar estos compuestos por los que garanticen respeto estricto al medio ambiente.

Este estudio tendrá la finalidad de demostrar que usar aceites de tipo vegetal es más conveniente para el medio ambiente y para características de funcionamiento en el diferente equipo eléctrico que se utiliza para transmisión, protección, distribución, etcétera.

Existen ciertas limitantes, que reflejadas en lo que se busca realizar, tienen relevancia significativa, como son la disponibilidad del aceite vegetal y el tiempo disponible para la realización del estudio.

xii OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Aplicar, auxiliados de las normatividad aplicable, un estudio técnico que corrobore la autentificación y reconocimiento de que las propiedades eléctricas, físico-químicas y costos unitarios del aceite vegetal siendo favorables para observar mejoras en la vida y funcionamiento a largo y mediano plazo en equipo eléctrico.

OBJETIVOS PARTICULARES

 Reconocer las propiedades físico-químicas y técnicas de los aceites que han y están siendo utilizados como refrigerantes y/o aislantes en equipo eléctrico.

 Elaborar un estudio normativo y físico del comportamiento de los aceites vegetales utilizados como aislantes y/o refrigerantes según lo describe la norma NMX-J-628-ANCE-2010.

CAPÍTULO

I

CONSIDERACIONES TEÓRICAS,

PRINCIPIO DE

FUNCIONAMIENTO Y

ENFRIAMIENTO DEL

TRANSFORMADOR

En este capítulo se describen los diferentes antecedentes e información que se tiene acerca del transformador eléctrico y sus principales características de funcionamiento y componentes de construcción.

El transformador eléctrico es una máquina de vital importancia, ya que de su correcta operación depende que el sistema eléctrico se encuentre en condiciones óptimas de trabajo.

Página 2

1.1 EQUIPO ELECTRICO QUE UTILIZA FLUIDOS PARA SU

REFRIGERACIÓN Y/O AISLAMIENTO

Se define como equipo eléctrico a toda aquella máquina eléctrica estática o rotativa, accesorio o componente que ayude a la generación, transformación, transmisión, distribución y utilización de la energía eléctrica. Dentro de esta categoría entran dispositivos como el transformador, los capacitores, interruptores en alto y bajo volumen de aceite y balastros de lámparas. Estos equipos para su operación requieren alimentarse de una diferencia de potencial.

Estos equipos eléctricos para su enfriamiento o aislamiento utilizan fluidos, los cuales poseen características bastante interesantes en cuanto a su composición físico-química.

1.1.1 TRANSFORMADOR

Es uno de los elementos de más importancia en el proceso de transmisión y distribución de la energía eléctrica, está clasificado en la categoría de las máquinas ya que transforma la energía pero, de igual manera, se clasifica como aparato estático debido a la falta de movimiento que caracteriza a esta máquina; aunque debido al movimiento del aceite en el interior del tanque existe la posibilidad de que se le nombre como máquina no estática.

El transformador es un equipo de componentes eléctricos y magnéticos que cambia la energía eléctrica de un nivel de tensión y de corriente a otro mediante un campo magnético.

Este dispositivo está conformado por dos o más bobinas de alambre conductor enrolladas en un núcleo ferromagnético comúnmente construido de acero al silicio de grano orientado. Las bobinas están aisladas eléctricamente una de la otra, pero conectadas por medio de un flujo magnético.

Una de las bobinas (devanados), se conecta a una fuente de tensión y la otra bobina es la encargada de suministrar la energía eléctrica hacia las cargas que se desean alimentar, obviamente después de realizar el proceso de transformación del potencial de la energía. [1]

Capítulo 1. Análisis técnico del líquido contenido como refrigerante y aislante en transformadores.

Página 3 En la figura 1.1 se demuestra las partes básicas de un transformador siendo este ideal y monofásico.

Figura 1.1 Diagrama ideal de un transformador.

1.1.2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL TRANSFORMADOR

El efecto que permite al transformador funcionar, se le conoce como inducción electromagnética. Este efecto solo está presente en circuitos de corriente alterna.

Hay que considerar la siguiente figura 1.2, para explicar el fenómeno. Un transformador está constituido por una parte eléctrica y una parte magnética.

Página 4

Figura 1.2 Transformador monofásico con carga en el secundario.

Al aplicar una tensión alterna (V1) al devanado primario, circula por este una corriente (i1) que genera un flujo magnético alterno. Este flujo viaja a través del núcleo enlazando al devanado secundario e induciéndole una tensión (V2) que conectando una carga en el lado del secundario siendo esta resistiva, inductiva, capacitiva o una combinación de las anteriores que demanda una corriente (i2). [2]

La tensión inducida guarda una relación directa con el número de vueltas de los devanados. A esta relación existente entre las vueltas del primario y del secundario, se le conoce como relación de transformación del transformador.

Debido a estos flujos alternantes producidos por la corriente alterna, se producen corrientes que calientan al hierro o al acero del núcleo del transformador y al material del conductor de las bobinas. Este calor representa pérdidas que se dividen en dos formas, es decir, pérdidas en vacío y pérdidas con carga.

Las pérdidas en vacío se producen cuando las terminales del lado secundario están abiertas o sin carga, a esto se le conoce con el nombre de PERDIDA TOTAL EN EL NÚCLEO. La cual es producto de la suma de las corrientes de Foucault (corrientes parásitas) y pérdidas por histéresis.

Las corrientes parásitas son originadas por el efecto Joule, el cual calienta el material del núcleo del transformador, estas son producidas por fuerzas electromotrices inducidas por flujos magnéticos variables.

Capítulo 1. Análisis técnico del líquido contenido como refrigerante y aislante en transformadores.

Página 5 Hay que recordar que la histéresis, la cual es recíproca a las pérdidas por histéresis, es el resultado de la propiedad del material a conservar su imanación o la de oponerse a una variación del estado magnético.[2][3]

De lo anterior, obsérvese que la PERDIDA TOTAL DEL NÚCLEO genera calor por lo que se recae en la importancia que debe de tener un sistema de refrigeración en los transformadores. En títulos posteriores de este capítulo se mencionara brevemente los diferentes tipos de eliminación o reducción de calor.

1.1.3 TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS

Todos los sistemas de generación, transmisión y distribución, son sistemas de corriente alterna y están constituidos por tres fases, denominándose así sistemas trifásicos. Dado que los sistemas trifásicos son esenciales en la vida moderna, es necesaria la comprensión del transformador trifásico en el funcionamiento de un sistema.

Los transformadores para estos sistemas, se construyen de dos maneras distintas. Una consiste en tomar tres transformadores monofásicos que poseen su lado de alta y baja tensión, conectados sobre núcleos individuales y que se conectan en un banco trifásico como el de la figura 1.3.

Otra posibilidad, es la construcción de un transformador trifásico que conste de tres devanados sobre un núcleo común y que poseen el lado de alta y baja tensión sobre la misma sección del núcleo. Cada una de estas secciones aloja una fase del transformador como el descrito en la figura 1.4.

Página 6

Figura 1.4 Núcleo de un transformador trifásico. [1]

1.2 PARTES CONSTRUCTIVAS DEL TRANSFORMADOR

En la sección anterior se habló acerca de la teoría fundamental del transformador, en esta sección toca el turno de hacer mención a las partes que integran un transformador trifásico, está construido de diversas partes cada una con características especiales y específicas. A continuación se hará una descripción breve de algunas de estas partes.

1.2.1 TANQUE

Corresponde a la parte metálica del transformador que contiene el núcleo y el aceite aislante. También se le conoce como carcaza, se construye de distintas formas dependiendo de la potencia del transformador.

Cuando la potencia del transformador es del orden de los 15 kVA, se tienen un tanque en forma de ovalo siendo el principal medio de transferencia de calor hacia el medio exterior; para tensiones por arriba del valor previo mencionado es necesario el uso de radiadores con una área total de transferencia de calor conforme a la potencia.

Capítulo 1. Análisis técnico del líquido contenido como refrigerante y aislante en transformadores.

Página 7 Debido a que el tanque está propicio a la corrosión, en especial en áreas cercanas al mar, se deben de aplicar revestimientos de acabados anticorrosivos para evitar que el tanque se fisure evitando así que no se fugue el aceite contenido.

1.2.2 NÚCLEO

Esta construido por placas de acero al silicio con grano orientado, con un 5% de silicio, cuya función es aumentar el flujo de la inducción electromagnética y al mismo tiempo aumentar la resistencia del acero haciendo que las corrientes parásitas disminuyan.

Estas placas son laminadas en frio seguidas de un tratamiento térmico que permite a los granos magnéticos la orientación en sentido de la laminación. A su vez, se cubren por una capa delgada de material aislante para reducir las pérdidas por histéresis, siendo fabricadas dentro de los límites máximos de pérdidas electromagnéticas para una frecuencia de operación de 60 Hz nominal.

Las dimensiones del núcleo magnético deben de ser equilibradas con respecto al número de espiras en las bobinas con las dimensiones del núcleo de fierro, es decir, si se utilizan bobinas de pocas espiras, se debe de emplear un núcleo magnético de grandes dimensiones; en caso contrario si las bobinas son de muchas espiras el núcleo de acero debe de reducir sus dimensiones. [3]

Figura 1.5 Laminaciones tipo “U” y tipo “T” para armado del núcleo. [4]

1.2.3 DEVANADOS

Página 8 En la siguiente tabla 1.1 se muestran las diversas clases de aislamientos para devanados en transformadores:

Tabla 1.1 Clases de aislamiento para devanados. [3]

Clase Temperatura límite

A 105° C

E 120° C

B 130° C

F 155° C

H 180 ° C

En el caso del uso en un transformador, los devanados de alta tensión se construyen en discos o en bobinas de una sola pieza, este tipo de devanado se construye en diferentes partes o secciones y cada una con un diferente gradiente de tensión. Las especificaciones de construcción difieren en la mayoría de empresas dedicadas a la fabricación de equipo eléctrico. [4]

Esta clase de devanado permite la fácil manutención del transformador en el caso de existir una falla en el devanado, simplemente se cambia la parte dañada por una nueva. Caso contrario en el uso de una única bobina, ya que al presentarse una falla o alguna avería se debe de cambiar por completa dicha bobina, encareciendo el mantenimiento. En la mayoría de ocasiones los devanados secundarios son de bobina única.

1.2.4 AISLAMIENTOS

En el transformador, los sistemas de aislamiento, están formados por un fluido, siendo un líquido o un gas, en conjunto con un sólido.

Capítulo 1. Análisis técnico del líquido contenido como refrigerante y aislante en transformadores.

Página 9

a) b) Figura 1.6 a) Papel KRAFT; b) Cintas de lino. [5], [6]

Algunas características que poseen estos materiales son:

Capacidad para soportar tensiones elevadas (esfuerzos dieléctricos). Incluyendo transitorios de operación y ondas de impulso.

Soportar esfuerzos mecánicos y térmicos que provocan circuitoscortos. Prevenir excesivas acumulaciones de calor (transferencia de calor)

Mantener las características establecidas para un lapso de vida en servicio aceptable con un mantenimiento propio.

Sistema líquido.- Solamente está conformado por el aceite dieléctrico.

Las principales características de este son:

Tener una rigidez dieléctrica normalizada y confiable, conforme a lo que indique la norma para el tipo de líquido aislante.

Poseer un enfriamiento eficiente y de alta calidad.

Protege a todo el demás sistema aislante que esta internamente en el tanque del transformador, sumergido en aceite.

El aislamiento puede dividirse en dos grupos, dentro del conjunto del núcleo y el embobinado, que son: el principal y el secundario. El aislamiento principal separa los devanados de alta y de baja tensión. El aislamiento secundario se usa para dividir las partes de la bobinas o, en su caso, los devanados individuales.

Página 10

1.3 ENFRIAMIENTO O REFRIGERACIÓN

La eliminación de calor existente en el transformador causada por las pérdidas o por la transformación de tensión y corriente eléctrica, es de vital importancia para preservar la vida útil del aislamiento, es decir la transferencia de calor del hierro y el material conductor de cobre o aluminio en su caso.

La transferencia de calor, se lleva a cabo por medio de las siguientes maneras:

Convección natural del aceite o del aire. Convección forzada del aceite o del aire. Transferencia del calor del aceite al agua.

Para incrementar la superficie de radiación, en la mayoría de los casos, el tanque se construye con paredes lisas o corrugadas.

Cuando se utiliza una refrigeración por convección natural o por radiación de calor al medio, son las mejores opciones para mantener la temperatura de funcionamiento en los límites máximos soportados por el aislante sin afectar la vida útil de este.

1.3.1 REFRIGERACIÓN NATURAL O POR AIRE

Debido a que se debe de minimizar el peligro de incendios en ciertas instalaciones, no es de gran utilidad el uso de transformadores sumergidos en aceite. Principalmente, cuando se les va a instalar o están propiamente instalados en el interior de edificios.

Para estos casos se adaptan para que circule aire por convección; aunque sus dimensiones son semejantes a los transformadores de la misma potencia que están refrigerados con aceite. [7]

En la siguiente figura se muestran varios tipos de transformadores con este sistema de enfriamiento.

Capítulo 1. Análisis técnico del líquido contenido como refrigerante y aislante en transformadores.

Página 11

1.3.2 REFRIGERACIÓN POR CORRIENTE DE AIRE O VENTILADOR

Cuando se requiere manejar corrientes de carga superiores que la demanda normal en horas pico o periodos de emergencia, sin sobrepasar los límites de la temperatura en los devanados y el aceite, al transformador se equipa con ventiladores externos para aumentar la disipación del calor en los radiadores, además en algunas ocasiones se utilizan bombas internas haciendo circular el aceite por los radiadores.

Permitiendo una mayor disipación de calor y para la operación dentro de los regímenes de potencia más altos que la suministrada en comparación con un transformador enfriado al natural.

Figura 1.8 Transformador refrigerado con la ayuda de ventiladores. [8]

Con los ventiladores actuando sobre los radiadores, es posible usar cualquiera de los siguientes métodos de refrigeración.

OA/FA.- Autoenfriado, y enfriado por aire forzado.

OA/FA/FOA.- Autoenfriado, enfriado por aire forzado y por aceite forzado. FOA.- Enfriado con aceite forzado y enfriadores con aire forzado.

1.3.3 REFRIGERACIÓN POR ACEITE

Página 12 Este aceite, deberá proporcionar una gran rigidez dieléctrica, viscosidad baja, punto de congelación bajo y, a la vez, un punto de ignición elevado, para poder evitar incendios en el caso de ocurrir una falla, estar exento de ácidos corrosivos, alcalinos y azufres, no oxidarse ni presentar barros con la presencia de cantidades bajas de humedad o de cualquier tipo de partículas suspendidas que afectan a la rigidez dieléctrica del aceite.

Figura 1.9 Típico transformador refrigerado con aceite. [9]

1.4 CIRCULACIÓN DEL ACEITE

El aceite fluye hacia la parte superior del transformador entre los canales de los devanados y del núcleo, elevando su temperatura en el proceso de su operación. Una vez que se encuentra en la parte superior del tanque, empieza a bajar por los radiadores, bajando así su temperatura, en la siguiente figura se ilustra este proceso. [7]

Capítulo 1. Análisis técnico del líquido contenido como refrigerante y aislante en transformadores.

Página 13 A este proceso se le conoce con el nombre del ciclo del aceite; de aquí surge la idea que el transformador también está dentro de las maquinas en movimiento, por esta acción.

1.4.1 TEMPERATURA EFECTIVA DEL ACEITE

Se le denomina a la temperatura uniforme equivalente con igualdad en la capacidad para poder disipar el calor al aire. Esta temperatura es casi próxima al promedio del aceite entrante en la parte superior del radiador y al que sale por el fondo del mismo. Quedando así que, la temperatura del aceite se asemeja con la propia temperatura del radiador expuesto al aire.

Los radiadores, generalmente, tienen tubos en paralelo próximos que radian calor los unos a los otros.

1.5 DIELÉCTRICO LÍQUIDO EN UN TRANSFORMADOR

El aceite utilizado en los transformadores proviene de las destilaciones del petróleo en bruto sin alterar el tratamiento, debido a este proceso se le ha llamado aceite mineral. Se emplea tanto como medio aislante como refrigerante.[2]

Para una adecuada conducción del calor la viscosidad tiene que ser baja, ya que si esta no se controla existe un incremento en la viscosidad cinemática afectando la velocidad de movimiento en los interruptores, cambiador de derivaciones en los transformadores, bombas y reguladores. En caso de tener una viscosidad alta, afecta el arranque del equipo en condiciones de clima frio.

La viscosidad regula los procesos tales como la deshidratación, desgasificación y filtración de los aceites.

Página 14

1.5.1 TRANSFORMADORES AISLADOS EN ACEITE

El aceite mineral, debido al bajo costo, la alta resistencia dieléctrica, características esenciales para la transferencia del calor y la capacidad de recuperación después de un sobre esfuerzo dieléctrico, se considera como el material aislante por excelencia para transformadores.

Debido a que la constante dieléctrica del aceite es de 2.2 y la del sólido (pressboard, el papel crepé, papel kraft, etc.) es de 4.0, el esfuerzo dieléctrico del aceite es más alto en comparación con la de los materiales antes mencionados. Lo que influye en el diseño de la estructura limitándola al esfuerzo del aceite.

Con el uso del aislamiento directamente sobre el conductor, impide o reduce, la formación de descargas dañinas en el aceite, además, se incrementa la resistencia de la estructura.

Al utilizar una envoltura de papel grueso en las terminales del devanado, el aislamiento se utiliza para reducir los esfuerzos en el aceite al hacer mover la interfaz de la superficie del conductor, aquí el esfuerzo es elevado, a una distancia determinada del conductor, por lo regular alejada, teniendo un esfuerzo menor. De igual manera, como en los puntos anteriores, el esfuerzo en el aceite determina la cantidad de papel necesario, al igual que las condiciones térmicas establecen el tamaño mínimo del conductor para un aislamiento adecuado.

1.5.2 TRANSFORMADORES AISLADOS CON ASKAREL

La construcción de este tipo de transformador es similar a los transformadores aislados con aceite. Debido a que el askarel posee una elevada constante dieléctrica, permite que la transferencia del esfuerzo dieléctrico hacia los elementos sólidos sea más fácil.

CAPÍTULO

II

CARACTERÍSTICAS DE LOS

LÍQUIDOS AISLANTES

Se tienen diferentes alternativas para la refrigeración y aislamiento del equipo eléctrico y la existencia de diferentes procedimientos a realizar para garantizar la seguridad del personal y los equipos.

En este capítulo se describen las diversas propiedades y perfiles que poseen cada uno de los líquidos que sirven como aislantes en transformadores.

Algunas de sus principales características en su uso son: eléctricas, químicas, físicas, etc., las cuales son determinantes para su adecuado funcionamiento en los equipos que lo contienen.

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2.1 ANTECEDENTES HISTORICOS DE LOS ACEITES

A partir de incidente que se tuvo en Japón en el año de 1968, donde existió una contaminación del aceite comestible de arroz con Askarel y que al consumirlo, trajo a las personas que lo ingirieron diversas consecuencias, tales como:

Abortos.

Partos prematuros. Ceguera.

Desórdenes neurológicos. Perdida del oído.

Tumores en los parpados. Supuraciones en los ojos.

Se realizaron diferentes investigaciones comandadas por el científico sueco Soren Jensen, quien fuera el primero en detectar la existencia de este BPC en agua dulce y el cabello de una familia entera. En estos estudios efectuados en una población de aproximadamente 1000 personas, se obtuvo como resultado que las personas habían consumido una dosis de 2000 PPM y presentaban los síntomas antes mencionados.

Al publicarse estos resultados se comenzó una nueva investigación donde se suministró comida a chimpancés con una concentración de 2.5 a 5.0 PPM encontrándose síntomas similares a los encontrados en el estudio directo con humanos y adicionalmente se constató que el nivel de reproducción de estos animales bajo de la siguiente manera:

Tabla No.2.1 Nivel de reproducción de los chimpancés a los que se les suministró alimento contaminado con askarel.

Dosis Porcentaje de Natalidad

0 PPM 90.0

2.5 PPM 37.5

5.0 PPM 12.5

Más tarde el Dr. Renate Kimbrough realizó experimentos con 184 ratas y se les suministró alimento que incluía la cantidad de 100 PPM de askarel durante un periodo de tiempo de 21 meses, este estudio arrojó resultados que evidenciaban nuevamente síntomas cancerosos como tumoraciones y lesiones en el hígado.

Capítulo 2. Características de los líquidos aislantes

Página 17 Se declaró oficialmente que los bifenilos policlorados eran dañinos a la salud humana y que el contacto directo con estos, producía cáncer; posteriormente se suspendió la producción del Askarel y enseguida se prohibió su uso.

En los E.U.A. se prohibió su uso a mediados del año 1979 y posteriormente en México se suspendió su uso en la fabricación de capacitores y transformadores; razón por la cual se

crearon diferentes recomendaciones, pues los equipos que contenían BPC’s para su

funcionamiento estaban totalmente contaminados y se tenía la necesidad de manejarlos o aislarlos según fuera el caso.

Según las propiedades dañinas que poseían estos BPC’s, se establecieron algunos

lineamientos, dentro de los cuales destaca:

Es requisito primordial que los transformadores instalados en subestaciones que se encuentran dentro de edificios, lugar de reunión o cualquier interior, deben tener consideraciones especiales para evitar incendios e impedir la propagación de estos. Estás se refieren a un sistema de confinamiento para posibles derramamientos del líquido que se encuentra dentro del transformador. Existe para esto, una solución en cuanto a la construcción del área que va a contener a estos transformadores y consta de construcciones especiales ilustradas en la figura 2.1, donde estas áreas poseen un espacio hueco para el confinamiento del aceite en caso de posible derramamiento.

Figura 2.1 Tipos de construcciones que se requieren para posible derramamiento de aceite de transformadores instalados en interiores.

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2.1.1 LÍQUIDOS CONTENIDOS COMO REFRIGERANTE Y AISLANTE EN EL TRANSFORMADOR

Un transformador para su correcto funcionamiento necesita (en casos de transformador sumergido en aceite) un líquido que le permita permanecer refrigerado y que a su vez, mantenga a sus componentes eléctricos (devanados) aislados uno de otro.

A través del tiempo, se descubrió que la alternativa más eficiente a esta necesidad de refrigerar y/o aislar, era usar aceites que fungían como dieléctricos en los transformadores e inmediatamente se empezaron a desarrollar diferentes tipos de este aceite.

Se pueden reconocer de forma general 3 tipos de aceites, estos son:

Aceite mineral: Se compone principalmente de carbono e hidrógeno en moléculas que presentan diferentes estructuras.

Aceites parafínicos: Están formados por moléculas que pueden ser tanto de cadena lineal como ramificada. Los alcanos normales de tipo cadena lineal son conocidos como parafinas, si son enfriados se impide su libre flujo y se deben tomar precauciones para utilizarlos en un clima frío.

Aceites nafténicos: también conocidos como cicloalcanos están formados por moléculas con una estructura anular, presentan excelentes características a bajas temperaturas.

Todos los aceites de transformador contienen moléculas aromáticas con una estructura molecular totalmente distinta de las moléculas parafínicas y nafténicas, tanto química como físicamente.

Existen dos tipos de aceites en el mercado, inhibidos y no inhibidos. De hecho, todos los aceites son inhibidos, los inhibidos por la adición de fenol retardado (destrucción radical), y los no inhibidos con inhibidores naturales (destrucción por peróxido). [11]

2.1.2 BIFENILOS POLICLORADOS (BPC’S)

Son sustancias químicas sintéticas que poseen propiedades de gran utilidad para diversas aplicaciones; las principales son de tipo eléctrica, ya que estos compuestos tienen un casi perfecto punto de inflamación, viscosidad aceptable, etc.

Capítulo 2. Características de los líquidos aislantes

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Propiedades fisicoquímicas

Los bifenilos policlorados son compuestos organoclorados de fórmula condensada:

C

H

–

Cl

Dónde: n=1, 2,3…,10.

Debido a su viscosidad que es bastante variable dependiendo de sus condiciones de operación, se pueden llegar a considerar desde líquidos a sólidos y dependiendo si contiene altas cantidades de cloro toma una forma de consistencia resinosa. Además son de elevada estabilidad química, no son hidrolizables, sumamente resistentes al calor y a la oxidación. En forma líquida son incoloros, en algunos casos, hasta amarillos con olor fétido y de textura viscosa.

Las moléculas de los BPC en forma separada se conocen como congéneres o bifenilos sustituidos mono, bi, tetra, etcétera. Se conoce la existencia de 209 congéneres diferentes y la mezcla de varios bifenilos con diferente grado de cloración da como resultado un arocolor o askarel…

A continuación se proporciona una lista de los nombres de mezclas comerciales de bifenilos policlorados que se pueden encontrar en: [12]

Clophen Fenclor Apirolio Piroclor Phenoclor Delor Asbestol Therminol Askarel Inclor Pyranol

Como ya se mencionó anteriormente, por sus propiedades se hicieron específicamente aplicables en transformadores, capacitores e incluso en balastros para lámparas fluorescentes.

Peligrosidad de los BPC’s.

La mayoría de los aceites dieléctricos con BPC’s que se usaron fundamentalmente en

Página 20 los sistemas de transporte colectivo de tracción eléctrica y los tranvías, en donde se encontró que eran altamente contaminantes al personal que operaba las máquinas y en especial que todo aparato que tuviera contacto con estas sustancias quedaba contaminado. [12]

Fue entonces que en el año de 1899, se conoció una condición patológica de la piel llamada cloracne, que es una desfiguración dolorosa de la piel que se veía en el personal expuesto a componentes orgánicos clorados. Incidentes como los ocurridos en Yusho, Japón en 1968, Yucheng, Taiwán en 1979, Nueva York, E.U.A en 1936 marcaron la pauta para abrir líneas de investigación sobre los efectos nocivos.

Los bifenilos policlorados son considerados probables carcinógenos humanos por la Agencia Internacional de Investigación del Cáncer (IARC) de la OMS y están incluidos en la categoría "2A"; en tanto que la Agencia para la Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA, por sus siglas en inglés), ha demostrado que los BPC causan cáncer en animales. [13]

Con el paso del tiempo y con estudios, se demostró que son repercutibles hacia la salud humana y el medio ambiente, por lo cual se determinó que independientemente de sus características particulares favorables, se debían tomar decisiones en cuanto a la prohibición de su uso de forma nacional e internacional y así emprender acciones correctivas para manejar y controlar su uso y dispersión en el ambiente.

2.2 ASKAREL

Este es un aceite oscuro con propiedades “inigualables” en cuanto a eficiencia no es flamable, es utilizado como aislante y refrigerante debido a que este aceite tiene muchísima resistencia a las temperaturas extremas (altas o bajas).

Estos aceites se comenzaron a sintetizar en la década de 1880 cuando se descubrió por vez primera que la combinación de los compuestos químicos Cloro y Benceno producía menos combustibilidad y explosión por lo que se desarrolló la fórmula que pretendía solucionar la problemática del enfriamiento del transformador.

Capítulo 2. Características de los líquidos aislantes

Página 21

Aplicaciones

Al encontrarse que este aceite poseía propiedades únicas y “casiperfectas”, rápidamente se pudo encontrar que era de gran utilidad el uso de este para:

Transformadores eléctricos (sumergidos en aceite). Condensadores (en alto y bajo nivel de tensión). Motores.

Electro magnetos. Interruptores. Reguladores

Cables eléctricos con óleo y fluidos aislantes. Balastros.

Sistemas hidráulicos (que poseen transferencia de calor). Lubricantes de turbinas (gas y vapor).

Daños Ecológicos y a la Salud

Desgraciadamente, la infinidad de aplicaciones prácticas que tenía este BPC se vio afectada, pues posterior a una serie de investigaciones y estudios médicos se pudo determinar que el askarel era perjudicial a la salud y se encontró que podía producir afectaciones dermatológicas por inhalación de sus vapores que se ingirieran durante la producción o funcionamiento pleno de la máquina que lo tuviera contenido.

A su vez, en el sistema nervioso central se producen dolores de cabeza, mareos e incluso la fatiga misma. Esto por consiguiente en el rendimiento humano traía como consecuencia la pérdida de peso y disfunciones inmunológicas, creando así lesiones hepáticas que como efecto secundario conllevan indigestión, crecimiento irracional del hígado y debilidad del mismo.

A la situación de tener que eliminar este BPC, erróneamente se buscó la posibilidad de desechar el equipo contaminado con estos aceites e inconscientemente se procedió al derramamiento de estos en aguas dulces y tierras fértiles trayendo como consecuencia la muerte inexplicable de distintas especies marinas y los suelos perdieron cualquier posibilidad de ser útiles al sembradío y producción vegetal.

Página 22 solo el ambiente que esta alrededor del área donde se realiza esta acción, sino también el aire aledaño, tierra y agua con que se tiene contacto. [13]

2.3 SILICONA LIQUIDA

Como una posible solución a un fluido que tuviera la posibilidad de enfriar los componentes del transformador, se creó la silicona liquida, la cual se encontraba en su

análisis que estaba libre de BPC’s pero que algunas de sus propiedades físico-químicas eran bastante desapropiadas para el fin que se requería.

Su composición química es:

Se había entonces llegado al descubrimiento de un Polidimetilsiloxano que aportaba las siguientes características.

Punto de ignición e inflamación

Su punto de inflamación de este polidimetilsiloxano es de 300°C y tiene a su vez un punto de ignición de 350°C.

Estabilidad

En su estructura no presenta ninguna especie de envejecimiento y esto asegura una larga vida con la posibilidad de recuperarse, su biodegradación en el ambiente se da de forma paulatina reaccionando con moléculas de arcilla y agua principalmente.

Efectos toxicológicos

No es nocivo a la salud del ser humano, sin embargo, si se tiene contacto directo con el vapor que produce, puede presentarse irritación leve en los ojos.

Rigidez dieléctrica

La silicona en su forma pura tiene una rigidez de 43 KV nominal y que es a su vez, superior a la del Askarel.

Capítulo 2. Características de los líquidos aislantes

Página 23

Viscosidad

La viscosidad de este compuesto químico es bastante significativa y por eso se requiere de ductos especiales que son adecuados en los devanados del transformador, así como radiadores que garanticen que puede conservar su sobreelevación.

Coeficiente de expansión

Al ser este coeficiente mayor que el del askarel, se puede decir que se beneficia la disipación de calor y se podría compensar el efecto de la humedad en la viscosidad que ofrece este químico.

Liberación de calor

La silicona tiene bajo calor liberado por unidad de área, lo cual en caso de una combustión del transformador, requiere de una fosa donde se coloque al transformador en caso de derramamiento para poder contener al líquido.

Lubricación

Las propiedades que se tienen de lubricación por parte de la silicona son muy limitadas cuando se tiene una condición de metal a metal y se debe tomar en consideración el tipo de desconectadores y bombas que operan al dispositivo que contenga este líquido.

Compatibilidad

Únicamente se hace excepción a los empaques de hule silicón, compuestos de caucho que en su construcción posean plastificantes solubles con el silicón y metales como el plomo y sus aleaciones. A partir de esta excepción, la silicona es compatible con todos lo materiales usados en la construcción de transformadores.

Costo

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2.4 HIDROCARBURO MODIFICADO RTEmp

Posteriormente, se buscaron algunas otras alternativas de enfriamiento para los transformadores y fue entonces cuando se llego al descubrimiento de los hidrocarburos como medios refrigerantes. Es entonces cuando llega la parte de la comparativa de estos compuestos químicos y se obtiene la siguiente estructura química:

Según sus análisis tanto físicos como químicos, arrojaron los siguientes resultados.

Punto de ignición e inflamación

Posee un punto de ignición de 312°C y su punto de inflamación asciende a los 285°C.

Estabilidad

Se tiene bastante estabilidad al tratarse de un hidrocarburo, pues es muy similar a la de un aceite convencional. Es totalmente biodegradable y por tanto es aceptado ecológicamente.

Efectos toxicológicos

Estudios previos han demostrado que este hidrocarburo de base parafínica que su grado de toxicidad es despreciable y no posee propiedades cancerígenas ni mutagénicas.

Viscosidad

Sus características de viscosidad son similares a las de la silicona y esto trae como consecuencia que se necesiten adaptaciones especiales en el sistema de enfriamiento del transformador.

Capítulo 2. Características de los líquidos aislantes

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Rigidez dieléctrica

Posee una rigidez dieléctrica de 43 KV nominal, que es mayor a la del Askarel.

Coeficiente de expansión

No presenta ningún problema de elevación de presión interna, pues su coeficiente es similar al del askarel.

Liberación de calor

Si se tuviera un combustión del RTEmp, este se consumiría en su totalidad; sin embargo, se requiere en este caso, que el transformador que lo contenga posea una fosa para contener al RTEmp y evitar su derramamiento.

Lubricación

Este hidrocarburo modificado posee un alto peso molecular que lo hace bastante apto para poder funcionar como lubricante en cambiadores o bombas autolubricadas.

Compatibilidad

El RTEmp es compatible con todos los materiales usados en la construcción de transformadores.

Costo

No se tiene en existencia en México un proveedor de este hidrocarburo, sin embargo se puede tener la posibilidad de fabricarlo ya que este país posee en abundancia la base parafínica de la cual esta creado.

Su precio asciende de 4 a 6 veces el valor de un aceite convencional. [10]

2.5 ACEITES MINERALES

Como propuesta final y usada en la actualidad, se llega a la creación de los aceites minerales. Estos fluidos mejoran la calidad de ciertas características de los otros 2 tipos de fluido. En teoría, hoy en día se consideran como los fluidos de base para la refrigeración y/o aislamiento en transformadores.

Página 26 La mayoría de estos aceites contienen fracciones de compuestos aromáticos en relación con el benceno, naftaleno e inclusive derivaciones de estos con cadenas laterales alifáticas; estas cadenas de alifáticas dependen de la fuente y la refinación.

El tanto porciento de aromáticos es de importancia para determinar la absorción de gases o descargas eléctricas y para determinar las características de oxidación.

A continuación se indican las propiedades físicas de un aceite mineral. Además de dichas propiedades, los aceites de origen mineral que son expuestos al aire poseen diversas distinciones de oxidación variando con cada tipo de aceite, aditivos y materiales en conjunto.

Tabla 2.2 Características físicas de líquidos aislantes. [7]

Propiedades del líquido

Aceite mineral

Transformador Conductor y capacitor Conductor sólido Densidad relativa 0.88 0.885 0.93 Viscosidad, Saybolt sec. a

37.8°C

57-59 0.100 100

Punto de inflamación, °C 13 165 235 Punto de combustión

espontanea, °C

148 185 280

Punto de fluidez, °C -45 -45 -5

Calor especifico 0.425 0.412 ………….

Coeficiente de dilatación 0.00070 ………… 0.00075 Conductividad térmica,

cal/cm*s*°C

0.39 ………… …………

Resistencia dieléctrica, kV 30 _{………… …………}

Permitividad a 25 °C 2.2 ………… …………

Resistividad, Ω-cm x 1012 _{1-10 50-100 1-10}

La solubilidad de gases y agua en al aceite mineral es de suma importancia en cuanto a su función en el equipo, esta se expresa en porcentaje de volumen del aceite para transformadores a presión atmosférica normal (760 torr) y 25 °C, la siguiente tabla indica estos valores.

Tabla 2.3 Porcentaje de gas soluble en aceite mineral para transformador. [7]

Gas Tanto porciento de solubilidad en aceite mineral

Aire 10.8 %

Nitrógeno 9.0 %

Oxigeno 14.5 %

Bióxido de carbono 99.0 %

Hidrógeno 7.0 %

Capítulo 2. Características de los líquidos aislantes

Página 27 Estas solubilidades crecen con la temperatura con la excepción del bióxido de carbono; en casos en que se tenga agua, está se disuelve en aceite nuevo para transformadores en razón de 60 a 80 ppm por debajo de una humedad relativa de 100% a 25° C, pero la solubilidad aumenta con la cantidad de oxidación del aceite y con adiciones de impurezas polares al agua.

2.5.1 PROPIEDADES DIELÉCTRICAS DE ACEITES MINERALES

Debido a que los aceites minerales son no polares y contienen pocas moléculas con momentos dieléctricos, su permitividad es baja.

Permitividad

Una adecuada permitividad para aceite de transformadores a 60 Hz es de 2.19 a 25° C, decayendo a 2.11 a 100° C.

Conductividad

Los niveles de conductividad en C.D. y el factor de disipación en C.A., se asemejan con valores de 10-15 Ω-1 _{* cm}-1 _{en aceites nuevos y 10}-12 _Ω-1 _{* cm}-1 _{para aceites usados} contaminados, en C.D.; para el caso de valores en C.A., se tiene 10-13 Ω-1 _{* cm}-1_,

correspondiendo a tan δ de 0.008. [8]

2.5.2 RESISTENCIA DIELÉCTRICA DE ACEITES MINERALES

Para los aceites minerales, y mayoría de líquidos aislantes, la resistencia dieléctrica varia con el estado de pureza de la muestra y con respecto a la materia y humedad. Estos valores son dictaminados, en México, por la norma NMX-J-123-ANCE-2001 “PRODUCTOS

ELÉCTRICOS–TRANSFORMADORES-ACEITES MINERALES AISLANTES PARA

TRANSFORMADORES-ESPECIFICACIONES, MUESTREO Y MÉTODOS DE

PRUEBA”. En la siguiente tabla se muestran los valores mínimos requeridos de ruptura dieléctrica según el tipo de muestra que se esté manejando.

Tabla 2.4 tensiones de ruptura de los aceites según su clasificación. [14]

Características

físicas Unidad

Especificación

No inhibido Inhibido

Tipo I Tipo II Tipo I Tipo II

Factor de potencia a 60 Hz: - a 25 °C - a 100 °C

% 0,05 máximo 0,30 máximo 0,05 máximo 0,30 máximo 0,05 máximo 0,30 máximo 0,05 máximo 0,30 máximo

Tensión de ruptura dieléctrica: - electrodos planos (2,54 mm) - electrodos semiesféricos (1,02 mm)*

CAPÍTULO

III

ASPECTOS LEGALES,

REGLAMENTARIOS Y

NORMATIVOS

Cada proyecto y trabajo debe siempre tener cierto respaldo y lineamientos cumplidos para poder estar seguros que se realizó dentro de los parámetros permitidos que la ley establece así como las normas aplicables.

Estos lineamientos y normatividades a cumplir son parámetros de tipo obligatorio que si se cumplen, se podría incluso presumir que el proyecto realizado cumplirá sus funciones de seguridad, operación y eficacia.

Siempre que un trabajo cubra estos aspectos mínimos, se tiene la seguridad de que tiene la calidad para entrar en operación y el respaldo suficiente para convertirse en un proyecto competitivo y certificado que cumple con las leyes, reglamentos y normas aplicables.

Capítulo 3. Aspectos Legales y Normativos

Página 29

3.1 HISTORIA DE LOS ASPECTOS LEGALES

A medida que se descubrieron la presencia de bifenilos policlorados en el medio ambiente e identificando sus efectos nocivos en la salud, la gran mayoría de los países desarrollados se vieron en la necesidad de crear normatividades relacionadas con los bifenilos policlorados. A finales del año de 1970 varios países, entre ellos Estados Unidos, tuvieron que establecer mecanismos reguladores para el control y la prohibición de la fabricación de los bifenilos policlorados. En México se tuvo que esperar hasta finales del año de 1980 para establecer las bases de un marco legal para prevenir y controlar la contaminación ambiental generada por estos compuestos, todo esto como parte de la política general del desarrollo sustentable.

Problemática internacional

Las organizaciones de los países con mayor auge industrializado como la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE) y la Comunidad Económica Europea (CEE) ha informado a los países miembros sobre la necesidad de reglamentar, normalizar y controlar el uso excesivo de BPC.

También, se ha prohibido el uso y manifactura en equipo nuevo con la intención de que se minimice en lo más posible en la industria, especialmente en el sector eléctrico, además de extremar las medidas de seguridad en el equipo ya existente y que se tiene en operación. Dando como consecuencia que los países emitieran leyes y reglamentos e incluso modificando las ya existentes.

3.1.1 MÉXICO Y EL MARCO LEGAL

La Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección al Ambiente (LGEEPA), expedida el 28 de enero de 1988, que ha sido reformada en dos ocasiones, 13 de diciembre de 1996 y 31 de diciembre de 2001, reglamenta las disposiciones de la Constitución Política de los Estados Unidos Mexicanos que se refieren a la preservación y restauración del equilibrio ecológico, así como a la protección al ambiente. En base a esta Ley el 25 de noviembre de 1988 se expide su Reglamento en Materia de Residuos Peligrosos en el que se establece las obligaciones en las actividades con relación a residuos peligrosos.

La mayoría de las disposiciones del reglamento de la LGEEPA se aplica, de igual manera, al caso de los residuos que contengan bifenilos policlorados. Algunos artículos como son los artículos 52 y 53, entre otros, que limitan la importación de estos residuos solamente autorizando el reciclaje o reúso en el territorio nacional y a su vez prohíbe expresamente

su importación con el único objeto de asumirles una disposición final en el país. Dichas