¿Cuál es la característica de descarga parcial de un transformador de resina epoxi de tipo seco?

Si usted es un ingeniero de especificaciones, un administrador de planta o un profesional de infraestructura eléctrica que pesa opciones de transformadores, es casi seguro que se habrá topado con transformadores de tipo seco de resina epoxi: son los caballos de batalla de la distribución de energía moderna y de bajas emisiones para uso interior, exterior e industrial. Pero para cualquiera que especifique estas unidades, la descarga parcial (PD) es una característica no negociable que debe comprender. A diferencia de los transformadores llenos de aceite, donde la DP a menudo es absorbida y enmascarada por aceite mineral, los transformadores de tipo seco epoxi dependen de un aislamiento de epoxi sólido, lo que hace que la DP sea una propiedad mucho más visible, impactante y medible que se relaciona directamente con la confiabilidad, la vida útil y el cumplimiento de los estándares eléctricos globales.

Como proveedor centrado exclusivamente en transformadores de tipo seco de resina epoxi (puede explorar nuestra gama completa para cada aplicación).Transformador tipo seco de resina epoxi), he pasado años trabajando con clientes para desglosar la PD no como un término técnico vago, sino como un rasgo concreto que da forma al rendimiento de estas unidades en condiciones del mundo real. Profundicemos en qué es la PD, cómo se comporta en el aislamiento de epoxi, qué características únicas distinguen a estos transformadores y por qué prestar atención a la PD puede ahorrarle miles de dólares en tiempo de inactividad y costos de reemplazo a largo plazo.

Primero, definamos la descarga parcial en términos sencillos (sin jerga excesiva, lo prometo). La PD es una pequeña descarga eléctrica localizada que une solo parcialmente el aislamiento entre dos conductores. Piense en ello como una pequeña chispa de corta duración que ocurre dentro del epoxi sólido, en las interfaces entre el epoxi y otros materiales, o incluso atrapada dentro de bolsas de aire microscópicas en la propia resina. No es un arco completo (lo que causaría una falla catastrófica), pero es un problema progresivo: con el tiempo, estas microdescargas erosionan el aislamiento epóxico, crean pequeñas grietas y debilitan la estructura aislante general. Para los transformadores de tipo epoxi seco, la PD es especialmente crítica porque no hay aceite para extinguir o contener estas chispas, por lo que sus características dependen completamente de la calidad del moldeado de epoxi y el diseño de la unidad.

Ahora bien, ¿por qué el aislamiento epoxi es tan diferente de otros tipos cuando se trata de PD? La resina epoxi es un polímero termoestable, lo que significa que se cura formando un bloque sólido y rígido en lugar de permanecer líquido como el aceite. La mayoría de los transformadores de tipo seco epoxi se construyen con un proceso de impregnación de presión de vacío (VPI), en el que toda la bobina se recubre en epoxi a baja presión para eliminar las bolsas de aire, pero ni siquiera el proceso VPI de la más alta calidad puede eliminar hasta el último microhueco y, con el tiempo, el estrés ambiental (cambios de temperatura, humedad, vibración mecánica) puede crear nuevos espacios o debilitar la unión entre los devanados de epoxi y cobre. Estos huecos se convierten en los sitios principales para que se inicie la PD, porque el aire tiene una rigidez dieléctrica mucho menor que el epoxi sólido. Una vez que el voltaje aplicado alcanza un umbral (llamado voltaje inicial), el campo eléctrico dentro de un vacío se vuelve lo suficientemente fuerte como para ionizar el aire, creando esa descarga parcial.

Entonces, ¿cuáles son las características clave de descarga parcial específicas de los transformadores de tipo seco de resina epoxi y cómo se manifiestan en diferentes instalaciones? Desglosemos esto por las aplicaciones más comunes para las que nuestros clientes usan nuestras unidades, porque el comportamiento de PD cambia según dónde está instalado el transformador.

En primer lugar, transformadores de tipo seco para interiores, utilizados en edificios de oficinas, hospitales, centros de datos e instalaciones de fabricación (puede consultar nuestra línea para interiores).Transformador de tipo seco interior). Los ambientes interiores generalmente están controlados: temperatura estable, baja humedad y sin exposición directa al polvo o a la intemperie. Para los transformadores de epoxi para interiores, las características de PD aquí se definen por dos factores principales: niveles iniciales de PD en las pruebas de fábrica y estabilidad de PD a largo plazo bajo voltaje de operación normal. Las pruebas de aceptación de fábrica (FAT) para estas unidades requieren niveles de PD inferiores a 10 picoculombios (pC) a 1,1 veces el voltaje nominal; este es un estándar establecido por IEC 60076-11, el estándar global para transformadores de tipo seco. ¿Por qué 10 pC? Cualquier PD por encima de ese umbral indica un defecto de fabricación (como un gran vacío atrapado en el epoxi) o un curado incompleto de la resina. En entornos interiores, la DP tiende a permanecer relativamente constante a lo largo del tiempo, siempre y cuando no haya sobretensiones repentinas o tensión mecánica de los equipos cercanos. Hace unos años, tuvimos un cliente en un edificio de oficinas del centro de Chicago que se saltó las pruebas de PD durante la instalación y tuvo que cortar la electricidad de todo el edificio de 10 pisos después de 18 meses; resulta que un vacío en el epoxi había crecido de 2 mm a 8 mm, lo que provocó que los niveles de PD aumentaran por encima de 50 pC, lo que provocó una falla en el devanado. Las unidades interiores, si bien están protegidas, no son inmunes, por lo que sus características de DP hacen que las pruebas periódicas de DP no sean negociables.

A continuación, transformadores de tipo seco para exteriores (explore nuestra línea para exteriores aquí)Transformador de tipo seco para exteriores). Se utilizan en subestaciones, parques solares, plantas de tratamiento de agua y otras instalaciones al aire libre donde las unidades están expuestas a la lluvia, temperaturas extremas, radiación ultravioleta y contaminantes en el aire (sal, polvo, polen). Las características de PD aquí son mucho más dinámicas que las de las unidades interiores, porque los factores ambientales impactan directamente el aislamiento de epoxi. Por ejemplo, la alta humedad o la lluvia ligera pueden crear una delgada capa conductora en la superficie de la bobina de epoxi, lo que reduce la resistencia del aislamiento de la superficie y facilita que la DP se inicie a niveles de voltaje más bajos. La radiación ultravioleta del sol también descompone la estructura molecular del epoxi con el tiempo, creando pequeñas grietas superficiales que actúan como nuevos sitios para la EP. Probamos un transformador epóxico exterior de 2,5 MVA instalado en una subestación costera de Texas que había estado en servicio durante 7 años: su voltaje inicial de PD había caído un 35 % con respecto a los niveles de fábrica y sus niveles operativos de PD habían aumentado a 18 pC, muy por encima del estándar interior. Las unidades exteriores también tienen que soportar sobretensiones por rayos, que pueden crear sobretensiones temporales que desencadenan DP; Si bien los transformadores epóxicos modernos tienen descargadores de sobretensión para mitigar esto, los eventos de sobretensión repetidos pueden acelerar el crecimiento de la DP.

Otra aplicación común son los transformadores auxiliares en subestaciones: estas unidades más pequeñas, pero críticas, alimentan sistemas de control, bombas e iluminación dentro de subestaciones de alto voltaje (obtenga más información sobre nuestras ofertas de transformadores auxiliares aquíTransformador Auxiliar en Subestación). Los transformadores auxiliares tienen características PD únicas porque operan a un voltaje más bajo que los transformadores de distribución principales, pero están ubicados justo al lado de equipos de alto voltaje, exponiéndolos a descargas parciales de componentes adyacentes (como aparamentas o barras colectoras). Estas descargas entre unidades pueden transferirse al aislamiento de epoxi del transformador auxiliar, lo que genera lo que se denomina "influencia de PD externa". Probamos regularmente los transformadores auxiliares para esto: los hacemos funcionar a voltaje nominal mientras probamos los equipos de alto voltaje vecinos para detectar DP, y si se detecta influencia cruzada, ajustamos el diseño del devanado de epoxi (como agregar una capa delgada de recubrimiento de resina de alto dieléctrico) para reducir el impacto. Sin esto, los transformadores auxiliares pueden desarrollar PD interna a partir de fuentes externas, incluso si su propio aislamiento epóxico es perfecto.

Ahora, hablemos de lo que diferencia a los transformadores de tipo seco de resina epoxi de otros tipos de transformadores cuando se trata de PD. Los transformadores llenos de aceite, por ejemplo, tienen PD que normalmente es absorbido por el aceite mineral, por lo que se mide de manera diferente (en ppm de gas, en lugar de pC). La DP epoxi, por otro lado, es un fenómeno superficial e interno del aislamiento sólido, por lo que es más fácil de detectar con herramientas de prueba en el sitio; puede usar un detector de DP que se sujeta alrededor de los terminales del transformador para medir las descargas en tiempo real, lo cual es un gran beneficio para los equipos de mantenimiento. Otra característica clave: el epoxi tiene un voltaje de inicio de descarga parcial (PDIV) mucho más alto que el aire, pero su voltaje de extinción de PD (el voltaje por debajo del cual se detiene la PD) es menor que el del aceite. Espera, ese es un punto importante; déjame aclararlo. PDIV es el voltaje donde inician las descargas; El voltaje de extinción de PD es donde se detienen. Para el epoxi, el PDIV es más alto que el del aire, lo que significa que se necesita un voltaje más fuerte para provocar descargas que si el aislamiento fuera aire, pero una vez que comienza una descarga, es más difícil detenerla porque el epoxi no absorbe la energía. Es por eso que reducir los huecos en el epoxi es tan importante: desea mantener el PDIV lo más alto posible y evitar situaciones en las que pueda comenzar una descarga y continuar.

Otro error común: los transformadores de epoxi no reciben PD, por lo que no es necesario realizar pruebas. Eso simplemente no es cierto. Todo aislamiento sólido tiene algún nivel de PD, incluso si es mínimo debido a una buena fabricación. El problema es cuando la PD excede los niveles aceptables, razón por la cual los estándares de la industria establecen límites claros. Por ejemplo, IEC 60076-11 requiere que a 1,1 veces el voltaje nominal, los niveles de PD para transformadores de tipo seco epoxi sean inferiores a 10 pC para unidades de menos de 1000 kVA y menos de 20 pC para unidades de más de 1000 kVA. Estos límites no son arbitrarios: se basan en años de datos de campo que muestran que las PD por encima de estos niveles provocan fallas de aislamiento en un plazo de 10 a 15 años, mientras que las unidades con PD por debajo de estos límites tienen una vida útil de más de 30 años.

Entonces, ¿cómo funciona nuestro equipo enTransformador tipo seco de resina epoxidiseñar nuestras unidades para controlar PD, y ¿qué debería buscar en un proveedor? En primer lugar, utilizamos una resina epoxi de bisfenol-A de alta calidad con una alta temperatura de transición vítrea (Tg) de 155 °C, lo que significa que no se ablanda ni desarrolla microfisuras incluso a altas temperaturas de funcionamiento. En segundo lugar, nuestro proceso VPI funciona a 10 militorr de presión, que es 10 veces más vacío que el que utilizan muchos proveedores de menor costo; esto elimina el 99,9 % de los huecos dentro del recubrimiento epóxico. En tercer lugar, cada unidad pasa por una prueba de ciclo térmico de 72 horas después de la fabricación, donde calentamos la unidad a 120 °C, la enfriamos a -10 °C y la sometemos a ciclos 10 veces para simular cambios de temperatura en el mundo real. Probamos PD en cada paso de este proceso para garantizar que el estrés térmico no cree nuevos huecos ni agriete el epoxi. Finalmente, brindamos soporte de pruebas de DP en sitio para todas nuestras unidades, ya sea que estén instaladas en interiores, exteriores o como transformadores auxiliares en subestaciones; nuestro equipo trabaja con su programa de mantenimiento para realizar pruebas fuera del horario laboral, para que no tenga que cerrar las operaciones por mucho tiempo.

Volvamos al ejemplo de un cliente real para unir todo esto. El año pasado, trabajamos con una gran planta de fabricación que tenía un viejo transformador exterior lleno de aceite que fallaba cada 3 años debido a PD y fugas de aceite. Cambiaron a nuestro transformador exterior de tipo seco de resina epoxi de 3 MVA y, después de 12 meses de funcionamiento, sus pruebas de DP mostraron niveles de solo 7 pC a voltaje nominal, muy por debajo de los límites de la industria. También notaron menores costos de mantenimiento, ausencia de tarifas por eliminación de petróleo y cumplimiento de las regulaciones ambientales locales que prohíben las unidades llenas de petróleo en su zona industrial. La clave aquí fue comprender las características de PD de los transformadores de epoxi: debido a que habíamos diseñado la unidad para minimizar los huecos y proteger el epoxi del estrés ambiental, su PD se mantuvo en niveles seguros y ya se proyecta que el transformador durará más de 25 años, en comparación con la vida útil de 3 años de sus unidades anteriores.

Para cualquiera que todavía esté evaluando transformadores de tipo seco epoxi, la conclusión es la siguiente: la descarga parcial no es un defecto que deba temer, sino una característica que debe comprender. El comportamiento de DP de estas unidades cambia según su instalación, calidad de fabricación y mantenimiento continuo: las unidades interiores tienen DP bajas y estables si se instalan correctamente, las unidades exteriores requieren protección contra el estrés ambiental para mantener las DP bajo control y los transformadores auxiliares en las subestaciones necesitan blindaje de fuentes de DP externas para evitar fallas prematuras. Al elegir un proveedor que priorice la calidad del epoxi, los procesos de fabricación avanzados y las pruebas de PD proactivas, obtendrá un transformador que proporcionará energía confiable y con bajas emisiones durante décadas.

Si está listo para explorar transformadores de tipo seco de resina epoxi para su próximo proyecto, ya sea una unidad interior para una instalación nueva, una unidad exterior para una subestación o un transformador auxiliar para su sistema de energía, nuestro equipo está aquí para ayudarlo. Podemos proporcionar informes de pruebas de DP personalizados, recomendaciones de diseño para aplicaciones específicas y soporte continuo para garantizar que sus unidades funcionen con el máximo rendimiento en los años venideros. No permita que la descarga parcial sea una ocurrencia tardía; analicemos cómo nuestros transformadores pueden satisfacer sus necesidades específicas.

Referencias

1. IEC 60076-11: Transformadores de potencia - Parte 11: Transformadores de tipo seco, Comisión Electrotécnica Internacional, 2018.
2. “Características de descarga parcial del aislamiento de resina epoxi en transformadores de tipo seco”, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 30, núm. 2, abril de 2015, págs. 768-775.
3. Envejecimiento ambiental de resinas epoxi para aplicaciones eléctricas, Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL), 2020.
4. “Pautas de mantenimiento para transformadores de tipo seco”, Norma C57.12.90 del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), 2015.