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Influencia de la humedad y la temperatura en las características dieléctricas del papel Kraft

De
131 pages

Las máquinas eléctricas deben asegurar su funcionamiento en distintas temperaturas de régimen pero estas máquinas están sujetas a esfuerzos que degradan el sistema de aislamiento durante su operación. Un aislante es tanto mejor cuanto más elevada es la temperatura que soporta sin sufrir ningún deterioro. El deterioro del aislamiento es debido a principalmente a los siguientes factores: una temperatura excesiva, presencia de oxígeno y la humedad. Estos factores junto con los esfuerzos eléctricos aceleran este deterioro. Los efectos de la humedad en el aislamiento de transformadores centran la mayoría de las investigaciones sobre los fallos de aislamiento en transformadores. La vida útil del transformador está básicamente marcada por la vida útil de los aislamientos celulósicos. El presente proyecto tiene como objetivo analizar el comportamiento del papel aislante sin impregnar en aceite frente a distintas condiciones de humedad relativa y temperatura. También se comprobará que se cumple la fórmula de equilibrio agua-papel de Fessler. El papel Kraft será expuesto a diferentes combinaciones de humedad relativa y temperatura y se realizarán medidas de tangente de delta, capacidad, conductividad y resistividad. Se estudiará la influencia de la humedad en el papel Kraft a temperaturas de 20ºC, 40ºC y 60ºC combinadas con humedades relativas de 20%, 30% y 40%.
Ingeniería Técnica en Electricidad
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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID
ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR



DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA


INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL: ELECTRICIDAD
PROYECTO FIN DE CARRERA

“INFLUENCIA DE LA HUMEDAD Y LA
TEMPERATURA EN LAS
CARACTERÍSTICAS DIELÉCTRICAS DEL
PAPEL KRAFT”




Autora: Lorena Vizcaíno Moreno
Director: Simón Dávila

LEGANÉS, JUNIO 2009



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AGRADECIMIENTOS

En primer lugar, quiero agradecer a mis padres, Francisco y Victoria, el haberme dado
la oportunidad de poder estudiar una carrera, su motivación y sus consejos siempre
han sido acertados. El apoyo, la confianza y la ayuda incondicional me regalan han
hecho posible que hoy esté aquí. Gracias por guiarme en la vida.
A mi hermana Mª Victoria tengo que darle las gracias por ser un ejemplo a seguir para
mi, sabes que te admiro. Siempre juntas, siempre de la mano.

Quiero agradecer también a mi tutor, Simón Dávila, su interés, su apoyo y dedicación
en este proyecto y sobretodo la cercanía que me ha demostrado en este último tramo
universitario. Gracias por tu confianza.

A mis compañeros de beca, y a mis compañeros de clase que hoy son mis amigos,
Esther, Laura, Mónica, Débora, Baroja, gracias por superar conmigo las frustraciones y
por disfrutar a vuestro lado las risas y los mejores momentos. Con vosotros todo ha
sido más fácil.

A mis amigas, las ajenas a la universidad, que han vivido conmigo la ilusión de cerrar
esta etapa. Gracias por la fuerza y el ánimo que solo vosotras sabéis transmitir.

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ÍNDICE GENERAL

1.- INTRODUCCIÓN ____________________________________________ 13
2.- EL SISTEMA DE AISLAMIENTO EN TRANSFORMADORES_________ 15
2.1. Aislamiento sólido en transformadores___________________________ 16
2.1.1. La celulosa_______________________________________________ 17
2.1.2 Proceso Kraft _____________________________________________ 19
2.1.3 El papel aislante ___________________________________________ 20
2.1.4. Propiedades del papel ______________________________________ 21
2.1.5. Características eléctricas del papel kraft ________________________ 29
2.2 Deterioro del aislamiento sólido en transformadores ________________ 33
2.2.1. Comportamiento de los aislantes sólidos. _______________________ 33
2.2.2. Pérdidas dieléctricas en el aislamiento sólido del transformador _____ 35
2.2.3 Degradación del papel aislante________________________________ 36
2.3.- Humedad en el aislamiento del transformador ____________________ 37
2.3.1 Importancia de la humedad en el aislamiento del transformador ______ 38
2.3.2 Origen de la humedad en el aislamiento del transformador __________ 39
2.3.3. Evaluación de la humedad en el aislamiento del transformador ______ 41
2.3.3.1 Curvas de equilibrio de humedad papel-aceite ____________ 42
3.- METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ______________________________ 51
3.1.- Instrumentos de medida. _____________________________________ 51
3.1.1 Karl Fischer_______________________________________________ 52
3.1.2 Equipo IDA 200____________________________________________ 54
3.1.3 Electrómetro Keithley 6517. __________________________________ 56
3.2. Celda de sólidos LDZ-5/S1. ___________________________________ 57
3.3.- Preparación de las muestras__________________________________ 58
3.4.- Cálculos previos ___________________________________________ 60
4.- RESULTADOS______________________________________________ 65
4.1 Resultados obtenidos con el valorador Karl Fischer _________________ 65
4.1.1 Comprobación de las curvas de Fessler_________________________ 65
4.2. Resultados obtenidos con el IDA 200____________________________ 72
4.2.1. Medición de la tangente δ ___________________________________ 72
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4.2.1.1 Tangente δ frente a la frecuencia_______________________ 73
4.2.1.2 Tangente δ frente a la humedad en el papel kraft __________ 78
4.2.2 Medición de la capacidad ____________________________________ 81
4.2.2.1 Capacidad frente a la frecuencia _______________________ 81
4.2.2.2 Capacidad frente a la humedad en el papel kraft___________ 86
4.2.3. Medición de la conductividad_________________________________ 89
4.2.3.1 Conductividad frente a la frecuencia: ____________________ 89
4.2.3.2. Conductividad frente humedad papel Kraft _______________ 94
4.2.4. Medición de la resistividad___________________________________ 97
4.2.4.1 Resistividad frente a la frecuencia.______________________ 97
4.2.4.2. Resistividad frente a la humedad en el papel Kraft ________ 102
4.3. Resultados obtenidos con el equipo Keithley _____________________ 105
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS _________________________________ 111
5.1 Efectos de la humedad y la temperatura en la tangente de delta ______ 112
5.2 Efectos de la humedad en la capacidad _________________________ 115
5.3 Efecto de la humedad en la conductividad _______________________ 118
5.4 Efectos de la humedad en la resistividad ________________________ 121
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ______________________ 125
BIBLIOGRAFÍA_______________________________________________ 129

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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Estructura química de la celulosa___________________________ 17
Figura 2: Polarización eléctrica en dieléctricos ________________________ 36
Figura 3: Redrawn de las curvas de EHV-Weidmann-Weidmann para el
equilibrio de la humedad del sistema del aceite-papel __________________ 43
Figura 4: Curva de Oommen. Humedad en el papel frente a humedad en el
aceite para sistemas de aislamiento papel/aceite en equilibrio____________ 44
Figura 5: % HR en el papel en función del % de la HR del ambiente _______ 45
Figura 6: Humedad en el papel en % en función de la humedad en el aceite en
PPM _________________________________________________________ 46
Figura 7: Presión de vapor en función de la humedad en el papel en % por
Oommen _____________________________________________________ 47
Figura 8: Curvas de Griffin. Curvas para el contenido de agua en sistemas
papel/aceite mineral en equilibrio __________________________________ 48
Figura 9: Humedad en el papel (%) frente a humedad relativa (%) de Fessler 49
Figura 10: Coulómetro Karl Fischer_________________________________ 52
Figura 11: Equipo de medida de la respuesta dieléctrica en el dominio del
tiempo de la frecuencia IDA200____________________________________ 54
Figura 12: Diagrama esquemático de bloques del sistema IDA 200________ 55
Figura 13: Equipo Keithley________________________________________ 56
Figura 14: Celda de sólidos LDZ-5/S1_______________________________ 57
Figura 15: Cámara climática ______________________________________ 59
Figura 16: Humedad en el papel frente a la humedad relativa del ambiente
(Fessler)______________________________________________________ 63
Figura 17: Humedad en el papel (%) frente a humedad relativa (%) de Fessler
_____________________________________________________________ 66
Figura 18: Curvas de Fessler _____________________________________ 67
Figura 19: Curvas de Fessler y Curvas experimentales _________________ 71
Figura 20: Tangente de delta frente a la frecuencia (Hz) para los 9 puntos
estudiados ____________________________________________________ 72
Figura 21: Tangente de delta frente a la frecuencia (Hz) para una misma
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temperatura de 20ºC ____________________________________________ 74
Figura 22: Tangente de delta frente a la frecuencia (Hz) para una misma
temperatura de 40ºC ____________________________________________ 75
Figura 23: Tangente de delta frente a la frecuencia (Hz) para una misma
temperatura de 60ºC ____________________________________________ 77
Figura 24: Tangente de delta frente a la humedad en el papel (%) ________ 79
Figura 25: Tangente de delta frente a la humedad en el papel (%) ________ 79
Figura 26: Tangente de delta frente a la humedad en el papel (%) ________ 80
Figura 27: Tangente de delta frente a la humedad en el papel (%) ________ 80
Figura 28: Capacidad (F) frente a la frecuencia (Hz) para los 9 puntos
estudiados ____________________________________________________ 81
Figura 29: Capacidad (F) frente a la frecuencia (Hz) para una misma
temperatura de 20ºC ____________________________________________ 82
Figura 30: Capacidad (F) frente a la frecuencia (Hz) para una misma
temperatura de 40ºC ____________________________________________ 84
Figura 31: Capacidad (F) frente a la frecuencia (Hz) para una misma
temperatura de 60ºC ____________________________________________ 85
Figura 32: Capacidad (F) frente a la humedad en el papel (%)____________ 87
Figura 33: Capacidad (F) frente a la humedad en el papel (%)____________ 87
Figura 34: Capacidad (F) frente a la humedad en el papel (%)____________ 88
Figura 35: Capacidad (F) frente a la humedad en el papel (%)____________ 88
Figura 36: Conductividad (S/m) frente a la frecuencia (Hz) para los nueve
puntos estudiados ______________________________________________ 89
Figura 37: Conductividad (S/m)) frente a la frecuencia (Hz) para una misma
temperatura de 20ºC ____________________________________________ 90
Figura 38: Conductividad (S/m)) frente a la frecuencia (Hz) para una misma
temperatura de 40ºC ____________________________________________ 92
Figura 39: Conductividad (S/m)) frente a la frecuencia (Hz) para una misma
temperatura de 60ºC ____________________________________________ 93
Figura 40: Conductividad (S/m) frente a la humedad en el papel (%)_______ 95
Figura 41: Conductividad (S/m) frente a la humedad en el papel (%)_______ 95
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Figura 42: Conductividad (S/m) frente a la humedad en el papel (%)_______ 96
Figura 43: Conductividad (S/m) frente a la humedad en el papel (%)_______ 96
Figura 44: Resistividad (Ω*m) frente a la frecuencia (Hz) para los nueve puntos
estudiados ____________________________________________________ 97
Figura 45: Resistividad (Ω*m) frente a la humedad en el papel (%) para una
misma temperatura de 20ºC ______________________________________ 98
Figura 46 : Resistividad (Ω*m) frente a la humedad en el papel (%) para una
misma temperatura de 40ºC _____________________________________ 100
Figura 47: Resistividad (Ω*m) frente a la humedad en el papel (%) para una
misma temperatura de 60ºC _____________________________________ 102
Figura 48: Resistividad (Ω*m) frente a la humedad en el papel (%) _______ 103
Figura 49: Resistividad (Ω*m) frente a la humedad en el papel (%) _______ 104
Figura 50: Resistividad (Ω*m) frente a la humedad en el papel (%) _______ 104
Figura 51: Resistividad (Ω*m) frente a la humedad en el papel (%) _______ 105
Figura 52: Resistividad (Ω*m) frente a la humedad en el papel (%) _______ 107
Figura 53: Resistividad (Ω*m) frente a la humedad en el papel (%) _______ 108
Figura 54: Comparación de la Resistividad (Ω*m) frente a la humedad en el
papel (%) ____________________________________________________ 109

ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Características técnicas de papel Kraff _______________________ 32
Tabla 2: Condiciones del entorno del IDA 200 ________________________ 55
Tabla 3: Condiciones de temperatura y humedad relativa estudiados ______ 60
Tabla 4: Valores teóricos de humedad en el papel según la ecuación de Fessler
_____________________________________________________________ 61
Tabla 5: Datos teóricos de la humedad en el papel en las condiciones del
estudio _______________________________________________________ 66
Tabla 6: Datos experimentales obtenidos con el valorador Kart Fischer ____ 68
Tabla 7: Datos teóricos y experimentales de la humedad en el papel ______ 71
Tabla 8: Valores de la tangente de delta a 20ºC _______________________ 73
Tabla 9: Valores de la tangente de delta a 40ºC _______________________ 75
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Tabla 10: Valores de la tangente de delta a 60ºC ______________________ 76
Tabla 11: Valores de la tangente de delta para diferentes frecuencias______ 78
Tabla 12: Valores de la capacidad a 20ºC____________________________ 82
Tabla 13: Valores de la capacidad a 40ºC____________________________ 83
Tabla 14: Valores de la capacidad a 60ºC____________________________ 85
Tabla 15: Valores de la capacidad para diferentes frecuencias ___________ 86
Tabla 16: Valores de la conductividad a 20ºC_________________________ 90
Tabla 17: Valores de la conductividad a 40ºC_________________________ 91
Tabla 18: Valores de la conductividad a 60ºC_________________________ 93
Tabla 19: Valores de la conductividad para diferentes frecuencias ________ 94
Tabla 20: Valores de la resistividad a 20ºC___________________________ 98
Tabla 21: Valores de la resistividad a 40ºC___________________________ 99
Tabla 22: Valores de la resistividad a 60ºC__________________________ 101
Tabla 23: Valores de la resistividad para diferentes frecuencias _________ 103
Tabla 24: Resistencia volumétrica obtenida con el equipo Keithley _______ 106
Tabla 25: Resistividad a partir del equipo Keithley ____________________ 106
Tabla 26: Resistividad obtenida con el IDA 200 ______________________ 107
Tabla 27: Tangente de delta a 0.0022 Hz ___________________________ 114
Tabla 28: Capacidad a 0.0022 Hz _________________________________ 117
Tabla 29: Conductividad a 0.0022 Hz ______________________________ 120
Tabla 30: Resistividad a 0.0022 Hz ________________________________ 123

ÍNDICE DE ECUACIONES
Ecuación 1: Volumen del aire _____________________________________ 22
Ecuación 2: Longitud de la ruptura _________________________________ 25
Ecuación 3: Índice de tensión _____________________________________ 25
Ecuación 4: Módulo de Young (1) __________________________________ 28
Ecuación 5: Módulo de Young (2) __________________________________ 28
Ecuación 6: Módulo de Young (3) __________________________________ 28
Ecuación 7: Curvas de humedad en el aceite _________________________ 45
Ecuación 8: Humedad relativa_____________________________________ 46
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