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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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