Application of nanodielectric fluids for the improvement of the insulation system of power transformers

• Autores: Víctor Antonio Primo Cano
• Directores de la Tesis: Belén García de Burgos (dir. tes.), Juan Carlos Burgos Díaz (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2020
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Ricard Bosch Tous (presid.), Inmaculada Fernández Diego (secret.), Luis Díaz (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de Madrid
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Ingeniería y tecnología químicas
    • Ingeniería y tecnología eléctricas
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
• Resumen

  • El transformador de potencia es uno de los elementos más importantes de los sistemas eléctricos. Garantizar la fiabilidad de estos equipos es vital para conseguir una adecuada operación de la red eléctrica. Los fallos en los transformadores pueden provocar interrupciones del suministro y derivar en fallos catastróficos que frecuentemente llevan aparejados enormes pérdidas económicas.

    Uno de los elementos principales de los transformadores es su sistema de aislamiento compuesto a su vez por el aislamiento sólido y el aislamiento líquido. El aislamiento está constituido por piezas de materiales derivados de la celulosa como son el papel Kraft o el cartón prensado. El aislamiento líquido es habitualmente un aceite mineral, derivado del petróleo, aunque en los últimos años se está extendiendo el uso de fluidos alternativos como son los ésteres naturales y sintéticos. El aislamiento líquido de un transformador tiene dos misiones principales. Por una parte, actúa como refrigerante, disipando las pérdidas caloríficas generadas en la parte activa del transformador durante la operación del equipo. Adicionalmente, el aceite actúa como fluido dieléctrico impregnando el aislamiento celulósico y proporcionando aislamiento eléctrico entre los elementos del transformador que operan a distinto nivel de tensión.

    Desde el descubrimiento de los nanomateriales ha surgido un nuevo campo de estudio en el que se trabaja para entender los mecanismos físicos que tienen lugar en estos materiales y se buscan nuevas aplicaciones para los mismos. En los últimos años varios autores han propuesto la aplicación de la nanotecnología a la mejora de las propiedades térmicas y dieléctricas de los fluidos aislantes empleados en los transformadores de potencia.

    En esta tesis se lleva a cabo una investigación para analizar cómo la adición de nanopartículas de Fe3O4 modifica las propiedades de los aceites minerales y los ésteres naturales. La tesis está centrada en la evaluación de las propiedades dieléctricas de los fluidos obtenidos, aunque también analiza algunos aspectos como los procesos de fabricación y la estabilidad de los nanofluidos dieléctricos.

    En la primera parte del trabajo se desarrolla un protocolo experimental para la fabricación de nanofluidos dieléctricos con base aceite mineral y éster natural obteniendo conclusiones experimentales y teóricas que pueden ser aplicadas a la optimización del proceso de fabricación. Además, se lleva a cabo un estudio exhaustivo para evaluar la estabilidad de los nanofluidos en los que se consideran las condiciones de operación reales a las que se estarían sometidos los fluidos al operar en un transformador en servicio.

    Después se realiza una evaluación experimental de las propiedades dieléctricas de los nanofluidos con base aceite mineral y éster natural. Se evalúa la tensión de ruptura de los fluidos ante sobretensiones de frecuencia industrial y sobretensiones tipo rayo. Se analiza el efecto de la presencia de agua en las propiedades dieléctricas de los fluidos base y los nanofluidos descubriendo un mecanismo, por el cual la presencia de nanopartículas modifica la solubilidad del agua en el fluido base, que explica las observaciones experimentales. Se lleva a cabo un detallado análisis estadístico de los resultados experimentales para comparar los nanofluidos con los fluidos base empleados, determinando parámetros relevantes para el diseño del transformador como son las tensiones de ruptura para bajas probabilidades de fallo. El estudio se repite para nanofluidos con distintas concentraciones de partículas con el fin de dilucidar cómo afecta la presencia de nanopartículas a las propiedades de los distintos tipos de fluidos y tratar de explicar los mecanismos físicos que ocurren cuando los nanofluidos se somete a solicitaciones dieléctricas.