Análisis del efecto de vacuolas de aire en aislamiento de resina epóxica en el crecimiento de árboles eléctricos

Abstract

Uno de los principales mecanismos de degradación en el aislamiento polimérico de alta tensión es debido a la aparición y crecimiento de árboles eléctricos. Los árboles eléctricos son estructuras tubulares microscópicas iniciadas en lugares de elevado campo eléctrico, normalmente debido a elementos contaminantes o defectos en el material. Se a demostrado que el crecimiento de los árboles eléctricos está estrechamente relacionado a las características de las DP asociadas durante su crecimiento, siendo posible una gran variedad de análisis estudiando estas características. Debido a la naturaleza estocástica del crecimiento de árboles eléctricos junto a la gran variedad de variables que afectan su crecimiento y su importancia para los sistemas de potencia, este fenómeno a sido bastante estudiado en la literatura, siendo también el foco principal de esta memoria. En esta memoria se estudiará como la presencia de vacuolas de aire afectan al desarrollo de árboles eléctricos en probeta de resina epóxica, siendo un símil a el desarrollo de árboles eléctricos en aislamientos poliméricos. Con este propósito se ensayarán probetas con configuración de electrodos punta-placa, hechas con resina epóxica a las que se les inserta una vacuola de aire, variando tanto posición y volumen de esta. Estos ensayos se llevaron a cabo en el laboratorio de alta tensión de la Universidad Técnica Federico Santa María, con equipo especialmente reunido para el estudio de arborización eléctrica. Entre los equipos disponibles se cuenta con un transformador de alta tensión para energizar ensayo (hasta 24kV), una cámara de alta definición, un osciloscopio de alta tasa de muestreo y un equipo de medición de descargas parciales comercial, todo esto conectado a través de un circuito de sustracción para mejorar calidad de mediciones. Los ensayos se llevan a cabo energizando probeta con tensión de 14kV y 50Hz, llegando hasta ruptura de aislación. Para el análisis de datos obtenidos se tiene en cuenta el uso tanto de técnicas tradicionales PSA y PRPD, como de técnicas no tradicionales que usan la información de la forma de onda de las descargas parciales. Entre las técnicas basadas en la forma de onda de descarga parcial se encuentra el uso de mapas TF, mapas PR, parámetros de envolvente y funciones de energía acumulada principalmente, con el objetivo de intentar caracterizar probetas y vincular estos análisis al crecimiento de árboles eléctricos. Las probetas ensayadas fueron agrupadas en 3 categorías, según distancia de vacuola a punta de alta tensión, vacuola a distancia entre 1mm y 100µm, vacuola a distancia menor a 100µm y vacuola insertada en punta. Probetas con vacuola a distancia menor de 100µm, no pudieron desarrollar arboles eléctricos, incluso luego de varios días de ensayo. Probetas con vacuola insertada desarrollaron arboles eléctricos luego de entre 1 a 3 días de ensayo, los cuales crecían desde zona inferior de vacuola rápidamente (entre 1 a 5 horas), resultando en ruptura de aislación al tocar contraelectrodo, se identificó sensibilidad tanto en PRPD, PSA y parámetros de forma de onda durante crecimiento de árbol eléctrico. Para probetas con vacuola a distancia entre 1mm y 100µm, se identificaron 2 comportamientos, uno en que árbol no parece interactuar con vacuola y lo cual se justifica con falta de sensibilidad en técnicas de análisis, mientras que en otro comportamiento se tiene una clara interacción con vacuola, teniendo árbol eléctrico contacto con la imperfección, engrosándose sus ramas y presentando una acelerada ruptura. En el comportamiento donde árbol eléctrico ii interactúa con vacuola a mitad de crecimiento se nota una gran sensibilidad y patrones tanto en PRPD, PSA y parámetros de forma de onda, los cuales presentan cambios tanto cuando el árbol llega a imperfección y durante todo el crecimiento del árbol eléctrico, siendo posible caracterizar este comportamiento según comportamiento de descargas parciales. Junto a resultados experimentales, se desarrolla una simulación estática de campo eléctrico en software FEMM. En esta simulación se plasman 3 configuraciones mencionadas y se obtiene distribución de campo eléctrico sin considerar presencia de árbol eléctrico, esto con el objetivo de desarrollar hipótesis para resultados obtenidos. Estas simulaciones resultaron en, primero que probetas con punta insertada presentan altos campos eléctricos en superficie de vacuola, lo que posiblemente como se vio en ensayos provoca erosión de vacuola y esta erosión propicia arborización eléctrica desde vacuola. Mientras que para probetas con vacuola cercana esta distancia es suficiente para que se genere un canal hacia vacuola, pero no para generar arborización, debido a la gran inhomogeneidad de la configuración hay una disminución muy notoria de campo eléctrico hacia vacuola lo que como se vio en resultado experimental hace mucho más lento proceso de erosión de vacuola. Por último, para caso de vacuola a distancia mayor a 100µm, se pudo comprobar que la distorsión en campo eléctrico provocada por la vacuola es de baja magnitud, siendo menos relevante en iniciación de árbol, provocando como se vio en ensayos, que haya una probabilidad que árbol eléctrico interactúe con la imperfección, pero también puede suceder que no exista esta interacción, por la naturaleza estocástica del fenómeno de arborización.