Tanques CT sumergidos en aceite: Discos N4700 frente a absorción de aceite

Tanques CT sumergidos en aceite: Discos N4700 frente a absorción de aceite

Compendio

Los tanques de tomografía computarizada y rayos X industriales sumergen la etapa de alto voltaje en aceite aislante, que mantiene una tensión superior a 15 kV/mm y disipa el calor de los componentes. Este aceite también penetra en la carcasa del condensador, donde se originan la mayoría de las fallas a largo plazo. Este artículo describe las relaciones de absorción, campo y Weibull, los pasos de selección y los parámetros del condensador que ralentizan la disminución de la rigidez dieléctrica.

1. Introducción

Los escáneres de tomografía computarizada, las máquinas de rayos X y los detectores de fallas industriales suelen ubicar la etapa de alto voltaje dentro de un tanque de aceite. Los transformadores, las cadenas multiplicadoras, los condensadores de filtro y las resistencias de muestreo se encuentran sumergidos en aceite mineral o éster sintético. El aceite aislante soporta más de 15 kV/mm, lo que reduce el tamaño del espacio, y su conductividad térmica disipa el calor de los componentes.

Los condensadores de disco de alta tensión soportan una alta tensión de ruptura con bajas pérdidas, en un encapsulado pequeño y a un precio moderado. Son la opción más común para el filtrado y el almacenamiento de energía dentro de un tanque de ese tipo.

Los datos de servicio posventa muestran un patrón. En tanques con más de cinco años de uso, muchas fallas en los condensadores de disco no se originan en el cuerpo cerámico, sino en la interfaz entre la carcasa de epoxi y el aceite. La inmersión prolongada a alta temperatura permite que el aceite penetre en el epoxi, lo que ablanda la carcasa, abre el sello y distorsiona el campo. Posteriormente, se produce una descarga parcial y la rigidez dieléctrica disminuye.

Este artículo analiza la rigidez dieléctrica de un condensador de disco sumergido en aceite a lo largo de su vida útil, así como los procesos y las medidas de selección que ralentizan su deterioro.

2. Mecanismo central

2.1 Absorción de aceite en el caso

Los condensadores de disco utilizan resina epoxi o un sistema epoxi-anhídrido como carcasa. Su temperatura de transición vítrea (Tg) determina la resistencia mecánica y la calidad de la barrera a altas temperaturas. Los hidrocarburos aromáticos, los sulfuros y las moléculas antioxidantes presentes en el aceite se difunden en la resina epoxi a altas temperaturas, lo que provoca su hinchazón y ablandamiento. La relación de hinchamiento es la siguiente:

S = (M_s / M_d) − 1

donde S es la relación de hinchamiento, M_s la masa después de la inmersión y M_d la masa seca.

Una resina epoxi estándar, sumergida en aceite mineral a 120 °C durante 1000 h, alcanza una S = 2–5%, y la Tg disminuye entre 10 y 25 °C. Por debajo de esta nueva Tg, la carcasa se vuelve gomosa, perdiendo resistencia mecánica y capacidad de aislamiento simultáneamente.

2.2 Absorción de aceite y resistencia a la degradación

El aceite absorbido tiene una constante dieléctrica cercana a 2.2, frente a 3.5–4.5 para la resina epoxi. El campo se divide en proporción inversa a la constante dieléctrica. Por lo tanto, un pequeño poro lleno de aceite experimenta un campo más intenso que la resina epoxi que lo rodea.

E_void / E_epoxy = ε_epoxy / ε_void

donde E_void es el campo dentro del poro, E_epoxy el campo en el epoxi, ε_epoxy la constante dieléctrica del epoxi y ε_void la constante dieléctrica del aceite en el poro.

Con ε_epoxy = 4.0 y ε_void = 2.2, E_void es 1.82 × E_epoxy. Una vez que el campo local supera la rigidez dieléctrica del aceite, aproximadamente 10–15 kV/mm, comienza la descarga dentro del poro. Las descargas repetidas expanden el poro hasta formar una grieta que alcanza la superficie cerámica. Los datos medidos muestran una caída del 3–6 % en la tensión de ruptura de CC por cada 1 % de absorción de aceite.

2.3 Delaminación por ciclos térmicos

El equipo de tomografía computarizada (TC) realiza ciclos de temperatura entre 0 °C y 70 °C, incluyendo reposo, precalentamiento, exposición y enfriamiento. La cerámica se expande a una velocidad aproximada de 7 ppm/K, la resina epoxi entre 50 y 70 ppm/K, y el aceite cerca de 700 ppm/K. Estas velocidades difieren en un factor de diez o más, por lo que cada ciclo genera una tensión de cizallamiento en la interfaz. Una vez superada la resistencia de adhesión, las capas se separan, dejando un espacio de aire en forma de cuña o disco.

El área deslaminada aumenta con el número de ciclos:

A_delam = A0 · (1 − exp(−N / N0))

donde A_delam es el área delaminada, A0 el área más grande que puede perder la interfaz, N el número de ciclos térmicos y N0 un recuento de ciclos característico establecido por los materiales, la variación de temperatura y el tipo de aceite.

Después de que N supera varias veces N0, el área deja de crecer, pero el canal de descarga en el espacio de aire ya está establecido. El aire tiene una constante dieléctrica cercana a 1, por lo que el campo se concentra aún más en ese espacio.

2.4 Riesgo de avería durante la vida útil

Los ingenieros utilizan la distribución de Weibull para evaluar la vida útil de un condensador de alto voltaje:

F(t, V) = 1 − exp[−(t / η)^β]

donde F(t, V) es la probabilidad de avería, t el tiempo de funcionamiento, η la vida útil característica y β el parámetro de forma.

Dentro de un tanque de aceite, la eficiencia (η) disminuye a medida que aumenta la temperatura y la absorción de aceite. Los datos medidos muestran una caída del 40 al 60 % en η cuando la absorción pasa del 0.3 % al 2.5 %. Para un condensador de filtro crítico, planifique el intervalo de reemplazo a partir de la curva del peor caso.

Figura 1 — Trayectoria de absorción de aceite desde la hinchazón de la resina epoxi hasta una pérdida del 40-60% de la vida útil característica en el tanque.

3. Puntos débiles de la ingeniería

Punto débil 1: Factor de pérdida tras la absorción del aceite.

Una carcasa de epoxi estándar puede presentar una tangente de pérdida (tanδ) de entre 0.1 % y más de 0.4 % tras absorber aceite. Un factor de disipación de potencia (DF_eff) mayor a la tensión de funcionamiento genera calor. Consideremos un filtro de 30 kV y 470 pF a 80 kHz: cuando el DF_eff pasa de 0.15 % a 0.45 %, la pérdida reactiva se triplica aproximadamente y la temperatura superficial aumenta entre 15 y 20 °C. Esta mayor temperatura acelera el siguiente ciclo de envejecimiento.

Punto débil 2: El voltaje de Inception cae primero

En la fase inicial de una microfisura o delaminación, la capacitancia, la tensión de ruptura y la resistencia de aislamiento aún pueden superar los límites. La tensión de inicio de descarga parcial (PDIV) ya ha disminuido entre un 20 % y un 40 %. Los tanques de campo rara vez cuentan con monitorización de descargas parciales en línea, por lo que el primer indicio es la formación de arcos eléctricos, un aumento del ruido o un tanque quemado. En un caso de servicio de transformadores de corriente, se encontró que aproximadamente el 35 % de los condensadores de disco en un tanque de seis años de antigüedad presentaban una PDIV inferior al 60 % de la tensión nominal.

Punto crítico 3: Degradación y contaminación del petróleo

El aceite se oxida bajo el calor y las tensiones mecánicas, formando ácidos orgánicos, humedad y partículas. Estos productos reaccionan con los grupos polares de la resina epoxi, lo que reduce la resistencia interfacial y la rigidez dieléctrica. Un intervalo prolongado entre cambios de aceite o un tratamiento inadecuado del mismo pueden provocar una falla prematura de un condensador en buen estado en tan solo 2 o 3 años.

4. Pasos del diseño

Estrategia 1: Utilizar una resina epoxi de baja absorción y alta Tg.

Especifique un material de carcasa que absorba menos del 0.5 % y pierda menos de 5 °C de Tg después de 1000 h en aceite mineral a 120 °C. Los nanofillers inorgánicos, como el nano-SiO2 y el Al2O3, reducen el volumen libre, aumentan la densidad de reticulación y mejoran la conductividad térmica. HVC utiliza un sistema epoxi de baja polaridad y alta reticulación con una absorción medida inferior al 0.3 %.

Estrategia 2: Reforzar la unión cerámica-epoxi

Biselar las paredes laterales y las esquinas de los electrodos terminales del cuerpo cerámico, y aplicar una capa amortiguadora para evitar la acumulación de tensiones en la interfaz. Tratar la superficie cerámica con un agente de acoplamiento de silano para mejorar la adhesión. Un aumento del 30 % en la resistencia al cizallamiento interfacial eleva el umbral de delaminación mucho más allá del número de ciclos térmicos de un sistema de tomografía computarizada.

Estrategia 3: Convertir el PD en la prueba de aceptación

Establezca la descarga parcial (DP) por debajo de 5 pC a 0.8 veces la tensión nominal como prueba de fábrica y de entrada, y deje de confiar únicamente en la resistencia de aislamiento y la rigidez dieléctrica. Realice la prueba en un baño de aceite a la temperatura de funcionamiento, ya que una lectura de DP tomada en el aire no coincide con el resultado obtenido en aceite caliente.

Estrategia 4: Gestionar el petróleo y la temperatura del tanque.

Compruebe periódicamente que la rigidez dieléctrica del aceite sea superior a 30 kV por 2.5 mm, el contenido de agua inferior a 20 ppm y el índice de acidez inferior a 0.05 mgKOH/g. Mantenga la temperatura del tanque a 70 °C. Cada 10 °C que se reduce la temperatura del aceite disminuye aproximadamente a la mitad la tasa de oxidación, por lo que mantener la temperatura máxima prolonga su vida útil.

Estrategia 5: Dejar margen de voltaje y temperatura.

Dado que la rigidez dieléctrica disminuye con el tiempo en aceite, mantenga un margen de CC de al menos el 30 % por encima de la tensión de funcionamiento. Dimensionar el diseño térmico considerando el peor escenario posible de alta temperatura ambiente y alta frecuencia de repetición, con un margen de 10 °C. Un componente que opera al límite de las especificaciones no tiene margen para la disminución de la rigidez dieléctrica.

Estrategia 6: Demostrar la viabilidad con una prueba acelerada.

Realice una prueba de envejecimiento por inmersión en aceite a alta temperatura. Luego, convierta el resultado con el modelo de Arrhenius:

L_actual = L_accel · exp[(Ea / k) · (1 / T_actual − 1 / T_accel)]

donde L_actual es la vida útil a la temperatura de servicio, L_accel la vida útil medida en la prueba, Ea la energía de activación, típicamente 0.6–0.9 eV para un sistema de aceite epoxi, k la constante de Boltzmann, y T_actual y T_accel las temperaturas absolutas en kelvin.

Tras un remojo de 1000 horas a 125 °C, se deja reposar durante 5-8 años a 70 °C manteniendo el mismo nivel de resistencia.

Parámetro del componente	Valor típico	Condición de prueba
Tensión nominal (serie HVCT8G)	10 kV DC	alto potencial 1.5× durante 60 s
Capacidad	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
ESR a 1 MHz	por debajo de 50 mΩ	-
Inductancia de bucle (cuerda E40)	por debajo de 8 nH	Espacio entre terminales de 40 mm
resistencia de aislamiento	superior a 10 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60 % HR
Rango de temperatura	−40 °C a +125 °C	Serie IEC 60068-2
Capacidad de dv/dt de pulso	por encima de 50 kV/µs	a tensión nominal

5. Condensadores HVC para este nodo

Un condensador de disco en un tanque de aceite de transformador de corriente (TC) está expuesto durante años a aceite a 70 °C, a un campo magnético que se concentra en cada hueco y a un tanque que no se abre periódicamente. HVC fabrica una serie de condensadores resistentes al aceite para este fin en su propia fábrica de 6,000 m² en Dongguan, con una gama de voltajes que va desde 1 kV hasta 150 kV.

Seis parámetros que importan aquí

• Absorción de aceite inferior al 0.3 % tras 1000 h en aceite mineral a 120 °C. Una resina epoxi de baja polaridad y alto grado de reticulación con nanofiller protege la superficie de la carcasa contra el aceite.
• Retención de Tg superior al 95%. La carcasa se mantiene vítrea durante el período de servicio, por lo que la resistencia mecánica y la calidad de la barrera se conservan.
• DF_eff inferior al 0.2% a tensión nominal. A Dieléctrico de clase I Mantiene las pérdidas bajas, de modo que el aceite absorbido no se convierta en un problema de calentamiento.
• Dispersión diferencial inferior a 5 pC a 0.8 veces la tensión nominal. Cada componente se somete a pruebas de muestreo en un baño de aceite a temperatura simulada, de modo que cualquier microfisura o deslaminación se detecta en fábrica.
• Activación de la superficie y recubrimiento amortiguador sobre la cerámica. Una mayor adhesión interfacial aumenta el número de ciclos térmicos que la interfaz puede soportar antes de separarse.
• Referencia cruzada con marcas de primer nivel. Las piezas HVC coinciden con los parámetros eléctricos de Vishay HVCC, Murata DHS/DHR y TDK UHV/FHV, que presta servicios de reacondicionamiento de tanques y constituye una segunda fuente para su reparación.

Para un voltaje más alto por unidad en un tanque alto, el HVCT8G La serie de terminales de tornillo soporta 10 kV por pieza y mantiene una distancia de aceite corta.

Para el divisor que establece el nivel de retroalimentación de kV, un Resistencia de muestreo HVRGHP Mantiene su proporción en función de la temperatura y frente a una exposición prolongada al aceite.

Para equilibrar y amortiguar dentro del tanque, HVR-BSP Las resistencias de película gruesa soportan la misma inmersión sin que se produzca un cambio en su valor.

Para el rectificador y la trayectoria de rueda libre, se suministran HVC. diodos rectificadores sometido a la misma prueba de descarga parcial.

Entrega y soporte

Los repuestos estándar se envían en 4 a 8 semanas, en comparación con el plazo habitual de 20 a 30 semanas de las marcas mencionadas anteriormente. El departamento de ingeniería de aplicaciones de HVC ofrece soporte para la revisión de la compatibilidad con aceites, la verificación de los procesos de encapsulado y sellado, los planes de detección de descargas parciales y el diseño de pruebas de vida aceleradas.

Envíe la tensión de funcionamiento, la capacitancia, el tipo y la temperatura del aceite, la presión del depósito y la vida útil requerida. HVC le enviará una hoja de compatibilidad de condensadores con datos de absorción a las 1000 h, registros de pruebas de descargas parciales y un kit de evaluación de dos muestras en un plazo de cinco días laborables.

6. Preguntas frecuentes

P1: ¿Por qué fallan los condensadores de disco en un tanque de petróleo después de cinco años?

El fallo se inicia en la superficie de la carcasa. El aceite penetra en la resina epoxi, que se hincha y ablanda, y la temperatura de transición vítrea (Tg) disminuye entre 10 y 25 °C. Posteriormente, la interfaz se separa durante los ciclos térmicos, dejando un espacio de aire donde se concentra el campo eléctrico y la descarga parcial erosiona el aislamiento.

P2: ¿Cuánto cuesta la absorción de aceite en cuanto a la resistencia a la rotura?

Aproximadamente entre un 3 y un 6 % de la tensión de ruptura de CC por cada 1 % de absorción de aceite. Un epoxi estándar alcanza entre un 2 y un 5 % de absorción después de 1000 h a 120 °C. El mecanismo es la división de campo: E_vacío / E_epoxi = ε_epoxi / ε_vacío, por lo que con ε_epoxi = 4.0 y ε_vacío = 2.2 el poro percibe 1.82 veces el campo circundante.

P3: ¿Por qué el aceite penetra en la resina epoxi?

Debido a que las moléculas pequeñas se difunden en la red polimérica a altas temperaturas, los hidrocarburos aromáticos, los sulfuros y los aditivos antioxidantes se desplazan hacia el volumen libre de la resina epoxi, lo que provoca la hinchazón de la carcasa y una disminución de la Tg. Una resina epoxi de alta densidad de reticulación con nanofiller inorgánico reduce el volumen libre, por lo que la absorción se mantiene por debajo del 0.3 %.

P4: ¿Qué límite de PD debe cumplir un condensador de tanque de CT?

Inferior a 5 pC a 0.8 veces la tensión nominal, medida en baño de aceite a la temperatura de funcionamiento. La capacitancia, la tensión de ruptura y la resistencia de aislamiento pueden pasar en una pieza que ya se descarga dentro de un poro, por lo que la prueba de descarga parcial (DP) es determinante. Mida en aceite, ya que una lectura en aire no coincide con las condiciones de servicio.

P5: ¿Con qué frecuencia se debe analizar el aceite del tanque?

Según un cronograma fijo y después de cualquier reparación, verifique la rigidez dieléctrica por encima de 30 kV por 2.5 mm, el contenido de agua por debajo de 20 ppm y el índice de acidez por debajo de 0.05 mgKOH/g. Mantenga el tanque a 70 °C o menos, ya que cada 10 °C de descenso reduce aproximadamente a la mitad la velocidad de oxidación y la acumulación de ácido.

P6: ¿Cómo puedo demostrar una vida útil de 5 años en el laboratorio?

Utilice un tratamiento térmico de Arrhenius. L_actual = L_aceleración · exp[(Ea / k) · (1 / T_actual − 1 / T_aceleración)], con Ea cerca de 0.6–0.9 eV para un sistema de epoxi-aceite. Un tratamiento térmico de 1000 h a 125 °C seguido de un reposo de 5–8 años a 70 °C, y la retención de la rigidez dieléctrica es el valor que debe reportar.

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