fr3 application spanish r3
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Envirotemp FR3 Fluid
Dielectric Fluids Application
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Bienvenidos
> Gracias por tomarse el tiempo de sus apretadas agendas para asistir a esta conferencia de líquidos dieléctricos. Los objetivos son: – Establecer cómo se valida un fluido dieléctrico para uso en
transformadores
– Resaltar las similitudes entre el aceite mineral y ésteres naturales / sintéticos
– Resaltar las diferencias entre el aceite mineral y ésteres naturales / sintéticos
– Describir cómo cada fluido impacta el diseño y funcionamiento del transformador
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Puntos principales de la conferencia:
> FR3 es el “fluido alternativo” mas cercano al aceite mineral, pero es químicamente distinto. Diferente = oportunidad de obtener valor.
> La interacción entre el aislamiento sólido y fluido FR3 aporta un gran potencial para la reducción del costo.
> Es acepto que se entiende completamente aceite mineral, pero este conocimiento tardó varias décadas y muchas fallas prematuras de los transformadores.
> Un conjunto completo de investigaciones y pruebas equivalentes é presentado por Cargill hoy, sin tener que experimentar las fallas.
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Puntos principales de la conferencia:
> En la industria de los transformadores mundial está aumentando el uso de los ésteres en los transformadores.
> Actuales limitaciones de temperatura del transformador están empezando a ser reconocidas como "restricciones de los sistemas basados en aceite mineral”.
> Nuevas normas indican los límites de temperatura “sistemas basados en ésteres” son significativamente más altos, manteniendo la vida útil esperada para el equipo.
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Contacto Alan Sbravati
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Fono (55 11) 5099-3510
Movil (55 11) 9 5438 0209
e-mail [email protected]
Web www.cargill.com.br
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Histórico Transformadores en Aceite
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1880s Patente Concepto Llenado de Aceite
1892 Primer Prototipo Construido por GE
1899 Fabricación 1° Aceite Exclusivo p/ Transformador
1930 Introducción Askarel, No-Inflamable Punto de Combustión No Mensurable
1970s Publicación Restricciones a PCB • Restricciones ambientales y de Salud • Introducción de los Fluidos Alternativos
1978 Reconocimiento NEC® - Punto de Combustión mínimo de 300°C
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Fluidos Resistentes al Fuego
> Fluido R-Temp (HMWH) - 1975
– Alto Punto de Combustión
– Más de 120.000 Instalaciones sin reporte de Incendios
> Silicona (Sintético)
> Envirotemp 200 -1984 (Ester Sintético)
– Excelente Desempeño
– Alto Costo – Aplicaciones Especiales
> Envirotemp FR3 -1996 (Ester Natural)
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¿Qué se necesita para desarrollar un fluido refrigerante para aplicaciones en transformadores?
> Deben ser buenos aislantes (fluido dieléctrico)
> Deben transferir calor (fluido refrigerante)
> Deben superar la vida útil del equipo
– Envejecimiento del líquido (parámetros del petróleo) y equipos (los parámetros del sistema de aislamiento)
> Deben ser buenos transmisores de información útil (Diagnósticos = Operación y Mantenimiento)
– DGA y pruebas físico-químicas
> Deben ter costo competitivo y Disponibilidad
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¿Cómo fue el líquido refrigerante dieléctrico éster natural FR3 desarrollado y validado?
> La preocupación de la estabilidad oxidativa de los aceites vegetales naturales impidieron previamente su uso.
> La investigación sobre los aceites vegetales se inició en 1991. Más de 40 tipos de aceites y combinaciones de composición de bases fueran evaluados.
> Formulación seleccionada en 1993, después de seguido un programa de validación significativo y robusto
> Soluciones:
– Selección óptima de los aceites base.
– Aditivos especiales de grado alimentario.
– Diseño del transformador excluyendo respiración libre.
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¿Cómo fue el líquido refrigerante dieléctrico éster natural FR3 desarrollado y validado?
> Mayor porcentaje de ácidos grasos insaturados resulta en una menor viscosidad y bajo punto de fluidez.
> Mayor porcentaje de ácidos grasos saturados resulta una mayor resistencia a la oxidación.
> Clave es encontrar un equilibrio óptimo.
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¿Como calificar el fluido refrigerante para aplicaciones en transformadores?
> Para el equipo de la clase de distribución, los conocimientos de Cooper Power Systems fueran utilizados para desarrollar el programa de validación
> Para el equipo de la clase de potencia, el experto Harold Moore fue consultado:
– Se requiere equipo especial: los laboratorios de la industria no eran capaces de producir resultados sin aumentos significativos en la capacidad de generación de impulsos
– Referencia “ICHVE Papers”
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Validación (1991-2010)
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1991
investigación
es iniciada
Formulación
seleccionada
Prueba de
vida de
aislamiento
Pruebas de vida acelerada
en escala real empezaron Voltaje de encendimiento
de descarga parcial
2010
Importante inversión de capital en la validación
US EPA provee
Verificación de la
Tecnología
Ambiental
Norma ASTM
natural éster
Publicación de el
Guía da IEEE para
Esteres Naturales
Power OEM Design Test
Oil Gap withstand, Creep ,
‘Harold Moore Test Matrix’
Pruebas de
]partida en frio Compatibilidad
de componentes
Toxicidad
Pruebas
Dieléctricas Gases
Disueltos
Medir las propiedades
esenciales
Pruebas
Resistencia
al Fuego
BEES
Sostenibilidad
2000
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Matriz de Pruebas Harold Moore (Terminada en 2010)
1
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Fluids Development Test Planning July 13, 2009Tests
60 Hz AC Full Wave Chopped Wave Switching Surge
Test Test + - + - + - + - + - + -
Laboratory Description Gaps FR3 M.O. FR3 M.O. FR3 M.O. FR3 M.O.
Franksville Frog legs 3 mm X X X X X X X X X X X X X X
with Spacers 5 mm X X X X X X X X X X X X X X
8 mm X X X X X X X X X X X X X X
12 mm X X X X X X X X X X X X X X
Doble Oil gap 12 mm X X X X X X X X X X X X X X
Waukesha ES Oil gap 12 mm X X X X
20 mm X X
25 mm X X X X X X X X X X X X X X
30 mm X X
35 mm X X
40 mm
50 mm X X X X X
EHV Weidmann Creep 10 mm X X X X X X
(w/ 60 Hz AC PD) 20 mm X X X X X X
20 mm Bare X X
35 mm X X X X X X X X
35 mm Bare X X
45-50 mm Q4 Q4 Q4 Q4 Q4 Q4
45-50mm Bare X X
Creep after air 35mm-1 mo X X Q4 X
oxidation 35mm-2 mo X X X X
35mm-3 mo X X Q4 Q4
35mm-6 mo Q4 Q4 Q4 Q4
EHV Weidmann Oil Gap 10 mm X X Q4 Q4
Insulated 20 mm Q4 X Q4 Q4
Electrodes 35 mm Q4 X Q4 Q4
50 mm ? ? ? ?
Waukesha ES LTC Contact Creep Contact X X X X X X
UO Stuttgart Reinhausen Air exposed X X X X X X
Tap Rod with Vacuum X X X X
PowerTec Large Oil Gap 50 mm Q4 X Q4 Q4 X X Q4 Q4 X X
Bushing shield 100 mm Q4 Q4 Q4 Q4 Q4 Q4 Q4 Q4 Q4 Q4
to ground plane 150 mm Q4 Q4 Q4 Q4 Q4 Q4 Q4 Q4 Q4 Q4
200 mm Q4 Q4 Q4 Q4 X X Q4 Q4 Q4 X
X = Testing has been completed
Issued PO's and in-progress
X = Dielectric strength of test samples is beyond lab capability (testing stopped Q2-2009).
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Pruebas Dieléctricas
> Todas las pruebas realizadas simultáneamente en aceite mineral y fluido FR3.
– El motivo es asegurarse de que la prueba sea válida (resultados para aceite mineral, sean conforme los valores conocidos), y comparar los resultados.
> La cantidad de pruebas de validación ha superado 270, con mas de 30 tercera partes que han contribuido (ejemplos abajo)
1
5
University of Manchester - England
University of Hannover - Germany
University of New South Wales -
Australia
Monash University - Australia
Doble
Weidmann EHV
Weidmann Labs
Quality Switch
University of Cincinnati
University of Graz - Austria
TJH2B Labs
Reinhausen
Cooper Power Systems - Franksville
FM Global
Underwritten Laboratories (UL)
Powertech Labs
SPX Transformers
SD Myers
EPRI
US Dept of Commerce - NIST
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Comparación de los fluidos dieléctricos Electrical Properties
Test Method M.O. FR3 Fluid DC 561
Dielectric
Breakdown
(kV)
2mm gap,
lab
ambient
D-1816 62 48-75 43
1mm gap,
lab
ambient
D-1816 31 28
Dissipation
Factor
25C D-924 0.010 0.023-0.103 0.007
100C 0.050 0.67-3.86 0.0015
Volume
Resistivity
(1012-cm)
D-1169 200 20 1000
DC Leakage
(µA)
CPS 0.01 0.04
Dielectric
Constant
2.2 3.2 2.26
Impulse
Strength (kV)
D-3300 269 226 223
Gassing
Tendency
(µL/min)
D-2300 +6 -79
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Comparación de los fluidos dieléctricos
Physical Properties
Test Method M.O. FR3 Fluid DC 561
Appearance D-1524 Clear &
bright
Clear & lt
green
Clear &
bright
Color D-1500 L-0.5 L-0.5 L-0.5
Flash Point
(ºC)
D-92 150 330 300
Fire Point (ºC) D-92 165 360 343
Auto ignition
Temp (ºC)
E-659 225-228 401-404 399-402
Viscosity (cSt)
40 ºC D-445 9.2 33.5 37
100 ºC D-445 2.3 8.0 15
Pour Point
(ºC)
D-97 -50 -21 -55
Heat Capacity
(J/gºC
50 ºC E-1269 1.92 2.11
Thermal
Expansion
(ºC-1)
D-2300 .000795 .00074 .000104
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Comparación de los fluidos dieléctricos
Chemical Properties
Test Method M.O. FR3 Fluid DC 561
Water Content
(mg/kg)
D-1533B 12 50
Acid Number
(mgKOH/g)
D-974 0.01 0.02-0.06 0.002
Interfacial
Tension
(dynes/cm)
D-971 47 20-25 44.6
Environmental Properties
Biochemical
Oxygen
Demand
(ppm)
5-day
SM5210B
6 250
Chemical
Oxygen
Demand
(ppm)
SM5220D 82 560
BOD/COD
ratio (%)
7 45
Aquatic
Biodegradabili
ty (%)
OECD 301B 30-35 > 99
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Resumen comparativo de los Fluidos
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ACEITE MINERAL
Excelente confiabilidad
Bajas temperaturas y bajas pérdidas
Menor Costo del fluido
Capacidad de diagnóstico
Peligro de incendio en las zonas sensibles
El aumento de Regulación Ambiental
Preocupaciones azufre corrosivo
CAST RESIN DRY TYPE
Bueno para áreas limpias, internas
Sin riesgo de derrames en suelo
Temperaturas y pérdidas mayores
Sensible a la sobrecarga y armónicos
Limpieza periódica requerida
Pruebas de diagnóstico mínimas
Preocupaciones de la vida de servicio
Alto costo inicial y de servicio
SILICONA
Seguridad contra incendios y confiabilidad
Bajas temperaturas y pérdidas
Costo Superior
Capacidad de diagnóstico limitada
Refrigerante y dieléctrico inferior
No Apto como medio de conmutación
Aspectos medioambientales - No Biodegradable
FLUIDO FR3
Seguridad contra incendios y confiabilidad
Biodegradable
Sustentable, Fuentes Renovables
Prolonga la vida útil de aislamiento sólido
Huella de carbono neutral
Capacidad de diagnóstico
Mayor costo si transformador no fue optimizado
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Aceptación en el mercado
2
0
(1999-2010)
1999 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
Primero rellenado GSU
69 kV, 50 MVA
SMUD
Primera utilidad
Convertido 100%
equipos de
distribución
Primero
GSU nuevo
US EPA provee
Verificación de la
Tecnología
Ambiental
Primero
Transformador
De Potencia
Primera
subestación
Móvil
Rellenados
en 230kV
Rellenado de GSU
200 MVA / 161kV
Aplicación
comercial
para OEMs
Norma ASTM
natural Ester
Principales utilidades
en US ha convertido
100% en distribución
100th
Transformador de
Potencia instalado
Primero
reator
242 kV
2010
Utilidad en Filipinas
Ha Convertido 100%
En distribución
Designación de
Fluido “Biopreferred”
Para transformadores Primero Transformador
De Poder en Europa
Energizado – 40MVA
Stuttgart, Germany
Publicación de el
Guía da IEEE para
Esteres Naturales
Primero Transformador
De Potencia en Australia
Primero
Transformador de
Poder en Brazil
Aplicación
comercial
en CPS
Xfmrs
2009
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Experiencia Fluido Envirotemp FR3
> Mas de 500.000 transformadores en servicio desde año 1996
> Cerca de 500 Transformadores de Potencia
> Potencia hasta 300MVA / 420kV
> Reactores hasta 230kV / 133MVA
> Mas de 7000 rellenados
> Cerca de 150 rellenados en Potencia hasta 230kV / 200MVA
21
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2
2
Mercado del Fluido FR3 (2012-??)
2012
Cargill compro
FR3 fluid
Planeado
Anuncio de
Producción
en Europa
Planeada
Producción en
Mexico
PRIMERO Transformador
420kV Instalado (300MVA)
Producción en
Indonesia/
Malaysia?
20XX
Publicación del Guía IEC
Para Esteres Naturales
Aceite Mineral
es clasificado
MUCHO
PELIGROSO
Producción en
China? PG&E ha Convertido 100% distribución para
transformadores con FR3
Producción
en Australia?
Última ocurrencia de
Fuego en
Transformadores
IEEE Guía de
Gases Disueltos
Segundo Transformador
420kV Instalado
(145MVA)
Producción in
India?
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¿Por qué utilizar FR3?
1. Seguridad al Fuego (fluido clase K)
2. Ventajas de Salud y Medioambientales
3. Aumento de la Vida del Transformador
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¿Por qué utilizar FR3?
1. Seguridad al Fuego (fluido clase K)
2. Ventajas de Salud y Medioambientales
3. Aumento de la Vida del Transformador
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1 - Seguridad al Fuego (fluido clase K) Propagación de Incendios Transformadores
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1 - Seguridad al Fuego (fluido clase K) Accidentes y Fallas de Equipos
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1 - Seguridad al Fuego (fluido clase K) Puntos de Inflamabilidad y Combustión
> Fluidos Clasificados como Resistentes al Fuego deben poseer Punto de Combustión mínimo de 300°C
27
150
200
250
300
350
400
Gra
do
s C
en
tíg
rad
os (
ºC)
Aceite
Mineral
R-Temp Silicona Envirotemp FR3
Punto de Inflamabilidad
Punto de Combustión
312
343 360
165 147
276
300
330
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1 - Seguridad al Fuego (fluido clase K) Como evaluar “Seguridad al Fuego”?
> Pruebas de Inflamabilidad - FM Global (Factory Mutual/1994)
> Objetivo
– Determinar si la ocurrencia de arcos interiores en transformadores con fluidos resistentes al fuego resulta en incendios.
> Sinopsis – Una falla de baja energía calienta el fluido en el transformador.
– La falla produce la apertura de la válvula de alivio y el escape del fluido caliente.
– El fluido se deposita alrededor del transformador sobre el suelo.
– El arco continúa y provoca una falla de alta energía o explosión interna que rompe el tanque, produciendo la descarga del fluido caliente en la superficie del suelo.
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Como evaluar “Seguridad al Fuego”? Pruebas de Inflamabilidad en Aceite Mineral
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> Temperatura del Aceite
– Cuba 128°C
– Canal 133°C
> Corriente 3784A
> Duración del arco 7,77s con energía de 1286kJ
> Spray de aceite inflamado y fuego sobre la superficie del aceite
> Sin fuente de ignición externa.
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Como evaluar “Seguridad al Fuego”? Pruebas de Inflamabilidad en Fluidos Clase K
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> Temperatura del Aceite
– Cuba 140°C
– Canal 133°C
> Corriente 3831A
> Duración del arco 7,56s con energía de 615kJ
> Disco roto, no hubo ninguna ignición
> Sin fuente de ignición externa
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Como evaluar “Seguridad al Fuego”? Pruebas de Inflamabilidad en Fluidos Clase K
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> Temperatura del aceite
– Cuba 133~188°C
– Canal 130~135°C
> Corriente 2939A
> Duración del arco 10s con energía de 667kJ
> Disco roto, ignición de gases por la fuente de ignición externa.
> Llama externa se extinguió después de 3,5s.
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Como evaluar “Seguridad al Fuego”? Conclusiones de las Pruebas de Inflamabilidad
> El arco interior en un transformador aislado con Aceite Mineral puede producir fuego (incluso sin fuente de ignición externa).
> El arco interior en un transformador aislado con fluido Resistente al Fuego no producía ninguna ignición.
> Gases descargados por el transformador con fluidos resistentes al fuego, en forma pulverizada, pueden quemarse si hay una fuente de ignición externa (pero sin fuego líquido).
> Puesto que la energía del fuego no es suficiente para mantener la temperatura del fluido, el fuego se auto extingue.
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Como evaluar “Seguridad al Fuego”? Pruebas de Inflamabilidad – Open Tank (FM/2002)
> Objetivo
– Determinar si se puede reducir la distancia y contención de la norma FM Global, sin medios adicionales de seguridad y protección al fuego.
> Sinopsis
– Fallas externas o internas de alta energía y / o las corrientes inducidas pueden calentar piezas de metal a rojo. Que pasa si estas las placas inflamados se exponen al aceite y aire
> Procedimientos
– Insertar rápidamente una pieza de metal se calienta al rojo (750°C) en un tanque con fluido calentado a 130°C. Mensurar la temperatura y verificar la ocurrencia de incendios.
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Pruebas de Inflamabilidad para Aceite Mineral Vapor de Aceite + Fuego
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Pruebas de Inflamabilidad para Envirotemp FR3 Sin Vapor de Aceite + Sin Fuego
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Envirotemp FR3(95.5%) + Aceite Mineral (4.5%) Alguno Vapor + Sin Fuego
Fire Safety 36
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¿Cuánto MO residual puede ser aceptado?
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> El aceite mineral y FR3 son miscibles en cualquier proporción.
> Para contenido de aceite mineral hasta un 7% el Punto de Fuego sigue ≥ 300°C
> Mensurar el punto de inflamación es el mejor método para comprobar el contenido de Aceite Mineral en fluido FR3
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Beneficios para la instalación del transformador
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> IEC 61936, NBR 13231, FM 5-4 Loss Prevention Data
– Reducción de las distancias de separación de los transformadores
a otro edificio y equipamiento.
– Los cortafuegos no son necesarios, ya que no habrá fuego.
– Debido a la misma razón, los sistemas de extinción de incendios no son también necesarios para instalaciones con fluidos clase K.
– Construcción mas simple y menos costosa para la contención de líquidos (solamente una contención ...)
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Beneficios para la instalación del transformador Reducción de las distancias de separación
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Beneficios para la instalación del transformador Reducción de las distancias de separación
40
Parede da Edificação
X1
Edificação
Importante
Contenção
VISTA PLANTA
X2
Contención Pared del Edificio
Edificio
Importante
Parede da
Edificação
X1
Edificação
Importante
Contenção
VISTA PLANTA
X2
Contención Pared del
Edificio
Edificio
Importante
Parede da Edificação
Nota 1
Edificação
Importante
Contenção
VISTA PLANTA
Nota 2 Nota 2 Nota 2
Parede Corta-Fogo
Edificio
Importante
Pared del Edificio Contención Pared Cortafuego
Nota:
1) Si ≤ 8 metros, el colapso estructural de
la pared cortafuego no debe llegar a
equipos, edificios y calles;
2) Distancia de separación debe
contemplar el espacio contención de
aceite, sistema de extinción de incendios
y la circulación, con un mínimo de 0,5
metros.
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¿Por qué utilizar FR3?
1. Seguridad al Fuego (fluido clase K)
2. Ventajas de Salud y Medioambientales
3. Aumento de la Vida del Transformador
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2 - Ventajas de Salud y Medioambientales
> Derivado de Recursos Renovables y Naturales.
> 100% Ingredientes de Clase Comestible - No Tóxico
> Biodegradación Rápida y Completa
> Reciclable, Recondicionable y Fácilmente Descartable.
> No considerado Peligroso por Agencias de Salud y Medioambientales (EPA / OSHA).
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Biodegradación Acuática Aeróbica de FR3 “Ultimate Biodegradability”
43
Aerobic Aquatic Biodegradation of Envirotemp FR3 fluid using Test Method EPA OPPTS 835.3100. To be “ultimately biodegradable”, a
substance must reach 60% of the theoretical maximum conversion of total organic carbon to carbon dioxide (ThCO2) within 28 days.
Elapsed Time (days)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Biodegradation
(CO2 evolutio
n as % ThCO
2)
0
20
40
60
80
10060% ThCO
2 within 28 days for
"ultimate biodegradability"
sodium citrate
Envirotemp FR3 fluid
mineral oil
R-Temp fluid
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Biodegradación Acuática Aeróbica de FR3 “Ready Biodegradability”
44
Time (days)
0 5 10 15 20 25 30
Biodegradation
(CO2 Evolutio
n as % ThCO
2)
0
20
40
60
80
100
120
140
Time (days)
0 5 10 15 20 25 30
CO2 Evolutio
n (% ThCO2)
0
20
40
60
80
100
120
140
Biodegradation (%)
0
25
50
75
100
Envirotemp FR3
phthalic acid
Envirotemp FR3
phthalic acid
60% ThCO2 within
10-day window for "readily biodegradable"
Ready Biodegradability of Envirotemp FR3 fluid using Test Method EPA OPPTS 835.3110(m). To be “readily biodegradable”, a substance must reach 60% of the theoretical maximum conversion of total organic carbon to carbon dioxide (ThCO2) in a ten-day window starting at time to reach 10% ThCO2.
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Ventajas de Salud y Medioambientales Prueba de Toxicidad
> Cero Mortalidad
– Oral LD 50 en Ratones
– Acuática Aguda en Alevines de Truchas
45
Truchas remanecientes después de 96 horas de exposición a
10.000 mg/L
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Ventajas de Salud y Medioambientales Prueba de Toxicidad
46
Acute oral toxicity of Envirotemp FR3 fluid
Dose % Mortality 14 Day Average Body Weight (g) Method Test Animals (mg/kg) Total Initial 7 Day Final
OECD 420 Sighting 1 F 2,000 0 226.0 251.2 259.9
Main 5 F 2,000 0 221.5 265.0 280.6 5 M 2,000 0 285.3 352.0 378.8
Acute aquatic toxicity of Envirotemp FR3 fluid
Dose Mortality LC50 a NOAEC
b
Test Method (mg/L) (# of fish) (mg/L) (mg/L)
Acute Aquatic Toxicity OECD 203 1,000 0 > 1,000 > 1,000 Lethality Using Rainbow Trout Environment Canada 1,000 0 > 1,000 > 1,000
Acute Aquatic Toxicity ASTM D608, OECD 203 10,000 0 > 10,000 > 10,000
a LC50 = lethal concentration killing 50% of fish
b NOAEC = no observable adverse effect concentration
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Fosa de captación
> Ejemplo de fosa de captación
> Tiene que verificar la legislación local
> Remedio es mucho mas barato
> En EUA se permite, en algunos estados, “bio-remediation”
– Esperar que las bacterias degraden el aceite derramado
47
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¿Por qué utilizar FR3?
1. Seguridad al Fuego (fluido clase K)
2. Ventajas de Salud y Medioambientales
3. Aumento de la Vida del Transformador
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Aumento de la Vida del Transformador - Reducción del consumo de vida del papel
> Envejecimiento Térmico según ANSI C57.100 “Método Lockie” alcanzo efectos sorprendentes, con incremento del tiempo promedio hasta falla
– Tiempo de final de vida (a 183°C HS)
• Conf. guía de carga (C57.91): 400h
• ANSI C57-100 (MO): 2000h
• ANSI C57-100 (FR3): 7800h
> Indicación de incremento de la vida util del papel
> Papel en Ester Natural tiene envejecimiento mucho más lento vs. aceite mineral.
49
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Aumento de la Vida del Transformador - ¿Como los materiales celulósicos degradan?
> Pirolisis:
– Es la "quema" del papel, cuando se expone a temperaturas muy altas. Alto nivel de energía de activación (> 400 ° C)
> Oxidación de la Celulosa:
– Es la degradación debido a la presencia de oxígeno, a baja temperatura.
– La principal razón para no utilizar transformadores de respiración libre
> Hidrólisis de la Celulosa:
– El agente principal de la degradación de los materiales celulósicos es agua. El subproducto de la degradación de la celulosa es el agua.
– Degradación genera agua más degradación más agua
– Catalizada por ácido. Efecto de degradación predominante!
50
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Aumento de la Vida del Transformador - Cuales son los cambios con ?
A. Papel FR3 Equilibrio de Humedad – Fluido Envirotemp FR3 manteen el papel aislante seco.
– Extrae mucho más agua (H2O) del papel aislante para alcanzar misma saturación relativa del aceite mineral.
– Punto de saturación mucho mayor (1057ppm).
51
PAPER
Water (H2O)
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Aumento de la Vida del Transformador - Papel FR3 Equilibrio de Humedad
> Saturación (@20°C) – FR3 = 1057ppm
– Mineral = 60ppm
> FR3 es mas higroscópico
> Equilibrio de Humedad es movido en dirección del fluido.
52
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Aumento de la Vida del Transformador - Rigidez Dieléctrica vs. Humedad
> Rigidez Dieléctrica tiene comportamiento casi linear con la HUMEDAD RELATIVA
53
Temperatura (ºC)
20 40 60 80 100 120
Mo
istu
re S
atu
ratio
n (
mg/k
g)
0
1000
2000
3000
4000
5000
Fluido Envirotemp FR3: A = 5.3318, B = 684 de Doble Engineering
Aceite mineral: A = 7.0895, B = 1567 de IEEE C57.106
÷
+ -
× = T
B A
T Saturación 273 10 ) (
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Aumento de la Vida del Transformador - Hidrolisis
54
> Moléculas de agua liberadas del papel reacciona con el éster natural, reduciendo la humedad relativa en el aceite y permitiendo la continuación de extracción de humedad.
PAPER
Water (H2O)
HEAT HEAT
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Aumento de la Vida del Transformador - Hidrolisis del FR3 Agua es consumida
> Ester Natural seca el papel aislante continuadamente
55
Time at 85°C (hours)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
%l M
ois
ture
0
1
2
3
Mineral Oil
FR3 Fluid
Aged Paper having 3% of moisture
(aged at 110°C)
Aging time at 110°C (hours)
0 500 1000 1500 2000
%l M
ois
ture
in
Pa
pe
r
0
1
2
3
4
5
Mo
istu
re c
on
ten
t in
th
e flu
id (
pp
m)
0
100
200
300
400
500
Paper in contact with FR3 Fluid
Paper Aged in Mineral Oil
FR3 Fluid – Moisture content
Mineral Oil – Moisture content
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Aumento de la Vida del Transformador - Transesterificación
– Los ácidos grasos (FFA) formados en hidrólisis se ligan químicamente con la celulosa. Celulosas transesterificadas son más resistentes a la quiebra.
• Linoleico = Omega 6 / Linolenico = Omega 3
56
PAPER
Water (H2O)
HEAT HEAT
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Aumento de la Vida del Transformador - Mejoría de Vida del Papel
> 7 a 8 Veces Más Tiempo para Papel Termo-estabilizado Alcanzar la Vida Final. (2001 IEEE/PES)
> Más de 10 veces para Papel Kraft Normal. (2002 ICDL)
57
Accelerated Aging at 170ºC
TUK paper
Aging time (hours)
0 1000 2000 3000 4000
Te
nsile
Str
eng
th (
lb/in
2)
0
5000
10000
15000
20000
Re
sid
ua
l T
ensile
Str
eng
th (
% r
eta
ined
)
100
75
50
25
0
Mineral oil Natural ester
(error bars = 1 s )
Accelerated Aging at 170ºC
TUK paper
Aging time (hours)
0 1000 2000 3000 4000
Deg
ree o
f P
oly
me
riza
tion
0
200
400
600
800
1000
1200
Re
sid
ua
l D
P (
% r
eta
ined
)
100
75
50
25
0
Óleo mineral
Óleo vegetal
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Aumento de la Vida del Transformador - Mejoría de Vida del Papel
58
Inadecuado
FR3 FR3 FR3 FR3 Oil Oil Oil Oil
500 horas 1000 horas 2000 horas 4000 horas
Accelerated Insulating Paper Aging - Heated to 170oC
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Mejoría de Vida del Papel - Mayor potencia sin Pérdida de Vida Útil
59
> Mismo consumo de vida con temperatura mas elevada
+ 21 C para papel TUK
+ 30 C para papel Kraft
> Temperatura máxima topo de aceite = 160 C
> Mayor capacidad de sobrecarga
> Mejor desempeño en ambientes de alta temperatura
Temperature at the hottest point (°C)
80 90 100 110 120 130 140 150
Pe
r lif
e u
nit
0.01
0.1
1
10
100
1000
( ) |
+ . = 273
15000
) ( T
e A T life
TUK + Mineral Oil (65 K rise): A = 9.80 x 10-18
TUK + Fluid FR3 (85 K rise): A = 7.25 x 10-17
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Aumento de la Vida del Papel - Transformadores mas compactos
> ¿Que hacer a respecto de los estándares??? – IEEE C57.154 (High temperature transformers) Define limites de
elevación de temperatura para materiales clase 120 y superior
60
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Aumento de la Vida del Papel - Transformadores mas compactos
> Y la IEC 600076-14? – Se queda en revisión, debe incluir los mismos limites
> Y transformadores convencionales? – Sobrecarga es una condición con consumo adicional de vida ou
requiere sobre diseño del transformador
– Condición Nominal = Carga Regular
– Condición de Pico (o N-1) = Sobrecarga
– Transformadores con FR3 tienen una “capacidad reserva”
– Temperaturas por arriba de nominal / sin consumo adicional de vida = Condición de Sobrecarga Continua!
61
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Aumento de la Vida del Papel - Transformadores mas compactos
> Simulación de un transformador KNAN / KNAF :
62
Overloading 19% Pk/P0 = 4
Temp rise Current FR3
q o 50 62,9
q wo 15 19,8
q w 65 82,7
q olw 20 23,8
q hs 79,5 100,6
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Aumento de la Vida del Papel - Transformadores mas compactos
> Simulación de un transformador KDAF:
63
Overloading 17% Pk/P0 = 4
Temp rise Current FR3
q o 45 57,9
q wo 20 27,1
q w 65 85,0
q olw 6,5 8,8
q hs 73,1 97,6
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FR3 Fluid Application
Physical / Chemical Properties
64
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Propiedades de FR3 – Permeabilidad Relativa
65
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Propiedades de FR3 – Permeabilidad Relativa
66
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Propiedades de FR3 – Permeabilidad Relativa
67
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Propiedades de FR3 – Permeabilidad Relativa
68
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Propiedades de FR3 – Densidad
69
0,8
0,82
0,84
0,86
0,88
0,9
0,92
0,94
0,96
-10 10 30 50 70 90 110
De
nsi
ty (
g/cm
3 )
Temperature (°C)
MO FR3
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Propiedades de FR3 – Expansión Volumétrica
70
0,0007
0,00072
0,00074
0,00076
0,00078
0,0008
0,00082
-10 10 30 50 70 90 110
Vo
lum
etr
ic E
xpan
sio
n (
1/K
)
Temperature (°C)
MO FR3
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Propiedades de FR3 – Calor Específico
71
Specific
Heat C
apacity (
J/g
°C)
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Propiedades de FR3 – Conductividad Térmica
72
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Propiedades de FR3 – Viscosidad
73
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Propiedades de FR3 – Factor de Disipación
74
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FR3 Fluid Application
Electrical Design of Power Transformers
75
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Diseño Eléctrico de Transformadores - Rigidez Dieléctrica
> Diferencia principal entre los fluidos = Permisividad Eléctrica
> El stress eléctrico se distribuye inversamente proporcional a la permisividad, entonces el stress en aceite, para el mismo gap, disminuí (incrementa factor de seguridad en aceite). Aumentando el gap puede alcanzar la misma queda de voltaje.
> Todas las pruebas hechas, hasta 1800kV de Impulso, resultaran en limites iguales o mayores que en aceite mineral.
76
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Diseño Eléctrico de Transformadores - Parámetros Dieléctricos
> Permisividad Relativa de los materiales aislantes
– Material de celulosa impregnado con aceite mineral
– Material de celulosa impregnado con FR3
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Diseño Eléctrico de Transformadores - Curva de Kappeler
78
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Diseño Eléctrico de Transformadores - Caso real 230kV
79
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FEMM 4.2 – 230kV – 100MVA
80
FR3
Aceite
Mineral
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Diseño Eléctrico de Transformadores - Resumo
> Aplicando la curva de Kappeler para aceite mineral para diseño de aislamiento solido-liquido con FR3 incrementa la seguridad
> El incremento de seguridad en el aceite, generalmente el factor limitante de diseño, puede permitir disminuir la cantidad de cilindros, aumentando el ancho de los canales.
> Solamente por el cambio de fluido el factor de seguridad en aceite incrementa un 3%
81
> Media tensión (≤69kV) – FS en aceite se incrementa
– Materiales solidos tienen seguridad elevada
> Alta tensión (≥ 110kV) – FS en aceite se incrementa
– Materiales solidos pueden necesitar verificación
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Resumo Dieléctrico – Experiencia Practica
82
Clase de Voltaje Aislamiento Líquido Aislamiento Sólido
≤ 25kV Performance de FR3 supera aceite mineral
Espesor mínimo mecánico proporciona el aislamiento
requerido
≤ 34.5kV Performance de FR3 supera aceite mineral
Espesor mín. mecánico, impregnado, proporciona
aislamiento requerido
≤ 69kV Performance de FR3 supera aceite mineral
Espesor mín. mecánico, impregnado, proporciona
aislamiento requerido
~138kV Performance de FR3 supera aceite mineral
Interface sólido-líquido debe ser verificada
~230kV Performance de FR3 supera aceite mineral
Considerado R&D
> 230kV Performance de FR3 supera aceite mineral
Considerado R&D
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Pruebas Dieléctricas Hechas
> Gaps de aceite – 60 Hz Withstand
– Full Wave Negative Impulse
– Full Wave Positive Impulse
– Chopped Wave Negative Impulse
– Chopped Wave Positive Impulse
– Switching Surge Negative Impulse
– Switching Surge Positive Impulse
83
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Pruebas Dieléctricas Hechas
> Creepage – 60 Hz Withstand
– Full Wave Negative Impulse
– Full Wave Positive Impulse
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Pruebas Dieléctricas Hechas – Gaps largos
> Tensión Aplicada (60Hz AC)
> Impulso Atmosférico
> Surto de Maniobra
> Campos non uniforme (OLTC)
> Lab Powertech (Canada) y Weidmann
> Ampliación de la validación del uso de curva de Kappeler
> Resultados iguales o por arriba de aceite mineral
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Tensión Aplicada (60Hz AC)
> Pruebas en gaps de 10 a 150mm.
Fluid Gap (mm)
20 30 50 20010 100
AC
60 H
z (
kV
)
50
60
200
300
400
500
600
100 NE Fluid Withstand (1%)
Min. Oil Withstand (1%)
NE Fluid Breakdown (avg)
Min. Oil Breakdown (avg)
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Impulso Atmosférico
> LI 1.2µs x 50µs – polaridad negativa
Fluid Gap (mm)
20 30 40 50 20010 100
Ne
ga
tive
Lig
htn
ing I
mp
uls
e (
kV
)
200
300
400
500
600
700
800
900
2000
1000
NE Fluid Withstand (1%)
Min. Oil Withstand (1%)
NE Fluid Breakdown (avg)
Min. Oil Breakdown (avg)
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Impulso Atmosférico
> LI 1.2µs x 50µs – polaridad positiva
Fluid Gap (mm)
40 50 60 70 80 90 200100
Positiv
e L
ightn
ing I
mpuls
e (
kV
)
300
400
500
600
700
800
900
2000
1000
FR3 Fluid Withstand (1%)
Mineral Oil Withstand (1%)
FR3 Fluid Breakdown
Mineral Oil Breakdown
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Surto de Maniobra
> SI 250µs x 2500µs - polaridad negativa
Fluid Gap (mm)
20 30 40 50 20010 100
Ne
ga
tive
Lig
htn
ing I
mp
uls
e (
kV
)
200
300
400
500
600
700
800
900
2000
1000
NE Fluid Withstand (1%)
Min. Oil Withstand (1%)
NE Fluid Breakdown (avg)
Min. Oil Breakdown (avg)
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Surto de Maniobra
> SI 250µs x 2500µs - polaridad positiva
Fluid Gap (mm)
50 70 150 200100
Positiv
e S
witchin
g I
mpuls
e (
kV
)
200
300
400
500
600
700
800
900
2000
1000
NE Fluid Withstand (1%)
Min. Oil Withstand (1%)
NE Fluid Breakdown (avg)
Min. Oil Breakdown (avg)
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Campos non Uniformes – Conmutador MR Tensión entre contactos
> Arranjo de prueba componentes suministrados por MR
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Campos non Uniformes – Conmutador MR Tensión entre contactos
> Prueba Comparativa Aceite mineral x FR3 – AC 50Hz
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Campos non Uniformes – Conmutador MR Contactos para cuba
> Etapa 1 – Cuba metálica Ø480mm
– Ruptura en los dos casos ~350kV
– Adicionado cilindro de presboard ~500kV
> Etapa 2 – Cuba de fibra Ø650mm
– Alcanzó max tensión disponible (850kV)
– Nynas 3000X 10 casos sin falla en 15 pruebas
– FR3 8 casos sin falla en 15 pruebas
– Nivel mas bajo ~491kV (ambos fluidos)
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FR3 Fluid Application
Thermal Design of Power Transformers
107
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Aplicación de FR3 en el diseño térmico
> Radiadores / intercambiadores de calor
– limitación = capacidad de calor en el lado del aire
– Elevación promedia del aceite no debe ser afectada
> Mayor viscosidad Aumento del gradiente vertical
Oil Wind
Elevación de
Temperatura
Altura
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Aplicación de FR3 en el diseño térmico
> Calor específico y conductividad térmica superiores
– Gradiente Cobre / Aceite un poco más pequeño
> Aumento de gradiente vertical variando según tipo de bobinado y potencia del equipo, desde 0 hasta un 50%
> Temperatura del devanado medio sube mitad
> Reducción en el consumo de la vida compensa este efecto
> Atención especial para la selección de las bombas!
– Procedimiento para el arranque en frío de las bombas
109
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FR3 Fluid Application
Mechanical Design of Power Transformers
110
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Diseño Mecánico - Transformador sellado
> Un transformador que no es libre respiración no es, necesariamente, un transformador sellado.
> El proceso de actualización continua del aire no es adecuada, ya que mantiene el aire en contacto con el aceite en equilibrio con el ambiente.
> Las pequeñas fugas y el contacto no son críticos y pueden ser fácilmente identificados por el análisis de aceite
> FR3 es una solución robusta para todos los usos excepto los de libre respiración
111
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Transformador sellado - Casos no respiración libre FR3 Aprobado
112
>Estándar para transformadores de distribución
>Colchón de Aire (la mayoría de los casos) o nitrógeno (N2 seco)
>El oxígeno del aire se consumirá y la velocidad de oxidación se reduz
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Transformador sellado - Casos no respiración libre FR3 Aprobado
113
>Estilo "Atmoseal"
>Bolso de goma es una barrera para el O2 del aire
>Bladder/diaphragm
>Con o sin secador de aire
>Recomendase bolsas de goma de varias capas y baja permeabilidad al gas
>No hay necesidad de sensor de rotura de bolsa
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Transformador sellado - Casos no respiración libre FR3 Aprobado
114
>Herméticamente sellado con radiadores expandibles / tanques corrugados
>Solución disponible hasta un transformador de potencia limitada
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Transformador sellado - Casos no respiración libre FR3 Aprobado
115
> Colchón llenado con Aire
>El oxígeno del aire se consumirá y la velocidad de oxidación se reduz
>Renovación parcial del aire mantendrá baja tasa O2 (válvula bidireccional)
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Transformador sellado - Casos no respiración libre FR3 Aprobado
116
>Colchón con nitrógeno (N2 seco)
>Sistema de control de presión mantiene el contenido de N2
>Estilo “Inert Air "
>Sistema herméticamente sellado
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Transformador sellado - Casos de respiración libre FR3 no recomendado
117
>Conservador de aceite respira aire atmosférico
>Por el efecto de la oxidación y humedad no se recomiendan para FR3 y ni al aceite mineral (gama limitada de aplicación)
>Temperatura 55K
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Transformador sellado - Casos de respiración libre FR3 no recomendado
118
>Conservador con respiración de aire atmosférico
>Ingreso de humedad limitado por el secador de aire
>Aire en contacto con el aceite tiene de forma continua ~ 21% de O2
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Transformador sellado - Envirotemp FR3 vs humedad
119
Water Absorption of Dielectric Fluids
Exposed to Ambient Air (1 of 2)
Exposure Time (hrs)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Ab
so
lute
Wate
r C
on
ten
t (p
pm
)
0
100
200
300
400
500
600
Conventional Transformer Oil
Envirotemp FR3 fluid
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Transformador sellado - Envirotemp FR3 vs humedad
120
Exposure Time (hrs)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Rela
tive
Wate
r C
on
tent (%
sa
tura
tio
n)
0
20
40
60
80
100
Water Absorption of Dielectric Fluids
Exposed to Ambient Air (2 of 2)
conventional transformer oil
Envirotemp FR3 fluid
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Transformador sellado - Envirotemp FR3 vs humedad
121
@42% of %Water
VBD > 45kV
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Transformador sellado - Estabilidad a Oxidación
>El objetivo de las pruebas no es simular aplicación real, pero acelerar el proceso de oxidación para comparación Criterios de aceptación
>Working Group CIGRE: – IEC 61125C Modificado
• Burbujas de aire a 120°C con cobre (catalizador)
• Medición de la viscosidad, acidez total y el factor de disipación
• Considerar la formación de lodos
>Otros métodos generales (efectos secundarios o terciarios): – Industria alimenticia = Rancimat modificación del gusto
– ASTM = Bajo revisión similar a IEC
122
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Transformador sellado - Recomendación Cargill:
>DSC (calorimetría de exploración diferencial) – Reacción de oxidación es exotérmica
– Mede el "tiempo de inducción a la oxidación" (efecto principal)
– Permite la comparación efectiva de los materiales
– El equipo de prueba es costoso
>Es la forma más precisa para la comparación de los fluidos, ya que mide un efecto primario de la oxidación
>OIT es válido como valor comparativo ninguna indicación de la esperanza de vida del fluido
123
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Estabilidad a Oxidación Comparación de los efectos
>Efectos de oxidación para aceites minerales – Aumento de acidez (ácidos corrosivos - cadena corta)
– Formación de lodos
– Bloqueo canales de refrigeración / Falla eléctrica
>Efectos de oxidación para FR3 – Aumento de acidez (no corrosivo - ácidos grasos libres de cadena
larga)
• Linoleico = Omega 6 / Linolenico = Omega 3
– Aumento de viscosidad
– Aumento de temperatura del aceite superior
124
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Transformador sellado - Estabilidad a Oxidación
>Envirotemp™ FR3™ está en servicio en más de 500.000 transformadores hasta 16 años
>Pruebas de oxidación con transformadores reales (aumento de la temperatura a 191°C) validan el comportamiento a largo plazo.
>FR3 es una solución "robusta" para todas las aplicaciones excepto "respiración libre"
>Respiración libre E200 (Ester sintético)
125
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Estabilidad a Oxidación - Dados Históricos – Transformadores Nuevos
126
1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
Tem
pera
ture
(oC
)
260
280
300
320
340
360
380
IEEE C57.147 continued service fire point minimum
IEEE C57.147 flash point guideline investigation limit
SN 1429 SN 1430
SN 1429 SN 1430Fire Point:
Flash Point:
1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
D1816 D
iele
ctr
ic B
reakdow
n V
oltage (
kV
)
0
20
40
60
80
100
SN 1429
SN 1430
IEEE C57.147 new fluid in new equipment
IEEE C57.147 continued service
1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
Dis
sip
ation F
acto
r, 2
5oC
(%
)
0
1
2
3
4
SN 1429
SN 1430
IEEE C57.147 new fluid in new equipment
IEEE C57.147 guideline investigation limit
1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
Rela
tive W
ate
r Conte
nt (%
25
oC S
atu
ratio
n)
10
20
30
40
Absolu
te W
ate
r C
onte
nt
(mg/k
g)
0
100
200
300
400
SN 1429
SN 1430
IEEE C57.147 new fluid in new equipment
IEEE C57.147 guideline investigation limit
1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
Acid
Num
ber
(mg K
OH
/g)
0.0
0.1
0.2
0.3
SN 1429
SN 1430
IEEE C57.147 new fluid in new equipment
IEEE C57.147 guideline investigation limit
1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
Rela
tive W
ate
r Conte
nt (%
25
oC S
atu
ratio
n)
10
20
30
40
Absolu
te W
ate
r C
onte
nt
(mg/k
g)
0
100
200
300
400
SN 1429
SN 1430
IEEE C57.147 new fluid in new equipment
IEEE C57.147 guideline investigation limit
1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
Acid
Num
ber
(mg K
OH
/g)
0.0
0.1
0.2
0.3
SN 1429
SN 1430
IEEE C57.147 new fluid in new equipment
IEEE C57.147 guideline investigation limit
1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
Kin
em
atic V
iscosity (
mm
2/s
)
0
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20
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40
50
SN 1429
SN 1430
IEEE C57.147 new fluid in new equipment 40oC viscosity
IEEE C57.147 new fluid in new equipment 100oC viscosity
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Estabilidad a Oxidación - Dados Históricos – Transformadores Rellenados
127
1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010
Te
mp
era
ture
(oC
)
240
260
280
300
320
340
360
380
IEEE C57.147 fire point continued service minimum
flash point
fire point
IEEE C57.147 flash pointguideline investigation limit
1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010
Kin
em
atic V
iscosity (
cS
t)
0
10
20
30
40
50 40oC
100oC
IEEE C57.147 40oC new fluid in new equipment maximum
ASTM D6871 100oC maximum
IEEE C57.147 40oC guideline investigation limit
1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010
Die
lectr
ic B
rea
kdo
wn V
oltage (
kV
)
0
20
40
60
80
100
D1816, 2mm
D877
IEEE C57.147 D1816 2mm gapcontinued service minimum
IEEE C57.147 D1816 2mm gapnew fluid in new equipment minimum
1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010
Dis
sip
atio
n F
acto
r a
t 2
5 o
C (
%)
0
1
2
3
4
IEEE C57.147 guideline investigation limit
IEEE C57.147 new fluid in new equipment maximum
1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010
Absolu
te W
ate
r C
onte
nt
(mg/k
g)
0
100
200
300
400
500
Rela
tive W
ate
r Conte
nt (%
25
oC s
atu
ratio
n)
0
10
20
30
40
IEEE C57.147 guideline investigation limit
IEEE C57.147 new fluid in new equipment maximum
1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010
Acid
Num
ber
(mg K
OH
/g)
0.01
0.1
1
10
IEEE C57.147 continued service maximum
IEEE C57.147 new fluid in new equipment maximum
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Diseño Mecánico - Compatibilidad química
> Las pruebas se realizaron con docenas de materiales
– Compatibilidad AM Compatibilidad FR3
– Principales problemas materiales de mala calidad
> El comportamiento químico con algunos materiales puede ser diferente del esperado
> Se recomienda verificar los sistemas de pintura y las empaquetaduras, especialmente cuando se utilizan temperaturas más altas para el aceite y devanado
128
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Compatibilidad química y envejecimiento de goma NBR rectangular
129
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Dureza y Hinchazón de empaquetaduras rectangulares NBR, isopreno y EPDM
130
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Apariencia visual y los cambios en materiales de construcción después del envejecimiento
131
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Apariencia visual y los cambios en materiales de construcción después del envejecimiento
132
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Diseño Mecánico - Temperatura de arranque en frío
>Punto de fluidez = -21°C
>El tiempo necesario para gel es variable, depende del volumen de fluido, temperatura, y velocidad de enfriamiento
>Se trata de un proceso físico, reversible, no afecta el producto en sí
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Diseño Mecánico - Temperatura de arranque en frío
>AM al Punto de Fluidez (-40°C)
–Puede reducir el tamaño, fisuras y crear huecos
–El agua libre es fundamental
>FR3 al Punto de Fluidez (-21°C)
–No clara transición sólido-líquido
–La exposición prolongada aumenta la viscosidad hasta que espese y, con el tiempo, el gel puede
Saturation points at low temperature
–Bajo riesgo de vacíos y el agua libre
–Mantiene la rigidez dieléctrica a -50°C
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Pruebas de arranque en frío
> 167 kVA transformador de poste
– Diseñado para el aceite mineral; lleno con FR3
– Estabilizado a -30°C
– Energizado a plena carga
> 80 kVA regulador
– Diseñado para el aceite mineral; lleno con FR3
– Tanque aislado - frío sólo en las aletas
– Estabilizado a -40°C
– Energizado a 150% de la carga nominal
> 5 MVA
– Diseñado para el aceite mineral; lleno con FR3
– Estabilizado a -30°C
– Energizado a plena carga
135
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Pruebas de arranque en frío - 167 kVA poste energizado a 100% de carga
136
Time (hrs)
0 5 10 15 20 25 30
Tem
pera
ture
(oC
)
-20
0
20
40
60
80
100
ambient
top oil
secondary hottest spot
primary coil hottest spot
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Pruebas de arranque en frío – Regulador de Tension 80 kVA energizado a 150% de carga
137
> Diseñado para el aceite mineral
> Lleno de fluido FR3
> Tanque con aislamiento por lo que el enfriamiento viene sólo de radiadores
> Se mantuvo a esa temperatura durante 7 días
> Energizado a 150% de la carga nominal
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Pruebas de arranque en frío – VR 80 kVA energizado a 150% en diferentes temperaturas
138
Time (hours)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Top O
il T
em
pera
ture
(oC
)
-40
-20
0
20
40
60
80
100
10oC
-20oC
-30oC
-40oC
Ambient Temperature
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Pruebas de arranque en frío – Transformador 5 MVA energizado a 100% carga: -30°C
139
Time (hrs)
0 2 4 6 8 10
Tem
pera
ture
(oC
)
-40
-20
0
20
40
60
80
100 top oil
inner fin
2nd
fin
3rd
fin
ambient
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Performance en Frío - Distribuição
> Transformador de arranque en frío
– Aprobado en partida a 100% en la temperatura de -30°C (- 22°F)
– Pérdidas en vacío suficiente para calentar el fluido
– Torques mecánicos deben evitarse (NLTC, por ejemplo)
> Reguladores de voltaje CPS
– Bloqueo de la operación automática a -10°C
– Pérdidas en vacío suficiente para calentar el fluido
> Radiadores
– Las pruebas confirman restauración del caudal sin calentamiento externo
140
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Performance en Frío – Transformadores Potencia
> OLTC
– Recomendado bloqueo de operación a -10°C
> Bombas de enfriamiento de aceite forzado
– Aprobación caso por caso, pero por lo general bien
– Ajustes de protección contra sobrecorriente de arranque en frío
– Procedimientos especial de Shutdown & Start-Up para mantener la temperatura del aceite en los radiadores
> Tubería de relé de gas
– Puede ser necesario un calentamiento externo
> Procedimientos de arranque en frío para aceites minerales pueden recibir pequeños ajustes para responder a las preocupaciones
141
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Diseño Mecánico - Transporte lleno con N2
>Tapas ciegas para los elementos desmontables deben ser considerados en el diseño, para sellar el tanque principal por completo durante el transporte
>El sistema de presurización con N2 debe ser utilizado cuando el transporte lleno de FR3 no es posible
>La presión del nitrógeno se debe mantener hasta el montaje de campo
>Se recomiendan alternativas para facilitar la instalación en campo y reducir al mínimo la exposición de la parte activa
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FR3 Fluid Application
Properties for acceptance, comissioning and investigation
143
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Propiedades del FR3 – Aceptación del Fluido Nuevo NBR 15422
PHYSICAL PROPERTIES METHOD CRITERIA
Fire Point (°C) NBR 11341 >300
Flash Point (°C) NBR 11341 >275
Relative Density 20/4°C NBR 7148 0,96
Appearance Clear, Clean
CHEMICAL PROPERTIES
Water Content (mg/kg) NBR 10710 B <200
Neutr. Index (mg KOH/g) NBR 14248 <0,06
ELECTRICAL PROPERTIES
Dielectric Strength (kV) NBR 6869 >30
Dissipation Factor (25°C) NBR 12133 <0,20
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Propiedades del FR3 – Aceptación del Fluido Nuevo ASTM D6871-03
PHYSICAL PROPERTIES METHOD CRITERIA
Fire Point (°C) D 92 >300
Flash Point (°C) D 92 >275
Relative Density 20/4°C D 1298 0,96
Appearance D 1524 Clear, Clean
CHEMICAL PROPERTIES
Water Content (mg/kg) D 1533 <200
Neutr. Index (mg KOH/g) D 974 <0,06
ELECTRICAL PROPERTIES
Dielectric Strength (kV) D 877 >30
Dissipation Factor (25°C) D 924 <0,20
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Propiedades del FR3 – Aceptación del Fluido Nuevo NMX-J-628 ANCE-2010
146
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Propiedades del FR3 – Aceptación del Fluido Nuevo NMX-J-628 ANCE-2010
147
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Propiedades de FR3 – Draft NBR 03:010.02-028 Equipo nuevo, después del contacto y antes de energizar (comisionamento)
148
PHYSICAL PROPERTIES ABNT NBR
<69kV ≥69kV
≤230kV
>230kV
Dielectric Strength, 2mm (kV) IEC 60156
>60 >70 >80
Dissipation Factor at 25°C (%) 12133 ≤0,5 ≤ 0,5 ≤ 0,5
Color 14483 ≤1,0 ≤1,0 ≤1,0
Neutralization Index (mg KOH/mg) 14248 ≤0,06 ≤0,06 ≤0,06
Water Content (mg/kg) 10710-B ≤200 ≤150 ≤100
Fire Point (°C) 11341 ≥300 ≥300 ≥300
Kinematic Viscosity 40°C (cSt) 10441 ≤50 ≤50 ≤50
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Propiedades del FR3 – Después contacto <69kV NMX-J-628 ANCE-2010
149
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Propiedades del FR3 – 69kV < U < 230kV NMX-J-628 ANCE-2010
150
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Propiedades del FR3 – 230kV < U < 345kV NMX-J-628 ANCE-2010
151
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Propiedades del FR3 – U > 345kV NMX-J-628 ANCE-2010
152
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Propiedades de FR3 – Draft NBR 03:010.02-028 Límites para la investigación del transformador
153
PHYSICAL PROPERTIES ABNT NBR
<69kV ≥69kV
≤230kV
>230kV
Dissipation Factor at 25°C (%) 12133 ≥3,0 ≥3,0 ≥3,0
Water Content (mg/kg) / Correction 20°C
10710-B ≥140 ≥110 ≥85
Percentage increment of viscosity at 40°C in comparison to energizing value
10441 ≥10 ≥10 ≥10
Neutralization Index (mg KOH/mg) 14248 ≥0,3 ≥0,3 ≥0,3
Flash Point (°C) 11341 ≤275 ≤275 ≤275
Color 14483 ≥1,5 ≥1,5 ≥1,5
Inhibitor Content - - -
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Propiedades de FR3 – NMX-J-628 ANCE-2010 Límites para la investigación del transformador
154
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Propiedades de FR3 – IEEE C57.147 Límites para la investigación del transformador
155
PHYSICAL PROPERTIES ASTM <69kV ≥69kV
≤230kV
>230kV
Dielectric Strength, 2mm (kV) D 1816 <40 <47 <50
Dissipation Factor at 25°C (%) D 924 ≥3,0 ≥3,0 ≥3,0
Water Content (mg/kg) D 1533 ≥400 ≥200 ≥150
Percentage increment of viscosity at 40°C in comparison to energizing value
D 445 ≥10 ≥10 ≥10
Neutralization Index (mg KOH/mg) D 974 ≥0,3 ≥0,3 ≥0,3
Flash Point (°C) D 92 ≤275 ≤275 ≤275
Color D 1500 ≥1,5 ≥1,5 ≥1,5
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FR3 Fluid Application
Storage and handling guidelines
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Almacenaje y Manipulación
> El fluido no debe ser expuesto al medio ambiente.
> Pruebas mínimas recomendadas en la recepción: rigidez dieléctrica e inspección visual.
> Adicional recomendado: Factor de disipación y contenido de agua.
> Especialmente en el caso de películas delgadas existe la preocupación con polimerización
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Almacenaje y Manipulación
> Prueba hecha en transformador 25kVA
> Parte activa expuesta a 40°C
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Polimerización de películas delgadas
> Después de la polimerización es muy difícil de eliminar
> Evitar el flujo de aire
> Evitar temperaturas mas elevadas
> Evite la exposición a los rayos UV
> “Barniz” aislante
> Limitar la exposición a los 7 días calendario para superficies lisas o 20 días para materiales porosos (celulosa)
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Almacenaje y Manipulación
> Pruebas de exposición medioambiental – 5 años
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FR3 Fluid Application
Manufacturing process
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Proceso de fabricación - Sistemas de llenado
> Proceso Preferible = llenado al vacío
– Si posible llenar directamente con el líquido desgasificado y caliente
> Relleno Atmosférico:
– Use una capa de nitrógeno seco durante drenaje del tanque de y operaciones de llenado
> Revise la potencia del motor de la bomba para asegurarse de que tiene la capacidad suficiente, ya que la perdida de carga aumenta con la viscosidad
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Proceso de fabricación - Tratamiento del aceite
> Termo-vacío puede se utilizar
> Grado de filtración: 0,5 micras
> La mayoría de los tipos de filtros utilizados para el servicio convencional de aceite del transformador se pueden utilizar con fluido FR3.
> El filtro de cartucho es el más adecuado para este servicio.
> Filtros de absorción como arcilla activada (tierra Fuller) se pueden utilizar, procesar hasta temperaturas de 75-80°C.
> Temperaturas más altas pueden eliminar los aditivos
> Proceso de reactivación de la bauxita se puede aplicar
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Proceso de fabricación - Tratamiento del aceite
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Proceso de fabricación - Tratamiento del aceite
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Proceso de fabricación - Medición del factor de potencia
> El factor de potencia de transformadores con FR3 son más altos que un sistema equivalente con aceite mineral.
> Para transformadores de potencia, un rellenado de aceite mineral con fluido FR3 tendrá, típicamente, un factor de potencia dos veces más alto.
> Límites del factor de potencia máxima utilizada por las unidades de aceite mineral por lo general deben ser doblados para transformadores con fluido FR3
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Proceso de fabricación - Proceso de Secado
> Secado de materiales nuevos (no impregnados)
– No hay restricciones en cuanto a los tipos de horno
> Proceso de secado de aislamiento impregnado
– Secado aislamiento impregnado por la exposición al calor del fluido FR3, vapores de queroseno, o nitrógeno es aceptable.
– Horno de aire circulante No es recomendado para materiales ya impregnados (polimerización)
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Proceso de fabricación - Polimerización de películas delgadas
> Para superficies no porosas, limitar la exposición al aire de y luz UV a de 7 días calendario
> Para superficies porosas, limitar la exposición al aire y luz UV a 20 días calendario
> Limpie las superficies no porosas con disolvente compatible (kerosene o mismo aceite mineral caliente)
> Mantener el material de aislamiento en un tanque con el fluido o envolver con película de plástico para prevenir el contacto con aire ambiente
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Proceso de fabricación - Proceso de secado del aislamiento impregnado
> Secado con FR3, vapores de queroseno o nitrógeno es aceptable.
> Proceso en caliente FR3 secado "en el tanque":
– Cerrar las válvulas mariposas o bajar el nivel debajo de la entrada para la prevención de la circulación y llenar con nitrógeno
– Calentar el transformador hasta aceite topo 110°C con fuente de calor o generando perdidas en la parte activa (Calentamiento cortocircuito)
– Llenando con nitrógeno, drenar el líquido y aplicar vacío o
– Use un tratamiento de termo-vacío para secar el fluido
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Proceso de fabricación - Impregnación
> Velocidad de impregnación es significativamente menor (moléculas grandes)
> Se recomienda calentar el fluido y los materiales de aislamiento por encima de 80°C
> Impregnación con aceite mineral es aceptable en algunos casos (estimado contenido final de aceite mineral por debajo del 5%)
> Secado con FR3 / “heat run test" permitirá, al mismo tiempo, secado y impregnación, eliminando el tiempo de horno
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Proceso de fabricación - Impregnación
> Comparativo de capilaridad FR3 @60°C MO @20°C
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Proceso de fabricación - Impregnación
> Impregnación FR3 @60°C MO @20°C
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FR3 Fluid Application
Dissolved Gas Analysis
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DGA – Analises de Gases Disueltos - ¿Se puede aplicar?
> Hay varios documentos mediante la comparación de la generación de gas en la FR3 aceite mineral, incluso el “Guía de IEC”
> Se colectaron muestras y se analizaron de la misma manera como el aceite mineral
> Es más importante la evolución que el valor (Tendencias y "firma") – Stray gassing
> Generación típica con algo de Etano (C2H6 al redor de 72ppm en 90% de los casos presentados) y, en menor medida, CO2.
> "Stray gassing" no deben generar preocupación
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DGA CO / CO2 / C2H6 Comparativo
From “Carbon Oxides in the Interpretation of DGA in Transformers” By Ivanka Höhlein-Atanasova and Thomas
Hammer, Siemens Energy Sector, Nürnberg, Germany
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DGA - Método de los “gases claves”
> Gases generados en FR3 son similares al aceite mineral:
– H2 descarga parcial (investigar pintura)
– CO / CO2 papel sobre acalentado(CO alto y ratio <10)
– Etileno punto caliente en aceite
– Acetileno descargas / fallas
> Posible indicación
incorreta de Acetileno
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DGA - Métodos IEEE
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DGA - Métodos IEEE / IEC
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FR3 - Revolutionary. Reliable. Responsible. 179