¿Cuál es el papel del proceso de impregnación por presión al vacío (VPI)?

 — El paso clave para mejorar la vida útil del aislamiento en transformadores de tipo seco

En centros de datos, edificios comerciales, centrales eléctricas de energía renovable e instalaciones industriales de todo el mundo, los transformadores secos de baja tensión se han convertido en componentes esenciales de los sistemas de distribución eléctrica gracias a sus ventajas principales: funcionamiento sin aceite, resistencia al fuego, respeto al medio ambiente y facilidad de mantenimiento. Sin embargo, su fiabilidad a largo plazo y la vida útil del aislamiento están garantizadas fundamentalmente por un proceso de fabricación crucial: la impregnación por vacío y presión (VPI). Lejos de ser una simple impregnación, la VPI es un proceso físico preciso diseñado para eliminar defectos microscópicos en los devanados, creando un sistema de aislamiento integrado, denso, uniforme y sin defectos. Esto mejora significativamente el rendimiento eléctrico, la resistencia ambiental, la eficiencia de la gestión térmica y la resistencia mecánica de los transformadores secos de baja tensión, lo que los convierte en la clave para lograr una vida útil de 30 años o más.

Contenido

1. Aumento del rendimiento eléctrico: eliminación de descargas parciales y duplicación de la rigidez dieléctrica

●Causa raíz (problema):
La estructura del devanado de los transformadores secos de baja tensión es compleja, con numerosos entrehierros microscópicos y poros capilares entre los conductores, los materiales aislantes entre capas (p. ej., papel Nomex®, tela de fibra de vidrio) y los soportes. Estos poros atrapan fácilmente trazas de humedad o aire durante la fabricación y el funcionamiento. La rigidez dieléctrica del aire y el agua (~3 kV/mm) es mucho menor que la de la resina epoxi (>20 kV/mm). Bajo campos eléctricos de alta tensión, las moléculas de gas/líquido en estos poros se ionizan, provocando descargas parciales (DP). Las descargas parciales continuas actúan como pequeñas chispas eléctricas, erosionando incesantemente el material aislante, rompiendo las cadenas de polímeros y provocando una carbonización gradual. Esto provoca la degradación continua del aislamiento y, finalmente, su rotura.

● Solución VPI (Medidas):

(1)Etapa de vacío profundo: TLos devanados del transformador ensamblados se colocan en una cámara de vacío y se someten a un alto vacío (normalmente <1 mbar). El vacío cumple dos funciones esenciales:

-Elimina con fuerzaaire y la humedad absorbida por los poros, reduciendo drásticamente la densidad interna del gas y la humedad, eliminando así la causa raíz de la descarga parcial.

-Abre y limpiacanales capilares dentro del material aislante, preparándolos para la penetración de resina.

(2)Etapa de impregnación a presión:Manteniendo el vacío o la baja presión, se inyecta resina epoxi de baja viscosidad y sin disolventes para sumergir completamente los devanados. A continuación, se aplica alta presión (normalmente de 5 a 8 bares). Esta presión impulsa la resina rápida y profundamente en todos los microporos, capilares y pequeños espacios entre las capas y espiras del devanado, reemplazando y rellenando cualquier gas residual.

●Mejora del rendimiento (Resultado):

(1)Rigidez dieléctrica significativamente mayor:La resina densa elimina prácticamente todos los entrehierros de baja resistencia, lo que aumenta drásticamente la tensión de ruptura del sistema de aislamiento. Esto se basa en la fórmula de rigidez dieléctrica:

     Eb∝(d⋅εr)−1

dónde Eb es la intensidad del campo de ruptura (kV/mm),d es el tamaño efectivo del entrehierro (mm), y εr es la constante dieléctrica del material. VPI minimiza d, impulsando así Mib.

(2)Descarga parcial ultrabaja:De conformidad con la norma IEC 60076-11 para transformadores de tipo seco, el VPI garantiza que la tensión de inicio de descarga parcial (PDIV) supere con creces la tensión de funcionamiento. Los niveles de descarga parcial (PD) medidos se estabilizan constantemente a <5 pC (muy por debajo del límite estándar de ≤10 pC), lo que garantiza un funcionamiento prolongado sin descargas y una vida útil prolongada.

(3)Características de capacitancia estable:La estructura de aislamiento homogénea proporciona parámetros de capacitancia más estables y predecibles, lo que favorece la protección del sistema y el monitoreo de la condición.

2. Protección del medio ambiente: Construyendo un escudo contra la humedad, la contaminación y la erosión química

● Causa raíz (problema):
Los transformadores secos de baja tensión se suelen instalar en entornos hostiles: alta humedad (costeros, tropicales), polvo (zonas industriales) o gases corrosivos (plantas químicas, tratamiento de aguas residuales). Los devanados sin tratamiento VPI (p. ej., con recubrimiento por inmersión) pueden tener protección superficial, pero los microcanales internos y los espacios entre capas permanecen sin sellar. Esto permite que la humedad, la niebla salina, el polvo conductor y los vapores ácidos/alcalinos se filtren lentamente en el aislamiento o se acumulen en los espacios vacíos. Las consecuencias incluyen una menor resistencia del aislamiento, un aumento de la corriente de fuga, corrosión electroquímica, seguimiento superficial e incluso fallas por descarga disruptiva, lo que acelera el envejecimiento del aislamiento.

● Solución VPI (Medidas):

Durante la impregnación a alta presión, la resina epoxi no solo rellena los poros internos, sino que también forma una capa encapsulante continua, densa y sin costuras sobre todo el devanado (conductores, aislamiento, soportes).Esta capa:

(1)Bloquea físicamente todos los canales de contacto entre el devanado y los entornos externos.

(2)La resina epoxi en sí ofrece una excelente hidrofobicidad, resistencia química y resistencia mecánica.

     ● Mejora del rendimiento (Resultado):

(1)Resistencia superior a la humedad:El bobinado alcanza un alto nivel de sellado (p. ej., protección IP23). Incluso después de las pruebas de calor húmedo (IEC 60068-2-78), la resistencia de aislamiento (IR) y el índice de polarización (IP) se mantienen altos (IP a menudo >3.0, superando ampliamente el estándar ≥2.0), superando a los productos sin VPI.

(2)Fuerte resistencia a la contaminación:La superficie lisa y densa de la resina curada minimiza la acumulación de contaminantes, mejorando el voltaje de descarga superficial.

(3)Excelente resistencia química:Resiste eficazmente la corrosión de gases y líquidos industriales.

(4) Mayor resistencia mecánica:La resina curada une todos los componentes en una unidad sólida, mejorando significativamente la resistencia a las fuerzas electromagnéticas de cortocircuito (cumpliendo con los requisitos de la norma IEC 60076-5).

3. Optimización de la gestión térmica: eliminación de puntos calientes y prolongación de la vida útil térmica

● Causa raíz (problema):
Durante el funcionamiento, los devanados generan calor debido a la resistencia del conductor (pérdida de cobre). El calor debe transferirse a través del aislamiento al núcleo y a las superficies de refrigeración. Sin embargo, los entrehierros actúan como aislantes térmicos (conductividad térmica del aire ≈0.026 W/mK), creando barreras de alta resistencia térmica que impiden el flujo de calor. Esto provoca la acumulación de calor en los entrehierros, formando puntos calientes locales mucho más calientes que la temperatura media del devanado. Según la Ley de Arrhenius, la tasa de envejecimiento térmico de los materiales aislantes aumenta exponencialmente con la temperatura:

                   L∝e−Ea/(k⋅T)

         dónde:

L= vida útil del aislamiento,

Ea= energía de activación del material,

k= constante de Boltzmann,

 T= temperatura del punto caliente (Kelvin).
Para el aislamiento de clase H (punto caliente de diseño: 155 °C), un aumento de 10 °C en la temperatura del punto caliente reduce a la mitad la vida útil térmica teórica. El sobrecalentamiento crónico acelera la degradación del polímero y las reacciones químicas internas, y puede provocar carbonización o fusión, lo que provoca cortocircuitos entre vueltas o entre capas.

 ● Solución VPI (Medidas):
   VPI rellena los huecos con resina epoxi, que:

(1)Elimina las barreras térmicas del espacio de aire:Reemplaza el aire con resina (conductividad térmica ≈0.2-0.3 W/mK, 10× mejor que el aire), reduciendo la resistencia térmica de contacto.

(2)Crea rutas de calor eficientes:La resina forma puentes térmicos continuos entre los conductores y el aislamiento (por ejemplo, Nomex®), lo que permite una transferencia de calor uniforme y eficiente al núcleo y a las superficies de enfriamiento.

● Mejora del rendimiento (Resultado):

(1)Reducción de la temperatura del punto caliente:El VPI reduce las temperaturas de los puntos calientes críticos entre 10 y 15 °C en comparación con los métodos convencionales. Para el aislamiento de clase H, reducir los puntos calientes de 130 °C a 115 °C o menos multiplica la vida útil térmica según la Ley de Arrhenius.

(2)Distribución de temperatura más uniforme:La transferencia de calor mejorada equilibra las temperaturas, reduciendo el aumento promedio y mejorando la eficiencia.

(3)Reducción del estrés por ciclo térmico:Las temperaturas uniformes minimizan las tensiones internas causadas por diferentes coeficientes de expansión térmica (cobre, aislamiento, resina), lo que reduce los riesgos de grietas.

4. Ventajas del proceso y valor a largo plazo

VPI representa la cumbre de la fabricación de transformadores de tipo seco, ofreciendo beneficios mucho mayores que los métodos tradicionales:

El proceso de impregnación por presión de vacío (VPI), al llenar profundamente los poros microscópicos del devanado, equipa a los transformadores de tipo seco de bajo voltaje con una temperatura ultra baja de <5 pC.

En resumen

Descarga parcial (según IEC 60076-11), sellado completo de nivel IP23 y más de 30 años de vida útil térmica validada (IEEE C57.12.01). Como tecnología de refuerzo de aislamiento de vanguardia, VPI permite un funcionamiento sin mantenimiento y reduce drásticamente los costes del ciclo de vida; la resistencia del aislamiento define la duración de la vida útil.

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