¿Por qué los transformadores de alto voltaje necesitan aceite?

Alguien me dijo que los transformadores de alto voltaje necesitan aceite porque evita el arco eléctrico. Sin embargo, en términos de ruptura dieléctrica, ¿no es el aire el más fuerte?

Recuerdo de las clases en la universidad que a medida que aumenta la constante dieléctrica, disminuye el voltaje de ruptura. ¿Es esto correcto?

3 razones: una ruptura de voltaje mucho mayor, conductividad térmica y contaminantes mucho más bajos, incluida la humedad de la condensación, que conducen a una descarga parcial, que es más barata de controlar y reparar en aceite que los tipos de epoxi seco.

• Agregué la tercera razón, que es más compleja ya que es más fácil eliminar las partículas extrañas en el aceite y la viscosidad reduce la energía cinética de las partículas aceleradoras en un campo E que golpea un conductor con suficiente energía para liberar hidrógeno, un gas combustible de la molécula de agua.

• Existen transformadores secos <5MVA que ocupan un espacio más pequeño, más silencioso, más seguro, preferido para algunas áreas urbanas, pero menos eficiente, cuestan más y dependen de un aislamiento más costoso con cinta de Mica y polímeros epoxi para que sean resistentes a la humedad. Los transformadores secos deben combatir la tendencia a absorber moléculas de humedad, lo que deteriora rápidamente el voltaje de ruptura.

El aceite de grado de transformador es al menos 8x y hasta 25x mejor que el aire para la descomposición dieléctrica y al menos 6x mejor conductividad térmica en [W / mK].

El aceite se usa predominantemente> 5MVA debido a una mejor eficiencia eléctrica y de enfriamiento. El aceite es necesario para el enfriamiento, la dispersión térmica de los puntos calientes y para el aislamiento eléctrico.

La descarga parcial (PD) tiene que ver con el flujo de iones en el plasma, como una aurora o corona. Necesita algunos contaminantes para colisionar y provocar descargas.

De mis experimentos con el aceite Nydas Transformer en una fábrica de transformadores que supera los 25kV / mm. Con resultados típicos que varían de 25 a 40kV.

Con un procesamiento más costoso para eliminar contaminantes de nivel de ppm, puede alcanzar 70kV / mm. Aquellos que pueden pagar la máquina de más de $ 50k, utilícelos, pero son necesarias algunas habilidades en el procesamiento de contaminación invisible y los controles de calidad del proceso en un ambiente de sala limpia.

La prueba se realiza con una rampa de aproximadamente 1 kV / s con electrodos planos de latón ultra limpios (~ 2 cm) en un vaso de precipitados de vidrio limpio con bordes cónicos lisos.

Al igual que el aire, son los contaminantes móviles y los cambios de presión los que pueden conducir a una descarga parcial que causa variabilidad en el voltaje de ruptura BDV de un aislante.

Para el aceite de transformador, la descarga parcial también descompone la gran cadena de hidrocarburos en H2, que tiene un umbral explosivo más bajo de 4% de concentración.

La descomposición del aire limpio es de 3kV / mm mientras que el aire húmedo y sucio es <500V / mm en plano a plano, mientras que el punto a punto es aproximadamente 1/3 de estos umbrales de voltaje.

Un vacío ultra bajo proporciona un BDV alto, pero un vacío parcial muy bajo, ya que la reducción de moléculas permite una menor resistencia y una mayor energía cinética cuando un ion en el aire golpea el conductor. (Ver ley de Paschen).

El aceite del transformador no solo evita la formación de arcos, sino que también evita que el transformador se sobrecaliente a su temperatura de funcionamiento.

Entonces, ¿no es el aire el mejor contra la ruptura de voltaje?

Bueno, la respuesta a eso es no. Según mis experimentos, me muestra que sí, el aire tiene una ruptura de voltaje en el espacio de 1 pulgada a un voltaje de 20,000 voltios. Pero el aceite del transformador tiene una ruptura de voltaje de 70,000 voltios por pulgada.

Si lo pone de esta manera, a medida que la distancia de los dos conductores se hace más grande y más grande, el voltaje de ruptura dieléctrico necesario para atravesar esa distancia aumenta.

Entonces sí, tienes razón.

¿Cómo mantienes los cables en su lugar? El aire no ayudará. Está hecho con cartón empapado en aceite.

Además, los gases tienen una propiedad desagradable: tienen una presión muy baja, por lo que los átomos ionizados al azar son fácilmente movidos por el campo eléctrico. Si la presión del gas es lo suficientemente baja para el voltaje, los iones y los electrones libres alcanzan el contraelectrodo antes de que puedan recombinarse para que tenga un canal conductor, y el calor del flujo de corriente ionizará aún más átomos. El aceite lo impide simplemente por su viscosidad.

Si desea tener un excelente aislamiento con un gas, debe usar un gas difícil de ionizar con alta viscosidad, por ejemplo, hexafluoruro de azufre.

Necesitas refrescarte. Y el aire limpio es difícil.

La clave de la pregunta es dónde colocaron los transformadores : si estuvieran en el interior, sería muy interesante, pero en realidad están ubicados en lugares sucios llenos de polvo, nieve, humedad y cualquier otro contaminante ambiental conocido por el hombre. Y debe dar una vida de servicio básicamente sin mantenimiento en las décadas.

El aire no está solo para aislar. Podrían hacer eso con mica . También necesitan enfriar el transformador para que puedan obtener una clasificación de corriente más útil con la misma cantidad de cobre y hierro.

Para que puedan usar el aire, pero los problemas ambientales hacen que el intercambio de aire atmosférico sea impracticable. Por lo tanto, tendrían que sellarlo herméticamente, embotellar el aire en el interior en el momento de la fabricación, aunque, por supuesto, podría ser algún otro gas como el nitrógeno o el argón.

La siguiente pregunta es la eficiencia térmica del material como fluido de transferencia de calor. El calor es un nivel de excitación de un átomo. Los neutrales y los protones no almacenan calor, por lo que la masa no almacena calor, los átomos sí. El petróleo es masivamente más denso en átomos que el aire, siendo líquido. El aceite también se expande cuando se calienta (solo mire la varilla de medición de su automóvil), por lo que el aceite caliente es más liviano en volumen que el aceite frío, la gravedad lo obliga a elevarse y eso provoca la circulación por convección. Esto puede explotarse para que circule a través de las aletas de enfriamiento, por lo que no es necesaria una bomba de refrigerante.

Busque "transformador de tipo seco", que hoy en día son de uso común. Hay uno de estos en una enorme caja de servicios públicos al aire libre cerca de nuestro edificio. Al menos en nuestro caso, el transformador no está en un poste de alimentación, por lo que tiene menos necesidad de ser extremadamente compacto y de bajo peso. Un xfrmr pesado con bobinas de hierro extra y cobre más grueso funciona más frío, por lo que no necesita aceite refrigerante ni bucles del radiador. Y, si el tamaño pequeño no es un problema importante, entonces los devanados EHT pueden separarse del lado de bajo voltaje, de modo que el espacio de aire proporcione una prevención suficiente de la ruptura del arco.

Tenga en cuenta que las explosiones y los incendios de los transformadores de petróleo no son desconocidos durante las tormentas eléctricas y las líneas de tormentas de viento. Los transformadores de tipo seco carecen de estos mecanismos de falla.

Todas las respuestas anteriores son buenas, pero no mencionan los beneficios ambientales de la dioxina que está presente en el aceite de muchos transformadores más antiguos.