Ing Daniel Gmez CAPACITORES DE MEDIA TENSIN Rev abril 2010 Hoja N 1

LEYDEN S.A. INGENIERIA

Ref.: FABRICACION DE CAPACITORES DE POTENCIA PARA COMPENSACIN DE POTENCIA REACTIVA EN SISTEMAS DE

MEDIA Y ALTA TENSION (ALL FILM CAPACITORS) 1- Introduccin El presente trabajo tiene por objetivo describir el tipo constructivo de los capacitores de potencia fabricados actualmente detallando las principales cualidades del diseo. La fabricacin de capacitores de potencia para compensacin de reactiva en sistemas elctricos con tensiones mayores a 1 kV emplea actualmente materiales de primera calidad de acuerdo al desarrollo tecnolgico alcanzado hasta el momento. Esos materiales permiten soportar condiciones de servicio que en los ltimos aos han empeorado debido a la incorporacin de gran cantidad de cargas no lineales en los sistemas elctricos. Adems, la normativa actual indica que la temperatura de servicio puede variar dentro de un rango muy amplio (entre - 40 C y +55 C) y la humedad puede alcanzar el 100%, por lo que cualquier material utilizado debe ser apto para esas condiciones ambientales. Lo anterior es aplicable tanto a los materiales que forman la parte activa del capacitor (placas + dielctrico), como as tambin a la aislacin principal, a la caja metlica, a los aisladores y al proceso de pintura. 2- Normas internacionales y nacionales Los capacitores fabricados por LEYDEN utilizados en sistemas elctricos de tensiones mayores a 1kV. cumplen con las Normas IEC 60871 Shunt Capacitors for a.c.power systems having a rated voltage above 1000 volts

ANSI / IEEE Std 18 Shunt Power Capacitors NBR 5282 (Brasil) Capacitores de Potencia en Derivacao para sistema de tensao nominal acima de 1000 v IRAM 2326 (Argentina)

Capacitores en derivacin para redes de energa elctrica con tensiones mayores a 1000 v

NOTA: Fabricacin bajo otras normas a pedido

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3- Tipo constructivo actual Electrodos Estn construidos con folio de aluminio de pureza mayor al 99,2 % especial para uso elctrico.

El espesor del folio de alumino utilizado en la actualidad es de 5 m, lo que junto a sus muy buenas propiedades mecnicas permite utizarlo en mquinas de bobinado automticas. La disposicin de los aluminios dentro del elemento capacitivo individual es del tipo folio extendido-antiinductiva, (no hay derivaciones-tabs), sobresaliendo la zona de conexin hacia los extremos del elemento capacitivo individual. Esta caracterstica ha sido verificada en ensayos especiales de medicin de la inductancia de varios capacitores terminados, que dieron como resultado valores extremadamente bajos. Los bordes del folio de aluminio se pliegan formando un anillo anticorona, al inicio, al final y a lo largo de todo el borde interno del elemento capacitivo de manera de evitar las descargas parciales en las zonas de alta concentracin de campo elctrico Las cabezas de bobina se sueldan con aleaciones especiales aptas para el aluminio utilizado y que permiten soportar los valores de corriente permanente y los esfuerzos electrodinmicos que se producen durante maniobras de conexin, desconexin o fallas cercanas a los bancos de capacitores.

Fig. 1: Rollos de folio de aluminio de alta pureza de 5 m de espesor

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Dielctrico (film + aceite) El dielctrico est compuesto por varias pelculas (film) de polipropileno rugoso de ambos lados, biaxialmente orientado, (se utilizan tres hojas interpuestas entre los electrodos -diseo tricapa), y est diseado especialmente para poder incorporar luego el aceite que actua como impregnante lquido Las caractersticas principales del film PPR para uso elctrico son las siguientes: - Muy baja tangente de prdidas - Alta rigidez dielctrica - Alta resistividad volumtrica - Baja densidad - Prcticamente insensible a la humedad - Perfecta compatibilidad con los impregnantes actuales - Temperatura admisible acorde con las aplicaciones actuales - Permitividad acorde con los impregnantes actuales - El esfuerzo dielctrico mximo de diseo depende de cada proyecto pero en general est en el orden de los 63 V/m, calculado como la tensin nominal eficaz entre electrodos, dividida por la suma de los espesores nominales de las hojas de polipropileno interpuestas entre los electrodos. El espesor de cada lmina de film de polipropileno puede variar entre 9 m y 15 m de acuerdo a cada diseo Como hemos dicho, adems del film de polipropileno el dielctrico est formado por el impregnate que es un fluido biodegradable, no contaminante del medio ambiente y sin aditivos clorados (NO PCB). El impregnante adems de penetrar en las lminas de film, tambin penetra dentro del film conformando de esa forma el dielctrico total.

La utilizacin de film de polipropileno rugoso de ambos lados (comparado con un film rugoso de un solo lado) facilita el proceso de impregnacin y de penetracin del impregnante entre lminas de film y entre laminas de film y folio de aluminio, especialmente en zonas del elemento capacitivo de alto grado de compresin. Es decir, que la utilizacin de film rugoso de ambos lados nos permite evitar la adherencia entre lminas de film o entre film y folio de aluminio. La rugosidad de ambos lados es una de las principales caractersticas de film de polipropileno utilizado en nuestros capacitores. (ver Fig 2) Lo dicho anteriormente junto a la alta compatibilidad entre film e impregnante nos permite eleiminar el riesgo de zonas no impregnadas dentro del elemento capacitivo lo cual nos conducira a la aparicin de importantes descargas parciales en dichos puntos.

Adems de la rugosidad, otra caracterstica muy importante del film utilizado es la uniformidad del espesor a lo largo de todo el elemento capacitivo, caracterstica garantizada mediante el proceso de fabricacin del film PPR

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Fig. 2: Vistas ampliadas de las dos caras del film de PPR rugoso de ambos lados

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La posibilidad del diseo tricapa (utilizacin de tres lminas de film entre electrodos) es una caracterstica muy importante que se traduce en una mayor confiabilidad del capacitor a lo largo de su extensa vida til. En la Fig. 3 podemos ver que al tener tres lminas de film, tambin disponemos un un canal adicional para el impregnante comparando con el esquema que utiliza solo dos lminas de film PPR

Fig. 3: Vista transversal de un elemento capacitivo con tres films PPR entre electrodos Adems se observa la disposicin antiinductiva y los bordes internos plegados an el Al

Si adems analizamos las curvas de defectos por m que se observan a continuacin para diferentes espesores de film PPR y diferentes gradientes de potencial, podemos concluir que la utilizacin de tres lminas de PPR disminuye la probabilidad de perforacin del dielctrico en comparacin con la utilizacin de dos lminas de film PPR entre electrodos

Fig. 4: Cantidad de defectos elctricos por m en funcin de V/m

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Fig.5 : Cantidad de defectos elctricos en funcin del espesor para U: 300 Vdc/m

Adems de la calidad y las caractersticas del film de PPR, es de suma importancia su correcta utilizacin y manejo dentro de la sala limpia de bobinado, de manera de evitar el ingreso de impurezas dentro del dielctrico

Fig. 6 : Rollos de film de PPR listos para colocar en lamquina bobinadora

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Para lograr una alta confiabilidad del producto no solo se deben utilzar materiales de primera calidad, sino tambin es necesario disponer de una sala de bobinado con aire filtrado, limpia y aislada del resto del proceso, y una bobinadora de avanzada tecnologa

Fig. 7: Mquina bobinadora de capacitores de MT preparada para diseo tricapa La bobinadora est ubicada en la sala especial de bobinado con aire filtrado

Los elementos capacitivos luego de ser bobinados, se prensan y sobre cada uno de ellos se realiza un ensayo de tensin aplicada en seco. En la Fig. 8 adems se pueden ver varios elementos capacitivos con uno de los bordes tipo folio extendido

Fig. 8 : Elementos capacitivos individuales terminados listos para el ensayo de tensin aplicada en seco

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Impregnante (Biodegradable-NO PCB) El aceite utilizado como impregnante es nuestros capacitores (M/DBT) es altamente compatible con el film de polipropileno utilizado actualmente y es especial para la fabricacin de capacitores de MT. Tiene caractersticas no-polares lo que lo hace ideal para trabajar dentro de un rango muy amplio de temperaturas superando a los aceites utilizados anteriormente. Caractersticas prinicpales - Muy baja tangente de prdidas - Alta rigidez dielctrica - Alta resistividad volumtrica - Baja densidad - Perfecta compatibilidad con el dielctrico actual - Amplio rango de temperatura admisible acorde con las aplicaciones actuales - Permitividad acorde con el dielctrico actual

Fig. 9 : Variacin de permitividad y tangente de prdidas en funcin de temperatura

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Aislacin principal (Papeles y cartones especiales) La parte activa del capacitor se aisla de la caja metlica utilizando papel de alta pureza fabricado sin nign tipo de aditivos. Ese tipo de papel, junto a cartones de diversos espesores tambin se utilizan como separador internos y protectores de los elementos capacitivos Estos papeles y cartones son aptos para utilizar con el impregnante lquido actual, y la calidad de ellos junto al diseo permite que el capacitor soporte sin inconvenientes los ensayos de tensin aplicada a frecuencia industrial entre terminales y caja y el ensayo de impulso atmosfrico entre terminales y caja.

Fig. 10: Rollo de papel kraft de alta pureza utilizado en la aislacin principal