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Presidente: Enrique Ochoa Reza, Director General de la Comisión Federal de ElectricidadConsejero propietario y Presidente suplente: Francisco Leonardo Beltrán Rodríguez, Subsecretario de Planeación y Transición Energética, Secretaría de EnergíaSecretario: Pablo Moreno Cadena, Presidente de la Cámara Nacional de Manufacturas EléctricasProsecretario: Fernando A. Kohrs Aldape, Director de Planeación, Gestión de la Estrategia y Comercialización, Instituto de Investigaciones EléctricasConsejeros propietarios: • Luis Carlos Hernández Ayala, Director de Operación, Comisión Federal de Electricidad • Guillermo Turrent Schnaas, Director de Modernización, Comisión Federal de Electricidad • Pedro Luna Tovar, Subdirector de Programación, Comisión Federal de Electricidad • Noé Peña Silva, Subdirector de Transmisión, Comisión Federal de Electricidad • Alejandro Sibaja Ríos, Director General de Programación y Presupuesto “B” de la Secretaría de Hacienda y Crédito Público • Enrique L. Graue Wiechers, Rector de la Universidad Nacional Autónoma de México • Enrique Fernández Fassnacht, Director del Instituto Politécnico Nacional • Salvador Vega y León, Rector General de la Universidad Autónoma Metropolitana

Boletín IIE es una publicación trimestral, de distribución gratuita y editada por el Departamento de Difusión del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE). Los artículos firmados son responsabilidad de sus autores. El material de este boletín solo puede reproducirse parcial o totalmente, con la autorización escrita del IIE. ISSN0185-0059. Certificado de licitud de título 01777. Franqueo pagado, publicación periódica, permiso número 002 0583, características 319 321412, autorizado por Sepomex.

• José Luis Fernández Zayas, Director Ejecutivo • Ángel Fierros Palacios, Director de Energías Alternas • Salvador González Castro, Director de Tecnologías Habilitadoras • Rolando Nieva Gómez, Director de Sistemas Eléctricos • José M. González Santaló, Director de Sistemas Mecánicos • Fernando A. Kohrs Aldape, Director de Planeación, Gestión de la Estrategia y Comercialización • Alfredo Gómez Luna Maya, Director de Administración y Finanzas • Gladys Dávila Núñez, Jefa del Departamento de Difusión

Presidente: Carlos Ortiz Gómez, Director General de Investigación, Desarrollo Tecnológico y Formación de Recursos Humanos, Secretaría de EnergíaPresidente suplente: Edgar Santoyo Castelazo, Secretaría de EnergíaSecretario técnico: Fernando A. Kohrs Aldape, Instituto de Investigaciones EléctricasMiembros del Comité: • Luis Carlos Hernández Ayala, Comisión Federal de Electricidad • Mario Alberto Cervantes García, Secretaría de la Función Pública • Federico Millán del Portillo, Secretaría de la Función Pública • Alejandro Sibaja Ríos, Secretaría de Hacienda y Crédito Público • Enrique L. Graue Wiechers, Universidad Nacional Autónoma de México

Junta Directiva

Comité Técnico Operativo

Comité Editorial

• Sergio Hernández Vázquez, Director Adjunto de Centros de Investigación, Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología • Hugo Gómez Sierra, Director de División Cables, Condumex • Carlos Rafael Murrieta Cummings, Consejero independiente • Ernesto Ríos Patrón, Consejero independienteComisarios públicos: • Mario Alberto Cervantes García, Comisario Público Propietario del Sector Energía de la Secretaría de la Función Pública • Federico Millán del Portillo, Comisario Público Suplente del Sector Energía de la Secretaría de la Función PúblicaInvitados: • Odón de Buen Rodríguez, Director General de la Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía • Carlos Antonio Álvarez Balbas, Socio Director, Despacho Álvarez Balbas, S. C.

• Enrique Fernández Fassnacht, Instituto Politécnico Nacional • Salvador Vega y León, Universidad Autónoma Metropolitana • Sergio Hernández Vázquez, Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología Invitados: • Odón de Buen Rodríguez, Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía • Salvador Portillo Arellano, Prolec GE Internacional S. de R.L. de C.V. • Alberto Alejandro Montoya Vargas, Comisión Federal de Electricidad

• Federico Estrada Arias, Coordinador Editorial • Arturo Fragoso Malacara, diseño gráfico • Verónica García Rodríguez, diagramación, formación y cuidado de la edición • Wendy Lugo Sandoval, publicación electrónica • Sergio Ortega López, fotografía • Ana María Sámano Ramírez, distribución

Sumario

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Sumario Editorial

DivulgaciónLa nanocelulosa: propiedades y aplicaciones / Nanocelluose: properties and applications.Carlos Fernando Castro Guerrero y Filemón Delgado Arroyo.

Tendencia tecnológicaAplicaciones de nanotubos de carbono, grafeno y óxidos metálicos en sensores para monitoreo de equipo eléctrico de potencia / Applications of carbon Nanotube, Graphene and Metallic Oxides as sensors for power electrical equipment monitoring.Leonardo Rejón García.

Artículos técnicos• Efecto de nanopartículas en aceites aislantes utilizados en transformadores de potencia / Effect of nanoparticles on insulating oils employed in power transformer. Carlos Gustavo Azcárraga Ramos, Andrea Cavallini y R. Karthik.• Grafeno y su uso en intensificadores químicos para sistemas de puesta a tierra en líneas de transmisión / Use of Graphene in chemical enhancers for grounding systems of transmission lines. Isaías Ramírez Vázquez, Javier Eduardo Salgado Talavera, Enrique Gaona Estrada y Octavio Félix Sandoval.

Comunidad IIE • KEEI de Corea del Sur y el Instituto firman Memorándum de Entendimiento / KEEI South Korea and INEEL sign Memorandum of Understanding.• Obtiene el Instituto Best Paper Poster Award en CSEDU / INEEL is awarded Best Paper Poster Award at CSEDU.• Investigador del Instituto colabora en libro sobre cambio climático / INEEL researcher contributes in a book about climate change. • Liderazgo del Instituto en el 28º Congreso de Ingeniería Civil / INEEL leadearship at the 28th Civil Engineering Congress 2016.

Breves técnicas• Caracterización y análisis del comportamiento dieléctrico de gases alternos viables para su uso como aislamiento de equipo eléctrico de potencia / Characterization and analysis of alternate gases dielectric behavior to use as power electrical equipment insulation. Noé Rafael Colorado Sosol y Jaime De Urquijo Carmona.• Aplicación de imanes permanentes y nanomateriales para el diseño y fabricación de máquinas eléctricas rotatorias de alta eficiencia energética / Permanent magnets and nanomaterials application for design and manufacturing of high efficiency electrical machines.Francisco Antonio Carvajal Martínez y Leonardo Rejón García.

Artículo de investigación Application of unusual techniques for characterizing ageing on polymeric electrical insulation. Rubén Saldívar Guerrero, Ramiro Hernández Corona, Francisco Arturo López González, Leonardo Rejón García y Víctor Romero Baizabal. Article originally published in Volume 117, December 2014, pages 202-209 of Electric Power Systems Research, Elsevier, 2014.

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abril-junio

Editorial

La demanda de energía a nivel mundial está en continuo crecimiento, siendo ésta del orden del 50% hasta 2030, con base en los reportes de la Agencia Internacional de Energía. Actualmente, el 80% de la demanda está cubierta por combustibles fósiles, mientras que la energía nuclear y las fuentes renovables como el sol, viento, agua, biomasa y geotermia cubren la otra parte de la demanda global. Recientemente se une la energía producida por las mareas.

El sector energético, en particular el eléctrico, enfrenta en estos momentos grandes cambios y retos relacionados con el incremento importante en las fuentes de generación de energía eléctrica, principalmente renovables, y al mismo tiempo formas distintas de administrar la misma, siendo una de ellas el empleo de las redes eléctricas inteligentes, lo anterior con la finalidad de que la energía producida sea sustentable y de esta forma poder optimizar la cadena de valor de la energía, es decir, desde el desarrollo y conversión, transporte y almacenamiento, hasta la utilización por parte del consumidor. Para llevar a cabo todo esto se requiere involucrar la innovación y la eficiencia en todos los procesos y una de las vías para hacerlo es el uso de materiales con propiedades

extraordinarias, tal y como lo han mostrado los nanomateriales, los cuales tiene un enorme potencial para lograr un avance tecnológico decisivo en el suministro de energía sostenible.

En este número del Boletín del Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), antes Instituto de Investigaciones Eléctricas, se describen los trabajos realizados en el área de materiales, puntualizando su uso y el impacto en los diferentes procesos involucrados en el suministro de energía eléctrica, como por ejemplo las propiedades y aplicaciones de la nanocelulosa; aplicaciones de nanotubos de carbono, grafeno y óxidos metálicos en sensores para monitoreo de equipo eléctrico de potencia; el efecto de nanopartículas en aceites aislantes

Editorial

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utilizados en transformadores de potencia; la aplicación del grafeno para la modificación de intensificadores químicos utilizados para mejorar la resistividad en los sistemas de puesta a tierra de las líneas de transmisión, así como la caracterización y análisis del comportamiento dieléctrico de gases alternos viables para su uso como aislamiento de equipo eléctrico de potencia, y la aplicación de imanes permanentes y nanomateriales para el diseño y fabricación de máquinas eléctricas de alta eficiencia energética.

Sin duda alguna la nanotecnología tiene su principal base en el desarrollo de nuevos materiales, con propiedades y desempeño impresionantes, haciendo que los retos fijados en el sector puedan ser una realidad. Dichos materiales incluyen los metálicos, poliméricos sintéticos y no sintéticos, y las partículas, entre otros.

En el INEEL nos hemos dado a la tarea de llevar a cabo investigación que nos permita ofrecer a nuestros clientes, actuales y potenciales, soluciones innovadoras para enfrentar los retos que la reforma y la globalización energética demandan.

Boletín IIE, 2016abril-junio

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La nanocelulosa: propiedades y aplicaciones

La celulosa es un material que se encuentra en la naturaleza: es un material renovable y degradable, no es tóxico por lo que es de uso seguro. Es, además, el biopolímero más abundante en la naturaleza, y junto a la lignina constituye uno de los componentes estructurales de las plantas. La celulosa también se encuentra en algas y algunos animales marinos. Las bacterias también producen este material, el cual se compone de unidades de glucosa unidas entre sí por enlaces químicos (beta glucosídicos). Este material se compone de partes amorfas, sin orden, y de partes cristalinas que tienen un ordenamiento y que tienen forma de prisma rectangular, cuyas dimensiones varían según la fuente de la celulosa. La longitud va de 10

Carlos Fernando Castro Guerrero y Filemón Delgado Arroyo

Abstract

Nanocellulose is an interesting material due to its high cyrstallinity and mechanical properties. The Materials and Chemical Processes Department at IIE has been working on isolating nanocellulose from several sources, and finding applications for the energy industry, taking advantage of the dielectric and high mechanical properties of nanocellulose. This paper gives an overview of nanocellulose and its properties.

Divulgación

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a 200 nanómetros, y el ancho es de 3 a 50 nanómetros. Cuando se remueven las partes amorfas de la celulosa quedan las partes cristalinas, que debido a su ordenamiento tienen propiedades mecánicas muy altas. Se trata de un material muy resistente. A estas partes cristalinas se les llama nanocristales de celulosa, o nanocelulosa, por tener dimensiones en el rango de nanómetros.

La nanocelulosa se aísla principalmente por dos métodos: el mecánico y el químico.

En el método mecánico, este material se tritura en un molino de alta energía para remover las partes amorfas y dejar

Figura 1. Las plantas son una importante fuente de celulosa.

sólo las partes cristalinas. Durante el tratamiento, la celulosa se somete a varios pasos y en cada uno de éstos se obtienen cristales más pequeños y de tamaño uniforme, pero tiene la desventaja de que cada paso disminuye su porcentaje de cristalinidad, al someter los cristales a un daño mecánico progresivo. Terminado el proceso se filtran los cristales para remover las partículas más grandes.

El método químico involucra una digestión de la celulosa con un ácido, el cual generalmente es ácido sulfúrico. Aquí, la celulosa es tratada con una mezcla diluida de ácido a cierta temperatura durante un intervalo de tiempo, que puede ir de minutos a horas, según sea la concentración del ácido. Posteriormente la muestra se diluye con agua desionizada y se purifica mediante centrifugación. La muestra que es precipitada es colectada y llevada a sonificación en un equipo ultrasónico de alto poder, para romper los agregados y generar una suspensión coloidal. Finalmente, los nanocristales de celulosa se someten a


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diálisis para remover iones e impurezas de bajo peso molecular. El método del ácido tiene la característica de que realiza una reacción de sustitución e introduce grupos funcionales en la superficie de los nanocristales de celulosa, estas reacciones se realizan debido a los grupos oxhidrilo (OH) de la celulosa que son altamente reactivos. El método del ácido sulfúrico introduce grupos sulfato en la superficie de los nanocristales de celulosa, los cuales ayudan a la estabilización de las suspensiones de nanocelulosa.

Como los nanocristales tienen una forma rectangular, pueden tener un cierto ordenamiento. Debajo de una concentración límite, los nanocristales no tienen orden y forman una fase isotrópica. Arriba de esa concentración, los nanocristales se ordenan y forman una fase anisotrópica. Si un recipiente de nanocristales de celulosa capaz de mostrar anisotropía se deja en reposo por un largo tiempo, la fase anisotrópica se asentará en el fondo del recipiente. En recipientes de dimensiones iguales, la longitud de la fase anisotrópica dependerá de la concentración de los nanocristales de celulosa.

Los nanocristales de celulosa tienen la característica de formar cristales líquidos a partir de cierta concentración en agua. El cristal líquido formado por los nanocristales de celulosa corresponde a una fase nemática quiral (también llamada colestérica). En una fase nemática las

Figura 2. Esquema de aislamiento de las partes cristalinas de la celulosa (Moon et al., 2011).

Figura 3. Micrografía electrónica de nanocristales de celulosa (Habibi et al., 2008).

Figura 4. Separación de fases de suspensiones de celulosa a diferentes concentraciones. La altura de la fase anistrópica (en el fondo de los recipientes) es proporcional a la concentración de la nanocelulosa (Dong et al., 1996).

Divulgación

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moléculas no tienen orden posicional, pero tienden a apuntar en una misma dirección. En una fase nemática quiral, cada capa de moléculas está rotada respecto a las capas adyacentes en una manera helicoidal, el giro es continuo en la misma dirección. En el caso de los nanocristales de celulosa el giro es hacia la izquierda.

Los cristales líquidos colestéricos, como la nanocelulosa, muestran un patrón de huellas dactilares cuando se ven en un microscopio con polarizadores ópticos cruzados. También presentan colores iridiscentes. La distancia que toma una rotación completa de capas se llama “tono quiral”. Éste se mide observando la muestra en un microscopio óptico de luz polarizada, y midiendo la distancia que hay entre dos líneas oscuras (cristales perpendiculares al plano de observación) y dos líneas brillantes (cristales paralelos al plano de observación). Los cristales líquidos colestéricos reflejan la luz de forma selectiva: la magnitud del tono quiral determina la longitud de onda de la luz reflejada, ambos parámetros son iguales, esto significa que un color puede ser reflejado cuando la longitud de onda de la luz es igual al valor del tono quiral. La longitud del tono quiral puede ser modificado agregando una solución de electrolito a los nanocristales de celulosa.

La propiedad de la nanocelulosa de formar cristales líquidos es usada en diversas aplicaciones, ya que éstos retienen el orden cuando son secados.

Se han usado para fabricar dispositivos antifalsificación, tintas para imprimir, materiales iridiscentes, etc.

Los nanocristales de celulosa son materiales altamente cristalinos, por lo que tienen propiedades mecánicas altas. El módulo de Young de la nanocelulosa es de 100–130 GPa, mientras que la densidad de este material es de 1.6 g/cm3, lo que significa que es un material muy resistente y a la vez ligero. La resistencia y densidad de la nanocelulosa se aprovecha para reforzar otros materiales y diversas investigaciones han tratado sobre el tema.

Figura 5. Arreglo nemático quiral de las suspensiones de nanocristales de celulosa. (Cortesía Dr. Gray).

Figura 6. Textura de los cristales líquidos de nanocristales de celulosa visto en un microscopio óptico de luz polarizada, escala, 200 mm. (Araki et al., 2000).


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Los nanocristales de celulosa tienen propiedades dieléctricas, por lo que son buenos candidatos para ser usados en la industria eléctrica, pues son altamente cristalinos y tienen un módulo de Young muy alto. Pueden ser usados en transformadores eléctricos, donde tendrán mejores propiedades mecánicas que el papel usado actualmente y serán más estables químicamente. También se ha estado usando la nanocelulosa en capacitores. En los laboratorios del Instituto de Investigaciones Eléctricas, hoy Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), se cuenta con la infraestructura adecuada para la síntesis de nanocelulosa, lo cual se ha hecho a partir de diversos materiales lignocelulósicos para usarla en aceites dieléctricos y en papel para transformadores, con el fin de generar nuevos productos y tecnologías para la industria eléctrica. Las fuentes de celulosa han sido vegetales con productos agrícolas del Estado de Morelos, entre las que destacan hoja de palma, cáscara de arroz, semilla de jatrofa, cáscara de jatrofa, etc. Con esto se pretende que el INEEL innove con productos que puedan ser aplicados en la industria energética.

Referencias

Araki J, et al. Birefringent Glassy Phase of a Cellulose Microcrystal Suspension, en Langmuir, vol. 16, núm. 6, febrero de 2011, p. 2413–2415.

Dong XM, et al. Effects of Ionic Strength on the Isotropic−Chiral Nematic Phase Transition of Suspensions of Cellulose Crystallites, en Langmuir, vol. 12, núm. 8, abril de 2016, p. 2076–2082.

Habibi Y, et al. Bionanocomposites based on poly(ε-caprolactone)-grafted cellulose nanocrystals by ring-opening polymerization, en Journal of Materials Chemistry, vol. 18, núm. 41, agosto de 2008, p. 5002–5010.

Moon, RJ, et al. Cellulose nanomaterials review: structure, properties and nanocomposites, en Chemical Society Reviews, vol. 40, núm. 7, mayo de 2011, p. 3941–3994.

Currículum vítae

Filemón Delgado Arroyo ([email protected])

Químico por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM). Ingresó al Instituto en 1987. Su área de especialidad ha sido el desarrollo, caracterización y formulación de materiales poliméricos compuestos con cargas tradicionales y nanométricas para su aplicación en el sector eléctrico e industrial, con el objetivo principal de sustituir materiales de importación y/o mejorar las propiedades de los ya existentes. Asimismo se ha especializado en el diagnóstico del estado operativo del sistema aislante papel-aceite de transformadores de potencia y en el desarrollo y caracterización de aceites de origen vegetal para su aplicación como fluidos dieléctricos capaces de sustituir al aceite mineral derivado del petróleo empleado como medio aislante en los transformadores de distribución y de potencia.

Carlos Fernando Castro Guerrero([email protected])

Doctor en Ciencias en Ingeniería Química en 2009 y Maestro en Ciencias en Ingeniería Química en 2006 por el Instituto Tecnológico de Ciudad Madero, con reconocimiento al mejor promedio. Ha realizado estancias posdoctorales en la Universidad de Texas en San Antonio, la Universidad de McGill en Canadá y en el Instituto Tecnológico de Ciudad Madero. Catedrático–CONACyT, comisionado al Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL) antes Instituto de Investigaciones Eléctricas en 2015, a la Gerencia de Materiales y Procesos Químicos. Sus principales temas de investigación son nanocristales de celulosa, polímeros y nanopartículas. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) con nivel 1 y de la American Chemical Society (ACS). Cuenta con publicaciones en revistas internacionales, así como participación en congresos internacionales.

Tendencia tecnológica

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Aplicaciones de nanotubos de carbono, grafeno y óxidos metálicos en sensores para monitoreo de equipo eléctrico de potencia

Leonardo Rejón Garcia

AbstractThe most important challenges for the electrical sector are the improvement of the efficiency, disponibility, reliability and security of the distribution and transmission processes. In this case, are essential the smart grids, where the uses of monitoring systems are vital, being the sensors, the main components. The basic functions of the sensors are the measurement of the most important variables of each of the electric power equipment. One way to evaluate the condition of the electrical equipment is through the concentration of the gases produced by the ageing process of the insulation material as mineral oil and ester, cellulose and sulfur hexafluoride. In these cases, the objective is the correlation between the types of gas produced, with the mechanism of the possible failure, and the gas generation rate with the magnitude of this. Other phenomenon that is the cause of failures and can jeopardize the grid is the vibration, affecting the winding and core of the power transformer and as a result, the instability of the grid. To give solutions at this situation, the nanotechnology has showed a great potential to development different sensors, especially those based in Carbon Nanotube (CNT), Graphene Oxide (GO) and Metallic Oxides (MO), taking in account their high sensibility, low cost, size and low energy.

Introducción

Actualmente, las empresas proveedoras de energía eléctrica, tienen la necesidad de eficientar los procesos de generación, transmisión y distribución de la energía. Lo anterior se puede lograr a través de varias directrices. Una de ellas es la implantación de redes inteligentes en sus procesos que les permita tener el control de los mismos en forma continua, con la finalidad de detectar de manera oportuna cuando un equipo de potencia presenta anormalidades en su funcionamiento, debido a la alteración en el comportamiento de sus componentes, lo que pondría en riesgo su integridad y por lo tanto la confiabilidad de la red eléctrica. El contar con un monitoreo continuo


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permitirá tomar acciones inmediatas para evitar la salida del activo por una falla, ocasionando a su vez, la pérdida de energía, pérdidas económicas, y dependiendo de la magnitud de dicha falla, daños al medio ambiente y afectaciones humanas. La integración de las redes inteligentes tiene su base en los sistemas de monitoreo continuo y para ello es fundamental tener disponibles tecnologías de monitoreo que sean de respuesta rápida, confiables y a un costo acorde a la inversión realizada por el activo, se recomienda no mayor a un 10% del valor del mismo.

Los materiales empleados como aislamiento (aceite, celulosa, SF6) en equipos eléctricos están sometidos a esfuerzos eléctricos, mecánicos y térmicos durante su operación, ocasionando un proceso de degradación, afectando la confiabilidad, disponibilidad y seguridad de los mismos. Los principales subproductos gaseosos que se forman en el aceite mineral y celulosa por la degradación de los aislamientos son: hidrógeno (H2), metano (CH4), etano (C2H6), etileno (C2H4), acetileno (C2H2), monóxido de carbono (CO), y dióxido de carbono (CO2). Para el caso del gas Hexafluoruro de azufre (SF6), los principales

subproductos son: ácido fluorhídrico (HF), sulfuro de tionilo (SOF2), sulfuro de sulfurilo (SO2F2) y dióxido de azufre (SO2). Las tecnologías hoy disponibles para monitoreo de gases continuo (espectroscopia foto-acústica e infra-roja, electroquímica, entre otras), para tal fin, en la mayoría de los casos resultan complejas, no del todo confiables (comparadas con aquellas establecidas en laboratorio) y con costos elevados, tal que no se justifica su instalación en todos los equipos eléctricos. En algunos casos (sensores para monitoreo continuo de subproductos de gas SF6) no se cuenta con ella. Otra variable de interés y de un impacto importante en el desempeño de transformadores es la deformación de los devanados, actualmente no se tiene una tecnología de monitoreo en línea comercialmente disponible. El contar con un sistema de este tipo, ayudará a prever fallas de gran magnitud por reducción de distancias dieléctricas, arcos eléctricos y cortocircuitos. Finalmente, las tecnologías disponibles para la medición de deformaciones en materiales, por ejemplo el conductor de líneas de trasmisión, están soportadas en strain gauge y Fiber Bragg Grating (FBG por sus siglas en inglés). Algunas limitaciones de estas tecnologías, son su manejo (muy frágil, requiere superficies lisas) y de reutilización debido a que una vez realizada la medición la parte activa no se recupera, el costo y disponibilidad.

Con base en todo lo antes mencionado, podemos ver que existen en el


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mercado algunas técnicas de diagnóstico y sistemas de monitoreo de variables en equipos eléctricos, sin embargo, se presentan situaciones no resueltas como: altos costos para algunos casos específicos, baja confiabilidad en la medición, selectividad de los sensores para algunos gases en especial, y en otros casos y de mayor reto no existe aún el sistema de monitoreo. Por lo tanto, resulta de vital importancia el desarrollo de sensores para integración sistemas de monitoreo en línea y de forma continua de las variables que mayor impacto tienen sobre el desempeño y la confiabilidad en la operación de equipos de potencia. Para ello consideramos que la nanotecnología es una buena opción para el desarrollo de dichos sensores.

Sensores de gases

En la última década, el interés de la comunidad científica e industrial por el empleo de los materiales nanocompuestos basados en nanotubos de carbón (NTC), grafenos y óxidos metálicos ha incrementado exponencialmente debido a sus impresionantes propiedades, encontrando una potencial aplicación como semiconductores o conductores eléctricos, sensores para detección de gases, y para la medición de parámetros mecánicos, y como materia prima para la fabricación de equipo especial, entre otros. Los nanotubos de carbono están constituidos por átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal cilíndrica. Estos pueden ser de pared

simple (SWCNT por sus siglas en inglés), figura 1a y de pared múltiple (MWCNT por sus siglas en inglés), figura 1b. El principal atributo de los nanotubos de carbono como sensores de gases es debido a su capacidad para modificar su conductividad eléctrica inducida por la transferencia de carga con las moléculas del gas en cuestión. Los sensores basados en nanotubos de capa simple han mostrado tiempos de respuesta menor a los sensores de estado sólido. Son de tamaños pequeños y con una alta sensibilidad a temperatura ambiente. Algunos gases detectados con sensores basados en NTC, incluyen al metanol, etanol, 1-propanol y 2-propanol, amonio (NH3), dióxido de carbono (CO2), óxido de nitrógeno (NOx). En la pasada década, en Japón se inician una serie de trabajos de investigación

Figura1b. Nanotubo de carbono de pared múltiple.

Figura1a. Nanotubo de carbono de pared simple.


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encaminados al desarrollo de sensores basados en NTC para la detección de subproductos de SF6. En uno de ellos describen un sensor que utiliza NTC del tipo multicapa funcionalizado como parte activa. El gas SF6 se sometió a descargas parciales y midieron el cambio en la conductancia del sensor. El incremento en la conductancia del sensor se atribuyó a la interacción electrónica entre el sensor y los productos de la descomposición del SF6, siendo éstos principalmente SO2 y HF. El sensor se saturó cuando la concentración de los gases fue del orden de 6 ppm. Algunas Universidades de Corea, proponen el uso de sensores miniatura de SWCNT fabricados por electroforesis, los cuales son capaces de detectar especies disociadas y oxidadas derivadas de la descomposición parcial del SF6 generada por descargas parciales. El sensor no reaccionó con el SF6 puro y puede ser regenerado mediante el burbujeo con aire freso. En China, se reportó un método para detectar subproductos del SF6 debido a descargas parciales, utilizando un sensor basado en MWCNT modificado químicamente. El sensor fue capaz de detectar gases como el SO2F2, SOF2, SO2 y HF, reportando la respuesta como función de la suma de la concentración de cada uno de los gases. Recientemente se reportó que el tratamiento de los NTC con plasma, mejoró la sensibilidad del sensor cuando se expuso a H2S. Otro material de propiedades sorprendentes es el Grafeno (figura 2). Éste es un alótropo bidimensional del carbono,

y puede considerase como una capa delgada del átomo de grafito, con un área por unidad de masa del orden de 2,600 m2/g, siendo esta mayor que la del nanotubo de carbón (1.315 m2/g), lo cual le da una mayor capacidad de interacción. Los sensores fabricados con Grafenos son de tipo resistivo. Se ha reportado que los sensores utilizando el Grafeno en su forma base y funcionalizado muestran capacidad para detección de gases como: H2, CO, CO2, SO2, y NO2. Los límites de detección de estos sensores para los gases antes mencionados van desde 2.5 a 60 ppm y en algunos casos del orden de ppb.

Para el monitoreo de gases disueltos en aceite mineral en transformadores, las Instituciones Chinas reportan que sensores basados en nanopartículas de óxidos metálicos (figura 3) como el SnO2 (dióxido de estaño) el cual mostró buena respuesta a la presencia de gases como CH4, C2H6, C2H4, y C2H2. Otro sensores evaluados por esta misma institución son los basados en nanotubos de carbono dopados con Ni (Níquel) y tratamiento ácido. Otras propuestas de diversas instituciones son el uso de nanopartículas de óxido de zinc (ZnO) o nanotubos dopados con paladio y grupos hidroxilos (OH). Es importante señalar que en todos los trabajados publicados los resultados se obtuvieron utilizando gases en su forma pura o en mezclas con inertes, es decir, no disueltos en aceite, en donde esto resulta muy complejo, y este es un gran reto para llevar la tecnología a la práctica.

Figura 2. Plaquetas de Grafeno.


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Los sensores de gases basados en Nanotubos, Grafenos u Óxidos Metálicos, pueden construirse por varios métodos: por vaciado del Nanocompuesto (material activo) sobre un circuito interdigitado. Otro método simple es el de serigrafía del Nanocompuesto sobre los electrodos. Un método más complejo es el de dielectroforesis, en donde las nanopartículas son polarizadas por un campo eléctrico no uniforme, para de esta forma controlar la separación, orientación y posición de las mismas. En los casos en donde se requiera incrementar la sensibilidad del sensor con la aplicación de calor, se introduce una resistencia entre el material de soporte y los electrodos.

Las ventajas que tendrían los sensores desarrollados con nanotecnología comparados con técnicas tradicionales son: monitoreo en línea y de forma continua, selectividad y sensibilidad a un gas en particular, menor tamaño, tiempo de respuesta rápido y bajo costo. A la fecha se han reportado una gran cantidad de artículos y patentes de propuestas de sensores basados en nanotecnología, sin embargo, no hay disponible comercialmente un dispositivo capaz de monitorear continuamente los gases antes mencionados.

Sensores de parámetros mecánicos

También se presentan algunos fenómenos mecánicos importantes de monitorear como son: la vibración

(produce deformación en devanados) en transformadores, y deformaciones en los conductores derivado de esfuerzos, cambios de temperatura ambiente y por distorsiones de flujo en la red eléctrica.

La vibración en equipo de potencia como son los trasformadores, tiene su origen en fenómenos naturales y por fenómenos eléctricos internos como magnetostricción y fuerzas electromagnéticas. La medición de la vibración se realiza comúnmente utilizando acelerómetros basados en piezoeléctricos. Para detectar anomalías directas en el núcleo y devanado se emplea la técnica de Análisis de Respuesta a la Frecuencia (FRA por sus siglas en inglés), ésta se realiza fuera de línea. Esto implica dejar de procesar energía con las consecuentes pérdidas económicas, además, no se puede detectar en el momento que la posible falla es incipiente. Respecto al desarrollo de sensores basados en nanotecnología para la medición de vibración hay muy pocos reportes, en uno de ellos utilizan a los nanotubos de carbono como sensores de masa, sugiriendo el empleo de nanotubos de ZnO, entre otros, sin embargo, en el mercado solo están disponibles sensores que emplean acelerómetros combinando la tecnología MEMS y recientemente propuestas usando Vibrómetros de Láser Doppler. Para la medición de la deformación en materiales existen tecnologías soportadas en strain gauge y Fiber Bragg Grating (FBG por sus siglas en inglés) principalmente. La primera con problemas de manejo (muy frágil, requiere superficies

Figura 3. Nanopartículas de óxido de zinc (ZnO).


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lisas) y de reutilización debido a que una vez realizada la medición la parte activa no se recupera. La segunda su desventaja radica en su costo y disponibilidad. Con base en lo anterior, empiezan a aparecer investigaciones con el uso de la nanotecnología, principalmente nanotubos de carbono y grafeno, para la fabricación de sensores de deformación.

El Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL, antes IIE) ha incursionado en este área de investigación aplicada a través del desarrollo de sistemas (se tiene uno a escala prototipo para subproductos de SF6, figura 4) de monitoreo continuo de gases empleando sensores basados en nanotubos de carbono. Adicionalmente se explorará el desarrollo de sensores capaces de monitorear la deformación en devanados de transformadores y en el conductor de líneas de trasmisión. Asimismo se evalúan las propiedades dieléctricas de los nanocompuestos para poder establecer los mecanismos de polarización y conducción, conocer su comportamiento

mecánico-dinámico para establecer su capacidad para soportar esfuerzos, y estructurales para determinar su impacto en las propiedades dieléctricas y mecánicas. También se evalúa el efecto de la modificación superficial de los nanotubos con agentes acoplantes (organosilanos) y ácidos para incrementar la dispersión en la matriz polimérica. Lo anterior con la finalidad de contribuir al fortalecimiento de la capacidad de monitoreo y diagnóstico continuo, así como en la administración del mantenimiento de activos, todo bajo el contexto estratégico del sector energético del país y a la Estrategia Nacional de Energía en lo referente a los temas estratégicos denominados: Dotar de flexibilidad a las redes de transmisión y distribución, y desarrollar soluciones y productos para enfrentar y superar nuestros retos.

Referencias

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Rittersma Z. M. Recent achievements in miniauturised humidity sensors-a review transductions techniques. Sensosrs and Actuators A, 96 (2-3), 196-210, 2002.

Novoselov K. S., Geoim A. K., Morosov S. B., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S. V., Grigorieva I. V., Firsov A. A. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science, 306, 666-669, 2004.

Suehiro J., Zhou G., Imakiire H., Ding W., and Hara M. Controlled fabrication of carbon nanotube NO2 gas sensor using dielectrophoretic impedance measurement. Sensors and Actuators B, 108 (1-2), 398–403, 2005.

Figura 4. Sensor escala prototipo de SF6.


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Currículum vítae

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Rejón L., Pascasio A., Santana R. Sensor para detectar subproductos de descomposición de gas SF6 y aparato eléctrico. Instituto de Investigaciones Eléctricas. Patente en trámite. No. de solicitud MX-a-/2013/011576.

Rejón L., Santana R. Aparato para monitorizar parámetros o condiciones de un fluido dieléctrico de un equipo eléctrico. Instituto de Investigaciones Eléctricas. Modelo de utilidad, No. de solicitud MX-u-/2013/000643. Título de registro de Modelo de Utilidad No. 3328.

Rejón L., Colorado N., Ruiz J. C., Iturbe M. Sistema y método de diagnóstico de la condición de transformadores de potencia. Instituto de Investigaciones Eléctricas. Patente en trámite. No. de solicitud MX/a/2015/006996.

Rejón L. Método para el monitoreo en línea del comportamiento del conductor de líneas de transmisión mediante sensores resilentes. Patente en trámite. No. de solicitud: MX/a/2015/017773.

Leonardo Rejón García[[email protected]]

Doctor en Ciencias Químicas por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en 1998. Maestro en Ingeniería Química por al Universidad Autónoma Metropolitana (UAM) en 1990. Ingeniero Químico por la Universidad Veracruzana en 1986. Ingresó al Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), antes Instituto de Investigaciones Eléctricas en 1989 como investigador en el Departamento de Materiales. En septiembre de 2001 fue nombrado Gerente de la Gerencia de Materiales y Procesos Químicos, cargo que desempeñó hasta julio de 2010. En ese mismo año inició su colaboración en la Gerencia de Equipos Eléctricos, donde ha contribuido a través de la dirección y participación en proyectos relacionados con el desarrollo de metodologías para la gestión del mantenimiento de activos basado en condición, impulsando esta línea hacia el área de máquinas rotatorias. Asimismo ha tomado el liderazgo en la formación de un grupo de investigación aplicada en el desarrollo de sistemas de monitoreo de la calidad del aislamiento de equipo eléctrico primario, utilizando la nanotecnología. Ha publicado más de veinte artículos en revistas arbitradas y ha generado propiedad intelectual a través del otorgamiento de patentes, secretos industriales y derechos de autor relacionados con el desarrollo de materiales aislantes y semiconductores basados en polímeros y nanacompuestos, reología y relajación dieléctrica de dispersiones y emulsiones. Es miembro del comité de evaluación de proyectos del CONACYT y del comité de revisión por pares de las revistas Polymer Engineering Science, Journal Applied Polymer Science, Material Science and Technology, entre otras. Fue asesor huésped en el Instituto Mexicano del Petróleo (IMP). Miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) de 1989 a 1993 como candidato a investigador y de 1998 a 2012 como investigador nivel 1. Es miembro del Sistema Estatal de Investigadores (SEI-Morelos).

Artículo técnico

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Efecto de nanopartículas en aceites aislantes utilizados en transformadores de potencia

Carlos Gustavo Azcárraga Ramos1, Andrea Cavallini2 y R. Karthik3

Introducción

El aceite mineral es un componente derivado del petróleo, el cual se mantiene estable a la temperatura de operación normal de transformadores de potencia, actuando como un medio adecuado de enfriamiento. Sus características eléctricas son sobresalientes, sobre todo cuando trabaja en conjunto con materiales aislantes basados en celulosa o en aramidas (Karthik et al., 2012) y se configura en geometrías óptimas. Sin embargo, los requerimientos de potencia actuales, en conjunto con las restricciones económicas del mercado,

Abstract

Power transformers are one of the most important components in power systems. Their design is optimized to the edge in very short periods looking for improved performance; traditionally mineral oil is used in transformers for the purpose of dielectrics as well as cooling, but other alternatives are available nowadays, like natural and synthetic esters and from the thermal point of view, nanoaditivated mineral oil. In this work, an investigation has been carried out to analyze the performance of Ferrofluids (nano fluids) along with mineral oil for various concentrations. Ferrofluids concentration of 0.1g/liter, 0.2g/liter and 0.5g/liter has been prepared with moisture content less than 5 ppm. Partial Discharge Inception Voltage (PDIV), discharge characteristics of test samples for AC, DC positive and negative voltage are analyzed. Moreover charges produced for each Partial Discharge (PD) have been evaluated. The results illustrate that Ferrofluids with lower concentration shows enhanced PDIV and charge accumulation characteristics than other concentrations as well as mineral oil.

1 Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias 2 Universidad de Bologna, Italia3 Valliamai Engineering College, India


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hacen necesaria la mejora de las capacidades de disipación térmica del aceite mineral, por lo que además del empleo de esteres naturales y sintéticos se está experimentando también con el empleo de nano-fluidos para lograr unidades más compactas y económicas (Liu et al., 2011).

Básicamente, un nano-fluido es una suspensión coloidal de partículas de tamaño nanométrico, dispersas de manera homogénea. Desde hace algunos años, existen datos que demuestran que estos materiales incrementan las propiedades de transferencia de calor de los aceites (Eastman et al., 2001). En general, el sentido común indica que entre más puro sea el aceite mineral, mucho mayor será su rigidez dieléctrica, debido principalmente a que no se presenta electroforesis. Sin embargo, el empleo de nano partículas, que podrían ser vistas de primera mano como impurezas, mejora la tensión de rompimiento del aceite bajo condiciones de sobretensiones de rayo. Este hecho ha sido explicado (Hwang et al., 2010), considerando que las nano partículas conductoras se comportan como colectores de electrones, esto es, tienden a atrapar electrones quedando cargadas negativamente. Este proceso convierte electrones libres en iones negativos, los cuales al tener movilidades eléctricas reducidas, contribuyen a la extinción de la avalancha.

Los nano-fluidos actuales se generan a partir de nanopartículas de materiales diversos. Entre los más comunes se tienen el óxido de titanio (TiO2), el óxido de silicio (SiO2) y el óxido de Hierro II, III (Fe3O4) llamado comúnmente magnetita. En este documento se utilizó como espécimen experimental un nano-fluido basado en magnetita, consistente de nanopartículas (<10 nm) dispersas en una suspensión coloidal. En particular se investigó el efecto de estos materiales en la tensión de inicio de descargas parciales (PDIV), así como la magnitud y tasa de repetición de este fenómeno bajos condiciones de CA y CD+ y CD-. Los resultados obtenidos fundamentan que el rol de las nanopartículas es reducir las magnitudes de descarga, mientras que no se visualizan grandes efectos sobre la PDIV.

Preparación de muestras y arreglo experimental

Preparación de muestras: El ferro-fluido utilizado para la experimentación es un fluido comercial, fabricado por Magnacol (UK) y consiste de nanopartículas de magnetita tratadas con ácido oleico (500 mg/ml) a manera de surfactante. Las distintas concentraciones de prueba se prepararon mezclando el ferro-fluido con el aceite mineral. Las mezclas obtenidas mostraron adecuada estabilidad, es decir, las nanopartículas no se agregaron ni sedimentaron en el periodo de varios días de trabajo.

Con la finalidad de tener condiciones iniciales homogéneas para el aceite,

Artículo técnico

71

las muestras se secaron y degasificaron sometiéndolas a 50 Pa durante 48 horas. El contenido final de humedad, por debajo de 5 ppm, se determinó utilizando el método de titulación de Karl Fischer (Mettler-Toledo International, 2011).

Arreglo de prueba: La micro-celda de prueba consiste en un arreglo punta-plano realizado con una aguja de acero al tungsteno, con un radio en la punta de 1 μm y un diámetro de 0.5 mm y un electrodo plano de bronce de 20 mm de diámetro (figura 1). La celda está equipada con un electrodo de medición y con un anillo de guarda para despreciar efectos de bordes fuera de la zona de alto gradiente eléctrico. Tanto el contenedor de prueba como el contenedor principal sellan herméticamente para evitar contaminación y humidificación del nano-fluido y del aceite mineral de relleno. El circuito en CA fue energizado con un transformador de 30 kV controlado por un regulador variable. Las señales de descargas parciales (DP) se obtuvieron mediante un capacitor de acoplamiento conectado a un detector digital de DP. Para las mediciones en condiciones de CD, sea CD positiva o negativa, se utilizó una fuente bipolar de 35 kV. Tanto para CA como CD, el arreglo completo se colocó en un gabinete blindado a manera de jaula de Faraday, con la finalidad de reducir interferencia electromagnética externa. Estos arregles permitieron obtener sensibilidades de prueba de 1 pC.

Para la obtención de la PDIV se elevó paulatinamente la tensión utilizando pasos de 1 kV, iniciando a partir de una tensión inicial de 2 kV. Cada paso de tensión se mantuvo durante 5 minutos con la finalidad de considerar los aspectos estocásticos inherentes al fenómeno de DP. Si se obtenía un pulso de DP en alguno de los pasos, se consideraba ese valor de tensión como PDIV, de no presentarse actividad, la tensión se elevaba al siguiente paso repitiéndose el proceso. Una vez detectada la PDIV para un set de intervalos, se repitió el proceso hasta obtener 5 valores de PDIV. Después de completar los cinco valores, se elevó la tensión paulatinamente hasta poder observar formas de onda tipo streamer en el osciloscopio del detector de DP, con la finalidad de realizar análisis posteriores.

Puesto que la capacitancia de la celda de prueba es muy baja, es posible tener errores de calibración desde el punto de vista de DP. Para superar este problema, la componente de CD del pulso de DP se estimó como la mediana de los 20 armónicos inferiores del espectro de la corriente de DP.

Figura 1. Celda de prueba desarrollada para la evaluación de nano-fluidos A) Electrodo de alta tensión, B) anillo de relleno, C) Contenedor de prueba, D) Contenedor principal, E) electrodo de guarda, F) electrodo de medición y G) Porta-aguja.


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Resultados y discusión

A. Tensión de inicio de descargas parciales (PDIV)

Las mediciones de PDIV se llevaron a cabo bajo tensiones de CA y CD+ y CD-. Los resultados de las mediciones se resumen en las figuras 2 a 5, las cuales muestran las distribuciones de Weibull que se ajustan a los datos experimentales obtenidos para cada tipo de tensión y concentración del nano-fluido. Es importante mencionar que no se obtienen conclusiones claras de estas distribuciones, que toman como base el percentil 63, por lo que se decidió

Figura 2. PDIV para tensión en corriente alterna (CA). Figura 3. PDIV para tensión en corriente directa positiva (CD+).

Figura 4. PDIV para tensión en corriente directa negativa (CD-).

Figura 5. Comportamiento del 10º percentil de la distribución de PDIV para distintas concentraciones y formas de onda.

comparar los percentiles de baja probabilidad para evaluar el efecto del ferro-fluido. Esta consideración radica en el hecho de que mientras mejor sea el aceite, más altos deberán ser los valores del PDIV con valores bajos de desconfianza, el cual es el criterio que se utiliza como referencia para propósitos de diseño. En este caso, el 10° percentil (indicado como B10 y obtenido mediante la aplicación de 1000 iteraciones del método de Montecarlo)

Artículo técnico

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fue evaluado en conjunto con sus intervalos de confianza. Analizando las tendencias y comparándolas con los intervalos de confianza, se confirma que la adición del ferrofluido no modifica significativamente la PDIV.

B. Magnitud y tasa de repetición de descargas parciales

El siguiente enfoque para la evaluación del efecto del ferro-material en el aceite aislante fue considerar la magnitud de DP. De acuerdo con (Hwang et al., 2010), las nanopartículas conductoras atrapan electrones extinguiendo las avalanchas. Siguiendo este razonamiento, se esperaba que las magnitudes de DP se redujeran con la adición de las nanopartículas al aceite aislante. Se decidió entonces elevar la tensión por arriba de la PDIV y medir la magnitud de las descargas a diferentes niveles de tensión. Dada la baja tasa de repetición de DP en aceite, se esperaba que los resultados fueran erráticos.

Como regla general, las magnitudes de las DP tienden a incrementarse

con las sobretensiones (elevaciones de tensión por arriba del PDIV), manteniendo aproximadamente la misma forma de onda en el dominio del tiempo hasta un determinado umbral de tensión. Arriba de ese umbral, los pulsos tienden a ampliarse en el dominio del tiempo transfiriendo mayor cantidad de carga, tal y como se ve en la figura 6 (ver también Pompili et al., 2000). Este hecho sugiere el desarrollo de streamers mucho más largos e intensos. Para gaps cortos (como el utilizado en los experimentos descritos), cuando tales streamers se observan, el rompimiento eléctrico ocurrirá prácticamente después de incrementar marginalmente la tensión aplicada. De acuerdo con lo anterior y para prevenir daños irreversibles en las muestras y en la instrumentación, las pruebas se detenían cuando se observaban por primera vez pulsos como el mostrado en la figura 6 (derecha). Esta es la razón por la cual los nanofluidos no se evaluaron a los mismos niveles de tensión.

Los resultados de las pruebas de comportamiento de la magnitud de DP para los diferentes tipos de tensión y concentración, se reportan en las figuras 7 a 9. En todos los casos, existen valores de concentración que reducen la máxima magnitud de DP. Estos valores de concentración se encuentran entre 0.1 y 0.2 g/l. De los resultados obtenidos, se observa que a concentraciones mayores de nano-fluido (0.5 g/l) la magnitud de DP se incrementa mucho más rápido que en aceite mineral puro. En otras palabras, existen concentraciones críticas de ferro-fluido más allá de las cuales la magnitud de las DP se incrementa.

Figura 6. Formas de onda de DP a dos niveles de tensión de DC positiva. Izquierda, PDIV=8.9 kV y derecha, V=17 kV.


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C. Conteo de eventos de DP

Por necesidad técnica, arriba de la PDIV, el número de DP por unidad de tiempo debe ser lo más bajo posible. De hecho, cada evento de DP causa degradación irreversible del aislamiento sólido cercano a la ubicación de la fuente de DP, pero, aún si la fuente de DP no está en contacto directo con el aislamiento sólido, tiende a descomponer el aceite, creando hidrógeno, gas que no es del todo soluble en el aceite, por lo que las descargas ahora podrían iniciarse en las burbujas de gas si los niveles de saturación se exceden.

Las figuras 10 a 12 muestran el comportamiento de la tasa de repetición de las DP como función de la tensión aplicada

Figura 8. Comportamiento de la magnitud de DP en función de la tensión en corriente continua positiva.

Figura 7. Comportamiento de la magnitud de DP en función de la tensión aplicada en CA.

Figura 9. Comportamiento de la magnitud de DP en función de la tensión en corriente continua negativa.

Figura 10. Comportamiento de la tasa de repetición de DP en función de la tensión aplicada en CA.

para los diferentes tipos de voltaje y concentración del ferro-fluido. La tasa de repetición se refiere a una base de 300 s.

Es interesante observar que el aceite mineral puro y el nano-fluido con la concentración más alta de ferro-fluido (0.5 g/l) proveen el mayor número de DP en el caso de tensión en CD. Por el contrario, cuando se consideran tensiones en CA, la adición del nano-fluido parece favorecer la incepción de un mayor número de descargas (no

Artículo técnico

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obstante, de menor magnitud). Es posible explicar este comportamiento considerando que los electrones quedan atrapados en las nanopartículas de baja movilidad. Es por lo tanto posible que, los electrones inyectados durante el semiciclo negativo de la onda en CA favorezcan la incepción de descargas positivas cuando se da la inversión de polaridad.

Conclusiones

Se investigó la influencia de nanopartículas conductoras de magnetita en la actividad de descargas parciales del aceite mineral. Se consideraron los siguientes parámetros: PDIV, magnitud de DP y tasa de repetición. Los resultados indican que la adición de nanopartículas tiene poca influencia sobre la PDIV. Esto puede entenderse considerando que la incepción de DP está asociada generalmente a la formación de micro-cavidades o burbujas en el aceite, debido principalmente a la inyección

Figura 12. Comportamiento de la tasa de repetición de DP en función de la tensión en corriente continua negativa.

Figura 11. Comportamiento de la tasa de repetición de DP en función de la tensión en corriente continua positiva.

de electrones “calientes” en la aguja de la configuración punta –plano (Pompili et al., 2000). Puesto que la función principal de las nanopartículas es actuar como colector o capturador de electrones, limitando la propagación de la descarga, éstas presentan una contribución marginal o despreciable en la PDIV. Los resultados más importantes, que son además, una confirmación indirecta de que las nanoparticulas actúan como captadores de electrones (Hwang et al., 2010), tienen que ver con la reducción de las magnitudes de las DP por arriba del PDIV y el incremento del valor de la tensión de umbral a la cual se pueden producir streamers mucho más energéticos. Este hecho hace plausible desde el punto de vista dieléctrico, la utilización de nanofluidos en la industria de los transformadores.

En cuanto a la tasa de repetición, no se tuvo evidencia clara acerca de la influencia de las nanopartículas, debido a que parece reducirse bajo condiciones de CD, pero es un factor de detrimento cuando se consideran tensiones en CA. Este efecto puede ser explicado considerando que las nanopartículas podrían ayudar a la formación de capas de homo-carga especial más estables en frente de la punta de la aguja durante el semiciclo negativo de la tensión. Durante el semiciclo positivo, esta carga espacial se convierte en heterocarga, reforzando el campo eléctrico en la punta y favoreciendo la incepción de descargas positivas. De hecho, si el nano-fluido con una concentración de magnetita de


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0.2 g/l (que es el que ofrece los mejores resultados desde el punto de vista del control de la magnitud de las DP) se toma como referencia, el cociente de las tasas de máxima repetición obtenido bajo condiciones de tensión de CA para aceite mineral puro y para esa concentración de referencia es 2.9.

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Currículum vítae

Carlos Gustavo Azcárraga Ramos[[email protected]]

Doctor en Ingeniería Electrotécnica por la Universidad de Bolonia, Italia en 2014. Maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica con mención honorífica por la SEPI-ESIME del Instituto Politécnico Nacional en 2004. Licenciatura en Ingeniería Electromecánica con honores por el Instituto Tecnológico de Zacatepec en 1995. Después de participar en el programa de Adiestramiento en Investigación Tecnológica (AIT) en 1997 fue contratado por la Gerencia de Equipos Eléctricos del Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), antes Instituto de Investigaciones Eléctricas, para el desarrollo de técnicas de alta sensibilidad para el diagnóstico de transformadores de potencia y equipo primario de subestaciones. Ha representado al Instituto en diversos foros nacionales e internacionales. Fue el representante mexicano en el Comité SC A3 High Voltage Equipment de Cigré de 2009 a 2014. Es autor y coautor de más de 30 artículos técnicos relacionados con la evaluación del sistema dieléctrico de equipos de alta tensión. Ha impartido cátedras relacionadas con sus intereses técnicos en la Universidad Cuauhnáhuac, la Universidad Fray Luca Paccioli, la Universidad Morelos y el Centro de Posgrado del Instituto. Sus temas de investigación actual incluyen las técnicas de diagnóstico de equipo de alta tensión, transitorios electromagnéticos, descargas parciales y técnicas numéricas para la solución de campos electromagnéticos.

Eastman J.A., Choi S. U S, Li S., Yu W., Thompson L. J. Anomalously increased effective thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles. Applied Physics Letters , vol. 78, no. 6, pp. 718-720, Feb 2001.

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Mettler-Toledo International, GTPR - Good Titration Practice in Karl Fischer Titration, 2011.

Pompili M., Mazzetti C., Bartnikas R. Phase relationship of PD pulses in dielectric liquids under ac conditions. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol.7, no.1, pp. 113-117, Feb 2000.

Andrea Cavallini

Doctor y Maestro en Ingeniería Eléctrica por la Universidad de Bologna. De 1995 a 1998 fue investigador en la Universidad de Ferrara. Desde 1998 es profesor asociado en la Universidad de Bologna. Su trabajo de investigación versa sobre el modelado y diagnóstico de sistemas dieléctricos, especialmente desde el punto de vista de la física de descargas parciales (modelado físico y estocástico, y el efecto de la forma de onda y frecuencia de la tensión aplicada sobre los diversos parámetros de las descargas parciales). Ha estado involucrado en la aplicación de técnicas de inteligencia artificial para la identificación de patrones de descargas parciales en distintos equipos: cable, máquinas rotatorias, transformadores, GIS, etc. Fue el representante italiano en el Comité de Estudio SC D1 Materials and Emerging Technologies de Cigré, organizador del grupo de trabajo WG D1.43 (Rotating machine insulation voltage endurance under fast, repetitive voltage transients) y miembro del Comité Administrativo de la IEEE Dielectric and Electric Insulation Society (DEIS). Actualmente tiene a su cargo el IEEE DEIS Educational Committee.

R. Karthik

Doctor por la Universidad Ann, en Chennai, India en 2013. Maestro por la SASTRA University en 2004. Ingeniero Electricista por la Universidad de Madras en 2001. Recibió la Young Scientist Fellowship del Departamento de Ciencia y Tecnología de India. Participó en una estancia post-doctoral en la Universidad de Bolonia, Italia en 2014. Es miembro vitalicio de la Indian Society of Technical Education y del Institute of Engineers (IE), en la India. Ha publicado más de 30 artículos en conferencias y revistas. Sus áreas de interés incluyen sistemas de potencia, alta tensión e ingeniería de dieléctricos. Es profesor asociado del Valliammai Engineering College.

Artículo técnico

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Grafeno y su uso en intensificadores químicos para sistemas de puesta a tierra en líneas de transmisiónIsaías Ramírez Vázquez, Javier Eduardo Salgado Talavera, Enrique Gaona Estrada y Octavio Félix Sandoval

AbstractFor many high voltage transmission lines, lightning is the first cause of outages. Different alternatives have been used to diminish these outages, like the use of counterpoise wires, installation of surge arresters, and the improvement of the grounding system through the use of ground enhancers or chemical enhancers. A grounding system is used as a path to safely disperse in a faster way, transients or fault currents into the soil. Chemical enhancers are used to provide a lower resistance path to disperse quickly transients into the earth in the shortest possible time. In this paper, due to the superior characteristics of graphene, such as electrical and thermal conductivity, 15 different types of graphene nano particles were used to reformulate 19 different commercial ground enhancers and one natural ground enhancer. Not all the commercial ground enhancers resulted in a good interaction between the graphene nano particles and the ground enhancer material. However; at least two of the commercial ground enhancers resulted with an improvement factor up to 60 times of lower resistivity, when graphene nano particles are used. Lightning current impulse tests were done on some samples; the performance of the un-reformulated ground enhancer samples showed a faster deterioration than graphene reinforced ground enhancer samples.

Introducción

En México, una de las causas principales de salidas en líneas de transmisión y distribución de energía eléctrica son las descargas atmosféricas y también se ha reportado que éstas han sido la causa principal de las interrupciones en Estados Unidos (57%), Brasil (50-70%), Japón (70-80%), Dinamarca (57%), y Colombia (47-69%) (Wareing, 2016). Cuando las descargas atmosféricas inciden sobre las líneas eléctricas pueden producir sobretensiones que provocan la falla de las líneas aéreas de transmisión, de tal manera que la conexión a tierra de las torres de transmisión es de vital importancia.

La Comisión Federal de Electricidad (CFE) ha implementado diferentes alternativas de solución, analizadas y sugeridas conjuntamente con el Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), antes IIE, a lo largo de varios proyectos realizados para disminuir el efecto nocivo de las descargas atmosféricas, sin embargo, según la CFE, éstas aún siguen ocupando el primer lugar de causa de fallas en las líneas de energía eléctrica. Actualmente, en México no


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se tiene cuantificado el costo económico que representan las pérdidas por las fallas provocadas por descargas atmosféricas. Por otra parte, la CFE cuenta con una infraestructura de 57,558 km de líneas de transmisión, desde 400 kV hasta 69 kV (CFE, 2012). Esta infraestructura requiere de una conexión a tierra confiable, para una rápida disipación de la corriente de impulso de los rayos.

Se han establecido varias alternativas de solución para disminuir el impacto nocivo de las descargas atmosféricas. Entre otras se tienen:• Colocación del hilo de guarda (Tobias, 2004).• Mejora del ángulo de blindaje del hilo de guarda (Nguyen

y Holt, 2003).• Instalación de contra-antenas (Chisholm et al., 2010). • Colocación de apartarrayos (Munukutla et al., 2010). • Mejoramiento de la conexión de los componentes de las

estructuras que conectan las bajantes a tierra de las líneas de energía eléctrica al sistema de puesta a tierra (Zhenghua y Junzhong, 2011).

• Implementación o mejoramiento de los sistemas de puesta a tierra con intensificadores químicos o rellenos químicos (Androvitsaneas et al., 2012; Fatinhamamah et al., 2010).

Con respecto a la última metodología para el mejoramiento de los sistemas de puesta a tierra, se han desarrollado y utilizado intensificadores químicos o rellenos químicos para disminuir la resistencia de contacto entre el suelo y el elemento metálico enterrado que forma parte del sistema de puesta a tierra. Como los intensificadores químicos proporcionan una trayectoria menos resistiva, consecuentemente se tiene en el suelo una disipación más rápida de las corrientes de falla y de los transitorios de rayo.

Debido a la gran variedad de tipos de suelo en México, tales como arcilla, arcilla arenosa, tierra de cultivo, arena, pizarra, volcánico, rocoso, etc., es común encontrar resistividades del suelo desde 0.1 Ω•m hasta 3,000 Ω•m, y de 108 Ω•m en suelo pedregoso (Torres, 1996). Por lo tanto, para la implementación de sistemas de puesta a tierra mediante el uso de materiales con intensificadores químicos, el caso se analiza previamente y se evalúa su beneficio. Se tienen contemplados en la normativa sistemas pre-diseñados en función de resistividad del suelo de hasta 1000 Ω • m (CFE, 2008). Por otra parte, cuando la resistividad del

terreno es muy alta es necesario considerar el uso de los supresores de sobretensiones (apartarrayos).

En los últimos años se ha investigado la aplicación de nanopartículas para mejorar las propiedades mecánicas y eléctricas de los materiales. Una de las principales ventajas de estas nanopartículas es su gran área superficial. El grafeno es un material nanométrico altamente promisorio y atractivo para un amplio rango de aplicaciones en la nanociencia y la nanotecnología, debido a sus distintivas propiedades electrónicas, térmicas y mecánicas. Además de su buena estabilidad química, térmica y su elevado módulo de Young, el grafeno presenta una buena conductividad eléctrica (Zhu et al., 2010). El grafeno se puede combinar con una amplia variedad de materiales inorgánicos tales como óxidos metálicos, que exhiben un rendimiento excepcional en aplicaciones tales como súper capacitores, baterías, sensores y aplicaciones fotovoltaicas. Cuando se combinan el grafeno y componentes inorgánicos se produce un importante efecto sinérgico a nivel molecular y se pueden crear nuevas propiedades diferentes de cada componente individual (Wu et al., 2012). Debido a las ventajas y características que han sido reportados en la literatura para las nanopartículas de grafeno y otros materiales grafíticos (Novoselov et al., 2012; Krishnan et al., 2012), éstas fueron seleccionadas y se utilizaron en el mejoramiento de la conductividad eléctrica de los intensificadores químicos utilizados en la puesta a tierra de sistemas eléctricos de potencia.

Metodología desarrollada

Selección de las nanopartículas grafíticas

Se hizo una búsqueda de los proveedores de grafeno y de óxido de grafeno. Se encontraron 38 tipos diferentes de grafeno distribuido por siete proveedores. Se analizaron las propiedades de las nanopartículas y el requisito principal para su selección fue una alta conductividad eléctrica. Se adquirieron 15 tipos diferentes de grafeno para la experimentación. Por otra parte, se identificaron y adquirieron 19 intensificadores químicos comerciales y uno natural como referencia. Las nanopartículas de grafeno adquiridas para la elaboración de intensificadores químicos reforzados con nanopartículas grafíticas se indican en la tabla 1.

Artículo técnico

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Reformulación de nuevos intensificadores químicos y su evaluación en laboratorio

En la primera etapa se reformularon intensificadores químicos comerciales con diferentes nanopartículas de grafeno grado laboratorio (por razones de propiedad intelectual se omiten las marcas comerciales de los intensificadores utilizados). En una segunda etapa se elaboraron 225 probetas con intensificadores reformulados, utilizando 15 tipos de nanopartículas de grafeno grado industrial y 19 intensificadores químicos comerciales, además de un intensificador natural (bentonita).

Preparación de probetas en laboratorio

Las probetas fueron mezcladas con un mezclador con cuchillas de alto esfuerzo cortante, utilizando 1000 RPM. Posteriormente, las probetas se dejaron secar a temperatura ambiente o en una cámara térmica y periódicamente se evaluó su resistividad y porcentaje restante de humedad. La figura 1 muestra una vista de algunas de las muestras preparadas.

Resultados obtenidos y discusión

a) Probetas con nanopartículas de grafeno grado laboratorio

La medición de resistividad se realizó utilizando el método indicado en la normativa ASTM (ASTM, 2005). En los resultados de las mediciones de resistividad efectuadas en las muestras en esta etapa se obtuvieron factores de mejora, en probetas reformuladas con nanopartículas de grafeno de hasta 187.91 veces, comparado con el testigo. Por cuestiones de espacio no se muestran las gráficas

de comportamiento y se enfocan los resultados a la experimentación con nanopartículas grado industrial.

La tabla 2 muestra los factores de mejora obtenidos en las probetas mayores a 10 veces. Se indica que la muestra M1409 obtuvo un factor de 187 veces, comparado contra el testigo. La matriz o base está compuesta por el intensificador CGE 2 y la nanopartícula corresponde a la tipo KNG-G5 del proveedor Xiamen Knano Graphene Techhnology Corporation Limited. No obstante, el costo de las nanopartículas de grafeno (grado laboratorio) utilizadas en estas probetas es mayor que las nanopartículas de grafeno grado industrial, debido a su pureza, número de capas, método de producción, etc.

b) Probetas con nanopartículas de grafeno grado industrial

Las probetas elaboradas fueron introducidas en la cámara térmica para acelerar el proceso de deshidratación para su evaluación en laboratorio. En la figura 1 se presentan algunas de las muestras preparadas y como puede observarse en la figura 1(a), la muestra CGE 12 (bentonita) fue el material que tuvo la deshidratación más drástica y el cual se vio más impactado por la temperatura constante al interior de la cámara térmica. Todas las muestras conformadas con este

Tabla 1. Nanopartículas de grafeno adquiridas.

Proveedor Tipo de nanopartícula

XG Sciences H-15, M-15 y C-500.

Angstrom MaterialsN008-100-P-40, N008-100-P-10, N008-100-N, N006-010-P y N002-PDR.

Avanzare AvanGRP

ID-nano G-ID01y GOxXiamen Knano Graphene Technology CO., LTD.

KNG-G5 y KNG-150

Graphene Laboratories Inc. AO-3, AO-4, C1

Figura 1. Muestras de intensificadores químicos comerciales modificados con nanopartículas de grafeno para su evaluación en laboratorio: a) CGE 12 (bentonita), c) CGE 9, e) CGE 8, f ) CGE 4, l) CGE 2, ñ) CGE 15.


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material se compactaron a niveles críticos y se partieron, quedando inservibles para el seguimiento de su comportamiento. De todos los materiales evaluados, los que presentaron mayor disminución de volumen (encogimiento) a lo largo de la evaluación fueron: CGE 12 (bentonita), CGE 8, CGE 4, CGE 3, CGE 7 y CGE 2. Por lo tanto se les efectuó compactación vertical y longitudinal manualmente, derivando en un acercamiento de los electrodos. Todas las muestras fueron medidas periódicamente. En la tabla 3 se indican las muestras que tienen un factor de mejora con respecto a su testigo correspondiente mayor a 10 veces. Las probetas que no se muestran en esta tabla se debe a que las nanopartículas de grafeno tuvieron un factor de mejora menor a 10, es decir, no presentaron una buena interacción al ser

combinadas con los intensificadores químicos comerciales.

Desde el inicio de la experimentación con altos niveles de humectación, el material CGE 9 presentó valores de resistividad muy elevados y conforme perdía humectación, estos valores empeoraron. Las muestras que rebasaron el rango de medición del equipo (>299.9 kΩ) pertenecen a los intensificadores químicos CGE 12 (bentonita), CGE 9, CGE 10, CGE 8, CGE 7, CGE 14, CGE 16 y CGE 18. Al llegar a este punto de resistividad, se considera que estos materiales requieren forzosamente humectación y que por lo tanto no podrían considerarse como buenas opciones de intensificadores.

Como resultado de esta experimentación se puede concluir que: El intensificador CGE 3 presentó buen desempeño, prácticamente con todas las nanopartículas con que se combinó, excepto las AvanGRP. Los intensificadores CGE 2 y CGE 17 presentaron una buena interacción con las nanopartículas N008-100-P-40, N006-010-P, y el intensificador CGE 19 presentó una buena interacción con las nanopartículas N008-100-P-10 y N008-100-N.

Es importante mencionar que las probetas CGE 12 (bentonita) y el CGE 20 presentan muestras que tienen factores de mejora >10 veces, sin embargo, estas muestras no lograron terminar el ciclo de evaluación debido a que perdieron humectación y se presentaron discontinuidades en la muestra o el valor de su resistencia

Tabla 2. Factores de mejora mayores a 10 veces de los intensificadores químicos reforzados con nanopartículas grafíticas grado laboratorio.

Probeta Resistividad (Ω*cm)

Factor de mejora respecto al testigo

Tipo de nano partícula de grafeno

Resistividad del testigo (Ω*cm)

Intensificador comercial matriz

M101 1,766 100 G-ID01 162,896 CGE 1M601 620 48 G-IDT1 (Hz-ArH)

29,963 CGE 1M604 504 59 G-IDT2 (Hz-ArH)M607 869 34 G-IDT3 (Asc-ArH)M1004 5,724 10 GIDT-1 61,388 CGE 19M1209 52,061 19 KNG-G5 1,000,590 CGE 17M1405 844 171 XGnP-H15

144,822 CGE 2M1407 3,272 44 AO-4M1408 1,022 141 KNG-150M1409 770 187 KNG-G5M2003 400 23 G-ID02 9299 CGE 1M2105 413 18 XGnP-H-15 7663 CGE 2

Tabla 3. Factores de mejora mayores a 10 veces de los intensificadores químicos reforzados con nano partículas de grafeno grado industrial con respecto a su testigo.

Intensificador matriz Probeta Resistividad

(Ω*cm)Factor de mejora respecto al testigo

Tipo de nano partícula de grafeno

Resistividad del testigo (Ω*cm)

CGE 3

MP200 325.63 44.27 N008-100-P-10

14,416.16

MP210 452.53 31.86 N008-100-P-40MP220 651.67 22.12 N008-100-NMP230 1385.78 10.40 N006-10-PMP300 310.59 46.42 xGnP H-15MP310 1324.63 10.88 KNG 150MP320 282.07 51.11 KNG-G5MP330 596.59 24.16 AO-4MP400 328.68 43.86 xGnP M-15MP410 239.00 60.32 xGnP C500MP430 367.18 39.26 C-1

CGE 12 MP219 12.31 20.12 N008-100-P-40 247.69

CGE 2 MP245 164.57 17.39 N008-100-P-40 2,862.32MP247 131.94 21.69 N006-010-P

CGE 17 MP265 2384.27 27.69 N008-100-P-40 66,030.49MP267 3928.96 16.81 N006-010-P

CGE 19 MP272 3780.44 10.62 N008-100-P-10 40,156.96MP274 1089.3 36.87 N008-100-NCGE 20 MP279 4102.26 17.73 N006-010-P 72,753.05

Artículo técnico

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superó el rango de medición del instrumento, por lo tanto, se considera que estos materiales siempre deben tener humectación para que realicen su función, de lo contrario no son adecuados, ya que no podrán conducir la corriente del rayo.

Evaluaciones de microscopía

Las microscopías electrónicas se realizaron en el Instituto de Energías Renovables de la UNAM (IER-UNAM). Se utilizó un microscopio Hitachi Mod. SU1510 con analizador de elementos (EDX) procedente de una sonda marca Oxford Instruments Mod. X-act. Las imágenes obtenidas para los intensificadores con mejores factores de mejora se muestran en las figuras 2 y 3.

El análisis de elementos químicos se muestra en la tabla 4. Del análisis elemental se puede ver que las muestras del intensificador CGE 2 modificadas con nanopartículas grafíticas (muestras M1405 y M1407) no presentan carbono entre sus componentes, pero el cloro y el sodio fueron encontrados en altas concentraciones: 30% y 37% respectivamente. Debido a esto, probablemente dicho intensificador puede estar compuesto de una alta concentración de NaCl. A estas muestras se les formó una capa blanca en la parte superior, tal y como se aprecia en la figura 1 (l). Se analizó la capa blanca y se detectó, como componente principal, el elemento carbono a una concentración del 100%. Lo anterior indica una baja compatibilidad de las nanopartículas grafíticas con el intensificador CGE 2.

De acuerdo a Hong (Hong et al., 2012), tras la exposición a soluciones acuosas de NaCl, el óxido de grafeno precipita, esto puede ser el resultado de la capa blanca que se observa en la parte superior de las muestras de la figura 1 (l), lo cual fue corroborado por análisis EDAX.

Por otra parte, como se indica en la tabla 4, las muestras con intensificador CGE 1 modificadas con nanopartículas grafíticas (muestras MC303 y MC306) presentan carbono en el análisis elemental, lo cual indica una buena compatibilidad de sus componentes con las nanopartículas grafíticas. De acuerdo con Wu (Wu et al., 2012), el grafeno puede formar una estructura con una red conductora de electrones y rutas más cortas para el transporte de iones y también puede actuar como una red bidimensional conductora para la construcción de una red tridimensional conductora porosa interconectada para mejorar la conductividad eléctrica y el transporte de carga. Ésta puede ser una de las posibles razones del por qué las nanopartículas de grafeno están mejorando la conductividad del intensificador químico modificado.

Análisis de integridad en los intensificadores químicos después de pruebas de impulso de corriente para simular su envejecimiento acelerado

Se realizaron pruebas de impulso de corriente de rayo a las muestras MC300 a la MC306 y MQ300 a la MQ306. La simulación del envejecimiento de las probetas consistió en la aplicación de dos trenes de cinco impulsos de corriente (8x20μS) de aproximadamente 1 kA. La figura 4 muestra el arreglo de la prueba. Después de cada tren de pruebas, las probetas fueron humectadas dos veces para simular lluvia. La prueba de impulso de corriente tiene la finalidad de evaluar el comportamiento de estos materiales ante descargas atmosféricas, ya que estas muestras han presentado buenos factores de mejora y se requiere validar su comportamiento mediante esta prueba. Adicionalmente se siguió con el monitoreo de la resistividad de las muestras

Figura 3. Microscopía y análisis elemental de la muestras con intensificador CGE 2 (a) M1400 y (b) M1405.

(a) (b)

Figura 2. Microscopía y análisis elemental de la muestras con intensificador CGE 1 (a) MC300 y (b) MC303.

(a) (b)


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Tabla 4. Análisis elemental (EDX) de intensificadores químicos modificados con nano partículas grafíticas y testigos realizado en la sonda Oxford Instruments Mod. X-act.

Elementos

ProbetasIntensificador CGE 1 Intensificador CGE 2

MC300(% peso)

MC303(% peso)

MC306(% peso)

M1400(% peso)

M1405(% peso)

M1407(% peso)

C 68.75 78.39 58.86 - - -O 28.16 19.89 34.31 17.29 22.89 17.43Na - 0.19 0.43 39.38 36.91 44.09Mg 0.3 0.25 0.54 0.66 0.78 -Al 0.21 0.14 0.75 1.92 1.69 1.15Si 0.66 0.48 1.58 5.5 5.29 3.25S 0.34 0.17 0.31 - - 0.28K 0.02 0.02 0.08 0.14 - -Ca 1.57 0.47 2.08 0.31 0.19 0.18Fe - - 1.05 - 1.77 2.71Ti - - 0.01 - - -Cl - - - 34.65 29.37 30.92Nd - - - 0.14 0.1 -Mo - - - - 0.77 -Sb - - - - 0.25 -

Actualmente, esta prueba de impulso de corriente no está en ninguna norma como una prueba de diseño para los intensificadores químicos, por lo que su inclusión en la normativa internacional es relevante, ya que por el momento no existe un conocimiento del comportamiento de los intensificadores químicos en campo una vez que

Figura 4. Evaluación de la integridad de intensificadores químicos en pruebas de impulso de corriente.

Figura 5. Gráfica de resistividad de las muestras MC300 a la MC313.

MC300 a la MC313 y MQ300 a la MQ306, las figuras 5 y 6 muestran las gráficas para estas etapas.

Las figuras 5 y 6 muestran el comportamiento que tuvieron las muestras, sin embargo, como puede observarse en las gráficas, en las últimas mediciones, la tendencia del valor de resistividad de las muestras cambia drásticamente. Este comportamiento en las muestras con matriz CGE 1 se atribuye a la influencia de los impulsos de corriente de rayo sobre las mismas.

Con la finalidad de observar el efecto de envejecimiento que tienen las muestras al ser sometidas a la prueba de impulso de corriente de rayo, las resistividades medidas en las muestras MC300 a la MC306 y MQ300 a la MQ306, antes de cada uno de los impulsos a los que fueron sometidos y el valor de resistividad después de una semana de su último impulso se presentan en la figura 7. Se verifica que la prueba de impulso de corriente de rayo logra envejecer los intensificadores químicos, modificando sus propiedades eléctricas debido al desgaste que el material tiene durante la operación. Finalizados los impulsos de corriente, las muestras MC303 y MC306 presentan factores de mejora de 33.40 y 8.62; las demás muestras de estos dos lotes presentan factores de mejora menores a 2 veces.

Figura 6. Gráfica de resistividad de las muestras MQ300 a la MQ306.

Artículo técnico

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muestras presentaron valores de resistividad más altos respecto a los valores mostrados antes de la prueba, por lo tanto, se verifica que la prueba de impulso de corriente de rayo logra envejecer los intensificadores químicos, modificando sus propiedades eléctricas debido al desgaste que el material tiene durante la evaluación, lo cual repercutiría durante una condición de operación por descarga atmosférica en campo.

Agradecimientos

La investigación fue financiada con el fondo FICYDET, con el cual se desarrolló la formulación protegida mediante la solicitud de patente No. MX/a/2013/003737. Asimismo, para la continuación del proyecto fueron utilizados fondos CONACYT-FINNOVA No. 224798. Los autores agradecen al personal del laboratorio de Alta Tensión del INEEL, Manuel Ávila Rodríguez, Antonio Martínez Díaz y Evaristo Merino Mares, por las evaluaciones de impulso realizadas.

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Figura 7. Resistividad de las muestras MC300 a la MC306 y MQ300 a la MQ306 antes y después de impulsos de corriente.

son impactadas por una corriente de rayo o cualquier otro transitorio. Por lo tanto, se sugiere incluir en la normativa de la CFE, la evaluación de intensificadores químicos, utilizando por lo menos dos trenes de impulsos de corriente para asegurar que éstos no envejecerán prematuramente.

Conclusiones

Se realizó experimentación en laboratorio y la evaluación de resistividad en probetas testigo (sin nanopartículas) y probetas modificadas con nanopartículas, y se obtuvo como resultado factores de mejora de hasta 60.32 veces menor resistividad en las probetas modificadas con nanopartículas de grafeno grado industrial.

Del análisis elemental de las probetas mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y rayos X (EDX), se observó que algunas muestras de intensificadores tienen una baja compatibilidad con las nanopartículas de grafeno, lo cual puede ser corroborado con los factores de mejora obtenidos. Es necesario explorar otras opciones, como el tratamiento superficial de las nanopartículas para compatibilizarlas con las diferentes matrices de los intensificadores comerciales utilizados en la experimentación. Por otra parte, algunas muestras presentaron un buen desempeño cuando se modificaron con nanopartículas de grafeno.

En el tema del envejecimiento de los intensificadores químicos, los resultados indican que después de la aplicación de trenes de impulsos de corriente y humectación, las


84

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Currículum vítae

Isaías Ramírez Vázquez[[email protected]]

Doctor en Ingeniería Eléctrica por la Universidad de Waterloo, en Waterloo, Ontario, Canadá en 2009. Maestro en Alta Tensión en 1999 e Ingeniero Electricista en 1990 por la Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica y Electrónica (FIMEE) en la Universidad de Guanajuato. Ingresó como investigador el Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), antes Instituto de Investigaciones Eléctricas en 1994, donde ha dirigido y participado en proyectos para la Comisión Federal de Electricidad (CFE), la extinta Luz y Fuerza del Centro y Petróleos Mexicanos (PEMEX), relacionados con aislamiento externo para líneas de transmisión y distribución, coordinación de aislamiento y mapeo de descargas atmosféricas. Reconocido como Investigador Nacional Nivel I desde el 1 de enero de 2011 y es miembro del Registro CONACYT de Evaluadores Acreditados (RCEA) desde 2011. Miembro del Outdoor Insulation Technical Committee for the IEEE Dielectrics and Electrical Insulation Society y miembro del IEEE Technical Committee on Nanodielectrics. Ha publicado diversos artículos internacionales relacionados con temas de nanomateriales aplicados a sistemas eléctricos, aislamiento eléctrico externo, coordinación de aislamiento en sistemas eléctricos y transitorios eléctricos. Sus principales temas de interés son los nanomateriales aplicados a aislamientos, aislamientos externos, coordinación de aislamiento y transitorios electromagnéticos en sistemas de potencia.

Javier Eduardo Salgado Talavera

Ingeniero Eléctrico por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM) en 2012. Ingresó al Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), antes IIE en enero de 2012, en la Gerencia de Transmisión y Distribución, perteneciente a la División de Sistemas Eléctricos. Ha participado en proyectos para la Comisión Federal de Electricidad (CFE), relacionados con aislamiento externo para líneas de transmisión y distribución e implementación de materiales compuestos en torres de transmisión. Completó el programa de Adiestramiento en Investigación Tecnológica (AIT) del Instituto y realizó dos programas de investigación orientados al análisis de aisladores poliméricos utilizando geometría fractal. Ha colaborado en la publicación de dos artículos refereados, relacionados con temas de análisis fractal de aisladores poliméricos y materiales compuestos para torres de transmisión. También colaboró en la publicación de dos artículos presentados en conferencias internacionales, relacionados con la evaluación eléctrica de aisladores reforzados con nanopartículas y su análisis fractal, y la resistividad de intensificadores químicos con nanopartículas grafíticas. Además colaboró en la publicación de un artículo de conferencia nacional, relacionado con el tema de implementación de nanopartículas grafíticas para mejorar la resistividad del suelo.

Novoselov K., Falko V., Colombo L., Gellert P., Schwab M., and Kim K. A roadmap for graphene. Nature 490, pp 192-200, 2012.

Krishnan D., Kim F., Luo J., Cruz R., Cote L., Jang H. and Huang J. Energetic graphene oxide: Challenges and opportunities. Nano Today 7, pp 137-152, 2012.

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Hong B., Compton O., An Z., Eryazici I. and Nguyen S. Successful Stabilization of Graphene Oxide in Electrolyte Solutions: Enhancement of Biofunctionalization and Cellular Uptake. ACS Nano 6 (1), pp 63-73, 2012.

Octavio Félix Sandoval[[email protected]]

Ingeniero Eléctrico en el Tecnológico Regional de Culiacán. Ingresó al Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL) antes IIE, en febrero de 2004 y actualmente se desempeña como encargado del laboratorio eléctrico de alta tensión.

Comunidad IIE

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KEEI de Corea del Sur y el Instituto firman Memorándum de Entendimiento

Obtiene el Instituto Best Paper Poster Award en CSEDU

Del 21 al 23 de abril se llevó a cabo la 8ª conferencia internacional sobre computación para apoyo a la educación, CSEDU 2016 (8th International Conference on Computer Supported Education) en la Ciudad de Roma, Italia, en la que nuestro Instituto presentó el artículo: Adaptive and Blended Learning for Electrical Operators Training, with Virtual Reality Systems, cuyos autores son Yasmín Hernández Pérez y Miguel Pérez Ramírez, investigadores de la Gerencia de Tecnologías de la Información, y debido a la calidad técnica del mismo y a su presentación, este artículo fue galardonado por el Comité Técnico del programa de la Conferencia con el Best Paper Poster Award.

El artículo propone un modelo mixto de capacitación para complementar la tradicional, integrando elementos de capacitación presencial, en campo y a través de herramientas avanzadas para tal efecto. Con este modelo se busca acortar

los tiempos de capacitación, hacerla más eficiente y por ende reducir el número de accidentes. El modelo incluye un sistema inteligente de capacitación con ambientes virtuales y permite adaptar la capacitación a las necesidades particulares de cada uno de los participantes.

Este trabajo de investigación es estratégico para el Instituto, ya que como resultado de la reforma energética se requieren expertos de alto nivel, con los conocimientos y capacidades para hacer frente a los grandes retos que enfrentará el sector energético. Se estima que México necesita formar un mínimo de 135,000 expertos de alto nivel en distintas especialidades en los próximos cuatro años, para cubrir la demanda directa del sector. Con este desarrollo, la Comisión Federal de Electricidad (CFE) contará con un modelo que le permitirá capacitar más personal en menos tiempo, a menor costo y con menos riesgos, disminuyendo con ello el índice de accidentalidad.

El 4 de abril, el Korea Energy Economics Institute (KEEI) y nuestro Instituto firmaron un Memorándum de Entendimiento sobre cooperación en el campo de la tecnología eléctrica y política energética, teniendo como referente la visita de Estado de la Presidenta de la República de Corea, Geun-hye Park a nuestro país.

La comitiva de KEEI estuvo integrada por Kim Ki Joong, Vicepresidente y Yoo Haksik, investigador asociado de la División de Investigación de Cooperación Energética Regional.

Cabe destacar que las actividades de cooperación bajo este Memorándum de Entendimiento pueden incluir correlación de las actividades programadas en la perspectiva de nuevas técnicas y oportunidades de negocios en el campo de

la electricidad, y en la política y regulación energética, análisis de la industria eléctrica y las perspectivas en el mercado y el precio.

Entre las formas de cooperación se incluye el uso compartido de datos científicos y técnicos disponibles al público, publicaciones y experiencia en la búsqueda de objetivos comunes; desarrollo del tema del proyecto de cooperación en la tecnología eléctrica y política energética, así como la visita e intercambio de investigadores y expertos.

En el marco de la reforma energética recientemente lograda en nuestro país, nuestro Instituto amplía sus horizontes de colaboración a nivel internacional, con más altas expectativas de alcanzar acciones efectivas y metas concretas de mutuo beneficio en el corto y mediano plazo.


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Liderazgo del Instituto en el 28º Congreso de Ingeniería Civil Del 8 al 10 de marzo se llevó a cabo en la Cuidad de México, el 28º Congreso de Ingeniería Civil, donde participó José Luis Fernández Zayas, Director General de nuestro Instituto, como Presidente de la sesión técnica: “Las energías limpias ante la reforma energética”.

El Congreso Nacional de Ingeniería Civil denominado: “Construyendo un mundo sustentable”, sirvió como punto de encuentro para los ingenieros del país. En esta ocasión el evento trascendió al ámbito internacional, al presentar un programa técnico compuesto por conferencias magistrales, mesas redondas, sesiones técnicas, visitas técnicas, y sesiones de sociedades y asociaciones que involucraron la experiencia nacional con los casos de éxito de corte internacional relacionados con: agua, energía, financiamiento, comunicaciones y transporte, y desarrollo urbano sustentable.

Alberto López López, investigador de nuestro Instituto que asistió al congreso, comenta que el intercambio de experiencias entre ingenieros y empresas fue de gran utilidad, para contactar posibles socios o iniciar trabajos conjuntos en diversas áreas, principalmente las que se enfocan al cambio climático. Cabe destacar que actualmente, López López desarrolla un proyecto de infraestructura enfocado a dicha temática.

La participación del Instituto en el 28º Congreso de Ingeniería Civil es una muestra de su liderazgo y compromiso con el sector, por lo que los cambios que se avecinan derivados de la reforma energética le permitirán mantenerse innovando y proponiendo soluciones para el sector energético y eléctrico del país.

Investigador del Instituto colabora en libro sobre cambio climático

“Reporte Mexicano de Cambio Climático, Grupo III Emisiones y Mitigación de Gases Efecto Invernadero (GEI)” es el título del libro en el que colaboró José Antonio Ramón Muñoz Ledo Carranza, investigador de nuestro Instituto, en las secciones de energía y transporte, y cuyo objetivo consiste en establecer los niveles de emisión de GEI y sus acciones de mitigación.

Las aportaciones de Muñoz Ledo en este libro fueron posibles, ya que desde 1991 el Instituto fue líder y participó en los primeros inventarios de GEI, siendo él responsable directo de GEI por transformación de energía y transporte por encargo de la Comisión Nacional para el Ahorro de Energía, que a su vez desarrollaba un proyecto con la Secretaría de Desarrollo Urbano y Ecología (SEDUE) y la Gerencia

de Fisicoquímica, en donde también fungía como coordinador. Ahí integró la información de los tres primeros inventarios Nacionales de Gases Efecto Invernadero junto con especialistas de la Universidad Nacional Autónoma de México, la Gerencia de Energías No Convencionales de nuestro Instituto, la SEDUE, el Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias, entre otros organismos, aplicando la metodología propuesta por el Panel Intergubernamental de Cambio Climático (IPCC), desarrollando un software en lenguaje FORTRAN, antes incluso que el mismo IPCC, que sacó su primera versión en EXCEL hasta 1996, la cual también se utilizó en el Instituto cuando apareció y con la que se desarrollaron un par de tesis de Licenciatura.

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Durante el siglo pasado, las diferentes actividades de la humanidad han generado y vertido grandes cantidades de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero (GEI) a la atmósfera.

El efecto invernadero es un fenómeno natural y necesario para el sustento de la vida en el planeta, sin embargo, la acumulación excesiva de estos gases ha desencadenado el cambio climático, afectando los diferentes ecosistemas

Caracterización y análisis del comportamiento dieléctrico de gases

alternos viables para su uso como aislamiento de equipo eléctrico de

potenciaNoé Rafael Colorado Sósol1 ([email protected])

Jaime De Urquijo Carmona2 ([email protected])

1 Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias2 Instituto de Ciencias Físicas,UNAM

Figura 1. Efectos del calentamiento global (Fuente: http://tododosobreelmedioambiente.jimdo.com/)

(interacciones entre organismos vivos y su hábitat), poniendo en riesgo nuestra propia salud y seguridad. Los gases de efecto invernadero considerados en el Protocolo de Kioto se en listan en la tabla 1.

Uno de los gases de efecto invernadero considerado en el protocolo de Kioto es el hexafluoruro de azufre (SF6), que es un gas sintético con excelentes características dieléctricas y térmicas, utilizado como aislamiento y medio de extinción de arco en los procesos de transmisión y distribución de energía eléctrica. Otras aplicaciones del gas incluyen la industria metalúrgica, electrónica, equipo de investigación y aplicaciones militares.

Si bien el SF6 no es el gas que se vierte a la atmósfera en mayor volumen, sí es el gas con mayor potencial de calentamiento (WGP) y un tiempo de vida (LT) de varios miles de años (figura 2).

Tabla 1. Gases de efecto invernadero.

Gases Potencial de calentamiento (GWP)

Bióxido de carbono (CO2) 1Metano (CH4) 21Óxido nitroso (N2O) 310Hidrofluorocarbonos (HFCs) 140-11,700Perfluorocarbonos (PFCs) 6,500-9,200Hexafluoruro de azufre (SF6) 23,900

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“jurídicamente vinculante” acordando, entre otros aspectos importantes, que el aumento de la temperatura global debe ser menor a 2° C respecto a los niveles preindustriales (siglo XIX).

Como se puede observar en la figura 3, según el World Resources Institute, México ocupa el lugar 9 a nivel mundial en emisiones de GEI y el segundo en Latinoamérica. En su inventario cuenta con aproximadamente 310 toneladas de gas instalado en interruptores de potencia y subestaciones encapsuladas (GIS), sin considerar el gas almacenado.

Debido a la problemática actual, el Instituto de Ciencias Físicas (ICF) de la UNAM, Campus Morelos, y el Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL) trabajan conjuntamente en el desarrollo de proyectos para la generación y evaluación de mezclas gaseosas factibles para la sustitución del gas Hexafluoruro de Azufre utilizado como aislamiento y extintor de arco eléctrico.

Figura 2. Relación del impacto ambiental del SF6.

Figura 3. Principales emisores de GEI en el mundo. Año 2012.

Figura 4. Observación espacio-temporal de la descarga eléctrica (Infraestructura ICF-UNAM).

Entendiendo como Potencial de Calentamiento la medida en que un determinado GEI contribuye al calentamiento global, consiste básicamente en comparar el efecto de un gas con el causado por el CO2. Las principales fuentes de emisión de SF6 son: manejo del gas, fugas durante el manejo, mantenimiento y fallas de equipo eléctrico.

En la pasada XXI sesión de la Conferencia de las Partes (COP) y la undécima sesión de la Conferencia de la Partes en calidad de reunión de las Partes al Protocolo de Kyoto (CMP) celebrada en París, Francia a finales de 2015, los representantes de 195 países firmaron el primer acuerdo

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Figura 5a. Evaluación dieléctrica de una subestación aislada en gas (GIS) de 400 kV.

Figura 6. Evaluación de una terminal gas - aire de una subestación aislada en gas (GIS) de 400 kV.

Figura 5b. Evaluación dieléctrica de una subestación aislada en gas (GIS) de 400 kV.

Desde 1983, el ICF ha estudiado el SF6, sus mezclas y otros gases alternativos con el propósito de encontrar sustitutos eficaces. Realizando trabajos de investigación básica, mediante el estudio y análisis de los procesos de ionización y transporte de partículas cargadas de estos gases.

Por otra parte, la Gerencia de Equipos Eléctricos (GEE) del INEEL tiene experiencia en investigación aplicada, experimentación y diagnóstico de aislamientos utilizados en equipo eléctrico de potencia. Actualmente, como parte de sus actividades, orienta sus esfuerzos en la caracterización y análisis del comportamiento dieléctrico de gases alternos al SF6 y sus productos de descomposición, considerando condiciones diferentes de presión, humedad, temperatura y materiales adicionales involucrados en las reacciones.

El Trifluoroyodometano (CF3I) se ha considerado recientemente como una alternativa potencial para sustitución del SF6, gracias a su alta electronegatividad y extremadamente bajo efecto ambiental. Algunas de sus características, en comparación con el SF6 son:• Potencial de calentamiento (GWP) < 0.2 x10-3

• Rigidez dieléctrica = 1.2• Temperatura crítica = 0.2• Tiempo de vida en la atmósfera

< 0.003 años

Además es una mezcla incolora, no inflamable, de bajo impacto ambiental.

Algunas de las características deseadas en la mezcla sustituta son: una alta rigidez dieléctrica (RD), que sea eléctricamente negativa, estable térmicamente, autorrecuperable, no corrosiva, no tóxica, no inflamable, no explosiva, amigable con el medio ambiente, con un potencial de calentamiento bajo y que no reaccione con los elementos aislantes o metálicos presentes en equipo eléctrico.

La sustitución del SF6 en equipo eléctrico de potencia contribuirá a la reducción del impacto ambiental, utilizando tecnologías amigables con el medio ambiente, mitigando las emisiones de gases de efecto invernadero y fomentando una economía de energía limpia.

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Aplicación de imanes permanentes y nanomateriales para el diseño y fabricación de máquinas eléctricas rotatorias de alta eficiencia energéticaFrancisco Antonio Carvajal Martínez ([email protected]) Leonardo Rejón García ([email protected])

Actualmente, en México existen nuevos paradigmas energéticos que plantean una mayor utilización de las fuentes de energía renovables y una mayor preocupación por la eficiencia energética de los equipos que intervienen en el proceso de la generación y utilización de la energía eléctrica, lo cual ha planteado la necesidad de realizar actividades de investigación y desarrollo tecnológico en éstas áreas de especialidad.

Los motores eléctricos han sido equipos fundamentales en el desarrollo tecnológico de nuestra sociedad en los últimos dos siglos. A nivel mundial, aproximadamente el 30% de la electricidad generada es consumida por el sector industrial y de esa energía casi el 65% es consumido por motores eléctricos, por lo que una mejora en la eficiencia energética de estos equipos puede tener un gran impacto económico, así como en el cuidado del medio ambiente, al reducirse el consumo de energía eléctrica y las emisiones atmosféricas de CO2 respectivamente.

La energía eléctrica consumida en nuestro país se incrementa constantemente, por lo que existe una mayor necesidad de sistemas de generación de energía eléctrica con una alta eficiencia energética, esto ha llevado al incremento de las actividades de investigación y el desarrollo de fuentes de energía limpias y renovables como la energía solar, eólica, oceánica, hidroeléctrica, biomasa y geotérmica. Como parte de estas actividades de investigación se requiere el desarrollo de diseños innovadores de generadores eléctricos de alta densidad y eficiencia energética, basados en el empleo de materiales de avanzados.

En este contexto, los materiales magnéticos son componentes esenciales en los equipos, utilizados tanto en la generación como la utilización de la energía eléctrica. Los avances y la mejora en estos materiales tendrán un impacto significativo en el diseño y fabricación de máquinas eléctricas rotatorias más fuertes, más ligeras y de alta eficiencia energética. Los avances en materiales magnéticos (p. e. imanes suaves y permanentes) han permitido desarrollar motores (figura 1) y generadores eléctricos con una mayor eficiencia, confiabilidad, compactos, de bajo costo y de bajos requerimientos de mantenimiento. El producto energético de los imanes (medida para la cantidad máxima de energía magnética almacenada en un imán), el cual es una característica clave para clasificar la calidad del imán, ha sido constantemente mejorado (inicialmente del orden de


Breves técnicas

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Figura 2. Evolución del producto energético de los imanes permanentes.

Figura 1. Motor de Imanes Permanentes.

1 a 3 Mega-Gauss-Oersted a valores actuales del orden de 56 Mega-Gauss-Oersted). La evolución histórica de esta característica de los imanes permanentes se muestra en la figura 2.

Hoy en día se realizan trabajos de investigación y desarrollo de distintos tipos de imanes permanentes de alto rendimiento, basados en compuestos intermetálicos de tierras raras. El principal objetivo de estas actividades es obtener equipos con altas densidades de energía, operando a diferentes condiciones de temperaturas. También se desarrollan imanes del tipo Nd2Fe14B (Neodimio-Hierro-Boro) con mejor estabilidad térmica, alrededor de 175°C, para aplicaciones en motores y generadores, así como imanes tipo Pr2Fe14B (Praseodimio-Hierro-Boro) para aplicaciones a -200°C conjuntamente con superconductores con alta temperatura de Curie y una nueva generación de imanes tipo SmCo 2:17 (Samario-Cobalto) para aplicaciones que exceden los 400°C.

El énfasis de la investigación en estos tipos de imanes permanentes es sobre el control de la microquímica y la estructura de las fases en los límites del grano y las interfaces internas, que son cruciales para la comprensión de los mecanismos relevantes de la coercitividad y el proceso crítico de la desmagnetización. Los materiales nanocompuestos texturizados podrían ser la próxima generación de imanes permanentes. Con base en esto último, es de interés del Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), realizar trabajos de investigación, desarrollo tecnológico e innovación, que permitan la obtención de nuevos materiales nanocompuestos para su aplicación en el diseño y fabricación de motores y generadores eléctricos con alta eficiencia energética.


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1 Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL)2 Comisión Federal de Electricidad (CFE), Gerencia de Subestaciones

Application of unusual techniques for characterizing ageing on polymeric electrical insulationRubén Saldívar Guerrero1, Ramiro Hernández Corona1, Francisco Arturo López González1, Leonardo Rejón García1 y Víctor Romero Baizabal2

Article originally published in Volume 117, December 2014, pages 202-209 of Electric Power Systems Research, Elsevier, 2014.

Artículo de investigación

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Abstract

The degradation process caused by electrical stresses and weather conditions on electrical non-ceramic insulation was analyzed with non-destructive techniques. Traditional replica technique was introduced as a novel method to characterize microstructure changes on polymeric insulation. Static contact angle and roughness measurements were also used to characterize non-ceramic insulation. These non-conventional techniques have shown to be appropriate for evaluating aging on electrical insulation surfaces of bushings and surge arresters installed in electrical substations. The replica technique has drawn attention for being an innovative analysis test for characterizing polymeric insulation.

Introduction

Polymeric composite insulating materials, also known as non-ceramic materials, have been used as housing insulation in high power electrical devices such as: insulators, surge arresters and bushings. Generally, non-ceramic insulation is made of silicone rubber, EPDM and Ethylene Propylene Rubber (EPR)/silicone alloys, and inorganic fillers. They came to have a strong commercial interest and were considered a mature product since the early 1990s [1, 2]. While rubber composites’ performance is generally satisfactory, polymeric insulating materials are much prone to aging than their ceramic counterparts. Hence, it is of practical interest to investigate the performance and the chemical changes of polymeric housing insulation under field conditions. A comparison of laboratory aging test results with those obtained in natural environments yield useful information on long term performance.

In order to obtain information of the degradation process, the insulating material must be characterized by different techniques. Visual observation, hydrophobicity classification and surface pollution evaluation are part of the physical characterization for polymeric housing insulation. Some others involve electrical measurements as leakage current measurement and corona monitoring. In addition, material characterization is carried out by Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy, chalking analysis and surface microstructure observation. These techniques have been widely used to characterize polymeric outdoor insulation [3–6].

Some other methods that have also been used for characterizing non-ceramic materials include: light emission, thermal imaging, and acoustic measurements [7]. In addition, diagnostic methods as laser induced fluorescence and quality control of internal interfaces are still under development. Each of these characterization techniques reveals a part of the degradation process that is also affected by high pollution, extreme weather conditions and electrical stresses.

However, some of the relevant characterization tests commonly require a sample of housing material to be cut off. Examples of these tests are: chemical analysis, FTIR spectroscopy, sessile drop technique hydrophobicity measurement and scanning electron microscopy microstructure observation. Consequently, it is difficult to use these powerful methods for evaluating aging and degradation process of polymeric housing materials in field.


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In this paper, we take advantage of some non-destructive techniques to characterize non-ceramic electrical insulation in laboratory and in field. These include hydrophobicity evaluation by measuring static contact angle, roughness of the polymer surface, and microstructure analysis by the novel application of the replica technique to polymeric insulating materials.

For the polymer microstructure analysis, the replica technique is adapted to non-ceramic insulation. This has shown to be appropriate to follow up structural changes of the housing materials. The materials used for this investigation include polymeric insulation based on EPDM and silicon rubber. They were aged in an accelerated way in laboratory, under different weather conditions and electrical stresses [8]. Moreover, we introduced the evaluation of polymeric insulation within field by using the replica technique, plus the roughness and contact angle measurements. The obtained results have been correlated to electric field distribution and leakage current measurements.

Unusual techniques used for characterizing aging

In this work, the unusual techniques used for characterizing aging on polymeric electrical insulation are hydrophobicity, surface roughness, and microstructure replication. Additionally, leakage current is monitored by recording frequency and range of peak currents, using a custom-built data acquisition system [9]. The electric field distribution is measured before and over the course of the test period, with an instrument that was originally developed at Hydro-Québec [10].

Hydrophobicity

A hydrophobic surface has a water repellent property, where as a hydrophilic surface can be easily wetted. The contact angle that a drop makes when it comes into contact with a solid surface is a measure of the surface wettability. The most commonly used method for evaluating hydrophobicity is the so called sessile drop technique. However, it is generally only applicable in the laboratory.

The hydrophobicity of the housing polymer is evaluated by placing a drop of distillated water on the previously cleaned (with ethylene alcohol) polymeric surface. Then, a photograph of it is taken with a high resolution digital camera. By digital image analysis and the use of special software, the contact

angle is measured. The data of the contact angle were obtained from the mean of six to nine measurements that were made to different drops placed on the surface.

Surface roughness

Roughness is the measure of a surface texture. It initially indicates the surface profile that a material has due to the manufacturing process. It could be used to measure the aging degree since an increase in roughness due to surface erosion is expected. The roughness measurements were made with a roughness profile meter (Mitutoyo SJ-201), and at least three evaluations were made for each roughness data point. All measurements and surface characterization were made off-line.

Microstructure replication

Replication is a non-destructive technique, generally used to evaluate microstructure changes caused by service failures in metallic materials. It records and preserves the topography of a microstructural surface as a negative relief on a thin foil of polymeric material. Replica can be observed with the use of an optical microscope, where standard magnification ranges from 50 to1000×. On the other hand, if the reproduced surface is properly prepared with the application of a conductive support, the replica can also be observed with a scanning electron microscope (SEM). This provides the possibility of observing reproduced microstructure aspects with a higher magnification. While using SEM examination, special care should be taken because the electron beam can produce excessive heating of the surface and then possible deformation of plastic material.


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Because of the acceptance of replication as a non-destructive test for metallic surfaces in field, the replica technique has been standardized by international standard organizations like ASTM (E1351), ISO (3057) and NORDTEST (NT NDT 010). However, this technique has not been commonly used for microstructural analysis of polymer insulating materials or for other kind of rubbers and plastics. In this paper, the replica technique is introduced for being used to characterize non-ceramic materials.

The surface microstructure replication of polymeric housing materials is made using cellulose acetate film (0.05 mm thickness) supplied by Good fellow Cambridge Limited. As softening solvent, analytic grade acetone by Aldrich Chemical is used. Replication is made softening an acetate foil of 2 cm × 2 cm in acetone, and then placing it on a cleaned surface of non-polymeric insulation, in order for it to be analyzed. After the solvent is evaporated and the foil is hardened again, the foil is removed and observed by using a Carl Zeiss DSM-960 scanning electron microscope.

Evaluated equipment and aging methodology

The unusual techniques to characterize aging on polymeric electrical insulation were evaluated on three surge arresters and two hollow core bushings. One surge arrester and one hollow core bushings were installed in field while the other devices were aged in laboratory. The main characteristics of these devices and the place of test are presented in Table 1.

The sample 1 was installed in a 115 kV line of a coastal power substation

located in the North of Mexico, where the geographic conditions are Mediterranean-like humid and with low rain. The sample 5 was installed in a 230 kV dead tank breaker at a generation plant also located in the North of Mexico, but far away from the coast. All the conventional outdoor insulation of the substation and the generation plant has been historically washed at least several times per year.

The samples 2–4 were used for accelerated aging tests in laboratory, using a multistress environment chamber (5.1 m wide × 5.7 m high × 7 m long), to promote surface aging of non-ceramic insulation [8]. The chamber was conditioned to apply UVA-340 light exposure with an average of 0.65 W/m2, salt fog: 5150 mS/cm, clear fog: 50–70 mS/cm and water flow rate: 1.35 l/min. The applied voltage was phase-to-ground 66.4 kV rms throughout the test. The used methodology to age the testing samples consists of three cycle sequences [8], as shown in Table 2: the first one consists in stressing the insulation for a period of 24 h in salt fog, followed by a 12 h dry period with UV. Finally, after switching off the UV, 24 h of clean fog is applied. This leaves a total time of 60 h per cycle. Then, the cycle is repeated for a total time of nearly 7000 h with the components continuously energized at the test voltage. All samples are washed off before the aging test.

To accelerate the aging process, only on sample 2 (EPDM arrester) and on sample 4 (the hollow core bushing), the samples were polluted by deposition of a layer on their insulation surface with the solid layer method, applying a

Table 1. Material characteristics of samples.

Sample No. Device Material Place of test1 Surge Arrester EPDM-ATHa In field2 Surge Arrester EPDM-ATHa Laboratory3 Surge Arrester Silicone Rubber Laboratory

4 Hollow Core Bushing

Silicone Rubber –ATHa Laboratory

5 Hollow Core Bushing Silicone Rubber In field

ATHa=Alumina tri-hydrated

Table 2. Weather cycles designed to the accelerated ageing test.

Cycle Cycle time (hours) Applied AC voltage 66.4 kV rms

Dry + UV 12 yesClean fog 24 yesSalt fog 24 yes


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slurry prepared with 20 g of kaolin and 10 g of salt per 50 ml of demineralized water. A sponge is used to apply the slurry by hand. The test insulations were washed off to the 2500 h and 4000 h of testing and after that, pollutant layer was reapplied on the corresponding insulations (samples 2 and 4). After applying the new pollutant layer on the insulation surface, the apparatus is allowed to rest for 48 h prior to restarting the test, thereby allowing the contaminant layer to dry and the hydrophobicity to recover.

Results and discussion

Hydrophobicity

Usually, hydrophobicity evaluation of non-ceramic and ceramic housing insulation is made according to STRI guide [11]. The guide provides a set of hydrophobicity pattern photographs in order to determine the hydrophobicity level observed on the insulation surface. This method is commonly used in field. However, it has an intrinsic inaccuracy because of its subjective image analysis which depends on the operator’s criteria. In order to analyze hydrophobicity more accurately, the contact angle was measured by using software image analysis, as described in the experimental section. In addition, it has the advantage that a water photograph can be easily taken in field with the portable high resolution camera. Through this method, the operator’s criteria were eliminated and detailed changes on hydrophobicity behavior could be observed.

Figure 1 shows the static contact angle behavior for the EPDM-ATH surge arrester aged rapidly in laboratory. The figure includes some images of water drops on the polymer material for the shed 1. The photographs were taken at the 960, 2500, 3450, 5000 and 7000 h of test. On this figure the contact angle’s behavior on different sheds could also be analyzed. Shed 1 corresponds to the top, and the shed 12 to the middle of the insulation’s height.

As it can be seen in Fig. 1, the hydrophobicity behavior is mostly independent of the shed’s position. This behavior is also shown for the SiR Surge arrester and the Silicon ATH bushing (Figs. 2 and 3, respectively). Some differences in contact angle between shed 1and 12, for sample 2 at 3450 h of test (Fig. 1), could be attributed to the corona activity that occurred around shed 12 of the arrester during this period of test. A corona discharge is a high voltage arc in air. When air is ionized, the electrons collide with the material surface to break the molecular bonds, increasing chains of low molecular weight. It is possible that these chains made the polymer insulation more hydrophobic, increasing the dimension of the contact angle.

Moreover, hydrophobicity is highly related to the nature of the composite material. The hydrophobic properties of EPDM insulating material, sample 2 (Fig. 1), decayed drastically after 3000 h of testing and failed to recover, even after passing some days without any kind of fog. Electrical stresses, strong weather conditions (in terms of solid contamination), salt fog and UV generate polymer oxidation. This produces ester groups and water molecules on the surface as

Figure 1. Static contact angle measurement vs. aging time for EPDM surge arrestertested in laboratory.


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chemical reaction by products [12]. These molecular components make the EPDM composite surface hydrophilic, causing a reduction in contact angle.

On the other hand, silicone rubber material of sample 3 (Fig. 2) showed none or little loss of hydrophobicity up to 5000 h of aging test. It is important to point out that during the first 5000 h of aging; the polymeric insulation was maintained free of contaminant layers. On this clean surface, the reorientation of the polymer methyl groups can occur, which promotes a recovery in hydrophobicity in the fashion of a fast process. That is why the contact angle, during this period of time, remains without change, apart from the time span of 1350 h. It is possible that around this time the housing polymer was more affected by dry band arcing, which was observed on the surge arrester.

For silicones, it is known that heat generated from dry band arcing causes hydrolysis, scission and crosslinking of Si-O bonds. This gives rise to decreased CH groups and increased levels of oxygen in the siloxane bonds [13]. As a result of such increased oxygen levels, high interaction forces between the polymer and water deposited on its surface are formed. This process is called oxidation and leads to easy wetting of surface, promoting lowered contact angles. However, a recovery process of hydrophobicity has been found in the silicon materials tested in laboratory. This is a special characteristic of this material, which promotes chains of low molecular weight from the bulk to the surface, easier than EPDM rubber. This behavior is caused mainly by three types of chemical changes achieved

Figure 2. Static contact angle measurement vs. aging time for SIR surge arrester testedin laboratory.

either artificially or naturally: (1) reorientation of methyl and oxidized groups, (2) condensation of silanol groups and, (3) diffusion of PDMS of low molecular weight.

A particular modification on silicon surge arrester test conditions was made after 5000 h of testing; it was also artificially contaminated with the same slurry used to contaminate the samples 2 and 4, containing salt and kaolin, as is described in experimental section. This situation promoted a loss of hydrophobicity by building up pollution layers on polymer surface. This especially occurs on the arrester’s lower sheds, as it was shown by lower contact angle values on shed 11, Fig. 2. This loss of hydrophobicity is attributed to high local electrical stresses caused by a non-uniform pollution layer distribution on such shed, where corona activity and higher average temperature were observed. Also, it is important to note that the loss of the static contact angle is double for EPDM composite (sample 2) as compared with silicone rubber composite (sample 3) due to the easier diffusion of low molecular weight (LMW) chains in silicon rubber from the bulk to the surface, as mentioned above.

Figure 3 shows the contact angle behavior for the Silicon-ATH bushing (sample 4). As can be seen, in this material, contact angle increased from 108o to 120o and then decreased down to 90o approximately for both sheds. The increment in contact angle can be explained because of the filler added to the silicon rubber. By infrared spectroscopy and thermogravimetric analyses has been found that this material includes alumina trihydrated in about 50% of


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Figure 3. Static contact angle measurement vs. aging time for silicone-ATH bushing sample 4 tested in laboratory.

its weight. Some investigations [14] have shown that the addition of filler to silicon rubbers has very important influence on the performance of SIR insulating material, since they provide an increase in concentration of dynamic LMW components [14, 15].These LMW species migrated to the surface and thus, made it more hydrophobic. However, the accumulation of LMW components on the polymeric surface decreased after 2500 h of aging test presumably because of the cleaning process that was carried out at this time. The EPDM arrester (sample 2) was also contaminated and cleaned at this time of test; yet, similar behavior was not observed on this material. Hydrophobicity was completely lost after 5000 h of test and it was not recovered anymore by the EPDM. This indicated that hydrophobicity behaves

differently depending of polymeric material and composition.

It is important to point out that silicon insulation of sample 4 also recovered hydrophobicity after some hours under dry conditions. That is a unique property present in silicon rubber materials, attributed mainly to the diffusion facility of low molecular weight PDMS chains in silicon rubber.

Figure 4 shows the behavior of the static contact angle for sample1, installed in field during a period of 23 months. On this figure, it is observed that no major loss of hydrophobicity has occurred during the testing period. As shown in Tables 1 and 2, this sample has the same material as sample 2, which was put under accelerated aging in laboratory. So, the hydrophobicity behavior can be compared by observing changes in contact angle in both samples, and by correlating these results to establish operational status of housing insulation material installed in field. By this way, it can be said that the EPDM material of sample 1 has presented good performance up to now because the contact angle has not shown yet significant variations.

Table 3 provides the static contact angle values recorded for the silicon bushing installed in field (sample 5). As it can be seen, on almost all sheds the contact angle decreased during the first months, but then increased up to the last evaluation. Similar behavior was found for the silicon arrester (sample 3) tested in laboratory. The analysis of materials on both samples corresponds to silicon rubber without inorganic filler. So, by following the results obtained in laboratory, the end of life may be predicted for the housing materials in

Figure 4. Static contact angle measurement vs. aging time for EPDM surge arrester tested in field.


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terms of contact angle. However it is necessary take into account some other factors like surface microstructure.

As an important point of these results, it is note worthy that while the non-ceramic bushings were never washed during the entire course of the test, they continued to maintain a hydrophobic surface. As a consequence, the reduced risk of leakage current under rain and condensation due to hydrophobic surface of the material helped to preserve the housing’s integrity, even within a challenging service environment.

A longer monitoring has to be done on samples 1 and 5 in order to follow up material degradation due to electrical stress and ambient conditions. It is important to note that the contact angle measuring technique was effectively implemented in field and that it can be used for monitoring hydrophobicity in polymeric housing off-line.

Surface roughness

Figure 5 shows the roughness measurements obtained in terms of the Ra parameter for the polymeric housing materials tested in laboratory. Ra measures average roughness by comparing all the peaks and valleys to the mean line, and then averaging them all over the entire cutoff length.

In Fig. 5, it is observed that for EPDM-ATH surge arrester (sample 2), Ra increases approximately 2 times its original value after1000 h of test. Some investigations have shown similar behavior at the same time span of accelerated aging in EPDM materials [12]. It can be explained with the loss of the polymer outer

layer on the surface. This layer resembles the surface finish of the molding process. After this time (1000 h), the data of the roughness test oscillate around a value of 1 mm. With continuously increasing aging time, are placement process of the outer layer is observed due to erosion. It means that the molded outer layer (mostly polymer) is then substituted by a layer composed of polymer and fillers now exposed, as it can be observed in Fig. 8(a). This situation makes the roughness increase its value giving information related to the polymer surface degradation. At this point, it is important to mention that the roughness measurements for EPDM-ATH material aged rapidly in laboratory seem to be more effective than hydrophobicity evaluation to identified degradation on polymer surface. While contact angle results showed decay until 2500 h of test, roughness data identifies surface modification since 1000 h, approximately.

A different behavior can be observed in Fig. 5 for the Ra parameter of the sample 3 that consists of silicone rubber composite. For this material, the surface roughness increases almost linearly up to three times of the initial value at the end of the test. It suggests constant erosion on the polymer housing material.

Table 3. Contact angle measurements of 230 kV silicon bushing installed in field (sample 5) during different time of test.

Contact angle (°)Shed Begin 3 months 8 months 47 months

Bottom 90.8 79.8 97.2 98.9Middle 87.2 78.9 97.2 95.4

Top 87.2 85.3 97.5 95.6

Figure 5. Surface roughness Ra, as a function of aging time for different polymer insulating materials tested in laboratory. Data of roughness correspond to the upper shed.


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On another hand, the silicon rubber bushing (sample 4) shows as light decay in roughness: from 0.55 mm to 0.40 mm (Fig. 5). As it can be seen, the initial roughness data for sample 2–4 are different. This could be due to diverse polymer matrix material, manufacturing process or fillers used on each composite. For instance, sample 4 has a conical-helicoidally shape obtained by helical extrusion. In combination with the high content of filler (about 50% of ATH) an initial roughness of 0.55 mm can be observed. Nevertheless, as the test develops, this value slightly decays. This phenomenon, contrary to the expected results, is not yet well understood. It is possible that the original surface came with many imperfections originated by the helical extrusion process, and because of polymer degradation due to weather and electrical stress, these imperfections were lost, making the surface a bit smoother.

When comparing the contact angle and roughness behavior for samples 2–4, it can be seen that they are not well correlated. Sample 4 is the worst correlated: its data tendency for both parameters highly differs. This can be attributed to different composite materials and filler concentration used in these samples. For example, silicon rubber has the property of recovering its hydrophobicity even after losing it, due to migration of LMW species to the surface. However, EPDM does not recover hydrophobicity which is lost after a period of time under environment conditions and electrical stress, as it was shown above.

Figure 6 shows the surface roughness for EPDM composite of the arrester sample 1 installed in field. It can be observed

that this value does not increase after 23 months of evaluation. These results suggest that this period of time in field corresponds to less than 1000 h of accelerated weathering aging in laboratory for the EPDM housing material. This idea is supported by microstructure analysis as discussed below.

Microstructure replication

Taking advantage of the replica technique as a method for reproducing surface microstructure, polymeric housing materials have been analyzed by the means of this technique. In order to validate the replica technique for its use in polymeric surfaces the following was done. A polymeric insulator that had already failed in field was analyzed with direct observation of a housing polymeric sample and with replication by the replica technique. Fig. 7(a) shows the polymeric housing material sample directly observed by SEM, and Fig. 7(b) is the microstructure of the cellulose acetate used to record the topography of the same sample as Fig. 7(a). It can be observed that similar microstructures are obtained by replication and direct observation on the material. The said above demonstrates that replication can be used to analyze surface microstructure of polymeric materials with the advantage of using non-destructive technique.

Based on the good results obtained from the preliminary tests with replication technique, this characterization method was implemented to study the degradation process on the polymeric materials used in our investigation.

Figure 8 shows replica micrographs of samples 2–4 tested under accelerated

Figure 6. Surface roughness Ra, as a function of service time for EPDM-ATH arrestersample 1 installed in field.


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aging for different testing times. All replica films were taken on the first shed that was close to the conductor side. In the micrographs, the erosion process caused by aging, both in EPDM-ATH composite of the sample 2 as well as in silicone rubber composites of the samples 3 and 4, can be observed. Electrical stress and the harsh environment simulated in laboratory are mainly responsible of this degradation developed on the polymeric composite surfaces. In the case of compounds containing fillers (sample 2 and 4), the fillers are exposed as a function of the aging time due to the loss of polymeric species. Different microstructure was found for the sample 3, because it does not contain microparticles as filler; however, polymer degradation was also observed in it, due to aging.

On the other hand, Fig. 9 shows SEM micrographs of the surface microstructures taken on the shed of polymeric housing material of the sample 1, installed in field and having 23 months in service. The microstructure reveals slight changes supporting a minor variation on contact angle and roughness for the same monitoring timespan. It supports the idea of using these non-destructive tests for evaluating degradation on polymeric housing material. In addition, a correlation between accelerated aging test laboratory results and field monitored data can be useful to get information of such materials’ end of life.

Figure 10 shows the microstructure evaluation of the 230 kV silicon rubber bushing installed in field (sample 5). It is evident that after four years of service, the surface microstructure shows some changes, possibly caused by the

Figure 7. Surface microstructure of polymeric housing material: (a) direct observationand (b) replica technique.

Figure 8. Surface microstructures obtained by replica technique for samples 2–4 at different aging test time.

Figure 9. Replica surface microstructures of EPDM-ATH arrester sample 1 installed infield having 12 moths of service.

Figure 10. Microstructure images of non-ceramic housing of the bushing during different time of evaluation. Microstructure was analyzed by scanning electronic microscopeusing replica technique.


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contamination layer that has not been removed by washing. Nevertheless, these changes are insignificant; according to contact angle measurements (Table 3), the housing polymeric material of this bushing is still in good operational conditions.

It is important to point out that the microstructure analysis, made by using replica technique, can be applied on places where it is impossible to get a sample. This is the case of the polymeric insulation sheath, where housing material covers the composite core with a deep of few millimeters. In Fig. 11, the microstructure of the sheath of sample 4 is shown as it appeared at the end of the accelerated aging test (7000 h). The place where replica was taken on the surge arrester is displayed along. The micrograph shows more degradation than that observed on the shed of the same bushing due to about 3000 h of extra time exposed to accelerated aging (Fig. 8c). In service, it is clear that no other non-destructive test could be used to get information from the microstructure of the housing insulation along the sheath; therefore, the replica technique can be a powerful tool for evaluating polymer degradation of housing insulation in situ.

Surface microstructures obtained on this study have shown similar structures as composite insulating materials studied

by different authors [3, 16, 17]. In their studies, direct observation of the composite material was applied. It confirms that replication has a great relevance for following up the degradation process in high voltage insulation installed in field.

Particularly for the 230 kV silicon bushing (sample 5), the characterization was completed with electrical tests. Fig. 12 shows the electric field distribution measured along the bushing for different time spans in service: 0 months, 8 months and 47 months, after the bushing was installed. The measurements were performed with the breaker closed. The principle of measurement is based on the automatic measurement and recording of the tangential electric field strength in different points along the non-ceramic bushing surface. As shown in Fig. 12, the distribution of electric field is more concentrated on the bottom of the bushing (ground side) than on the top of the bushing (hot side). This electric field behavior on the bushing has been similar in the 3 measurements carried on different times and no problem has been detected in the circuit breaker.

By means of the leakage current system installed near the dead tank circuit breaker with non-ceramic bushings, data were downloaded and analyzed. The results showed leakage current peaks around 8 mA. Peaks higher than 50 mA could generate dry band on the surface; however, during sporadic rains, maxima peaks have been of 24 mA, which does not deteriorate non-ceramic housing insulation. These results confirm that the bushing suffered neither internal, nor external, deterioration.

Figure 11. (a) Image showing the point on the sample where replica was taken. (b)Sheath surface microstructure of SiR-ATH housing material sample 4 taken byreplica technique.

Figure 12. Electric field distribution along the non-ceramic bushing connected to the line.


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Conclusions

Microstructural and surface changes of rubber insulating materials due to aging were studied by static contact angle, roughness measurements and micrograph observation. Data of hydrophobicity, surface microstructure and roughness of a period of time infield and of 5000 h in laboratory by multistress accelerated aging were compared. Hydrophobic properties of EPDM housing composite material have been suppressed and unrecovered after 3000 h of accelerated aging. Whereas for silicone rubber composites, the contact angle values were kept in the hydrophobic range. These results showed a dependence of the composite formulation with aging time. Polymer matrix material, manufacturing process and fillers have a strong influence on surface roughness of composite insulation. A replica technique was effectively implemented to evaluate the microstructure of polymeric insulation composites even in field. This makes of this non-destructive technique a novel and powerful tool for polymeric housing material characterization.

Hydrophobicity and structure replication can be used to predict the end of life of non-ceramic housing material if the results are correlated to accelerated aging tests. Material characterization of silicon rubber bushing installed in field has shown to be in good conditions for continuing working after 47 months of service. These results were confirmed with electric field distribution and leakage current measurements.

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Currículum vítae

Francisco Arturo López González([email protected])Maestro en Ciencias en Ingeniería de Polímeros por la University of Akron, Estados Unidos. Ingeniero Mecánico por la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM). Ingresó al Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), antes Instituto de Investigaciones Eléctricas en 1990. Ha trabajado en proyectos de desarrollo de materiales, su procesamiento y sus mecanismos de envejecimiento. Desde 2010 es Gerente de la Gerencia de Materiales y Procesos Químicos de la División de Sistemas Mecánicos del Instituto.

Leonardo Rejón García[[email protected]]Doctor en Ciencias Químicas por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en 1998. Maestro en Ingeniería Química por al Universidad Autónoma Metropolitana (UAM) en 1990. Ingeniero Químico por la Universidad Veracruzana en 1986. Ingresó al Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), antes Instituto de Investigaciones Eléctricas en 1989 como investigador en el Departamento de Materiales. En septiembre de 2001 fue nombrado Gerente de la Gerencia de Materiales y Procesos Químicos, cargo que desempeñó hasta julio de 2010. En ese mismo año inició su colaboración en la Gerencia de Equipos Eléctricos, donde ha contribuido a través de la dirección y participación en proyectos relacionados con el desarrollo de metodologías para la gestión del mantenimiento de activos basado en condición, impulsando esta línea hacia el área de máquinas rotatorias. Asimismo ha tomado el liderazgo en la formación de un grupo de investigación aplicada en el desarrollo de sistemas de monitoreo de la calidad del aislamiento de equipo eléctrico primario, utilizando la nanotecnología. Ha publicado más de veinte artículos en revistas arbitradas y ha generado propiedad intelectual a través del otorgamiento de patentes, secretos industriales y derechos de autor relacionados con el desarrollo de materiales aislantes y semiconductores basados en polímeros y nanacompuestos, reología y relajación dieléctrica de dispersiones y emulsiones. Es miembro del comité de evaluación de proyectos del CONACYT y del comité de revisión por pares de las revistas Polymer Engineering Science, Journal Applied Polymer Science, Material Science and Technology, entre otras. Fue asesor huésped en el Instituto Mexicano del Petróleo (IMP). Miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) de 1989 a 1993 como candidato a investigador y de 1998 a 2012 como investigador nivel 1. Es miembro del Sistema Estatal de Investigadores (SEI-Morelos).

Ramiro Hernández Corona [[email protected]]Maestro en Ciencias por la Universidad de Salford, Reino Unido en 1995. Ingeniero Eléctrico por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos en 1991. Ingresó a la Gerencia de Transmisión y Distribución del Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), antes Instituto de Investigaciones Eléctricas desde 1991. Sus actividades se concentran en el cálculo de campos electromagnéticos y en la evaluación y análisis del comportamiento del aislamiento externo bajo condiciones de contaminación en líneas de transmisión y redes de distribución. Es autor de más de 45 publicaciones internacionales.

Víctor M. Romero Baizabal

Maestro en Ingeniería Eléctrica por el Instituto de Investigaciones Eléctricas, hoy Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL) en 2009. Ingeniero Mecánico-Eléctrico por la Facultad de Ingeniería de la Universidad Veracruzana. Trabaja en la Comisión Federal de Electricidad (CFE), en donde ha ocupado el puesto de Jefe de Departamento de S.E. y L.T. en las subáreas Temascal (1987-1992) y Veracruz (1992-2001). En 2001 fue nombrado Jefe de Departamento de nuevas tecnologías en la Coordinación de Transmisión. Actualmente ocupa el puesto de Gerente Regional de Transmisión Oriente. Es autor de diversos artículos presentados en congresos internacionales. Posee gran experiencia en el mantenimiento en equipo primario en subestaciones.

[16] Y. Zhu, M. Otsubo, N. Anami, C. Honda, O. Takenouchi, Y. Hashimoto, A. Ohono. Change of polymeric material exposed to dry band arc discharge, Proceedings 2004 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, Boulder, Colorado, 2004, pp. 655–658.

[17] S. Venkatanarayanan, C. Olave, E. Jackson, G. Bringnone, E. Romero, R. Sundararajan, B. Trepanier. Performance of thermoplastic elastomeric insulatorsunder IEC 5000 h multistress conditions, Proceedings 2004 Annual ReportConference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, Boulder, Colorado, 2004, pp. 647–650.

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87 - Gobierno | gob.mx · nanocelulosa, por tener dimensiones en el rango de nanómetros. La nanocelulosa se aísla principalmente por dos métodos: el mecánico y el químico. En