[en] ABSTRACT: The insulation system of oil-immersed transformers contains cellulose as the insulation solid. The oil in these machines performs a double function, on the one hand, as an electrical insulation together with cellulose and on the other as a coolant. The paper and oil from the insulation system undergo constant deterioration once the transformers come into operation which increases the probability of failure. The assessment of the degradation of oil and paper insulation during the operation of the transformers is essential to estimate the remaining life of the transformer. The mechanical strength of insulation paper and therefore its state, can be analysed through its tensile strength (direct measurement) or through the degree of polymerization (indirect measurement). On the other hand, the oil usually used in oil-immersed transformers is mineral oil, obtained from petroleum. This liquid has good insulation and cooling properties to perform its dual function (insulating and cooling). However, it has two critical drawbacks, such as its low ignition point, which is a high risk under the point of view of safety, and secondly, it has low biodegradability that can be a huge risk if spills or leaks occurred. For that reason, since some decades ago, different works have been done into the development of alternative fluids, being the liquids based on esters (natural or synthetic) which have shown to be the most promising. Nevertheless, the substitution of mineral oil for highly biodegradable dielectric liquids, based on esters, requires that they guarantee similar performance to the liquid they substitute during the transformers' operation. This fact needs to obtain information on esters' functionality in a short space of time, which requires more research at the laboratory before its use in real transformers. This research should analyse in detail the behaviour of insulation systems based on these alternative dielectric liquids and compare them with the insulation systems based on mineral oil. This comparative analysis can be carried out monitoring the state of degradation of the dielectric liquid and / or studying the behaviour of the solid component (usually paper). In this thesis, which is a continuation of the one developed by Juan Carcedo Haya (Contributions to the study of the aging of dielectric components in power transformers [1]), has been evaluated in detail the stability of insulation systems based on Kraft paper from the point of view of the deterioration suffered by the solid (insulation paper). This study has been carried out through the assessment of the variation of Kraft's mechanical strength, which has been determined using the degree of polymerization (DP) and some of the mechanical properties that can be obtained from the tensile test, such as: strain under ultimate strength, Young's Modulus, yield stress, elastic limit or energy consumed per unit volume and the fracture toughness test. The study of the insulation solid degradation done in this thesis complements the data which were gathered in the thesis mentioned previously, which focused on the aging of the oil of different insulation systems based on Kraft paper. The aging of the oils was characterized measuring the properties of the oils under study, such as moisture, dielectric dissipation factor, permittivity, resistivity, acidity and concentration of dissolved gases. The mechanical characterization of the deterioration of Kraft paper carried out in this thesis has shown to be an alternative method to DP. This alternative method offers a more detailed analysis of insulation paper, since it shows the anisotropy of the paper, which is critical to determine the evolution of mechanical properties in both directions as this might affect paper placement inside power transformer windings to increase its mechanical resistance. The tests carried out in this thesis have also allowed to conclude that mechanical properties are the most appropriate to demonstrate the progressive aging experienced by dielectric paper and thus define a kinetic degradation model based on them. The kinetic model presented in this thesis makes it possible to estimate the life of Kraft paper for temperatures different from those that were used during the aging tests. This thesis, in addition to the usual mechanical characterization through the tensile test, has also applied the fracture mechanics as a tool to quantify the ageing of dielectric paper. The relationship between the loss of fracture toughness and the changes that take place at a microscopic level has been analysed. Additionally, in this thesis it has been found that useful information can be extracted from a fractographic analysis, which together with the data obtained from the tensile test and the Fracture Mechanics assessment can be critical to determine a change in the failure mode of the insulation paper.

[es] RESUMEN: El sistema de aislamiento de los transformadores bañados en aceite contiene celulosa como aislante sólido. El aceite de estos equipos desarrolla una doble función, por una parte, como aislante eléctrico junto con la celulosa y por otra como refrigerante. El papel y el aceite constituyentes del sistema de aislamiento experimentan un deterioro constante una vez que los transformadores entran en operación, aumentando de esta forma la probabilidad de fallo. Conocer el estado del aceite y papel dieléctrico durante la operación de los transformadores es esencial para poder realizar una estimación de la vida remanente del transformador. La resistencia mecánica del papel dieléctrico y por lo tanto su estado, puede analizarse a través de su índice de tracción (medida directa) o a través del grado de polimerización (medida indirecta). Por otra parte, el aceite habitualmente utilizado en los transformadores bañados en aceite es un aceite mineral, derivado del petróleo que presenta unas buenas propiedades dieléctricas y térmicas para realizar su doble función (aislante y refrigerante). Sin embargo, presenta dos importantes inconvenientes como son su bajo punto de ignición, lo que supone un alto riesgo desde el punto de vista de la seguridad, y en segundo lugar, posee una baja biodegradabilidad, representando un riesgo si se producen posibles derrames o fugas. Por esta razón, desde hace algunas décadas se ha trabajado en el desarrollo de fluidos alternativos al aceite mineral, destacando los líquidos basados en ésteres ya sean naturales o sintéticos. Sin embargo, la sustitución del aceite mineral por líquidos dieléctricos altamente biodegradables, basados en ésteres, requiere garantizar que su funcionamiento durante la operación de los transformadores sea similar a la del líquido que sustituyen. Este hecho exige obtener información de su funcionalidad en un espacio de tiempo reducido, lo cual requiere de más investigación a nivel de laboratorio antes de su uso en transformadores reales. Dicha investigación debe analizar en detalle el comportamiento de sistemas de aislamiento basados en estos líquidos dieléctricos alternativos y compararlo con el de los sistemas basados en aceite mineral. Este análisis comparativo puede realizarse a través del seguimiento del estado de degradación del líquido dieléctrico y/o a través del estudio del comportamiento del componente sólido (habitualmente papel). En esta tesis, la cual es una continuación de la desarrollada por Juan Carcedo Haya (Aportaciones al estudio del envejecimiento de componentes dieléctricos en transformadores de potencia [1]), se ha evaluado en detalle la estabilidad de sistemas de aislamiento basados en papel Kraft desde el punto de vista del deterioro experimentado por el componente sólido, a través de la variación de su resistencia mecánica, la cual ha sido determinada utilizando el grado de polimerización (DP) y algunas de las propiedades mecánicas que pueden ser obtenidas del ensayo de tracción como por ejemplo: deformación bajo carga máxima, módulo de Young, límite elástico o energía almacenada y del ensayo de tenacidad a fractura. El análisis de la degradación del componente sólido realizado en esta tesis complementa al realizado en la tesis anteriormente mencionada, la cual se focalizó en el envejecimiento del aceite de distintos sistemas de aislamiento basados en papel Kraft. El envejecimiento de los aceites fue caracterizado a partir de la medida de propiedades de los aceites bajo estudio, como la humedad, factor de disipación dieléctrica, permitividad, resistividad, acidez y concentración de gases disueltos. La caracterización mecánica del deterioro del papel Kraft realizada en esta tesis ha mostrado ser un método de caracterización alternativo al DP que ofrece un análisis más detallado del papel dieléctrico, ya que refleja la anisotropía del papel, la cual resulta crítica a la hora de tener mayores valores de resistencia mecánica en función de la dirección de colocación del papel en los devanados del transformador de potencia. También se ha podido concluir que propiedades mecánicas son las más adecuadas para ver el envejecimiento progresivo experimentado por el papel dieléctrico y de esta forma a partir de ellas definir un modelo cinético de degradación. Dicho modelo hace posible estimar la vida del papel Kraft para temperaturas diferentes a las de realización de los ensayos de envejecimiento. Esta tesis además de la caracterización mecánica típica por medio del ensayo de tracción también ha aplicado la mecánica de la fractura como herramienta de caracterización del envejecimiento del papel dieléctrico. Se ha analizado la relación existente entre la pérdida de tenacidad a la fractura con los cambios a nivel microscópico ocurridos en el papel Kraft que favorecen la propagación de grietas y por lo tanto la fractura final. Adicionalmente en este trabajo también se ha estudiado la información útil que puede ser extraída de un análisis fractográfico, la cual junto con la información extraída del ensayo de tracción y el estudio de tenacidad a fractura puede ser crítica para determinar un cambio en el modo de fallo del papel.