Cómo fabricar transformadores de corriente utilizando resina epoxi y proceso de inyección de APG

Resumen​

Este artículo técnico explora de manera integral la aplicación de la resina epoxi y el proceso de inyección de Gelificación a Presión Automática (APG) en la fabricación de transformadores de corriente (TC). Al detallar las propiedades del material, los pasos del proceso y las medidas de control de calidad, tiene como objetivo proporcionar una guía práctica para ingenieros y fabricantes que buscan optimizar la eficiencia de producción de los TC, el rendimiento del aislamiento y la fiabilidad a largo plazo.​

 

1. Introducción​

Los transformadores de corriente desempeñan un papel crucial en los sistemas de energía al reducir los valores de alta corriente para fines de medición, protección y control. Garantizar su funcionamiento fiable requiere materiales de aislamiento de alta calidad y procesos de fabricación precisos. La resina epoxi, reconocida por su excelente aislamiento eléctrico, resistencia mecánica y resistencia química, se ha convertido en el material de elección para el encapsulado de TC. Cuando se combina con el proceso de inyección APG, permite la producción de TC con calidad constante, mínimos huecos y rendimiento mejorado.​

 

2. Resina Epoxi para la Fabricación de TC​

2.1 Propiedades del Material​

La resina epoxi utilizada en la fabricación de TC suele presentar las siguientes propiedades clave:​

• Aislamiento Eléctrico: Alta rigidez dieléctrica (generalmente >20 kV/mm) y bajo factor de pérdidas dieléctricas garantizan un aislamiento eficaz de los componentes de alta tensión dentro de los TC, evitando fallos eléctricos y descargas parciales.​

• Resistencia Mecánica: La resistencia adecuada a la tracción, compresión y flexión ayuda a los TC a soportar las tensiones mecánicas durante la instalación, operación y transporte.​

• Estabilidad Térmica: Un amplio rango de temperatura de funcionamiento (por ejemplo, -40°C a 155°C) permite que los TC funcionen de manera fiable en diversas condiciones ambientales. La resina epoxi también tiene un coeficiente de expansión térmica relativamente bajo, lo que reduce el riesgo de grietas inducidas por estrés térmico.​

• Resistencia Química: La resistencia a la humedad, aceites y productos químicos comunes en los sistemas de energía protege los componentes internos de los TC de la degradación con el tiempo.​

2.2 Formulación​

La resina epoxi utilizada en los procesos APG suele ser un sistema de dos componentes: la resina base y el endurecedor. La resina base suele ser una epoxi de bisfenol-A o bisfenol-F, mientras que el endurecedor puede ser un compuesto a base de anhídrido. También se incorporan aditivos como cargas (por ejemplo, trihidrato de alúmina para retardancia de llama), agentes de acoplamiento (para mejorar la adhesión entre la resina y otros materiales) y aceleradores (para controlar la velocidad de curado) en la formulación para cumplir con requisitos de rendimiento específicos.​

 

3. Proceso de Inyección de Gelificación a Presión Automática (APG)​

3.1 Principio del Proceso​

El proceso de inyección APG combina las ventajas del llenado asistido por presión y la gelificación controlada. Opera bajo un sistema de circuito cerrado donde la mezcla de resina epoxi se calienta a un nivel de viscosidad adecuado (generalmente alrededor de 100-500 mPa·s) y luego se inyecta en un molde precalentado bajo presión (típicamente 0.3-0.8 MPa). La presión asegura el llenado completo de las cavidades del molde, incluso aquellas con geometrías complejas, mientras que el entorno de temperatura y presión controlados facilitan un proceso uniforme de gelificación y curado. Esto da como resultado un encapsulado de alta densidad y libre de huecos.​

3.2 Ventajas sobre Procesos Tradicionales​

En comparación con los métodos tradicionales de fundición o encapsulado, el proceso APG ofrece varias ventajas significativas:​

• Reducción de Huecos: El llenado asistido por presión minimiza el atrapamiento de burbujas de aire, lo que resulta en un menor contenido de huecos (generalmente <0.5%) en el producto final.​

• Mejora de la Precisión Dimensional: El control preciso de la temperatura, la presión y la velocidad de inyección asegura dimensiones de producto consistentes, reduciendo la necesidad de ajustes posteriores al procesamiento.​

• Mejora de la Eficiencia de Producción: Tiempos de ciclo más cortos (que van desde 30 minutos hasta 2 horas dependiendo del tamaño de la pieza) debido a procesos de llenado y curado más rápidos aumentan la productividad general de fabricación.​

4. Proceso de Fabricación de TC Paso a Paso​

4.1 Preparación de Materias Primas y Componentes​

• Mezcla de Resina Epoxi: La resina base, el endurecedor y los aditivos se pesan con precisión y se mezclan en un mezclador de alto cizallamiento para asegurar una mezcla homogénea. La mezcla adecuada es crucial para evitar defectos de curado, y luego la mezcla se desgasifica al vacío para eliminar cualquier aire atrapado.​

• Núcleo y Bobinados del TC: El núcleo del TC, típicamente hecho de materiales magnéticos de alta permeabilidad como acero al silicio o aleaciones amorfas, se ensambla con los bobinados primario y secundario. Los bobinados se enrollan cuidadosamente para cumplir con la relación de espiras requerida y las especificaciones de rendimiento eléctrico. Se pueden aplicar cintas o películas aislantes a los bobinados para protección adicional.​

4.2 Diseño y Preparación del Molde​

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• Diseño del Molde: El molde se diseña en función de la geometría y el tamaño del TC. Generalmente está hecho de acero de alta calidad o aleación de aluminio para soportar la presión y temperatura de inyección. El molde tiene cavidades que coinciden con la forma del TC, con provisiones para puertos de entrada y salida para la inyección de resina epoxi.​

• Preparación del Molde: Antes de su uso, el molde se limpia a fondo y se recubre con un agente desmoldante para evitar que la epoxi curada se adhiera a las superficies del molde. Luego, el molde se precalienta a una temperatura ligeramente superior a la temperatura de inyección de la resina epoxi (por ejemplo, 80-100°C) para asegurar un proceso de llenado suave.​

4.3 Inyección APG​

• Inyección: La mezcla de resina epoxi desgasificada se transfiere a la máquina de inyección APG. La máquina bombea la resina al molde precalentado a una presión y velocidad controladas. El proceso de inyección se supervisa de cerca para asegurar que el molde se llene completamente sin desbordamiento ni llenado incompleto.​

• Gelificación y Curado: Después de la inyección, el molde se mantiene a una temperatura y presión específicas durante un período determinado para permitir que la resina epoxi se gelifique y cure. La etapa de gelificación es cuando la resina comienza a endurecerse, y la etapa de curado reticula aún más las cadenas poliméricas para lograr las propiedades mecánicas y eléctricas deseadas. El tiempo y la temperatura de curado dependen de la formulación específica de la resina epoxi, que generalmente oscilan entre 120-160°C durante 1-3 horas.​

4.4 Desmoldeo y Post-Procesamiento​

• Desmoldeo: Una vez completado el proceso de curado, el molde se enfría a una temperatura adecuada (generalmente por debajo de 60°C) para facilitar el desmoldeo. El agente desmoldante ayuda a separar fácilmente el TC curado del molde sin causar ningún daño al producto.​

• Post-Procesamiento: Después del desmoldeo, el TC puede someterse a pasos de post-procesamiento como el recorte del exceso de resina, el lijado de superficies rugosas y la aplicación de un recubrimiento protector si es necesario. Estos pasos mejoran la apariencia del producto y mejoran aún más su rendimiento en algunos casos.​

5. Control de Calidad y Pruebas​

5.1 Control de Calidad en Proceso​

• Inspección de Materiales: Antes de la mezcla, la resina epoxi, el endurecedor y los aditivos se inspeccionan en cuanto a sus propiedades físicas (como viscosidad, densidad) y composición química para asegurar el cumplimiento de las especificaciones.​

• Monitoreo de Parámetros del Proceso: Durante el proceso APG, los parámetros críticos como la presión de inyección, la temperatura y la tasa de flujo de resina se monitorean y registran continuamente. Cualquier desviación de los valores establecidos puede provocar problemas de calidad, y se toman acciones correctivas inmediatas.​

5.2 Pruebas del Producto Final​

• Pruebas Eléctricas: Los TC se someten a una serie de pruebas eléctricas, incluida la medición de la resistencia de aislamiento (utilizando un megóhmetro de alto voltaje para verificar cualquier fallo de aislamiento), la prueba de tensión de soportabilidad dieléctrica (aplicando un alto voltaje durante un tiempo especificado para asegurar que el aislamiento pueda soportar voltajes operativos) y la prueba de descarga parcial (detectando cualquier descarga eléctrica pequeña dentro del aislamiento, que puede ser un precursor de fallo).​

• Pruebas Mecánicas: Se realizan pruebas mecánicas como resistencia al impacto, resistencia a la vibración y pruebas de resistencia a la tracción para asegurar que el TC pueda soportar las tensiones mecánicas que encontrará durante su vida útil.​

• Inspección Dimensional: Las dimensiones del TC se miden utilizando instrumentos de precisión para asegurar que cumplen con las especificaciones de diseño. Cualquier variación dimensional puede afectar el rendimiento del TC y su compatibilidad con otros equipos.​

6. Conclusión​

La combinación de resina epoxi y el proceso de inyección APG proporciona un método eficiente y fiable para la fabricación de transformadores de corriente. Al controlar cuidadosamente las propiedades del material, los parámetros del proceso y las medidas de control de calidad, los fabricantes pueden producir TC con aislamiento de alto rendimiento, excelente resistencia mecánica y fiabilidad a largo plazo. A medida que los sistemas de energía continúan evolucionando hacia voltajes más altos, redes más inteligentes y una mayor integración de energía renovable, la demanda de TC de alta calidad fabricados con procesos avanzados como APG solo aumentará. La investigación y el desarrollo continuos en formulaciones de resina epoxi y la optimización del proceso APG mejorarán aún más el rendimiento y la competitividad de los productos de TC en el mercado global.​