Σύνθεση και μελέτη υβριδικών υγρών νανοδιηλεκτρικών για εφαρμογές σε υψηλές τάσεις

Abstract

The use of dielectric liquids with increased dielectric strength and thermal conductivity is obligatory for the proper insulation and cooling of modern electrical equipment, such as power transformers. In this study, an extended investigation of the currently commercial dielectric liquids is done, wherein the breakdown voltage statistical distribution is examined for different electrode configurations. From this analysis, a statistical distribution was proposed which fits indiscriminately better to the experimental results of all the understudied dielectric liquids. Furthermore, a parallel study of electrical measurements and optical emission is studied during the impulse voltage stressing, wherein the pre-breakdown activity was investigated for different dielectric liquids.Nanofluids for high voltage insulation systems have emerged as a potential substitute of liquid dielectrics in industrial applications. Nevertheless, the sedimentation of nanoparticles has been so far a serious barrier for their wide and effective exploitation. The present work reports on the development and in-depth characterization of colloidally ultra stable natural ester oil insulation systems, containing iron oxide nanocrystals, which lift the problem of sedimentation and phase separation. Compared to state-of the-art systems, the final product is endowed with increased dielectric strength, faster thermal response, lower dielectric losses (decreased dissipation factor- tanδ) and very high endurance during discharge stressing. The developed nanofluid is studied and compared with a similar system containing commercial iron oxide nanoparticles, the latter demonstrating extensive sedimentation. Herein, the dielectric properties of the nanofluids are analyzed at various concentrations by means of breakdown voltage and dissipation factor measurements. The characterization techniques unequivocally demonstrate the high performance-reliability of the reported nanofluid, which constitutes a significant breakthrough in the field of high voltage insulation technologies. Furthermore, extended dielectric relaxation spectroscopy measurements in different temperatures were done and in depth partial discharge analysis of impregnated paper into nanofluid.After ageing stress with 200 breakdown events on colNF, it sustained the stress and maintained the primary dielectric strength, while the commercial nanoparticles (pNF) nanofluid demonstrated degradation of its performance after around 120 breakdown events. Such ultra stable behaviour is reported for first time, and is probably associated with the discharge mechanism during the external field stress. Furthermore, impregnated insulating paper into MIONs nanofluid, which is a typical power transformer configuration, exhibits decreased dielectric losses (dissipation factor-tanδ) compared to the matrix oil and the pNF. All the previously described attributes are achieved while retaining 45 % increased thermal response, compared to the matrix oil, suggesting increased thermal conductivity of the nanofluid. Therefore the colloidal MIONs nanofluid is clearly suitable for high voltage insulation applications (i.e power transformers), with stability of performance and well predicted behaviour.

Η χρήση υγρών διηλεκτρικών με αυξημένη διηλεκτρική αντοχή και θερμική αγωγιμότητα σε κρίσιμα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, όπως μετασχηματιστές ισχύος, κρίνεται ζωτικής σημασίας για την σωστή λειτουργία των ανωτέρω συστημάτων. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή γίνεται εκτενής μελέτη των υπαρχόντων εμπορικών λύσεων διηλεκτρικών υγρών, η αναλυτική μελέτη αυτών καθώς και η πρόβλεψη του κατάλληλου στατιστικού μοντέλου κατανομής της τάσης διάσπασης, που θα ερμηνεύει τη διασπορά της τάσης διάσπασης σε διαφορετικές διατάξεις ηλεκτροδίων και σε διαφορετικά υγρά διηλεκτρικά. Παράλληλα, προτάθηκε μια καθολική στατιστική κατανομή στην οποία συνέκλιναν όλα τα στατιστικά αποτελέσματα. Επίσης μελετήθηκαν οι προ-εκκενώσεις υπό κρουστικές τάσεις διαφορετικών κυματομορφών για τα προαναφερθέντα εμπορικά διαθέσιμα υγρά διηλεκτρικά, σε κατάλληλα σχεδιασμένες πειραματικές διατάξεις.Σε συνέχεια της ανωτέρω μελέτης και παρακολουθώντας τις ραγδαίες εξελίξεις της νανοτεχνολογίας, ξεκίνησε μια μελέτη σε σχετικά νέο ερευνητικό πεδίο, με σκοπό την πιθανή εφαρμογή της στα υγρά διηλεκτρικά. Μέσα από εκτενή βιβλιογραφική ανασκόπηση, έγινε στοχευμένη μελέτη στο είδος των νανοσωματιδίων που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν, εν συνεχεία αναζητήθηκε η κατάλληλη διάμετρος αυτών που να ικανοποιεί κάθε πιθανή περίπτωση εξωτερικών παραγόντων (βαρυτική έλξη, μαγνητικά πεδία, μαγνητική πόλωση). Έγινε σύνθεση νανοελαίων με διαφορετικά νανοσωματίδια, τα οποία συντέθηκαν και τροποποιήθηκαν επιφανειακά με ειδικά επιχρίσματα. Το τελικό νανοέλαιο (colNF) που προέκυψε από σύνθεση επιφανειακά τροποποιημένων νανοσωματιδίων οξειδίων του σιδήρου, εμφάνισε μηδενική συσσωμάτωση, απουσία ιζηματοποίησης και εξαιρετική διασπορά. Ακολούθως, έγινε πλήρης φυσικοχημικός χαρακτηρισμός του νανοέλαιο. Εν συνεχεία βρέθηκε η βέλτιστη συγκέντρωση στην οποία υπάρχει βελτίωση της διηλεκτρικής αντοχής (ηλεκτρικής μόνωσης) όλων των υπό μελέτη νανοελαίων.Εκτεταμένες παραμετρικές μετρήσεις διηλεκτρικής αντοχής, υπολογισμός των διηλεκτρικών απωλειών καθώς και ανάλυση μερικών εκκενώσεων, έδειξαν ιδιαίτερα βελτιωμένη διηλεκτρική συμπεριφορά στο νανοέλαιο colNF. Ακολούθως, παρατηρήθηκε αυξημένη αντοχή στο χρόνο (διπλάσια αντοχή σε σχέση με τα συμβατικά έλαια) σε συνεχόμενες καταπονήσεις (ηλεκτρικές), ενώ παράλληλα διατήρησε σταθερά υψηλή διηλεκτρική αντοχή. Επίσης παρατηρήθηκε αυξημένη θερμική απόκριση σε ειδικά σχεδιασμένη διάταξη μέτρησης, στοιχείο που υποδεικνύει αυξημένη θερμική αγωγιμότητα. Από τα αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβή, κρίνεται πως το ανωτέρω νανοέλαιο (colNF) δύναται να χρησιμοποιηθεί ως πιθανός αντικαταστάτης των συμβατικών υγρών διηλεκτρικών (ελαίων) σε μετασχηματιστές.