Πειραματική μελέτη και προσομοίωση της διηλεκτρικής συμπεριφοράς νανοελαίων με μήτρα φυτικού ελαίου για χρήση σε συστήματα υψηλής τάσης

Abstract

Nowadays, there are increasing demands for the development of electricity transmission networks, consequently high voltage networks, regarding the behavior and reliability of the insulators used in electrical systems to survive in extraordinary conditions, such as the occurrence of overvoltages under normal charging conditions, due to lightning strikes or switching operations. In this context, the protection of the power transformer, which is a key element of the entire network, by improving the insulation and thermal capacity of its liquid dielectric, is a necessity. This dissertation deals with the study of the replacement of used mineral oil with natural ester oil and investigates a possible improvement of its dielectric and thermal properties by introducing semiconducting and insulating nanoparticles, which are either metal oxides (TiO2, Al2O3, ZnO) or metal carbides (SiC). In addition, in an attempt to find the right type of nanoparticle at a concentration that will ensure improvement of the above properties combined with dispersion stability to avoid agglomeration/sedimentation, this dissertation attempts to interpret the experimental data using mathematical models in order to investigate the effect of various factors, such as the size, type of nanoparticles, their concentration inside the matrix and the temperature, mainly on the dielectric behavior of the synthesized nanofluid. Regarding the effect of size, it was found that all types of nanoparticles under examination with the same nominal diameter, show the same quality behavior in terms of their influence on the AC breakdown voltage. In contrast, the nanoparticle with the smallest nominal diameter showed the maximum improvement at a much higher concentration. As for the percentage of maximum improvement, it was found that this depends on the dielectric constant of the nanoparticles themselves, where the nanoparticle with the highest one resulted in a nanofluid with the highest improvement in terms of dielectric strength compared to the matrix. These results are interpreted using the electron trap model, while the reduction from a critical concentration and beyond is attributed to the development of strong intermolecular attractive forces. In addition, the dielectric strength and stability of dispersions based on TiO2 and SiC at various critical concentrations were studied in situ for a long time, and they were also characterized electrically and thermally by a number of measurements of various other dielectric and thermal parameters, such as lightning impulse voltage breakdown voltage, partial discharge inception voltage, dielectric constant, dielectric dissipation factor, electrical conductivity, thermal diffusivity, thermal conductivity and thermal stability. The result of all these measurements was the choice of a nanofluid containing SiC nanoparticles at a rate of 0.004% w/w, which showed an improvement of the above properties while at the same time demonstrated remarkable stability both at room and at high temperature (90 oC).Finally, numerical models were developed in graphic environment for the study of the higher local electric field, created on the surface of the nanoparticles with the highest dielectric constant; the results verified the electron trap theory. In addition, the positive lightning impulse voltage test was simulated, under the same conditions that was performed experimentally. From the lightning impulse voltage test, simulation agreement was revealed with the experimental results for the samples, where immediate agglomeration, therefore a change in the active concentration of the particles inside the liquid volume, was not noticed.

Στην εποχή μας εγείρονται αυξημένες απαιτήσεις για την εξέλιξη των δικτύων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, άρα και των δικτύων υψηλής τάσης, σχετικά με τη συμπεριφορά και την αξιοπιστία των μονωτικών στοιχείων που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρικά συστήματα για να επιβιώσουν σε συνθήκες έκτακτες, όπως εμφάνιση υπερτάσεων υπό κανονικές συνθήκες φόρτισης, λόγω πτώσης κεραυνού ή διακοπτικών λειτουργιών. Σε αυτό το πλαίσιο, η προστασία του μετασχηματιστή ισχύος, που αποτελεί ένα από τα βασικά στοιχεία του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας, μέσω της βελτίωσης της μονωτικής και θερμικής ικανότητας του υγρού διηλεκτρικού του, αποτελεί αναγκαιότητα.Η διατριβή αυτή πραγματεύεται τη μελέτη αντικατάστασης του χρησιμοποιούμενου μονωτικού ορυκτελαίου στους μετασχηματιστές, με έλαιο φυτικού εστέρα και διερευνά την πιθανή βελτίωση των διηλεκτρικών και θερμικών του ιδιοτήτων με εισαγωγή ημιαγώγιμων και μονωτικών νανοσωματιδίων, τα οποία είναι είτε οξείδια μετάλλων (TiO2, Al2O3, ZnO), είτε καρβίδια μετάλλων (SiC). Παράλληλα με την προσπάθεια εύρεσης του κατάλληλου είδους νανοσωματιδίου σε μια συγκέντρωση που θα εξασφαλίζει βελτίωση των παραπάνω ιδιοτήτων σε συνδυασμό με σταθερότητα της διασποράς προς αποφυγή ιζήματος, η εν λόγω διατριβή αποπειράται να ερμηνεύσει τα πειραματικά δεδομένα χρησιμοποιώντας μαθηματικά μοντέλα, με σκοπό να εξηγήσει την επίδραση διαφόρων παραγόντων, όπως το μέγεθος, το είδος των νανοσωματιδίων, η συγκέντρωσή τους εντός της μήτρας και η θερμοκρασία, στη διηλεκτρική κυρίως συμπεριφορά του συντιθέμενου νανοελαίου. Ως προς την επίδραση του μεγέθους των νανοσωματιδίων, βρέθηκε ότι όλα τα είδη των υπό εξέταση νανοσωματιδίων, με παρόμοια ονομαστική διάμετρο, εμφανίζουν ποιοτικά την ίδια συμπεριφορά ως προς την επίδρασή τους στη τιμή της εναλλασσόμενης (AC) τάσης διάσπασης. Η ενσωμάτωση νανοσωματιδίων με τη μικρότερη ονομαστική διάμετρο είχε ως αποτέλεσμα τη μέγιστη βελτίωση των διηλεκτρικών χαρακτηριστικών των νανοελαίων με εισαγωγή μεγαλύτερης ποσότητας νανοσωματιδίων. Ως προς το ποσοστό της μέγιστης βελτίωσης των διηλεκτρικών χαρακτηριστικών, βρέθηκε ότι αυτό εξαρτάται από τη διηλεκτρική σταθερά των ίδιων των νανοσωματιδίων. Η προσθήκη νανοσωματιδίων με τη μεγαλύτερη διηλεκτρική σταθερά είχε σαν αποτέλεσμα τη μεγαλύτερη βελτίωση της διηλεκτρικής αντοχής του νανοελαίου σε σχέση με αυτή της μήτρας. Τα αποτελέσματα αυτά ερμηνεύονται με χρήση του μοντέλου της παγίδας ηλεκτρονίων, ενώ η μείωση της αντοχής από μια κρίσιμη συγκέντρωση νανοσωματιδίων και πάνω, αποδίδεται στην ανάπτυξη ισχυρών διαμοριακών ελκτικών δυνάμεων. Επιπλέον, μελετήθηκε in situ για μεγάλο χρονικό διάστημα η διηλεκτρική αντοχή και η σταθερότητα της διασποράς σε νανοέλαια αποτελούμενα από νανοσωματίδια TiO2 και SiC σε διάφορες κρίσιμες συγκεντρώσεις. η οποία επίσης χαρακτηρίστηκε ηλεκτρικά και θερμικά από μια πλειάδα μετρήσεων διαφόρων άλλων διηλεκτρικών και θερμικών παραμέτρων, όπως η κεραυνική κρουστική τάση διάσπασης, η τάση έναρξης μερικών εκκενώσεων, η διηλεκτρική σταθερά, ο συντελεστής διηλεκτρικών απωλειών, η ηλεκτρική αγωγιμότητα, η θερμική διαχυτότητα, η θερμική αγωγιμότητα και η θερμική σταθερότητα. Αποτέλεσμα όλων αυτών των μετρήσεων ήταν η επιλογή του νανοελαίου που εμπεριέχει νανοσωματίδια SiC σε ποσοστό 0.004% w/w σε μήτρα φυτικού εστέρα, το οποίο παρουσίασε τη μεγαλύτερη βελτίωση των παραπάνω ιδιοτήτων σε σχέση με τις υπόλοιπες διασπορές, ενώ παράλληλα επέδειξε αξιοσημείωτη σταθερότητα της διασποράς των νανοσωματιδίων τόσο σε θερμοκρασία δωματίου όσο και σε υψηλή θερμοκρασία (90 oC), ως το πλέονκατάλληλο. Τέλος αναπτύχθηκαν αριθμητικά μοντέλα σε γραφικό περιβάλλον, για τη μελέτη του ισχυρού τοπικού πεδίου που δημιουργείται στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων με την υψηλότερη διηλεκτρική σταθερά, τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν τη θεωρία της παγίδας ηλεκτρονίων. Επίσης μοντελοποιήθηκε η καταπόνηση σε κεραυνική κρουστική τάση υπό τις ίδιες συνθήκες που διεξήχθη και πειραματικά. Από την προσομοίωση της δοκιμής με κεραυνική κρουστική τάση προέκυψε συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα κυρίως για τα δείγματα νανοελαίων στα οποία δεν παρατηρήθηκε άμεση συσσωμάτωση, συνεπώς και μεταβολή της ενεργού συγκέντρωσης των νανοσωματιδίων εντός του όγκου του υγρού.