Статистический анализ влияния наночастиц FeO3 и ZnO на физико-химические и диэлектрические характеристики моноэфира

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 12328 (2023) Цитировать эту статью

272 Доступа

Подробности о метриках

В статье проведено сравнительное исследование физико-химических и электрических свойств моноэфиров касторового масла по сравнению с их аналогами на основе наночастиц FeO3 и ZnO. Результаты также сравниваются с литературными данными по триэфирам, а также с рекомендациями стандарта IEEE C 57.14. Данные анализируются статистически с использованием критерия согласия. Анализ данных вязкости при 40°С показывает увеличение вязкости. Для концентраций 0,10 мас.%, 0,15 мас.% и 0,20 мас.% они составляют соответственно 5,4%, 9,69%, 12,9% для НФ FeO3 и 7,6%, 9,91% и 12,7% для НФ ZnO. Для тех же концентраций увеличение кислотного числа составляет соответственно 3,2%, 2,9%, 2,5% для образцов FeO3 и 3,18%, 2,0%, 1,2% для образцов ZnO. Для тех же концентраций температура воспламенения показывает приращение 4%, 3% и 2% для образцов FeO3 и регрессию 8,75%, 6,88% и 5,63% для образцов ZnO. Что касается напряжения пробоя, то для тех же концентраций мы наблюдаем прирост соответственно 43%, 27%, 34% для FeO3. Результаты показывают улучшение напряжения начала частичного разряда при использовании FeO3 на 24%, 8,13% и 15,21% соответственно для концентраций 0,10% масс., 0,15% масс. и 0,20% масс.

Подавляющее большинство силовых трансформаторов имеют целлюлозную (бумагу/прессованный картон) и масляную изоляцию. Целлюлозная часть этого утеплителя выполняет три основные функции. Во-первых, он изолирует основные компоненты трансформатора от различных напряжений, сохраняя электрический заряд во время работы трансформатора. Это называется диэлектрической функцией. Он также выполняет механическую функцию, поскольку на нем опираются обмотки. Третья функция – способствовать поддержанию приемлемой температуры за счет создания каналов, по которым передается тепло для охлаждения. Что касается масла, то его основная функция — обеспечение достаточной диэлектрической прочности и охлаждения для защиты сердечника и сборки путем заполнения промежутков в изоляционных материалах. Еще одна его функция — минимизировать контакт целлюлозы и других материалов с кислородом, чтобы снизить риск окисления. В качестве жидкой части изоляции уже более века наиболее широко используются минеральные масла1. Однако споры о негативном влиянии минеральных масел на окружающую среду в настоящее время являются горячей темой, к которой экологи очень серьезно относятся2. Эта ожесточенная борьба побудила исследователей искать альтернативное решение недостатков минеральных масел3. Одним из альтернативных решений, предложенных для покрытия недостатков минеральных масел, является использование растительных масел. Исследования последних десятилетий позволили получить широкий спектр жидких диэлектриков из растительных и синтетических экстрактов4. Различные предложения обычно делаются на основе анализа физико-химических, термических и электрических свойств этих жидкостей по сравнению со свойствами минеральных масел. К ним относятся кислотное число, вязкость, температура вспышки и температура воспламенения, частичный разряд и напряжение пробоя, и это лишь некоторые из них.

Говоря о кислотном показателе (AI), это важный фактор деградации целлюлозного утеплителя. Однако в исследовании совместимости растительных масел в качестве изолирующей среды для силовых трансформаторов Штефан Тенболен5 показывает, что общее содержание AI в натуральных эфирах намного выше, чем в минеральном масле. Аналогичный результат сообщается в работе Nkouetcha et al.6, которые проводят сравнительный анализ этих данных для минерального масла, метилового эфира пальмоядрового масла и метилового эфира касторового масла. Эта работа показывает, что даже после химической обработки этих масел AI больше или равен значению минерального масла. Что касается вязкости, то это один из важнейших параметров в области изоляции силовых трансформаторов. Теплопередача в жидкостях тесно связана с вязкостью жидкости. Жидкости с высокой вязкостью замедляют теплообмен и, следовательно, способствуют нагреву обмоток. Поэтому предложение растительных масел в качестве альтернативы минеральным маслам должно учитывать их вязкость. Бертран и др.7 провели экспериментальное исследование физико-химических характеристик трех растительных масел по сравнению с рекомендованными стандартом ISO 3104. Исследованными жидкостями были метиловые эфиры касторового, подсолнечного и рапсового масел. Их исследование показало, что все исследованные жидкости имели вязкость ниже или равную вязкости стандарта. Однако результаты, полученные в результате их эксперимента, показывают, что минеральные масла имеют в этом отношении лучшие характеристики, чем растительные масла. Окафор и др.8 провели работу по исследованию вязкости таких растительных масел, как: модифицированное высокоолеиновое соевое масло (HOSO), рафинированное низкоолеиновое соевое масло (LOSO), масло Acculube LB2000 (LB2000) в сравнении с эмульсией на основе минерального масла. СОЖ. Результаты показывают, что вязкость всех растительных масел экспоненциально снижается с температурой и значительно выше, чем вязкость минерального масла (EC). Что касается температуры воспламенения и температуры вспышки, существуют важные характеристики жидкого изолятора. Эти данные тем более важны, когда изоляцию предполагается использовать в среде с высокой концентрацией тепла, например, в силовом трансформаторе. Знание этого параметра в растительных маслах важно для прогнозирования максимальной термической нагрузки на изоляцию без риска воспламенения. Эти характеристики представляют собой некоторые сильные стороны жидкой изоляции на основе растительного масла по сравнению с минеральными маслами. Суббурадж и др.9 показали, что исследованные растительные масла имели температуру вспышки и температуру воспламенения на 111% выше нижнего предела, рекомендованного стандартом ASTM D92, по сравнению с 50% для минерального масла. Что касается напряжения пробоя, Тенболен и Кох5 изучили напряжение пробоя растительного масла High Oleic 90 Sunflower Oil в сравнении с синтетическим эфиром Midel 7131, природным эфиром Envirotemp FR3 и ингибированным минеральным маслом Nynas Nytro 3000X. Их работа показывает, что напряжение пробоя растительных масел намного выше, чем у минерального масла. Аналогичный результат был продемонстрирован Бертраном и Хоангом7, которые исследовали напряжение пробоя растительных масел, таких как касторовое, рапсовое и подсолнечное масло. В предыдущей работе мы провели анализ фазового разрешения распространения частичных разрядов в метиловом эфире пальмоядрового масла по сравнению с минеральным маслом10. Был сделан вывод, что растительное масло обладает большей способностью замедлять активность частичных разрядов.