CC BY
0ВЕСТН. САМАР. ГОС. ТЕХН. УН-ТА. СЕР. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2023. Т. 31. № 3
doi: 10.14498/tech.2023.3.6
Энергетика и электротехника
УДК 537.528
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ПОДГОТОВКИ НАНОМАСЛА НА ЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ
В.А. Лоскутов, Я.Г. Прокопенко, А.В. Ридель, Л.П. Горева
Новосибирский государственный технический университет Россия, 630073, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20
E-mail: blackline05@yandex.ru, yakovprokopenko@mail.ru, ridel@corp.nstu.ru, goreva@corp.nstu.ru
Аннотация. Представлены результаты экспериментов, направленных на определение пробивного напряжения жидкостей, содержащих углеродные нанотрубки и другие микровключения, которые были диспергированы в минеральном изоляционном масле, используемом в электрических трансформаторах. Жидкость получали различными способами с обязательным использованием ультразвукового дисперга-тора. Электрическая прочность наномасла на основе углеродных нанотрубок оказалась значительно меньше электрической прочности наномасла на основе наноок-сидов цинка и титана. При малых концентрациях значения электрической прочности примерно соответствуют значениям электрической прочности чистой жидкости, однако с ростом концентрации электрическая прочность всех наножидко-стей уменьшается. Показано, что технология приготовления наножидкости оказывает сильное влияние на ее напряжение пробоя.
Ключевые слова: трансформаторное масло, трансформатор, электрическая прочность, диспергирование, углеродные нанотрубки, нанооксид титана, нанооксид цинка, микровключения.
Введение
Для обеспечения безаварийной эксплуатации силовых трансформаторов требуется качественная изоляция со стабильными электрическими параметрами. В России наибольшее распространение в качестве жидкой изоляции получили минеральные масла марок ГК и ВГ. Ряд исследований, направленных на улучшение их электрических характеристик, показывают, что при введении добавок электрическая прочность трансформаторного масла возрастает [1-6], а иногда убывает [7]. Анализ публикаций [1-6] показал, что условия проведения исследований у различных научных групп отличались. К основным различиям можно
Виктор Александрович Лоскутов, аспирант. Яков Геннадьевич Прокопенко, студент.
Александр Викторович Ридель, кандидат технических наук, доцент. Людмила Павловна Горева, кандидат технических наук, доцент.
отнести: мощность ультразвукового диспергатора, время воздействия, методики измерений и подготовки самих образцов наножидкости. Эти факторы не позволяют однозначно интерпретировать результаты исследований. Таким образом, необходимо изучить условия подготовки проб масла и методику диспергирования для улучшения качества эксперимента и минимизации влияния процесса агломерации. Для оценки электрической прочности наножидкостей использовался высоковольтный испытательный аппарат СКАТ-М100В с латунными электродами и подачей синусоидального переменного напряжения с частотой 50 Гц, в соответствии с ГОСТ 6581-75.
Трансформатор представляет собой ключевой элемент современной электросетевой системы для передачи и распределения электроэнергии. Без него энергосистема просто не смогла бы масштабироваться для удовлетворения растущего спроса на электроэнергию. Он очень важен для обеспечения надежности и безопасности электроэнергетической системы. Большинство трансформаторов, находящихся в эксплуатации во многих странах, приближаются к расчетному сроку службы или превышают его. В связи с этим акцент смещается в сторону улучшения эксплуатационной надежности этих существующих устройств.
Данные по отказам трансформаторов показывают, что средний срок их службы составляет порядка 18 лет, что намного меньше ожидаемого срока службы трансформатора - 35-40 лет. Подчеркнем, что согласно данным [8, 9] около 75 % отказов высоковольтных трансформаторов вызваны проблемами с изоляцией, а именно с состоянием бумажно-масляной изоляции [10-11].
Трансформаторное масло широко используется в силовых установках благодаря своим превосходным электрическим и тепловым характеристикам. Широкое применение минерального масла для высоковольтной изоляции и охлаждения энергетических аппаратов послужило толчком для проведения обширных исследований, направленных на улучшение его электрических характеристик с помощью нанотехнологий. На данный момент исследования теплопроводности жидкостей достаточно углублены и становится ясным, что введение наномате-риалов приводит к увеличению теплопроводности. Например, в статье [12] указывается, что добавление оксидов металла в наножидкости с объемной концентрацией частиц 6-8 % приводит к повышению теплопроводности на 15-30 %.
Поскольку масло является средой, отвечающей и за изоляцию, и за охлаждение трансформатора, его эксплуатационные характеристики могут быть улучшены за счет повышения электрической прочности, диэлектрической проницаемости масла и его способности передавать тепло от обмотки трансформатора к его оболочке за счет механизма конвекции. В последнее десятилетие диспергирование наночастиц в базовой жидкости рассматривается как способ модификации свойств жидкости с целью улучшения ее тепловых характеристик [12]. Такие растворы наночастиц в базовой жидкости, предложенные в статье [13], в литературе называются наножидкостями и характеризуются в основном материалом наночастиц, базовой жидкостью, объемной концентрацией наночастиц и наличием поверхностно-активного вещества.
В последнее время проводятся исследования по увеличению электрической прочности путем добавления наночастиц в минеральные масла, используемые в электрических трансформаторах. В работе [14] проведена оценка пробивного напряжения наножидкостей, состоящих из наночастиц ТЮ2 и минерального масла с объемной концентрацией 0,075 %. Согласно полученным результатам, при
добавлении в минеральное масло наночастиц ТЮ2 пробивное напряжение увеличилось с 67,9 до 80,9 кВ. Такое поведение объясняется в работе тем, что полупроводниковые частицы действуют как ловушки для электронов, вызывая их захват в среде и улучшая диэлектрические характеристики масла. В статье [15] авторы оценили электрическую прочность наножидкостей на основе растворов минерального масла и магнитных частиц железа диаметром около 10 нм. Для стабилизации наножидкости в раствор добавлялись поверхностно-активные вещества. Авторы наблюдали электрическую прочность, более чем в два раза превышающую значение, наблюдаемое для базовой жидкости. При приложении к трансформатору дополнительного внешнего магнитного поля было получено дополнительное увеличение прочности диэлектрика на 30 %. Однако в некоторых работах получены обратные результаты. Например, в статье [7] отмечено, что при увеличении концентрации наночастиц А1203 электрическая прочность уменьшается, при увеличении концентрации ТЮ2 изначально демонстрируется рост электрической прочности при добавлении 2 % наночастиц, а при последующем увеличении концентрации демонстрируется спад; при концентрации в 5 % электрическая прочность оказалась ниже исходной, также при добавлении SiO2 наблюдалось уменьшение электрической прочности.
Цель работы - выявление факторов, определяющих электрическую прочность жидкой изоляции с микровключениями.
1. Методика экспериментального исследования
Приготовление наножидкостей является первым, ключевым шагом в экспериментальных исследованиях с наножидкостями. Наножидкости - это не просто смеси жидкости и твердого тела. К ним предъявляются некоторые требования, например равномерность и стабильность суспензии, незначительная агломерация частиц, отсутствие химического изменения жидкости и т. д. Наножидкости производятся путем диспергирования твердых частиц нанометрового размера в базовых жидкостях, таких как вода, этиленгликоль, спирт, масла и т. д. При синтезе наножидкостей основной проблемой является агломерация.
Для получения наножидкостей в основном используются два метода: одностадийный и двухстадийный. В первом случае наночастицы получают и диспергируют в масле одновременно, то есть исключаются процессы сушки, хранения и транспортировки наночастиц, что позволяет минимизировать агломерацию и повысить стабильность дисперсии в масле [17]. Так, в серебряных наножидко-стях на основе минерального масла, приготовленных одностадийным химическим методом путем разложения лактата кремния в масле, концентрация наноча-стиц серебра составляла 0,011 и 0,3 об%, причем наночастицы оставались хорошо диспергированными примерно в течение месяца [18]. Однако остатки исходных и промежуточных веществ в наножидкости, образующиеся в результате неполной реакции или стабилизации, могут ограничить применимость одностадийных методов [19].
В двухстадийных методах твердые наночастицы получают химическими или физическими методами, а затем диспергируют в масле-хозяине с помощью магнитного перемешивания, ультразвуковой обработки, перемешивания с высоким сдвигом или шарового размола. Эти методы более широко используются, чем одностадийные методы, из-за их низкой стоимости и широкого спектра наноча-стиц, с которыми они совместимы.
Для изучения того, как наноматериалы воздействуют на электрические свойства трансформаторного масла марки ГК, было использовано несколько проб наножидкостей.
1. ОУНТ - одностенные углеродные нанотрубки. Фирма OCSIAL синтезирует одностенные углеродные нанотрубки (SWCNT) нескольких видов, которые отличаются по составу: ТиЬа11 01RW02 (ОУНТ 80 %, углерод графитизирован-ный 5 % и железо 15 %), ТиЬа11 01RW03 (ОУНТ 93 %, углерод графитизирован-ный 6 % и железо 1 %). Отличие 01RW03 от 01RW02 состоит в том, что данные нанотрубки дополнительно очищаются от остатков металлического катализатора, который используется при производстве. Для наших опытов использовались ОУНТ ТиЬа11 01RW03. Диаметр нанотрубки составлял ~ 1,6±0,4 нм, длина ~ 5 мкм.
2. Нанооксид цинка. Чистота 98 %, остальное - цинк и сорбированные газы 02, Аг, N2. Размер частиц 20-40 нм.
3. Нанооксид титана. Чистота 99 %. Размер частиц 49 нм. Насыпная плотность 0,5-2 г/см3. Температура плавления 1843 градуса.
Перед добавлением углеродных нанотрубок и иных нановключений масло сушилось с использованием технического силикагеля и фильтровалось.
Первые эксперименты по приготовлению наножидкостей проводились с нанотрубками. Для приготовления проб было взято 400 мл трансформаторного масла марки ГК, к которому добавлялось заранее определенное количество на-нотрубок. В экспериментах использовался ультразвуковой диспергатор, мощность которого составляла 1 кВт при диаметре излучателя 33 мм. Для определения оптимальных параметров диспергирования в подготовке исследуемой жидкости было применено несколько методик.
1. С использованием диспергатора 0,002 г углеродных нанотрубок распределялись непосредственно в 200 мл трансформаторного масла в течение 60 мин.
2. С использованием ультразвуковой ванны в спиртовом растворе объемом 50 мл распределялись 0,002 г углеродных нанотрубок в течение 45 мин. Далее полученная смесь приливалась к трансформаторному маслу объемом 200 мл и подвергалась ультразвуковой обработке с использованием диспергатора.
3. С использованием диспергатора 0,002 г углеродных нанотрубок подвергались ультразвуковой обработке в спиртовом растворе объемом 100 мл в течение 45 мин, далее обработанная смесь приливалась к 200 мл масла и диспергировалась на генераторе в течение 45 мин.
4. В этой методике производилось предварительное измельчение нанотрубок с помощью шаровой мельницы в течение времени активации 45 с. Далее готовили образец в соответствии с методикой, описанной в п. 3.
Исследование электрической прочности проводили на установке СКАТ-М100В с измерительной ячейкой объемом 400 мл и полусферическими высоковольтными электродами. В установке СКАТ-М100В расположен стол, на котором находится ячейка с наножидкостью; автоматически после пробоя стол несколько раз опускается вниз и поднимается вверх для удаления продуктов разложения из межэлектродного пространства. Значение зазора между электродами составляло 2,5 мм. Для очистки электродов от углеродных нанотрубок после каждой серии измерений использовался технический изопропиловый спирт. Затем в измерительную ячейку заливалось заранее подготовленное масло с определен-
ной концентрацией нанотрубок, и на нее подавалось напряжение частотой 50 Гц со скоростью нарастания напряжения 2 кВ/с, которая была определена экспериментально. Выдержка между сериями опытов была установлена 10 минут. Задержка между пробоями в каждой серии также была заранее исследована и составляла 5 минут.
2. Результаты
2.1. Измерение напряжения пробоя наножидкости, приготовленной по первой методике
Таблица 1
Напряжение пробоя при диспергировании непосредственно в масле
Концентрация, мкг/л Напряжение пробоя, кВ
1 2 3 4 5 6 7 8 9
100 20,2 28,9 42,5 37,8 21,6 19,5 52,3 17,8 28,6
200 45,6 32,8 18,2 68,9 32,5 16,4 27,6 36,4 78,2
300 34,5 45,6 19,7 11,3 14,5 28,7 52,9 34,6 38,7
Концентрация, мкг/л Напряжение пробоя, кВ
10 11 12 13 14 15 16 17 18
100 35,9 28,7 18,8 28,9 60,8 34,5 38,9 70,5 28,2
200 19,2 28,6 29,5 61,3 50,8 18,7 23,6 52,1 15,4
300 23,6 67,9 14,9 17,2 9,0 23,4 25,6 38,9 42,1
Концентрация, мкг/л Напряжение пробоя, кВ
19 20 Среднее Среднее отклонение
100 15,8 45,3 33,75 14,76
200 19,8 22 34,57 18,5
300 40,1 18,7 30,09 15,23
Исходя из табл. 1 можно сделать вывод о том, что диспергирование в масле не дает результата. Погрешность эксперимента составляет порядка 50 %, что не дает никакого представления о влияния концентрации нанотрубок на минеральное масло.
2.2. Измерение напряжения пробоя наножидкости, приготовленной по второй методике
Исходя из полученных значений напрашивается вывод о том, что при добавлении нанотрубок, во-первых, снижается электрическая прочность, во-вторых, при росте концентрации УНТ происходит более значительное снижение электрической прочности. Кроме того, смесь оказалась нестабильной. Углеродные нанотрубки без поддержания разбитого состояния достаточно быстро слипаются, а в течение дня возвращаются в исходное состояние. Подчеркнем, что в этой серии масло не менялось от пробоя к пробою, просто в малоконцентрированную жидкость после 20 пробоев добавляли более концентрированную в таком количестве, чтобы получилась требуемая концентрация.
Исходя из этой серии опытов было выдвинуто предположение о «старении масла» в связи с большим количеством последовательных пробоев без замены исходного масла. По данной причине было принято решение о подготовке новой
пробы и разового добавления в нее максимальной концентрации 500 мкг/л, а не постепенного, как в прошлой серии опытов.
Таблица 2
Напряжение пробоя при диспергировании в ультразвуковой ванне
Концентрация, мкг/л Напряжение пробоя, кВ
1 2 3 4 5 6 7 8 9
100 33,6 37,2 32,3 27,6 26,2 32,1 36,6 34,8 32,7
200 33,4 29,2 31,5 27 31,7 28,9 29,8 32,8 30,5
300 28,7 25,3 24,8 18,4 30,1 25,3 19,6 22,6 30,8
400 26,3 25,4 22,6 28,7 24,6 28,8 10 28,6 26,2
500 23,1 25,2 21,2 18,2 27,7 25,8 26,3 21,7 20,6
Концентрация, мкг/л Напряжение пробоя, кВ
10 11 12 13 14 15 16 17 18
100 37,9 34,5 12 13 14 15 16 17 18
200 31,3 30,3 32,7 33,8 29,5 35,1 28,4 32,8 29,6
300 30,1 19,3 28,9 32,6 29,4 27,5 33,9 30,8 32,6
400 28 28 18,9 26,5 21,6 23,9 32,8 24,6 19,9
500 24,2 18,9 28,2 19,9 26,5 24,8 26,7 28,1 23,5
Концентрация, мкг/л Напряжение пробоя, кВ
19 20 Среднее Среднее отклонение
100 32,1 34,7 32,71 3,16
200 34,8 34,5 31,07 2,23
300 28,3 24,5 24,8 4,35
400 24,8 21,3 25,05 4,35
500 22,8 20,5 22,54 3,38
Таблица 3
Напряжение пробоя при разовом добавлении максимальной концентрации
Концентрация, мкг/л Напряжение пробоя, кВ
1 2 3 4 5 6 7 8 9
500 17,6 26,1 27,1 15,6 24,2 24,9 16,8 16 26,3
10 11 12 13 14 15 16 17 18
21.4 19,8 25,4 26,4 17,9 22,4 23,9 15,9 18,2
19 20 Среднее Среднее отклонение
25,1 20,9 21,59 4,06
Отталкиваясь от полученных значений (табл. 2, 3) можно сделать вывод о том, что электрическая прочность осталась прежней; значит, количество предыдущих пробоев не оказывало влияния.
2.3. Измерение напряжения пробоя наножидкости, приготовленной по третьей методике
Полученные значения (табл. 4) схожи с теми, которые были получены ранее, при диспергировании в ультразвуковой ванне (см. табл. 2). Преимуществом данного метода является то, что для поддержания разбитого состояния наножидко-сти достаточно было использовать магнитную мешалку, т. к. частицы при обра-
ботке на ультразвуковом генераторе распадаются на более мелкие по сравнению с обработкой в ультразвуковой ванне.
Таблица 4
Напряжение пробоя при обработке на ультразвуковом генераторе
Концентрация, мкг/л Напряжение пробоя, кВ
1 2 3 4 5 6 7 8 9
100 33,4 36,4 27,8 29,1 34,9 38,8 37,5 36,6 31,3
200 33,8 32,5 33,9 33,1 31,6 34,2 27,8 30,7 35,9
300 26,1 33,5 34,1 33,1 36,8 34,7 30,5 29,5 31,3
400 32,4 30,8 21,8 25,5 30,9 31,8 25,9 26,4 28,9
500 22,1 28,0 29,1 34,7 16,4 25,6 26,3 22,3 28,7
Концентрация, мкг/л Напряжение пробоя, кВ
10 11 12 13 14 15 16 17 18
100 36,2 37,2 38,3 29,8 35,8 31,8 28,8 35,6 36,8
200 33,6 30,6 35,2 33,5 34,7 31,3 34,2 33,2 33,1
300 34,7 32,9 33,9 30,7 34,9 32,1 30,9 34,3 27,4
400 20,9 31,8 26,8 29,1 25,7 30,7 29,3 31,1 28,6
500 21,9 19,8 26,9 23,8 27,3 15,9 25,2 21,2 18,2
Концентрация, мкг/л Напряжение пробоя, кВ
19 20 Среднее Среднее отклонение
100 29,2 29,8 33,75 3,66
200 33,5 31,6 32,9 1,86
300 28,9 32,8 32,15 2,72
400 27,8 23,8 28 3,39
500 27,7 25,8 24,34 4,67
2.4. Измерение напряжения пробоя наножидкости, приготовленной по четвертой методике
Используя данную методику, получили значения (табл. 5), схожие с полученными ранее; следовательно, можно сделать вывод о том, что дополнительная обработка в виде измельчения нанотрубок не требуется.
Таблица 5
Напряжение пробоя после активации измельчения нанотрубок
Концентрация, мкг/л Напряжение пробоя, кВ
1 2 3 4 5 6 7 8 9
100 33 35,2 35 29 31,9 29,5 36,3 29,8 34,3
200 29,9 31,9 33,2 31,3 25,1 36,5 30,1 30,8 24,8
300 25,8 15,2 27,5 27,9 33,6 33,3 35,3 26,5 34,0
400 22,8 22,8 28,5 31,3 24,2 27,4 26,9 25,8 27
500 16,8 22,5 17,0 28,3 25,4 27,1 17,6 24,7 29,2
Концентрация, мкг/л Напряжение пробоя, кВ
10 11 12 13 14 15 16 17 18
100 30 37,8 26,0 32,2 36,0 35,4 31,5 29,6 36,8
200 32,5 30,6 31,4 26,2 25,9 26,6 30,7 31,4 33,8
300 26,8 33,7 15,0 32,4 31,1 24,9 24,3 30,4 26,0
400 30,9 28,2 29,1 28,3 23,2 31,2 27,5 28,0 25,0
500 28,0 27,6 28,3 25,7 29,0 27,8 28,5 28,0 27,6
Продолжение табл. 5
Концентрация, мкг/л Напряжение пробоя, кВ
19 20 21 22 23 24 25 26 27
100 34,5 36,9 34,7 29,7 28,2 34,7 35,7 35,1 33,1
200 29,4 22,2 29,5 34,2 27,4 26,8 24,2 30,1 35,6
300 31,1 30,1 20,0 25,3 30,4 31,9 33,3 27,8 27,1
400 24,5 31,7 28,9 29,0 30,9 29,9 21,2 27,2 29,4
500 21,8 21,4 29,8 27,6 27,6 19,2 24,2 27,7 27,0
Концентрация, мкг/л Напряжение пробоя, кВ
28 29 30 Среднее Среднее отклонение
100 34,1 31,4 36,2 33,12 3,04
200 34,8 33,8 29,2 29,99 3,6
300 30,8 32,2 30,2 28,46 5,06
400 22,8 32,4 27,7 27,42 3,02
500 27,1 16,6 25,1 25,24 4,17
2.5. Обсуждение результатов
По результатам измерений, представленным в п. 3.1, было установлено, что диспергирование непосредственно в масле не позволяет достичь ожидаемых результатов. Агломераты углеродных нанотрубок диспергируются не в полной степени, что негативно влияет на результаты измерений; в результате этого среднее отклонение имеет значения 43,7 % при 100 мкг/л, 53,5 % при 200 мкг/л и 50,6 % при 300 мкг/л.
По результатам измерений, представленным в п. 3.2, было выявлено, что диспергирование в спирте в ультразвуковой ванне дает результат, но эффект является кратковременным. Углеродные нанотрубки без поддержания разбитого состояния достаточно быстро слипаются, а в течение дня возвращаются в исходное состояние. В целом методика, основанная на поэтапном диспергировании, себя оправдала, так как среднее отклонение составило порядка 13,28 %.
По результатам измерений, представленным в п. 3.3, было получено наиболее стабильное значение электрической прочности, а также нанотрубки более качественно расщеплялись и процесс агломерации происходил дольше. Среднее отклонение составило 11,04 %.
В результате использования методики, описанной в п. 3.4, были получены идентичные значения, поэтому дополнительно измельчать нанотрубки перед подготовкой смеси не требуется.
Как видно, напряжение пробоя с добавлением УНТ всегда оказывалось меньше исходного. Вероятно, это связано с формой частиц - имеют нитевидную форму, диаметр нанотрубки «1,6±0,4 нм, длина ~ 5 мкм. Такие размеры неизбежно приводят к агломерации, а также к локальному усилению поля у кончиков, поэтому принято решение о проведении дополнительных экспериментов с нано-частицами более шарообразной формы.
3. Эксперименты с добавлением нанооксидов
3.1. Нанооксид титана (ТЮ2)
Условия проведения измерения: к 200 мл трансформаторного масла приливался спиртовой раствор, содержащий 0,029 г нанооксида титана в 100 мл объема спирта, предварительно диспергированный на ультразвуковом генераторе в те-
чение 45 минут. Далее модифицированная смесь подвергалась ультразвуковой обработке на диспергаторе в течение 45 минут (табл. 6).
Таблица 6
Напряжение пробоя при добавлении нанооксида титана
Концентрация, мкг/л Напряжение пробоя, кВ
1 2 3 4 5 6 7 8 9
75 62,3 59,1 53,9 52,7 51,3 61,3 65,5 50,8 65,7
150 60,1 63,1 59,2 52,6 51,9 58,2 64,3 71,9 51,2
225 54,5 61,3 54,2 57,5 56,1 60,1 58 57,3 52,3
300 58,3 59,1 55,5 50,1 52,3 49,1 57,6 62,3 57,5
450 56,5 54,3 60,2 55,3 59,1 56,7 59,9 56,5 56,3
600 51,4 52,5 56,1 58,9 56,8 53,8 45,8 60,1 52,5
750 50,5 56,2 52,3 54,6 55,7 59,1 44 56,9 62,9
1500 40,1 42,6 43,5 46,5 48,6 41,9 44,4 38,3 38,8
Концентрация, мкг/л Напряжение пробоя, кВ
10 11 12 13 14 15 16 17 18
75 67,7 56,2 62,9 59,8 52,1 60,3 54,8 59,6 64,8
150 60,5 55,7 57,9 58,9 57,6 60,1 62,3 58,7 60,1
225 48,9 50,1 51,3 54,6 52,1 51,3 54,3 55,6 54,9
300 51,1 57,3 43,3 52,1 53,4 48,7 52,3 56,4 50,2
450 60,7 60,6 61,3 57,6 49,1 60,2 55 54,6 52,7
600 55,3 53,5 49,6 45,8 52,1 54,6 58,1 46,8 49,7
750 42 46,7 55,9 51,2 52,6 48,7 49,6 59,6 51,4
1500 44,9 45,5 62,9 59,8 52,1 60,3 54,8 59,6 64,8
Концентрация, мкг/л Напряжение пробоя, кВ
19 20 Среднее Среднее отклонение
75 60,1 62,3 59,16 5,16
150 57,3 52,1 58,68 4,83
225 60,1 58,7 55,16 3,5
300 47,9 45,8 53,01 4,9
450 51,9 57,9 56,82 3,29
600 52,1 53,6 52,95 4,06
750 54,6 48,9 52,67 5,25
1500 38,7 42,4 42,76 3,59
3.2. Нанооксид цинка ^пО)
Условия проведения измерения: к 200 мл трансформаторного масла приливался спиртовой раствор, содержащий 0,02 г нанооксида цинка в 100 мл объема спирта, предварительно диспергированный на ультразвуковом генераторе в течение 45 минут. Далее модифицированная смесь подвергалась ультразвуковой обработке, как в п.3.1.
По результатам измерений, представленным в п. 3.2, было замечено, что начальное масло имеет значения электрической прочности на 15 % выше, чем в прошлых измерениях. Связано это с тем, что перед данными замерами мы производили дополнительную подготовку масла, а именно фильтровали через двойной слой обеззоленного фильтра класса «синяя лента» и слой силикагеля; фильтрация производилась по 2 раза на каждый образец пробы (табл. 7).
Таблица 7
Напряжение пробоя при добавлении нанооксида цинка
Концентрация, мкг/л Напряжение пробоя, кВ
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Чистое масло 66,7 65,1 78,4 68,6 60,9 69,9 65,3 74,7 69,3
100 76,1 74,2 66,5 68,9 62,2 68,9 73,3 65,8 76,5
200 71,1 68,8 69,5 58,3 71,4 77,9 71,7 72,3 71,9
300 53,7 66,1 69,9 74 62,5 61,9 68,6 70,9 72,5
500 64,7 70,7 63,3 60,5 71,3 73,3 65,1 62,3 70,7
700 62,1 56,9 55,1 56,3 65,1 56,3 65,1 56,7 65,1
900 48,9 53,9 71,9 62,7 67,7 65,5 60,1 57,8 64,1
1200 67,9 56,9 63,5 71,5 65,3 62,7 63,4 72,3 64,9
Концентрация, мкг/л Напряжение пробоя, кВ
10 11 12 13 14 15 16 17 18
Чистое масло 72,9 80 74,5 75,3 77,6 73,9 74,6 75,8 83,7
100 77 74,1 73,4 76,5 68,7 81,8 77,3 77,7 79,5
200 75,5 72,7 67,9 65,8 70,1 73,6 64,9 68,6 70,5
300 54,4 68,1 67,5 65,8 64,5 70,5 64,2 63,9 70,9
500 65,5 67,9 60,5 67,8 65,4 72,6 68,1 63,2 69,1
700 65,7 58,8 63,2 58,9 62,3 60,5 62,3 71,6 58,7
900 55,8 57,1 49,1 59,4 49,7 51,9 53,7 64,5 49,8
1200 52,1 65,9 65,1 64,2 58,7 59,6 54,3 52,8 59,4
Концентрация, мкг/л Напряжение пробоя, кВ
19 20 Среднее Среднее отклонение
Чистое масло 68,9 75,6 72,58 5,6
100 59,8 75,4 72,68 5,86
200 69,7 61,5 69,85 4,51
300 62,1 64,3 65,81 5,35
500 67,3 66,5 66,79 3,78
700 54,6 60,4 60,78 4,37
900 60,8 58,7 58,15 6,63
1200 68,1 49,1 59,51 6,4
Выводы
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:
1. Электрическая прочность наномасла на основе углеродных нанотрубок значительно меньше электрической прочности наномасла на основе оксидов цинка и титана. На наш взгляд, это связано с формой наночастиц.
2. С ростом концентрации электрическая прочность всех наножидкостей уменьшается.
3. При малых концентрациях значения электрической прочности примерно соответствуют значениям электрической прочности чистой жидкости.
4. Технология приготовления наножидкости оказывает сильное влияние на ее напряжение пробоя.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Potao S., Wenxia S., Dingfei Z., Qiulin C., Lian Y., Jiaqi C. Effects of impulse waveform parameters on the breakdown characteristics of nano-TiO2 modified transformer oil // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2018. Vol. 25. No. 5. Pp. 1651-1659.
2. Gaurav S., Hemantkumar A. Thermal conductivity enhancement of transformer oil using functionalized nanodiamonds // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2015. Vol. 22. No. 4. Pp. 2185-2190.
3. Abid M.A., Khan I., Ullah Z., Ullah K., Haider A., Ali S.M. Dielectric and Thermal Performance Up-Gradation of Transformer Oil Using Valuable NanoParticles // IEEE Access. 2019. Vol. 7. Pp. 153509-153518.
4. Swati K., Sarathi R., Yadav K.S., Taylor N., Edin H. Corona discharge activity in nanoparticle dispersed transformer oil S. K. under composite voltages // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2018. Vol. 25. No. 5. Pp. 1731-1738.
5. Potao S., Wenxia S., Xiongwei J., Dingfei Z., Jiahui H., Qiulin C. Failure of nano-modified oil impregnated paper under repeated impulse voltage: Effects of TiO2 nanoparticles on space charge characteristics // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2018. Vol. 25. No. 8. Pp. 2103-2111.
6. Dhar P., Katiyar A., Maganti L.S., Pattamatta A., Das S. Superior dielectric breakdown strength of graphene and carbon nanotube infused nano-oils // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2016. Vol. 23. No. 2. Pp. 943-956.
7. Yuzhen L., Chengrong L. A Review on Properties, Opportunities, and Challenges of Transformer Oil-Based Nanofluids Muhammad Rafiq // Journal of Nanomaterial. 2016. Vol. 2016. Pp. 23-47.
8. ГОСТ 6581-75 Матеpиалы элеироизоляционные жидкие. Методы электpических испытаний.
9. Bartley W.H. Investigating transformer failure // In Proceedings of the 5th Weidmann-ACTI Annual Technical Conference on New Diagnostic Concepts for Better Asset Management, 2006. Pp. 1-14. http://www.sciepub.com/reference/179122 (accessed October 10, 2023).
10. Rafiq M. Sustainable, Renewable and Environmental-Friendly Insulation Systems for High Voltages Applications // Transformer Life Extension. 2020. Vol. 25. Pp. 36-41. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7503315/ (accessed October 10, 2023).
11. Chiesa M., Das K. Experimental investigation of the dielectric and cooling performance of colloidal suspensions in insulating media // Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects, 2009. Vol. 335. Pp. 88-97. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0927775708007322 (accessed October 10, 2023).
12. Rouse T.O. Mineral insulating oil in transformers // IEEE Electrical Insulation Magazine, 1998. Vol. 14. Pp. 6-16. https://ieeexplore.ieee.org/document/675572 (accessed October 10, 2023).
13. Рудяк В.Я., Минакова А.В., Пряжников М.И., Гузей Д.В. №MepeH^ теплопpоводности и коэффициента теплоотдачи наножидкостей с одностенными нанотpубками // Теплофизика высоких темпеpатуp. 2022. № 5. С. 692-700.
14. Choi S., Eastman J.A. Enhancing Thermal Conductivity of Fluids With Nanoparticles // ASME, International Mechanical Engineering Congress & Exposition, San Francisco, CA, 1995.
15. Du Y., Lv Y., Li C., Chen M., Zhong Y., Zhou J. Effect of semiconductive nanoparticles on insulating performances of transformer oil // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 2012. Pp. 770-776.
16. Lee J., Kim W. Experimental study of dielectric breakdown voltage of insulating oil mixed with magnetic nanoparticles // Phys. Procedia. 2012. Vol. 32. Pp. 327-334.
17. Nemati A. Recent Advances in Nanofluids Based on Transformer Oil: Preparation and Electrical Insulation Properties // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2021. Vol. 28. Pp. 702-711. https://ieeexplore.ieee.org/document/6882597 (accessed October 10, 2023).
18. Bonnemann H. Monodisperse copper and silver-nanocolloids suitable for heat-conductive fluids // Appl. Organomet. Chem. 2005. Vol. 19. Pp. 768-773. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aoc.889 (accessed October 10, 2023).
19. Yu W., Xie H.Q. A review on nanofluids: Preparation, stability mechanisms, and applications // Journal of Nanomaterial. 2011. Vol. 2012. https://www.hindawi.com/joumals/jnm/2012/435873/ (accessed October 10, 2023).
20. Ржевская С.П. Электрические материалы. Диэлектрики. Минск: БИТУ, 2009. 142 с.
21. Николаев М.Ю., Мальгин Г.В., Щекочихин А.В., Шкаруба М.В. Электротехнические и конструкционные материалы. Нижневартовск: НВГУ, 2022. 167 с.
22. Воробьев Г.А. Диэлектрические свойства электроизоляционных материалов. Томск: Томск. ун-т, 1984. С. 69-73.
23. ГОСТ Р 56738-2015 Трансформаторы силовые. Требования и методы испытания электрической прочности.
24. Барбашова Г.А., Шомко В.В. Влияние цикличности ввода электрической энергии в канал подводного искрового разряда // Инженерия поверхности и прикладная электрохимия. 2007. Т. 43. № 2. C. 43-49.
25. Хренников А.Ю., Батяев Р.Ю., Мажурин Ю.В. Аварийность высоковольтных измерительных трансформаторов тока и напряжения в электрических сетях 110-750 кВ и мероприятия по ее снижению // Электро. Электроника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2011. № 6. С. 44-46.
26. Кизеветов Д.В., Резник А.С., Журавлева Н.М., Литвинов Д.В. Влияние концентрации компонентов смеси диэлектрических жидкостей для силовых трансформаторов на электрическое сопротивление и оптические характеристики // Глобальная энергия. 2020. № 3. С. 5-19.
Статья поступила в редакцию 10 октября 2023 г.
INFLUENCE OF NANO-OIL PREPARATION CONDITIONS ON ITS ELECTRICAL STRENGTH
V.A. Loskutov, Y. G. Prokopenko, A. V. Rydel, L.P. Goreva
Novosibirsk State Technical University
20, Karl Marx Ave., Novosibirsk, 630073, Russian Federation
E-mail: blackline05@yandex.ru, yakovprokopenko@mail.ru, ridel@corp.nstu.ru, goreva@corp.nstu.ru
Abstract. This study presents the results of experiments aimed at determining the breakdown voltage of liquids containing carbon nanotubes and other microinclusions, which were dispersed in mineral insulating oil used in electrical transformers. The liquid was obtained by various methods with the mandatory use of ultrasonic dispersant. The electrical strength of the carbon nanotube-based nano-oil was found to be significantly less than the electrical strength of the zinc and titanium nano-oxide-based nano-oil. At low concentrations the values of electrical strength approximately correspond to the values of electrical strength of pure liquid, but with increasing concentration the electrical strength of all nanofluids decreases. It is shown that the nanofluid preparation technology has a strong influence on its breakdown voltage.
Keywords: Transformer oil, transformer, electrical strength, dispersion, carbon nanotubes, titanium nanooxide, zinc nanooxide, microinclusions.
REFERENCES
1. Potao S., Wenxia S., Dingfei Z., Qiulin C., Lian Y., Jiaqi C. Effects of impulse waveform parameters on the breakdown characteristics of nano-TiO2 modified transformer oil // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2018. Vol. 25. No. 5. Pp. 1651-1659.
2. Gaurav S., Hemantkumar A. Thermal conductivity enhancement of transformer oil using functionalized nanodiamonds // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2015. Vol. 22. No. 4. Pp. 2185-2190.
3. Abid M.A., Khan I., Ullah Z., Ullah K., Haider A., Ali S.M. Dielectric and Thermal Performance Up-Gradation of Transformer Oil Using Valuable NanoParticles // IEEE Access. 2019. Vol. 7. Pp. 153509-153518.
4. Swati K., Sarathi R., Yadav K.S., Taylor N., Edin H. Corona discharge activity in nanoparticle dispersed transformer oil S. K. under composite voltages // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2018. Vol. 25. No. 5. Pp. 1731-1738.
5. Potao S., Wenxia S., Xiongwei J., Dingfei Z., Jiahui H., Qiulin C. Failure of nano-modified oil impregnated paper under repeated impulse voltage: Effects of TiO2 nanoparticles on space charge characteristics // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2018. Vol. 25. No. 8. Pp. 2103-2111.
6. Dhar P., Katiyar A., Maganti L.S., Pattamatta A., Das S. Superior dielectric breakdown strength of graphene and carbon nanotube infused nano-oils // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2016. Vol. 23. No. 2. Pp. 943-956.
7. Yuzhen L., Chengrong L. A Review on Properties, Opportunities, and Challenges of Transformer Oil-Based Nanofluids Muhammad Rafiq // Journal of Nanomaterial. 2016. Vol. 2016. Pp. 23-47.
Viktor A. Loskutov, Postgraduate Student. Yakov G. Prokopenko, Student.
Alexander V. Rydel, (Ph.D. (Techn.)), Associate Professor Ludmila P. Goreva, (Ph.D. (Techn.)), Associate Professor
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18
19
20
21
22
23
24
25
GOST 6581-75 Materialy elektroizolyacionnye zhidkie. Metody elektricheskih ispytanij [Electrically insulating liquid materials. Methods of electrical tests]. (In Russian). Bartley W.H. Investigating transformer failure // In Proceedings of the 5th Weidmann-ACTI Annual Technical Conference on New Diagnostic Concepts for Better Asset Management, 2006. Pp. 1-14. http://www.sciepub.com/reference/179122 (accessed October 10, 2023). Rafiq M. Sustainable, Renewable and Environmental-Friendly Insulation Systems for High Voltages Applications // Transformer Life Extension. 2020. Vol. 25. Pp. 36-41. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7503315/ (accessed October 10, 2023). Chiesa M., Das K. Experimental investigation of the dielectric and cooling performance of colloidal suspensions in insulating media // Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects, 2009. Vol. 335. Pp. 88-97.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0927775708007322 (accessed October 10, 2023).
Rouse T.O. Mineral insulating oil in transformers // IEEE Electrical Insulation Magazine, 1998. Vol. 14. Pp. 6-16. https://ieeexplore.ieee.org/document/675572 (accessed October 10, 2023).
Rudyak V.Ya., Minakova A.V., Pryazhnikov M.I., Guzey D.V. Izmerenie teploprovodnosti i koefficienta teplootdachi nanozhdikostej s odnostennymi nanotrubkami [Measurement of thermal conductivity and heat transfer coefficient of nanozhdiches with single-walled nanotubes] // Thermophysics of high temperatures. 2022. No. 5. Pp. 692-700. (in Russian). Choi S., Eastman J.A. Enhancing Thermal Conductivity of Fluids With Nanoparticles // ASME, International Mechanical Engineering Congress & Exposition, San Francisco, CA, 1995.
Du Y., Lv Y., Li C., Chen M., Zhong Y., Zhou J. Effect of semiconductive nanoparticles on insulating performances of transformer oil // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 2012. Pp. 770776.
Lee J., Kim W. Experimental study of dielectric breakdown voltage of insulating oil mixed with magnetic nanoparticles // Phys. Procedia. 2012. Vol. 32. Pp. 327-334. Nemati A. Recent Advances in Nanofluids Based on Transformer Oil: Preparation and Electrical Insulation Properties // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2021. Vol. 28. Pp. 702-711. https://ieeexplore.ieee.org/document/6882597 (accessed October 10, 2023).
Bonnemann H. Monodisperse copper and silver-nanocolloids suitable for heat-conductive fluids // Appl. Organomet. Chem. 2005. Vol. 19. Pp. 768-773. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aoc.889 (accessed October 10, 2023). Yu W., Xie H.Q. A review on nanofluids: Preparation, stability mechanisms, and applications // Journal of Nanomaterial. 2011. Vol. 2012.
https://www.hindawi.com/journals/jnm/2012/435873/ (accessed October 10, 2023). Rzhevskaya S.P. Elektricheskie materialy. Dielektriki [Electrical Materials. Dielectrics]. Minsk: BITU, 2009. 142 p. (in Russian).
Nikolaev M.Yu., Malgin G.V., Shchekochikhin A.V., Shkaruba M.V. Elektrotekhnicheskie i konstrukcionnye materialy [Electrotechnical and structural materials]. Nizhnevartovsk: NVGU, 2022. 167 p. (in Russian).
Vorobyev G.A. Dielektricheskie svojstva elektroizolyacionnyh materialov [Dielectric properties of electrical insulating materials]. Tomsk: Tomsk University Publishing House, 1984. Pp. 69-73. (in Russian).
GOST P 56738-2015 Transformatory silovye. Trebovaniya i metody ispytaniya elektricheskoj prochnosti [Power transformers. Requirements and test methods for electrical strength]. (in Russian).
Barbashova G.A., Shomko V.E. Vliyanie ciklichnosti vvoda elektricheskoj energii v kanal podvodnogo iskrovogo razryada [Influence of the electric energy input cycling into the underwater spark discharge channel] // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2007. Vol. 43. № 2. Pp. 43-49. (in Russian).
Hrennikov A.Yu., Batyaev R.Yu., Mazhurin Yu.V. Avarijnost' vysokovol'tnyh izmeritel'nyh transformatorov toka i napryazheniya v elektricheskih setyah 110-750 kV i meropriyatiya po eyo snizheniyu [Accident rate of the high-voltage measuring current and voltage transformers in the 110-750 kV electrical networks and measures to reduce it] // Elektro. Elektronika, Elektroenergetika, Elektrotechnical Industry. 2011. No. 6. Pp. 44-46 (in Russian).
26. Kizevetov D.V., Reznik A.S., Zhuravleva N.M., Litvinov D.V. Vliyanie koncentracii komponentov smesi dielektricheskih zhidkostej dlya silovyh transformatorov na elektricheskoe soprotivlenie i opticheskie harakteristiki [Influence of dielectric fluid mixture components concentration for power transformers on electrical resistance and optical characteristics] // Global Energy. 2020. No. 3. Pp. 5-19. (in Russian).
