رفع مستوى الأداء العازل والحراري لزيت المحولات باستخدام جسيمات نانوية

أهمية رفع مستوى الأداء العازل والحراري لزيت المحولات

تطلب التطوير المستقبلي لأنظمة الجهد العالي (HV) وثورة “الشبكة الذكية” مادة عازلة موثوقة وفعالة مع ظروف تشغيل متقلبة وديناميكية، بحيث يقوم المحول المستخدم في النظام الكهربائي بتحويل الجهد والتيار الكهربائي والطاقة المنقولة، لذلك؛ فإن أي فشل محتمل للمحول يكون مدمراً لمعظم المحولات في نظام الطاقة الكهربائية، كما أنه يكون أقرب إلى “الهيكل الكلاسيكي” أو يتجاوزه.

لذلك تكشف الإحصائيات المتوفرة لفشل المحول أن متوسط ​​تشغيل المحول فشل بسبب انهيار العزل، بحيث تصف قدرة المحول على توصيل الحرارة الموصلية الحرارية له، حيث يؤدي الزيت المعدني المستخدم في المحولات الوظيفة الأساسية للعزل ونقل الحرارة، بحيث تعتبر الموصلية الحرارية معلمة مهمة يتم أخذها في الاعتبار في تحسين خصائص نقل الحرارة للمحول.

وهناك حاجة ملحة للعمل مع المائع ذو الموصلية الحرارية العالية لزيت المحولات، حيث ينتج تدهور الزيوت المعدنية العازلة بسبب الحرارة والتفريغ الكهربائي، كما يتم تقليل ميزات العزل والتبريد للزيوت المعدنية بسبب “التلف المتسارع”، وعلاوة على ذلك؛ فإن إضافة الشوائب وجزيئات الماء في الزيوت المعدنية تشكل أكاسيد ومنتجات حمضية بسبب الاستخدام المستمر، وبالتالي تقليل قوة انهيار زيت المحولات.

وفي الآونة الأخيرة؛ فقد تمت إضافة جزيئات النانو (NPs) إلى زيت المحولات لتحسين قوة الانهيار ومستوى العزل وعمر زيت المحولات، وهناك جزيئات بحجم النانو مغمورة في الزيت المعدني، كما يؤدي الحجم الأصغر لـ (NPs) لاحقاً إلى زيادة المساحة البينية ويضمن مساحة أكبر للتفاعل بين الزيوت المعدنية و (NPs).

كما يشار إلى المحولات المغمورة بالزيت بـ (NPs) باسم Nano-Fluid) (NF))، بحيث لا تعمل (NPs) على تحسين القوة العازلة للزيت فحسب؛ بل تعمل أيضاً على تحسين خصائص نقل الحرارة للزيت المعدني، كما وتم تحسين استقرار التعليق أيضاً في حالة (NPs) بسبب زيادة مساحة السطح، مقارنة بالجزيئات الصغيرة الحجم المستخدمة تقليدياً.

كما قام المختصون بفحص قوة انهيار التيار المتردد لمختلف (NPs) وخلصوا إلى أن (NPs) عززت خصائص الزيت الأساسي وأداء أفضل حتى في درجات الحرارة المرتفعة، كما وجد المختصون أن إضافة (NPs) من “نيتريد الألومنيوم” في زيت المحولات، بحيث زاد من جهد بدء التفريغ الجزئي بنسبة تصل إلى (20٪)، وذلك مقارنة بزيت المحولات البكر.

كما أظهرت النتائج زيادة بنسبة (3-7٪) في التوصيل الحراري لزيت المحولات، بحيث تم تعديل زيت المحولات بإضافة (NPs) شبه الموصلة، حيث تم إجراء اختبارات الصواعق وتعطل التيار المتردد قبل وبعد تعديل زيت المحولات، كما أوضحت النتائج أن قوة انهيار التيار المتردد لـ (NF) كانت تقارب (1.26) مرة من قوة انهيار الزيت الأساسي، بينما زاد جهد انهيار الصواعق بنسبة 24٪ تقريباً مقارنة بالزيت الأساسي.

وعلى الرغم من الاستخدام المكثف لـ (NPs) في زيت المحولات لتحسين الخصائص الحرارية والعازلة للكهرباء؛ فقد فشل الباحثون في تقديم مجموعة نموذجية كاملة من الاختبارات التي يجب إجراؤها على (NFs) واستخدام (NF) كبديل للزيوت المعدنية الموجودة.

كما تم قياس قوة عازلة التيار المتردد لـ (NFs) في الماضي ولكن لم يتم النظر في الخواص الحرارية والعازلة الأخرى، وهناك عامل الفقد هو أحد العوامل الرئيسية لحساب صحة الزيت المعدني، كما لم يؤخذ في الاعتبار في الدراسات المتاحة، لذلك لم يتم فحص الخصائص الحرارية الأخرى مثل نقطة الوميض ونقطة الصب التي تصف سلوك الزيت عند درجات حرارة منخفضة جداً وعالية جنباً إلى جنب مع جهد الانهيار.

إعداد (NFs) الخاصة برفع مستوى الأداء العازل لزيت المحولات

تم تعديل زيت المحولات بإضافة (NPs)، وبشكل عام؛ فإن هناك طريقتان لإعداد (NFs)، والطريقة الفعالة والأكثر استخداماً هي الطريقة المكونة من خطوتين، وفي هذه الطريقة؛ فإنه يتم تعليق (NPs) المحضرة (إما بالطرق الكيميائية أو الفيزيائية) في الزيت.

كما يتم استخدام طريق الموجات فوق الصوتية وطرق خلط التحريك المغناطيسي لتحضير (NFs) بشكل كامل، بحث يستخدم المحرك المغناطيسي مجالاً مغناطيسياً دواراً لصنع خليط متجانس، بحيث يساعد تطبيق المجال المغناطيسي الخارجي على المحركات المغناطيسية في خلط المحلول الذي يسهل دوران القضبان المغناطيسية الصغيرة الموضوعة في خليط من الفائدة.

لذلك، ينتج عن المجال المغناطيسي الذي يدور بسرعة دوران قضيب المغناطيس الذي ينتهي بتحريك السائل، وخلال هذه الطريقة؛ فإنه يتم خلط (NPs) مباشرة مع السائل الناقل ثم يتم استخدام عملية “الصوتنة الفائقة” لتحضير (NFs) أخيراً، حيث أن الفائقة الصوتنة هي تقنية ميكانيكية تستخدم لتفكيك الحمأة.

كما تثير الجسيمات في محلول باستخدام “الموجات الصوتية” وتحويل الصوت إلى “الإشارة الكهربائية” إلى اهتزاز فيزيائي لتفتيت المواد، كما يمكن لهذه الاضطرابات:

• تسريع انحلال مادة صلبة إلى سائل.

• خلط المحاليل.

• إزالة الغازات المذابة من السوائل.

كما يحدث الانضغاط الدوري والخلخلة نتيجة انتشار الموجات فوق الصوتية عبر الوسط، بحيث تتشكل الفقاعات الدقيقة بسبب انتشار الموجات فوق الصوتية في الوسط. تنهار الفقاعات الدقيقة بعنف في غضون بضعة أوقات تتراوح بالميكرو ثانية بعد أن تصل إلى حجم حرج وتحفز حدوث التجويف، مما يؤدي الانهيار العنيف للفقاعات الدقيقة إلى ظروف قاسية.

تلاشي التلف الحاصل بخزانات زيت المحولات

يتم الاحتفاظ بعينات (NF) على طول الزيت المعدني البكر داخل غرفة الزيت لتسريع التدفق، كما أن فترة تقادم العينات هي شهرين، بحيث يتم إجراء التقادم المتعدد على جميع عينات الزيت، وهو مصطلح الأعطال المتعددة يعني أنه يتم تطبيق كل من الضغوط الكهربائية والحرارية على عينات الزيت.

كما يتم إجراء التقادم الحراري والتقادم الكهربائي على العينات للتحقق من مستوى تدهور خصائص الزيت، كما أن غرفة الضغط الخاصة بالزيت تكون بأبعاد (5 × 3 × 2) قدم مكعب، بحيث يتم وضع قضبان الحافلات داخل الغرفة، كما أن الشريط العلوي متصل بسلك حي عالي الجهد بينما الشريط السفلي متصل بمحايدة لتطبيق ضغوط كهربائية، ويتم تعليق قضبان التسخين داخل الحجرة لتوفير ضغوط حرارية كما هو موضح في الشكل.

تراقب مستشعرات درجة الحرارة درجة حرارة الغرفة باستمرار وتظهر على وحدة العرض، كما يتم تشغيل قضبان التسخين عندما تنخفض درجة الحرارة عن نقطة الضبط ويتم إيقاف تشغيلها تلقائياً، وخاصةً عندما تصل درجة الحرارة إلى نقطة التحديد، كما الجهد المطبق على العينات هو (1) كيلو فولت بينما كانت درجة الحرارة المستخدمة (100) درجة مئوية لمدة (7) أسابيع.

وكما هو الحال في الواقع، بحيث يتعرض الزيت المعدني في المحولات لجهود وتيارات عالية، لذلك يتم تطبيق “الضغوط الكهربائية” لتوفير هذه الظروف، وأثناء العملية؛ فإنه يتم تسخين المحول بسبب تأثير التسخين لفقد التيار وغيره من الطاقة، وذلك لتوفير حالة درجة حرارة أعلى، كما يتم تطبيق الضغوط الحرارية.