Πειραματική μελέτη και προσομοίωση της διηλεκτρικής συμπεριφοράς νανοελαίων με μήτρα φυτικού ελαίου για χρήση σε συστήματα υψηλής τάσης
Authors: Κούτρας Κωνσταντίνος 
Published: November 2023

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.