Estado del arte de nano-dieléctricos y fluidos inteligentes para transformadores transformador es de potencia (Nanofluidos dielectricos para transformador) Presentada por José Luis Hernández Ávila
Universidad Autónoma Metropolitana - Azcapotzalco
División de Ciencias Básicas e Ingeniería Departamento de Energía
Contenido
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Características deseables en un aislante líquido de transformador. ¿Qué es un nano-fluido dieléctrico? Rigidez dieléctrica y Disipación de calor Desempeño en RD de nano-dieléctricos reportados literatura ¿Por qué incrementa la RD? ¿Por qué incrementa la conductividad térmica? Conclusiones Aspectos aún por resolver para el empleo de nanofluidos Potencialidades de investigación Referencias
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Características deseables de un aislante líquido de transformador Un dieléctrico liquido para transformador de potencia debe poseer dos características principales : " Alto
nivel Aislamiento eléctrico
(Rigidez dieléctrica o Tensión de ruptura ) "
Ser un medio de enfriamiento (Conductividad térmica)
"
Además informa sobre el estado operativo del transformador. (Descargas Parciales, acidez, humedad) 3
Transformador con aceite vegetable 25 MVA-3 fases-145/13.8 kV Hecho por ABB Brazil en 2006 para CEMIG - Companhia Energética de Minas Gerais – Brazil. Rongsheng. Mendes et al. 2008.
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¿Qué es un nano-fluido dieléctrico? Fluido coloidal formado por una fase líquida (Aceite Mineral [MO] o Aceite vegetal [VO]) y nanopartículas homogéneamente dispersas. Tres grandes grupos de nanoparticulas empleadas
Choi et al. 1995 Segal et al. 1998
CONDUCTORAS ! ! !
Fe3O4 Óxido férroso - Magnetita Fe2O3 Óxido férrico ZnO Óxido de Zinc
AISLANTES !
SEMICONDUCTORAS ! ! ! ! !
TiO2 Dióxido de titanio CuO Óxido de Cobre CuO2 Peróxido de cobre AlN Nitruro de aluminio SiC Carburo de silicio
! !
(Al2O3) Oxido de aluminio – Alumina SiO2 Óxido de silicio (IV) - Sílice NB Nitruro de Boro (c-BN aislante eléctrico y un excelente conductor del calor)
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Rigidez dieléctrica y Disipación de calor Contreras, et al. 2017
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Desempeño en RD de nano-dieléctricos reportados literatura Nanopartículas/Tipo aceite MO-Aceite Mineral VO Aceite vegetal Fe3O4/MO
Tamaño de nanopartículas (nm)
Contenido de nanopartículas
10
"
Fe3O4/MO
8.6
0.25 % en Vol
Fe3O4/VO
30
"
Fe2O3/MO
7.4
ZnO/MO
% Aumento de RD respecto aceite normal 42,8 CA 82.5 Impulso 21.4 CD
Referencia
Seagal et al.1998 Kopcansky et al. 2005
0.016 % en Vol
19.8 CA 37.3 Impulso 12.8 CA
#$ %& '( ) *+,*) -'.&/.'&/
34
0.0005 % en Vol
8.3 CA
%& '(0 *++1 2'3'$ %& '(0
SiC/MO
80
0.005 % en Vol
Reducción RD
45$%6') *++7
TiO2/VO
20
0.00625 % en Vol
31 CA
SiO2/MO
15
0.0074 % en Vol
17 CA
TiO2/MO
<20
0.006g/L
15 CA
TiO2/MO
20
0.075 % en Vol
19 CA 24 Impulso
SiO2/MO
15
Al2O3/MO
80
0.01% vol 0.02% vol 0.1-1.0 % en Vol
19 CA 26 CA Reducción RD
Zhong et al. 2013 Liu,et al. 2012 D.U YueFan et al. 2010 D.U YueFan et al. 2011 Jin et al. 2012
2013
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#$ %& '( ) *+,*)
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¿Por qué incrementa la RD? Sima et al, 2015 1.- Distribución de carga +/- en superficie de la nanopartícula. 2.- Los e- (ionización o fluido) atraidos zona + saturan la partícula.
W. Sima
3.- Nanoparticula saturadas por carga – (llamado: charging process phenomena) 4.- Reducción de movilidad partícula 5.- Atenuación de propagación canal de descarga (Streamer)
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¿Por qué incrementa la conductividad térmica? Se destacan tres factores que influyen en la conductividad térmica del nanofluido. !
Propiedades de las nanopartículas. ! ! ! !
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la matriz líquida !
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efectos de la fracción de volumen. la conductividad térmica de las partículas su morfología el movimiento browniano conductividad térmica aumenta con el aumento de la temperatura del tipo de líquido matriz (menos estudiada)
Interfase líquido-sólido. !
capa interfacial entre la nanopartícula y el fluido tiene un papel muy importante en la mejora de las propiedades térmicas de los nanofluidos Choi et al. 2003, sugiere partículas < 10 nm, la nanolayer es más importante que las nanopartículas.
Otro factor poco estudiado Viscosidad ! !
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disminuye con el aumento de la temperatura y aumenta con el aumento de la concentración de las nanopartículas. Li et al 2012. Nano-fluidos dieléctricos - JL Hernández Avila Universidad Autónoma Metropolitana
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Conclusiones Aspectos aún por resolver para el empleo de nanofluidos
Al presente, los fluidos nanodieléctricos no son una solución técnica factible par ser empleados en transformadores por : !
Su estabilidad (tamaño nanoparticula, resistencia sedimentación)
!
La interacción con los campos magnéticos presentes en el transformador
!
El efecto de las nanopartículas sobre el comportamiento del aislamiento sólido del transformador.
!
Costos de producción ( Métodos síntesis,
resistencia sedimentación)
Son algunos de los aspectos que deben estudiarse y abordarse antes de poder aplicarse en transformadores reales. 9
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Conclusiones Potencialidades de investigación
Fenómenos de pre-ruptura
Interacción papel dieléctrico – humectado con nofluidos Descargas deslizantes (creeping discharge) Descargas de arborecencia (tree discharge) Descargas parciales (1 articulo) Operación en alta frecuencia sobre factor de perdidas dieléctricas (tan ! ). 10
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Por su atención
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Referencias ! ! !
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J. C. Mendes, L. Eklund and P. Capuano, “Meet the challenges of tomorrow: Increase the power of your transformer in record time”,PowerGen Middle East, Bahrain International Exhibition Centre, Manama, Kingdom of Bahrain, 4-6Feb. 2008, pp. 1-18. J.E. Contreras, E.A. Rodriguez, J. Taha-Tijerina, Nanotechnology applications for electrical transformers—A review, Electric Power Systems Research, Volume 143, February 2017, Pages 573-584, ISSN 0378-7796, http://dx.doi.org/10.1016/j.epsr.2016.10.058. V. Segal, A. Hjortsberg, A. Rabinovich, D. Nattrass and K. Raj, "AC (60 Hz) and impulse breakdown strength of a colloidal fluid based on transformer oil and magnetite nanoparticles," Conference Record of the 1998 IEEE International Symposium on Electrical Insulation (Cat. No.98CH36239), Arlington, VA, 1998 P. Kopcansky, L. Tomco, K. Marton, M. Koneracka,M. Timko, and I. Potocova, “The dc dielectric breakdown strength on magnetic fluids based on transformer oil,” J. Magn. Magn. Mater.. vol. 289, pp. 415–418, 2005. P. P. C. Sartoratto, A. V. S. Neto, E. C. D. Lima, A. L. C. Rodrigues deSá, and P. C. Morais, “Preparation and electrical properties of oil based magnetic fluids,” J. Appl. Phys., vol. 97, no. 10, art. no. 10Q917, 2005. J. Li, Z. Zhang, P. Zou, S. Grzybowski, and M. Zahn, "Preparation of a vegetable oil-based nanofluid and investigation of its breakdown and dielectric properties,” IEEE Electr. Insul. Mag., vol. 28, no. 5, pp. 43–50, 2012. M. Hanai, S. Hosomi, H. Kojima, N. Hayakawa, and H. Okubo, “Dependence of TiO2 and ZnO nanoparticle concentration on electrical insulation characteristics of insulating oil,” in 2013 Annu. Rep. Conf. Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), pp. 780–783. D. U. Yue-fan, L. V Yu-zhen, Z. Jian-quan, L. I. Xiao-xin, and L. I. Cheng-rong, “Breakdown Properties of Transformer Oil-based TiO 2 Nanofluid,” pp. 3–6, 2010. H. Jin, T. Andritsch, P. H. F. Morshuis, and J. J. Smit, “AC breakdown voltage and viscosity of mineral oil based SiO2 nanofluids,” Annu. Rep. - Conf. Electr. Insul. Dielectr. Phenomena, CEIDP, pp. 902–905, 2012. Y. F. Du, Y. Z. Lv, C. R. Li, M. T. Chen, J. Q. Zhou, X. X. Li, Y. Zhou, and Y. X. Zhong, “Effect of electron shallow trap on breakdown performance of transformer oil-based nanofluids,”J. Appl. Phys., vol. 110, no. 10, art. no. 104104, 2011. Y. X. Zhong, Y. Z. Lv, C. R. Li, Y. F. Du, M. T. Chen, S. N. Zhang, Y. Zhou, and L. Chen, “Insulating properties and charge characteristics of natural ester fluid modified by TiO2 semiconductive nanoparticles,” IEEE Trans. Dielectr . Electr. Insul., vol. 20, no. 1, pp. 135–140, 2013. Liu, L. J. Zhou, G. N. Wu, Y. F. Zhao, P. Liu, and Q. Peng, “Dielectric frequency response of oil-paper composite insulation modified by nanoparticles,” IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., vol. 19, no. 2, pp. 510–520, 2012. W. Sima, J. Shi, Q. Yang, S. Huang, and X. Cao, “Effects of conductivity and permittivity of nanoparticle on transformer oil insulation performance: Experiment and theory,” IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., vol. 22, no. 1, pp. 380–390, 2015 W. Yu and S. U. S. Choi, “The role of interfacial layers in the enhanced thermal conductivity of nanofluids : A renovated Maxwell model,” pp. 167–171, 2003.
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Preparación de nanofluidos dieléctricos "
1er Método. Las nanopartículas se sintetizan dentro del fluido. Simultáneamente, se dispersan la nanaoparticulas en el liquido, lo que minimiza la aglomeración de partículas y mejora la dispersión en aceite.
"
2º Método. Síntesis en dos etapas, las nanopartículas se preparan fuera del fluido, y luego se dispersan en el fluido por sonicación o agitación magnética.
"
En la mayoría de los casos, la adición de un surfactante (o tensioactivo, i.e. acido oleico) es necesario para evitar la aglomeración de partículas o sedimentación
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