Publication: Analysis of transformer insulation systems with dielectric nanofluids
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Publication date
2022-07
Defense date
2022-10-18
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
A number of authors have reported that the dispersion of small concentrations of
nanoparticles may improve the dielectric and thermal properties of insulating oils.
Extensive experimental work has been published reporting large improvements in the
dielectric strength of these fluids compared with the properties of the base liquids.
However, even if those materials enhance the dielectric properties of conventional
liquids, there are serious concerns about their applicability to real transformers in the
future. The main difficulty is related with the long-term stability of the liquids at transformer
service temperatures. This factor would only be improved if multidisciplinary
research teams cooperate in the development of nanofluids which remains stable in the
long term.
Another critical aspect is related with the interaction of nanofluids with other elements
of the transformer, and the impact that they might have on the properties
of these materials. In this field, the study of the interaction between nanofluids and
transformer solid insulation is specially relevant. However only a small number of works
have studied the topic up to date.
This PhD. Thesis carries out a research to get insight on the interaction between
dielectric nanofluids and transformer’s solid -insulation. An analysis on the morphological
characteristics of nanofluid-impregnated paper was conducted that confirms the
penetration of nanoparticles in the cellulose structure. Then several dielectric properties
were investigated, including the dielectric strength and the polarization processes
in nanofluid-impregnated solid insulation. Finally, the impact of the nanoparticles on
the transformer ageing process was studied, to understand how the chemical reactions
that lead to the degradation of solid materials on the transformer changes when the
impregnation liquid is a nanofluid.
Research on nanodielectric fluids for transformer insulation is still a new field of
study and these materials are still far from being of application to real transformers.
The development of comprehensive studies, as the one presented in this Thesis, may
contribute to the advance of this technology and to the promotion of new applications
for these materials in the future.
A lo largo de la Ăşltima dĂ©cada, varios autores han publicado estudios que muestran que la dispersiĂłn de pequeñas concentraciones de nanopartĂculas puede mejorar las propiedades dielĂ©ctricas y tĂ©rmicas de los aceites aislantes. Hasta la fecha se han publicado un nĂşmero significativo de trabajos experimentales que constatan grandes mejoras en la rigidez dielĂ©ctrica y en otras propiedades de estos fluidos en comparaciĂłn con las propiedades de los fluidos base. Sin embargo, a pesar de que estos materiales parecen mejorar las propiedades dielĂ©ctricas de los lĂquidos convencionales, existen serias dudas sobre la posibilidad de que puedan ser empleados en transformadores reales en un futuro prĂłximo. La principal dificultad está relacionada con la pĂ©rdida de estabilidad de estos lĂquidos a las temperaturas de servicio del transformador. Este aspecto solo podrá mejorarse mediante el desarrollo de investigaciones en las que colaboren investigadores de distintas áreas que logren desarrollar nanofluidos que con suficiente estabilidad a largo plazo. Otro aspecto crĂtico está relacionado con la interacciĂłn de los nanofluidos con otros elementos del transformador y su impacto en las propiedades de estos materiales. En este contexto, el estudio de la interacciĂłn entre los nanofluidos y el aislamiento sĂłlido del transformador es de especial relevancia. A pesar de ello los estudios desarrollados sobre esta temática hasta la fecha han sido escasos. En esta tesis doctoral se lleva a cabo un estudio integral sobre la interacciĂłn entre los nanofluidos dielĂ©ctricos y el aislamiento sĂłlido del transformador. Dentro de la tesis se ha realizado un análisis de las caracterĂsticas morfolĂłgicas del papel impregnado con nanofluido, que confirmĂł la penetraciĂłn de las nanopartĂculas en la estructura de la celulosa y la formaciĂłn de enlaces entrea ambos elementos. A continuaciĂłn, se investigaron varias propiedades dielĂ©ctricas, incluida la rigidez dielĂ©ctrica y los procesos de polarizaciĂłn en aislamientos sĂłlidos impregnados con nanofluidos; estos son aspectos de especial relevancia para el diseño de los transformadores. Finalmente, se estudiĂł el impacto de las nanopartĂculas en el proceso de envejecimiento del transformador, para entender cĂłmo influye la presencia de estos elementos en las reacciones quĂmicas que dan lugar a la degradaciĂłn de los materiales sĂłlidos del transformador. La investigaciĂłn sobre fluidos nanodielĂ©ctricos para el aislamiento de transformadores es un campo de estudio novedoso, y estos materiales aĂşn están lejos de ser de aplicaciĂłn en transformadores reales. El desarrollo de estudios integrales, como el presentado en esta Tesis, puede contribuir al avance de esta tecnologĂa y al desarrollo de nuevas aplicaciones para estos materiales en el futuro.
A lo largo de la Ăşltima dĂ©cada, varios autores han publicado estudios que muestran que la dispersiĂłn de pequeñas concentraciones de nanopartĂculas puede mejorar las propiedades dielĂ©ctricas y tĂ©rmicas de los aceites aislantes. Hasta la fecha se han publicado un nĂşmero significativo de trabajos experimentales que constatan grandes mejoras en la rigidez dielĂ©ctrica y en otras propiedades de estos fluidos en comparaciĂłn con las propiedades de los fluidos base. Sin embargo, a pesar de que estos materiales parecen mejorar las propiedades dielĂ©ctricas de los lĂquidos convencionales, existen serias dudas sobre la posibilidad de que puedan ser empleados en transformadores reales en un futuro prĂłximo. La principal dificultad está relacionada con la pĂ©rdida de estabilidad de estos lĂquidos a las temperaturas de servicio del transformador. Este aspecto solo podrá mejorarse mediante el desarrollo de investigaciones en las que colaboren investigadores de distintas áreas que logren desarrollar nanofluidos que con suficiente estabilidad a largo plazo. Otro aspecto crĂtico está relacionado con la interacciĂłn de los nanofluidos con otros elementos del transformador y su impacto en las propiedades de estos materiales. En este contexto, el estudio de la interacciĂłn entre los nanofluidos y el aislamiento sĂłlido del transformador es de especial relevancia. A pesar de ello los estudios desarrollados sobre esta temática hasta la fecha han sido escasos. En esta tesis doctoral se lleva a cabo un estudio integral sobre la interacciĂłn entre los nanofluidos dielĂ©ctricos y el aislamiento sĂłlido del transformador. Dentro de la tesis se ha realizado un análisis de las caracterĂsticas morfolĂłgicas del papel impregnado con nanofluido, que confirmĂł la penetraciĂłn de las nanopartĂculas en la estructura de la celulosa y la formaciĂłn de enlaces entrea ambos elementos. A continuaciĂłn, se investigaron varias propiedades dielĂ©ctricas, incluida la rigidez dielĂ©ctrica y los procesos de polarizaciĂłn en aislamientos sĂłlidos impregnados con nanofluidos; estos son aspectos de especial relevancia para el diseño de los transformadores. Finalmente, se estudiĂł el impacto de las nanopartĂculas en el proceso de envejecimiento del transformador, para entender cĂłmo influye la presencia de estos elementos en las reacciones quĂmicas que dan lugar a la degradaciĂłn de los materiales sĂłlidos del transformador. La investigaciĂłn sobre fluidos nanodielĂ©ctricos para el aislamiento de transformadores es un campo de estudio novedoso, y estos materiales aĂşn están lejos de ser de aplicaciĂłn en transformadores reales. El desarrollo de estudios integrales, como el presentado en esta Tesis, puede contribuir al avance de esta tecnologĂa y al desarrollo de nuevas aplicaciones para estos materiales en el futuro.
Description
Keywords
Nanofluids, Nanoparticles, Transformer insulation, Dielectric nanofluids, Dielectric strength