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Application of nanodielectric fluids for the improvement of the insulation system of power transformers

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2019-12
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2020-03-06
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Power transformers are one of the most important components of electrical systems. The reliability of these elements is vital for the adequate operation of the electrical network; transformer faults can cause power outages and severe accidents which derive in high economic losses. One of the main elements that allows the safe operation of transformers is the insulating system, which is based in liquid and solid insulation. Transformer solid insulation is composed of different types of cellulose based materials such as Kraft paper and pressboard. The liquid insulation is commonly mineral oil, which is a petroleum derivate, although other fluids are starting to be used such as natural and synthetic esters. The transformer insulating fluid has two basic functions. On the one hand it acts as a cooling agent that dissipates the heat generated in the active part of the transformer during its operation; on the other hand, the liquid accomplishes a role as a dielectric material which provides electrical insulation between elements that operate at different voltage level. Since the discovery of nanomaterials, a whole field of study has emerged in order to understand the theoretical and practical knowledge of these materials, and to find new applications for their use. In the last years several authors have proposed the use of nanotechnology for the improvement of the dielectric and thermal properties of insulating liquids (mineral oils and natural and synthetic esters) with application in power transformers. In this thesis an investigation is carried out to analyse how the addition of Fe3O4 nanoparticles modifies the properties of mineral oils and natural esters. The thesis put the main focus on the evaluation of the dielectric properties of the obtained liquids although other aspects such as the manufacturing methods and the stability of the obtained fluids have been also studied. In the first part of the work a method for the synthesis of nanodielectric fluids is developed, obtaining theoretical and experimental conclusions on how the manufacturing process can be optimized. A detailed study is also carried out to evaluate the stability of the nanofluid dispersion both with mineral oil and with natural ester considering the real operating conditions that those fluids would have in transformers. Then the dielectric properties of the produced mineral-oil and natural-ester based nanodielectric fluids are experimentally tested in depth. The breakdown voltage of the fluids is evaluated with alternate current and impulse type discharges. The analysis considers the effect of the presence of water in the dielectric fluids, studying the solubility of water in oils with nanoparticles. A statistical analysis is carried out in which the dielectric nanofluids are compared with their base oils, both for mineral oils and for natural esters. Theoretical explanations are proposed to explain the experimental observations obtained in this work. The study is repeated at different concentrations of nanoparticles in order to elucidate how the presence of nanoparticles affects the properties of the different types of fluids.
El transformador de potencia es uno de los elementos más importantes de los sistemas eléctricos. Garantizar la fiabilidad de estos equipos es vital para conseguir una adecuada operación de la red eléctrica. Los fallos en los transformadores pueden provocar interrupciones del suministro y derivar en fallos catastróficos que frecuentemente llevan aparejados enormes pérdidas económicas. Uno de los elementos principales de los transformadores es su sistema de aislamiento compuesto a su vez por el aislamiento sólido y el aislamiento líquido. El aislamiento está constituido por piezas de materiales derivados de la celulosa como son el papel Kraft o el cartón prensado. El aislamiento líquido es habitualmente un aceite mineral, derivado del petróleo, aunque en los últimos años se está extendiendo el uso de fluidos alternativos como son los ésteres naturales y sintéticos. El aislamiento líquido de un transformador tiene dos misiones principales. Por una parte, actúa como refrigerante, disipando las pérdidas caloríficas generadas en la parte activa del transformador durante la operación del equipo. Adicionalmente, el aceite actúa como fluido dieléctrico impregnando el aislamiento celulósico y proporcionando aislamiento eléctrico entre los elementos del transformador que operan a distinto nivel de tensión. Desde el descubrimiento de los nanomateriales ha surgido un nuevo campo de estudio en el que se trabaja para entender los mecanismos físicos que tienen lugar en estos materiales y se buscan nuevas aplicaciones para los mismos. En los últimos años varios autores han propuesto la aplicación de la nanotecnología a la mejora de las propiedades térmicas y dieléctricas de los fluidos aislantes empleados en los transformadores de potencia. En esta tesis se lleva a cabo una investigación para analizar cómo la adición de nanopartículas de Fe3O4 modifica las propiedades de los aceites minerales y los ésteres naturales. La tesis está centrada en la evaluación de las propiedades dieléctricas de los fluidos obtenidos, aunque también analiza algunos aspectos como los procesos de fabricación y la estabilidad de los nanofluidos dieléctricos. En la primera parte del trabajo se desarrolla un protocolo experimental para la fabricación de nanofluidos dieléctricos con base aceite mineral y éster natural obteniendo conclusiones experimentales y teóricas que pueden ser aplicadas a la optimización del proceso de fabricación. Además, se lleva a cabo un estudio exhaustivo para evaluar la estabilidad de los nanofluidos en los que se consideran las condiciones de operación reales a las que se estarían sometidos los fluidos al operar en un transformador en servicio. Después se realiza una evaluación experimental de las propiedades dieléctricas de los nanofluidos con base aceite mineral y éster natural. Se evalúa la tensión de ruptura de los fluidos ante sobretensiones de frecuencia industrial y sobretensiones tipo rayo. Se analiza el efecto de la presencia de agua en las propiedades dieléctricas de los fluidos base y los nanofluidos descubriendo un mecanismo, por el cual la presencia de nanopartículas modifica la solubilidad del agua en el fluido base, que explica las observaciones experimentales. Se lleva a cabo un detallado análisis estadístico de los resultados experimentales para comparar los nanofluidos con los fluidos base empleados, determinando parámetros relevantes para el diseño del transformador como son las tensiones de ruptura para bajas probabilidades de fallo. El estudio se repite para nanofluidos con distintas concentraciones de partículas con el fin de dilucidar cómo afecta la presencia de nanopartículas a las propiedades de los distintos tipos de fluidos y tratar de explicar los mecanismos físicos que ocurren cuando los nanofluidos se somete a solicitaciones dieléctricas.
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Mención Internacional en el título de doctor
Keywords
Nanodielectric fluids, Power transformers, Insulation systems
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