Analysis of transformer insulation systems with dielectric nanofluids

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 última década, varios autores han publicado estudios que muestran que la dispersión de pequeñas concentraciones de nanopartículas puede mejorar las propiedades dieléctricas y térmicas de los aceites aislantes. Hasta la fecha se han publicado un número significativo de trabajos experimentales que constatan grandes mejoras en la rigidez dieléctrica y en otras propiedades de estos fluidos en comparación con las propiedades de los fluidos base. Sin embargo, a pesar de que estos materiales parecen mejorar las propiedades dieléctricas de los líquidos convencionales, existen serias dudas sobre la posibilidad de que puedan ser empleados en transformadores reales en un futuro próximo. La principal dificultad está relacionada con la pérdida de estabilidad de estos líquidos 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 crítico está relacionado con la interacción de los nanofluidos con otros elementos del transformador y su impacto en las propiedades de estos materiales. En este contexto, el estudio de la interacción entre los nanofluidos y el aislamiento sólido 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 interacción entre los nanofluidos dieléctricos y el aislamiento sólido del transformador. Dentro de la tesis se ha realizado un análisis de las características morfológicas del papel impregnado con nanofluido, que confirmó la penetración de las nanopartículas en la estructura de la celulosa y la formación de enlaces entrea ambos elementos. A continuación, se investigaron varias propiedades dieléctricas, incluida la rigidez dieléctrica y los procesos de polarización en aislamientos sólidos impregnados con nanofluidos; estos son aspectos de especial relevancia para el diseño de los transformadores. Finalmente, se estudió el impacto de las nanopartículas en el proceso de envejecimiento del transformador, para entender cómo influye la presencia de estos elementos en las reacciones químicas que dan lugar a la degradación de los materiales sólidos del transformador. La investigación sobre fluidos nanodieléctricos para el aislamiento de transformadores es un campo de estudio novedoso, y estos materiales aún están lejos de ser de aplicación en transformadores reales. El desarrollo de estudios integrales, como el presentado en esta Tesis, puede contribuir al avance de esta tecnología y al desarrollo de nuevas aplicaciones para estos materiales en el futuro.