모노에스테르의 물리화학적 및 유전 성능에 대한 FeO3 및 ZnO 나노입자의 영향에 대한 통계적 분석

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12328(2023) 이 기사 인용

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이 기사에서는 피마자유 모노에스테르의 물리화학적, 전기적 특성을 FeO3 및 ZnO 나노입자 기반의 모노에스테르와 비교하여 비교 연구합니다. 결과는 트리에스터에 관한 문헌의 결과 및 IEEE C 57.14 표준의 권장 사항과도 비교됩니다. 데이터는 적합도 테스트를 사용하여 통계적으로 분석됩니다. 40°C에서의 점도 데이터 분석은 점도 증가를 보여줍니다. 0.10wt%, 0.15wt%, 0.20wt% 농도의 경우 FeO3 NF의 경우 각각 5.4%, 9.69%, 12.9%, ZnO NF의 경우 7.6%, 9.91%, 12.7%입니다. 동일한 농도에서 산가의 증가는 FeO3 샘플의 경우 각각 3.2%, 2.9%, 2.5%이고 ZnO 샘플의 경우 3.18%, 2.0%, 1.2%입니다. 동일한 농도에서 발화점은 FeO3 샘플의 경우 4%, 3% 및 2%의 증가를 나타내고 ZnO 샘플의 경우 8.75%, 6.88% 및 5.63%의 회귀를 나타냅니다. 항복 전압의 경우 동일한 농도에서 FeO3의 경우 각각 43%, 27%, 34%의 증가를 관찰했습니다. 결과는 FeO3가 0.10wt%, 0.15wt%, 0.20wt% 농도에서 각각 24%, 8.13%, 15.21%로 부분 방전 개시 전압이 개선되었음을 보여줍니다.

대부분의 전력 변압기에는 셀룰로오스(종이/압축 판지)와 오일 절연재가 포함되어 있습니다. 이 단열재의 셀룰로오스 부분은 세 가지 주요 기능을 가지고 있습니다. 첫째, 변압기의 주요 부품을 다양한 전압으로부터 절연시켜 변압기가 작동 중일 때 전하를 저장합니다. 이를 유전 함수라고 합니다. 또한 권선이 그 위에 놓이기 때문에 기계적 기능을 수행합니다. 세 번째 기능은 냉각을 위해 열이 전달되는 덕트를 만들어 허용 온도를 유지하는 데 기여하는 것입니다. 오일의 경우, 절연재의 틈을 채워 코어와 어셈블리를 보호할 수 있도록 충분한 절연 내력과 냉각을 보장하는 것이 주요 기능입니다. 또 다른 기능은 셀룰로오스 및 기타 물질과 산소의 접촉을 최소화하여 산화 위험을 줄이는 것입니다. 단열재의 액체 부분의 경우 미네랄 오일이 100년 넘게 가장 널리 사용되었습니다1. 그러나 미네랄 오일이 환경에 미치는 부정적인 영향에 대한 논란은 요즘 환경 운동가들에 의해 매우 심각하게 받아들여지고 있는 뜨거운 주제입니다2. 이러한 치열한 투쟁으로 인해 연구자들은 미네랄 오일의 단점에 대한 대체 솔루션을 조사하게 되었습니다3. 미네랄 오일의 단점을 보완하기 위해 제안된 대안 중 하나는 식물성 오일을 사용하는 것입니다. 지난 수십 년 동안 연구를 통해 식물성 및 합성 추출물로부터 광범위한 액체 유전체를 추출하는 것이 가능해졌습니다4. 일반적으로 이러한 액체의 물리화학적, 열적, 전기적 특성을 광유와 비교하여 분석한 결과를 바탕으로 다양한 제안이 이루어졌습니다. 여기에는 산가, 점도, 인화점 및 발화점, 부분 방전 및 항복 전압 등이 포함됩니다.

산지수(AI)에 대해 말하면 셀룰로오스 단열재의 열화에 중요한 요소입니다. 그러나 전력 변압기의 절연 매체로서 식물성 오일의 호환성에 대한 연구에서 Stefan Tenbohlen5은 천연 에스테르의 총 AI가 광유보다 훨씬 높다는 것을 보여줍니다. 유사한 결과가 미네랄 오일, 팜핵유 메틸 에스테르 및 피마자유 메틸 에스테르에서 이 데이터를 비교 분석한 Nkouetcha 등의 연구에서 보고되었습니다. 이 연구는 이러한 오일을 화학적으로 처리한 후에도 AI가 미네랄 오일보다 높거나 동일하다는 것을 보여줍니다. 점도와 관련하여 이는 전력 변압기 절연 분야에서 가장 중요한 매개변수 중 하나입니다. 액체의 열 전달은 액체의 점도와 밀접하게 연관되어 있습니다. 점도가 높은 액체는 열 전달을 느리게 하여 권선의 가열을 촉진합니다. 그러므로 광유 대신 식물성 기름을 제안할 때에는 점도를 고려해야 합니다. Bertrand 등7은 ISO 3104 표준에서 권장하는 것과 비교하여 세 가지 식물성 기름의 물리화학적 특성에 대한 실험적 연구를 수행했습니다. 조사된 액체는 피마자유, 해바라기유 및 유채씨유의 메틸 에스테르였습니다. 그들의 연구는 조사된 모든 액체의 점도가 표준의 점도보다 낮거나 같은 것으로 나타났습니다. 그러나 실험에서 얻은 결과는 미네랄 오일이 식물성 오일보다 이 점에서 더 나은 특성을 가지고 있음을 보여줍니다. Okafor 등8은 변형 고올레산 대두유(HOSO), 정제된 저올레산 대두유(LOSO), 아큐루브 오일 LB2000(LB2000)과 같은 식물성 오일의 점도를 미네랄 오일 기반 에멀젼과 비교하여 연구했습니다. 절삭유(EC). 결과는 모든 식물성 오일의 점도가 온도에 따라 기하급수적으로 감소하고 광유(EC)의 점도보다 훨씬 높다는 것을 보여줍니다. 발화점과 인화점에는 액체 단열재의 중요한 특성이 있습니다. 이러한 데이터는 전력 변압기와 같이 열 집중도가 높은 환경에서 단열재를 사용해야 하는 경우 더욱 중요합니다. 염증 위험 없이 단열재에 가해지는 최대 열 응력을 예측하려면 식물성 오일의 이 매개변수에 대한 지식이 중요합니다. 이러한 특성은 광유에 비해 식물성 오일 기반 액체 단열재의 장점 중 일부를 나타냅니다. Subburaj 등9은 조사한 식물성 오일의 인화점과 발화점이 ASTM D92 표준에서 권장하는 하한보다 111% 더 높았으며, 이는 미네랄 오일의 경우 50%였습니다. 항복 전압의 경우 Tenbohlen과 Koch5는 합성 에스테르 Midel 7131, 천연 에스테르 Envirotemp FR3 및 억제된 미네랄 오일 Nynas Nytro 3000X와 비교하여 식물성 기름인 High Oleic 90 해바라기유의 항복 전압을 연구했습니다. 그들의 연구는 식물성 기름의 항복 전압이 광유의 항복 전압보다 훨씬 높다는 것을 보여줍니다. 유사한 결과가 피마자유, 유채기름, 해바라기유와 같은 식물성 기름의 항복 전압을 조사한 Bertrand와 Hoang7에 의해 입증되었습니다. 이전 연구에서 우리는 광유10와 비교하여 팜핵유 메틸 에스테르의 부분 방전 전파에 대한 위상 분해능 분석을 수행했습니다. 식물성 기름이 부분 방전 활동을 늦추는 능력이 더 뛰어나다는 결론이 나왔습니다.