モノエステルの物理化学的および誘電性能に対する FeO3 および ZnO ナノ粒子の影響の統計分析

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12328 (2023) この記事を引用

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この記事では、ヒマシ油のモノエステルの物理化学的および電気的特性を、FeO3 および ZnO ナノ粒子に基づく対応物と比較して比較研究します。 結果は、トリエステルに関する文献の結果と比較され、IEEE C 57.14 標準の推奨事項とも比較されます。 データは適合度テストを使用して統計的に分析されます。 40 °C での粘度データの分析では、粘度の増加が示されています。 濃度が 0.10 wt%、0.15 wt%、および 0.20 wt% の場合、これらはそれぞれ、FeO3 NF では 5.4%、9.69%、12.9%、ZnO NF では 7.6%、9.91%、および 12.7% になります。 同じ濃度の場合、酸価の増加は、FeO3 サンプルではそれぞれ 3.2%、2.9%、2.5%、ZnO サンプルでは 3.18%、2.0%、1.2% です。 同じ濃度の場合、発火点は、FeO3 サンプルでは 4%、3%、2% の増加を示し、ZnO サンプルでは 8.75%、6.88%、および 5.63% の減少を示します。 破壊電圧に関しては、同じ濃度で、FeO3 の場合、それぞれ 43%、27%、34% の増加が観察されます。 結果は、FeO3 の濃度が 0.10 wt%、0.15 wt%、0.20 wt% の場合、部分放電開始電圧がそれぞれ 24%、8.13%、15.21% 向上したことを示しています。

ほとんどの電源トランスにはセルロース (紙/圧縮ボール紙) と油絶縁が使用されています。 この断熱材のセルロース部分には 3 つの主な機能があります。 まず、変圧器の主要コンポーネントをさまざまな電圧から絶縁し、変圧器の動作中に電荷を蓄積します。 これは誘電関数と呼ばれます。 また、巻線がその上に置かれるため、機械的機能も果たします。 3 番目の機能は、冷却のために熱が伝達されるダクトを作成することにより、許容可能な温度の維持に貢献することです。 オイルの主な機能は、絶縁材の隙間を埋めることでコアとアセンブリを保護するために十分な絶縁耐力と冷却を確保することです。 そのもう 1 つの機能は、セルロースやその他の材料と酸素との接触を最小限に抑え、酸化のリスクを軽減することです。 断熱材の液体部分には、鉱物油が 1 世紀以上にわたって最も広く使用されてきました 1。 しかし、鉱物油が環境に与える悪影響をめぐる論争は、現在、環境活動家によって非常に真剣に受け止められている注目のテーマです2。 この激しい闘争により、研究者は鉱物油の欠点に対する代替解決策を研究するようになりました3。 鉱物油の欠点をカバーするために提案された代替解決策の 1 つは、植物油を使用することです。 過去数十年間の研究により、植物抽出物や合成抽出物からさまざまな液体誘電体を抽出することが可能になりました4。 さまざまな提案は一般に、鉱物油と比較したこれらの液体の物理化学的、熱的および電気的特性の分析に基づいて行われます。 これらには、ほんの数例を挙げると、酸価、粘度、引火点と発火点、部分放電、絶縁破壊電圧が含まれます。

酸指数 (AI) について言えば、セルロース断熱材の劣化における重要な要素です。 しかし、Stefan Tenbohlen は、電力変圧器の絶縁媒体としての植物油の適合性に関する研究で、天然エステルの総 AI が鉱油よりもはるかに高いことを示しています。 同様の結果が、鉱油、パーム核油メチルエステル、およびヒマシ油メチルエステルにおけるこのデータの比較分析を行った Nkoetcha et al.6 の研究でも報告されています。 この研究は、これらの油を化学処理した後でも、AI が鉱物油の AI 以上であることを示しています。 粘度に関しては、これは電源トランス絶縁の分野で最も重要なパラメータの 1 つです。 液体内の熱伝達は液体の粘度と密接に関係しています。 粘度の高い液体は熱伝達を遅くするため、巻線の加熱が促進されます。 したがって、鉱物油の代替品としての植物油の提案では、その粘度を考慮する必要があります。 Bertrand et al.7 は、3 つの植物油の物理化学的特性について、ISO 3104 規格で推奨されているものと比較した実験研究を実施しました。 調査された液体は、ヒマシ油、ヒマワリ油、およびナタネ油のメチルエステルでした。 彼らの研究では、調査したすべての液体の粘度が標準の粘度以下であることがわかりました。 しかし、彼らの実験から得られた結果は、この点では植物油よりも鉱物油の方が優れた特性を持っていることを示しています。 オカフォーら 8 は、変性高オレイン酸大豆油 (HOSO)、精製低オレイン酸大豆油 (LOSO)、アキュルブ オイル LB2000 (LB2000) などの植物油の粘度を鉱物油ベースのエマルションと比較して研究しました。切削油（EC）。 結果は、すべての植物油の粘度が温度とともに指数関数的に減少し、鉱物油 (EC) の粘度よりも大幅に高いことを示しています。 発火点と引火点については、液体絶縁体の重要な特性があります。 これらのデータは、電源変圧器など、熱が集中する環境で絶縁体を使用する場合には、さらに重要になります。 植物油におけるこのパラメータを知ることは、炎症の危険なしに断熱材にかかる最大熱応力を予測するために重要です。 これらの特性は、鉱物油と比較した植物油ベースの液体断熱材の強みの一部を表しています。 Subburaj et al.9 は、調査した植物油の引火点と発火点が ASTM D92 規格で推奨されている下限より 111% 高いのに対し、鉱物油では 50% 高いことを示しました。 絶縁破壊電圧について、Tenbohlen と Koch5 は、植物油である高オレイン酸 90 ひまわり油の絶縁破壊電圧を、合成エステル Midel 7131、天然エステル Envirotemp FR3、および抑制鉱物油 Nynas Nytro 3000X と比較して研究しました。 彼らの研究は、植物油の破壊電圧が鉱物油の破壊電圧よりもはるかに高いことを示しています。 同様の結果は、ひまし油、菜種油、ひまわり油などの植物油の破壊電圧を調査した Bertrand と Hoang7 によっても実証されました。 以前の研究では、パーム核油メチルエステルにおける部分放電の伝播について、鉱物油と比較した相分解分析を実行しました10。 植物油には部分放電の活動を遅らせる効果があると結論づけられました。