Zadania związane z rozwojem materiałów elektroizolacyjnych oraz metod diagnostycznych transformatorów elektroenergetycznych są prowadzone od wielu lat [1]. Przesył energii elektrycznej jest niewątpliwie jedną z najbardziej strategicznych dziedzin w dzisiejszej gospodarce.
Stacje transformatorowe stanowią podstawowy element odpowiedzialny za dystrybucją energii elektrycznej. Eksploatacja transformatorów, koszty diagnozy oraz napraw są bardzo wysokie, dlatego tak istotne staje się poszukiwanie nowych metod pozwalających na obniżenie kosztów eksploatacji transformatorów.
Od kilku lat w Instytucie Elektroenergetyki Politechniki Opolskiej są prowadzone badania dotyczące wpływu fulerenów typu C60 na poprawę właściwości dielektrycznych [2] oraz fizykochemicznych olejów elektroizolacyjnych. Kluczowym parametrem wpływającym na właściwości dielektryczne jak i przydatność oleju do dalszej eksploatacji jest stan zawilgocenia oraz liczba kwasowa oleju elektroizolacyjnego. W artykule zajmiemy się analizą liczby kwasowej w nanomodyfikowanych olejach izolacyjnych.
Liczba kwasowa
Proces utleniania w olejach elektroizolacyjnych zachodzi pod wpływem nadmiernej temperatury i obecności powietrza. Proces ten szczególnie intensywnie rozwija się w obecności małych cząsteczek metali, które w tym przypadku są katalizatorami procesu utleniania [3]. Produktem utleniania są zwykle związki o kwaśnym odczynie, a ich stężenie określa się za pomocą liczby kwasowej. Wzrost liczby kwasowej ma niekorzystny wpływ na właściwości dielektryczne olejów izolacyjnych. Przy znacznym stężeniu prowadzi do powstawania „mułu” powodującego zatkanie kanałów odpowiedzialnych za przepływ oleju, co uniemożliwia poprawne funkcjonowanie transformatora. Bardzo często wraz ze wzrostem liczby kwasowej rośnie również zawilgocenie izolacji.
Fulereny
Fulereny, obok grafitu i diamentu, występują jako trzecia alotropowa odmiana węgla. Do najbardziej rozpowszechnionych, a zarazem najlepiej poznanych fulerenów należą fulereny zwierające 60 lub 70 atomów węgla. Cząstki te wykazują wiele ciekawych właściwości, a ich właściwości elektrochemiczne są szczególnie interesujące i intensywnie badane [4]. Cząsteczka fulerenu C60 ma kształt sferoidu, a dokładniej ściętego dwudziestościanu foremnego (truncated icosahedron), który ma 60 wierzchołków, każdy stanowiący jeden atom węgla (rys. 1).
Układ pomiarowy
Pomiary dotyczące wyznaczania liczby kwasowej badanych olejów izolacyjnych wykonane zostały przy użyciu bezpośredniej metody miareczkowania wolumetrycznego (rys. 2). Przebieg procesu pomiaru jest zgodny z zaleceniami producenta urządzeń oraz odpowiada normom określającym sposób wyznaczania liczby kwasowej w produktach naftowych PN-EN ISO 9029:2005 oraz PN-C-04066:1985.
Wszystkie próbki wykorzystane w badaniach zostały przygotowane w Instytucie Elektroenergetyki Politechniki Opolskiej. Każda z próbek miała pojemność 1 l. Przygotowanie próbek polegało na dokładnym odważeniu za pomocą wagi analitycznej odpowiedniej ilości fulerenów C60 i kolejno dodaniu ich do butelek z olejem elektroizolacyjnym. Proces domieszkowania opierał się na naturalnej rozpuszczalności fulerenów w oleju. Każda z próbek była ręcznie mieszana za pomocą szklanego mieszadła w celu wyrównania stężenia domieszki w próbce. Rozpuszczanie próbki o największym stężeniu trwało 16 dni. Obecnie w ramach prac koła naukowego Nano została opracowana metoda mieszadeł magnetycznych, pozwalająca na znaczne przyspieszenie procesu domieszkowania fulerenów w próbkach olejowych [5].
Wyniki pomiarów
Do pomiarów liczby kwasowej zostały wykorzystane próbki o różnym stężeniu zawartości domieszkowanych fulerenów C60. Zawartość fulerenów w badanych próbkach zawierała się w przedziale 0 – 512 mg/l. Każdy pomiar został wykonany dwukrotnie, a średnia z tych pomiarów została przedstawiona jako wynik. Roztworem wykorzystanym do zobojętnienia próbek była zasada KOH o stężeniu molowym 0,1. Proces miareczkowania został wykonany przy użyciu aparatury pomiarowej firmy TitroMatic S. Szczegółowy przebieg procesu miareczkowania przedstawiono na rys. 3. Natomiast wyniki pomiarów dotyczących wyznaczania liczby kwasowej dla różnych stężeń domieszkowanych fulerenów przedstawiono na rys. 4.
Podsumowanie
Badania prowadzone w Instytucie Elektroenergetyki Politechniki Opolskiej pozwalają stwierdzić, że dodawanie fulerenów C60 do olejów elektroizolacyjnych nie pogarsza ich właściwości dielektrycznych, a w niektórych przypadkach znacznie poprawia właściwości dielektryczne i fizykochemiczne [2]. Przedstawione wyniki wyznaczania liczby kwasowej w badanych próbkach potwierdzają korzystny wpływ fulerenów na oleje elektroizolacyjne. Analiza właściwości chemicznych badanych próbek wykazała znaczny spadek liczby kwasowej w próbkach domieszkowanych fulerenami C60. Wraz ze wzrostem stężenia domieszkowanych fulerenów liczba kwasowa malała.
Obiecujące wyniki otrzymane w badaniach mogą posłużyć jako bodziec do dalszy prac związanych z korzystnym wpływem fulerenów na oleje elektroizolacyjne.
Bibliografia
Subocz J.: Transformatory w eksploatacji. Wydawnictwo Energo-Complex, 2007.
Kohtoh M., Kaneko S., Okabe S., Amimoto T.: Aging effect on electrical characteristics of insulating oil in field transformer. IEEE, p. 1698–1706, 2009.
Xie Q., Perez – Cordero E., Echegoyen E.: Electrochemical detection of C606- and C706-: Enhanced stability of fullerides In solution. J. Am. Chem. Soc., 1992, 114, 3978
Kalus P.: An ultrasonic mixer for fullerence solution in transformer oils. Zeszyty Naukowe Politechniki Opolskiej, Elektryka nr 62, 2009.
mgr inż. Dominik Dobry
Politechnika Opolska, Instytut Elektroenergetyki ul. Prószkowska 76, 45-758 Opole
