Measurement of electrical conductivity of transformer oil based nanofluid

Full Text

Введение

Изучение влияния включений частиц на электропроводность жидких диэлектриков по-прежнему является актуальной проблемой для электроэнергетики. Значимость возможного влияния присутствия частиц была показана еще в 1970 г. К.У. Смитом и Дж.Х. Калдервудом [1]. При этом особое внимание следует уделить наночастицам, поскольку их фильтрация в ходе исследования [1] привела к наиболее заметному изменению электропроводности. Более поздние работы в этой области также подтверждают возможность существенного влияния наночастиц на электропроводность [2–6].

Существующие исследования в области изучения электропроводности наножидкостей включают описание широкого спектра образцов с различными жидкостями-основаниями и различными наночастицами [7–9]. Однако результаты аналогичных работ зачастую противоречат друг другу. На наш взгляд, это связано с неучетом множества различных факторов, таких как вид используемых частиц, жидкостей или использование поверхностно-активных веществ для стабилизации наножидкости [10–12].

В качестве основы для приготовления наножидкостей особое внимание было уделено таким жидкостям, как вода, этиленгликоль и смеси этих жидкостей в различных концентрациях [13–18]. Общие выводы из рассмотренных работ – в большинстве случаев добавление наночастиц переводит слабопроводящую жидкость в проводящую, значительно увеличивая электропроводность. Кроме того, отмечено значительное влияние вязкости жидкости, концентрации ионов и наличия двойного электрического слоя на изменение электропроводности жидкости.

В рассмотренных статьях было предложено множество корреляционных уравнений для оценки изменения электропроводности на основе экспериментальных данных. Тем не менее в каждой работе предложенные выражения значительно отличались друг от друга, представляя собой линейную зависимость [19, 20], квадратичную и кубическую зависимости [21–23], а также логарифмическую зависимость [24]. В связи с этим на основе этих работ достаточно сложно выработать единую методику оценки электропроводности, особенно учитывая, что рассмотренные в них наножидкости были приготовлены на основе воды или этиленгликоля, а не рассматриваемого нами трансформаторного масла.

Основным же направлением существующих исследований наножидкостей, приготовленных на основе трансформаторного масла, является изучение изменения электрической прочности, причем электропроводность не всегда контролировалась [25–27]. В связи с этим было решено провести измерения электропроводности наножидкостей, приготовленных нами на основе чистого трансформаторного масла. Целью данного исследования является оценка и описание влияния наночастиц на электропроводность и диэлектрическую проницаемость жидкого диэлектрика с использованием теоретических и экспериментальных данных. При проведении эксперимента было решено также рассмотреть возможное влияние как диэлектрических, так и проводящих частиц на свойства наномасла, в качестве которых выбраны часто используемые наночастицы цинка и оксида кремния.

Расчет характеристик композиционного диэлектрического материала

Наиболее правдоподобное описание диэлектрической проницаемости масла с добавлением наночастиц может быть получено с использованием формулы Нильсена, которая ранее была применена для оценки характеристик трансформаторного масла с добавлением керамических микрочастиц [28]. В исследовании [28] было показано полное совпадение данных измерений и расчета с применением формулы Нильсена при значениях объемной доли частиц менее 50 %. В этом случае выражение для расчета диэлектрической проницаемости наножидкостей будет следующим:

$\epsilon ={\epsilon }_{oil}\frac{1+A·B·V_k}{1-A·\psi ·V_k}$, (1)

где ${\epsilon }_{oil}$ – диэлектрическая проницаемость чистого масла; $A$ – коэффициент, характеризующий форму частиц; $V_k$ – объемная доля частиц в масле.

Коэффициент B зависит от диэлектрической проницаемости частиц и рассчитывается следующим образом:

$B=\frac{\frac{{\epsilon }_p}{{\epsilon }_{oil}}-1}{\frac{{\epsilon }_p}{{\epsilon }_{oil}}+A}$, (2)

 

где ${\epsilon }_p$ – диэлектрическая проницаемость частиц.

Коэффициент $\psi$ зависит от максимально возможной объемной доли частиц и был рассчитан в соответствии с выражением

 

$\psi =1+\frac{1-P_m}{P_m^2}·V_k$, (3)

 

где $P_m$ – максимально возможная объемная доля частиц.

Эти соображения также применимы для расчета электропроводности композиционных материалов. В этом случае (1) и (2) преобразуются следующим образом:

 

$\sigma ={\sigma }_{oil}\frac{1+A·B·V_k}{1-B·\psi ·V_k}$, (4)

$B=\frac{\frac{{\sigma }_p}{{\sigma }_{oil}}-1}{\frac{{\sigma }_p}{{\sigma }_{oil}}+A}$, (5)

где ${\sigma }_{oil}$ – электропроводность чистого масла; ${\sigma }_p$ – электрическая проводимость частиц.

В расчетах принимается, что частицы SiO₂ являются идеальным диэлектриком, а частицы Zn – идеальным проводником с соответствующими значениями диэлектрической проницаемости и электропроводности. Форму частиц считали сферической ($A=1,5$), а максимально возможную объемную долю твердой фазы принимали равной 0,74.

Электропроводность различных типов и марок трансформаторного масла может значительно отличаться друг от друга. Чтобы убедиться в точности результатов расчетов, было решено провести экспериментальные измерения электропроводности как для подготовленных наножидкостей, так и для чистого масла.

Результаты эксперимента

В качестве основы для наножидкости использовалось чистое трансформаторное масло ГК, в которое были добавлены или диэлектрические наночастицы диоксида кремния диаметром 20 нанометров, или проводящие наночастицы цинка диаметром 100 нанометров.

Свежее масло марки ГК не подвергалось дополнительной обработке после приобретения, как и наночастицы цинка и диоксида кремния. Единственный момент, который следует подчеркнуть, заключается в том, что эти вещества хранились в закрытых емкостях до смешивания.

Цель эксперимента состояла в том, чтобы зафиксировать изменения электрических характеристик масла после добавления нанопорошков и дальнейшие изменения этих параметров при увеличении концентрации частиц примерно на порядок величины.

Взвешивание частиц для приготовления смеси проводилось на химических весах с точностью до четвертого знака. Необходимый объем масла отмерялся в специальной мерной колбе. После замеров масло с добавленными частицами отправлялось на диспергирование для равномерного распределения частиц по всему объему масла.

Диспергирование осуществлялось в два этапа. Первый этап включал обработку ультразвуком с помощью ультразвукового устройства I10. Мощность устройства составляет 1200 Вт при рабочей частоте 22 килогерца. Обработка одного образца осуществлялась в течение 30 минут.

Вторая стадия приготовления наножидкости проводилась с помощью диспергатора IKA T25 со скоростью вращения 23000 оборотов в минуту. Перемешивание происходило в три подхода по 10 минут для каждого образца. Интервал между подходами составлял 10 минут. После завершения процесса диспергирования приготовленные наножидкости направлялись для проведения измерений.

Измерения проходили в соответствии со стандартом IEC для определения диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь и удельного электрического сопротивления [29].

В качестве измерительного прибора использовался тестер трансформаторного масла BAUR DTL C. Инструментальная погрешность измерения составляет 0,5 %. Измерения проводились при температуре масла, равной 90 °C, и напряжении, равном 500 вольтам. Достоверность данных, полученных в ходе измерения, была обеспечена двумя измерениями для каждого образца наножидкости.

Результаты измерений диэлектрической проницаемости и удельного электрического сопротивления для чистого масла и наножидкостей представлены в таблице.

В соответствии с (1)–(5) были рассчитаны диэлектрическая проницаемость и электропроводность полученных наножидкостей. Удельное электрическое сопротивление определяли из значений электропроводности. Далее был проведен сравнительный анализ результатов расчета с экспериментальными данными. Результаты представлены на рис. 1–4 в виде графиков зависимости диэлектрической проницаемости и удельного электрического сопротивления от объемного содержания частиц для наножидкостей с SiO₂ и Zn соответственно.

Следует отметить, что расчетные значения диэлектрической проницаемости не противоречат экспериментальным данным как для SiO₂, так и для Zn, в том числе имеет значение тот факт, что диэлектрическая проницаемость масла с частицами Zn оказалась несколько выше по сравнению с диэлектрической проницаемостью наномасла на основе SiO₂.

 

Значения диэлектрической проницаемости и удельного сопротивления для исследуемых образцов масла

Образец	Измеряемые параметры
	Диэлектрическая проницаемость	Удельное сопротивление, Ом·м
Чистое масло	2.05	114·109
Масло + SiO2, 0,001 г / 500 мл	2.05	126·109
Масло + SiO2, 0,01 г / 500 мл	2.05	267·109
Масло + SiO2, 0,1 г / 500 мл	2.05	146·1010
Масло + Zn, 0,1 г / 500 мл	2.06	198·109
Масло + Zn, 1 г / 500 мл	2.06	299·109

 

Рис. 1. Зависимость диэлектрической проницаемости наномасла на основе SiO2 от объемной доли частиц

 

Рис. 2. Зависимость диэлектрической проницаемости наномасла на основе Zn от объемной доли частиц

 

Рис. 3. Зависимость удельного электрического сопротивления наномасла на основе SiO2 от объемной доли частиц

 

Рис. 4. Зависимость удельного электрического сопротивления наномасла на основе Zn от объемной доли частиц

 

Более примечательным является изменение удельного сопротивления смесей. Измеренная зависимость удельного сопротивления наномасла от объемной доли включений явно противоречит расчету, в котором зависимость удельного сопротивления от концентрации частиц незначительна.

С чем может быть связано это противоречие? Дело в том, что электропроводность жидких диэлектриков имеет преимущественно ионную природу [30, 31]. В этом случае носителями заряда будут ионы, содержащиеся в жидкости и образующиеся главным образом в результате электролитической диссоциации примесей. Когда наночастицы попадают в масло, запускается процесс адсорбции ионов частицами, в результате чего их поверхность приобретает заряд.

Это приводит к тому, что количество носителей заряда непосредственно в жидкости уменьшается и добавленные частицы становятся носителями заряда. Так как частицы в слабых электрических полях обладают значительно меньшей подвижностью по сравнению с ионами, результирующее сопротивление будет значительно выше за счет уменьшения числа ионов в жидкости.

Схожий эффект можно наблюдать в статье [32], где после определенного порога концентрации частиц отмечено снижение электропроводности приготовленной наножидкости, предположительно за счет того, что используемый в качестве частиц оксид алюминия является активным адсорбентом. Авторы связывают это снижение с недостатком в жидкости ионов для компенсации и увеличения подвижности за счет двойного электрического слоя.

Важным замечанием является то, что оксиды являются более активными адсорбентами по сравнению с металлами. Это объясняет более значительное снижение электропроводности наножидкости на основе SiO₂ при меньшей объемной доле в сравнении с наножидкостью на основе Zn.

Следует отметить, что адсорбция частицами ионов одного знака должна приводить к сдвигу ионного равновесия в жидкости. В свою очередь, этот сдвиг равновесия провоцирует дополнительную диссоциацию ионных примесей и образование большего количества ионов обоих знаков. По-видимому, этим же фактором можно объяснить рост электропроводности в ряде работ, в которых основой наножидкости являются слабопроводящие ионогенные жидкости типа воды, этиленгиколя [7, 9].

При высокой концентрации ионогенных примесей увеличение электропроводности в результате образования дополнительных носителей заряда может компенсировать снижение электропроводности и даже привести к ее увеличению по сравнению с чистым диэлектриком. В связи с этим можно сделать вывод, что в очищенном трансформаторном масле, рассматриваемом нами, недостаточно примесей, способных к диссоциации, чтобы компенсировать снижение электропроводности.

Заключение

В статье представлены результаты экспериментального измерения диэлектрической проницаемости и удельного электрического сопротивления наножидкостей, приготовленных на основе трансформаторного масла с добавлением различных концентраций нанопорошков SiO₂ и Zn.

После проведенных измерений была предпринята попытка описать процесс изменения электропроводности и диэлектрической проницаемости жидких диэлектриков в результате добавления наночастиц. Полученные теоретические результаты анализируются в сравнении с экспериментальными данными.

Анализ выявил, что расчетные значения диэлектрической проницаемости не противоречат экспериментальным данным. Однако выявилось несоответствие теоретического изменения электропроводности по сравнению с экспериментальными данными.

В связи с выявленным противоречием было предложено объяснение, указывающее на возможную причину расхождения и учитывающее большее изменение электропроводности наночастиц в смесях с оксидами кремния, чем с цинком при меньшей объемной доле частиц. Это связано с адсорбцией ионов на поверхности наночастиц, особенно оксида кремния, в результате чего количество ионов в жидкости уменьшается.

About the authors

Sergej M. Korobejnikov

Novosibirsk State Technical University

Author for correspondence.
Email: korobeynikov@corp.nstu.ru

Dr. (Techn.), Professor

Russian Federation, 20, Karl Marx Ave., Novosibirsk, 630073

V. E. Shevchenko

Novosibirsk State Technical University

Email: korobeynikov@corp.nstu.ru

Student

Russian Federation, 20, Karl Marx Ave., Novosibirsk, 630073

Alexander V. Rydel

Novosibirsk State Technical University

Email: ridel@corp.nstu.ru

Ph.D. (Techn.), Associate Professor

Russian Federation, 20, Karl Marx Ave., Novosibirsk, 630073

Ludmila P. Goreva

Novosibirsk State Technical University

Email: goreva@corp.nstu.ru

Ph.D. (Techn.), Associate Professor

Russian Federation, 20, Karl Marx Ave., Novosibirsk, 630073

References

Supplementary files