Наноинженерная древесина — новые технологии изоляции силовых трансформаторов

Журнал «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» продолжает наблюдение за развитием новых технологий, обеспечивающих улучшение характеристик и повышающих эффективность работы оборудования для электрических сетей. Недавно командой исследователей из США были опубликованы подробности об изобретенном ими изоляционном материале на основе древесины, который превратившись из естественной структуры дерева в высокоточно спроектированную архитектуру изоляции, обладает электрическими, механическими и тепловыми свойствами, необходимыми для работы электросети XXI века.

Сегодня в силовых трансформаторах используется пропитанная маслом изоляционная бумага, которая состоит из целлюлозных волокон, пропитанных изоляционным маслом. Внутренняя структура образует трехмерную сеть масляных карманов микронного размера. Эта технология известна еще с 1890-х годов. Поскольку масло обладает гораздо меньшей диэлектрической прочностью, чем целлюлоза, пути электрического пробоя легко проходят через взаимосвязанные участки масла, что ограничивает общие характеристики бумаги как изолятора. Кроме того, бумажно-масляная изоляция (БМИ) плохо выдерживает физические нагрузки и является плохим проводником тепла, что повышает температуру оборудования и ускоряет разрушение материала.

Исследовательская группа, в состав которой вошли ученые из Йельского университета, Мэрилендского университета, Техасского университета в Остине, Брукхейвенской национальной лаборатории, Лаборатории лесной продукции Министерства сельского хозяйства США и Политехнического института Ренсселера, использовала совершенно иной подход. Вместо обычной целлюлозной бумаги исследователи предложили использовать шпон из натурального дерева, который обладает естественной анизотропной структурой с выровненными порами.

Древесина была подвергнута мягкой щелочной обработке, чтобы удалить некоторые из ее природных компонентов — лигнин и гемицеллюлозу, а затем пропитана изоляционным маслом. Далее древесина была подвергнута прессованию, чтобы сделать ее более плотной. В результате получился новый материал, который назвали пропитанной маслом уплотненной древесиной (ODW).

В процессе уплотнения изначально заполненные маслом каналы микронного размера сжимаются в изолированные одномерные каналы нанометрового размера. Эти масляные каналы нанометрового размера разделены плотными, хорошо выровненными стенками из целлюлозы. В отличие от этого, БМИ содержит непрерывную трехмерную масляную сеть. В результате ODW является очень надежным электрическим изолятором. Поскольку масло находится в изолированных наноканалах, электрический пробой не может непрерывно распространяться через масло и окружающую высокопрочную целлюлозу.

Разработанный материал обладает превосходными механическими и тепловыми свойствами. Прочность ODW на разрыв в 3,5 раза выше, чем у БМИ, а теплопроводность по всей поверхности в 1,6 раза выше. Эти свойства имеют решающее значение для того, чтобы выдерживать нагрузку на обмотку и тепло, выделяющееся внутри трансформаторов. Ускоренное термическое старение при температуре 150°C в течение шести недель показало, что ODW сохраняет более 70% прочности при растяжении, что все еще намного превышает первоначальную прочность БМИ. Улучшенная теплопроводность напрямую снижает рабочие температуры, что замедляет химическую деградацию целлюлозы.

Чтобы продемонстрировать, что материал обеспечивает ожидаемую функциональность, команда изготовила плоский трансформатор, используя ODW в качестве изоляционной коробки. Под нагрузкой трансформатор с ODW-изоляцией работал на 10°C холоднее, чем трансформатор с обычной изоляцией, что объясняется его превосходным тепловыделением. Кроме того, процесс ODW совместим с рулонным производством и позволяет использовать различные породы древесины, такие как липа или бальза, что обеспечивает масштабируемость и гибкость материалов.

Ожидается, что помимо пропитанной маслом бумаги, та же концепция использования анизотропной уплотненной древесины для создания выровненных одномерных наноканалов в диэлектрической среде будет применима к системам, пропитанным эпоксидной смолой, для сухих трансформаторов, двигателей и печатных плат.

Поскольку рост электрификации предъявляет все более высокие требования к сетевой инфраструктуре, такие инновации, как ODW, открывают практичный, экологичный, масштабируемый путь к более долговечным и надежным силовым трансформаторам.

Подготовлено с использованием материалов: Science, Techxplore, ANSYS, Yale University