Treballo amb fluids dielèctrics des de l'any 2014. Els he vessat, els he respirat (no ho fan), els he vist fallar catastròficament i una vegada, UNA VEGADA, vaig haver d'evacuar un edifici perquè algú va pensar que estaria bé utilitzar el tipus equivocat. No estava bé.
Això és tot el que m'agradaria que algú em digués abans de començar a treballar amb aquestes coses.
Què és fins i tot el fluid dielèctric?
Doncs bé. Saps com passa l'electricitat a través del metall? I com no es condueix a través de... no-metall? Aquesta és la idea bàsica.
El fluid dielèctric és un aïllant líquid. No condueix l'electricitat. O tècnicament ho fa, però MOLT malament, cosa que per als nostres propòsits vol dir que no. La resistivitat és com 10^12 ohm-metres o més. Compareu-ho amb el coure a 10 ^ -8. Gran diferència.
Però aquí està el problema: no es tracta només d'aïllament. Els fluids dielèctrics fan tres treballs:
Aïllament elèctric- Impedeix que el corrent vagi on no hauria de ser
Refrigeració- Allunya la calor dels punts calents
Supressió d'arc- Si hi ha una espurna, l'ofega
Aquest tercer és crític i la majoria de la gent no ho entén. L'aire és en realitat un bon aïllant fins que no ho és. Obteniu prou tensió, l'aire es trenca, obteniu un arc, les coses exploten. Temps divertits.
Dielèctric líquid? Tensió de ruptura molt més alta. Estem parlant de 30-70 kV per a un buit de 2,5 mm en petroli enfront de 8-10 kV a l'aire. Així podeu empaquetar l'equip elèctric molt més ajustat.
Per què l'utilitzem
Perquè hem de fer-ho, bàsicament.
Mira un gran transformador. Els que veieu als pals elèctrics o als edificis exteriors. Dins d'aquesta llauna metàl·lica hi ha un munt de bobines de coure embolicades al voltant d'un nucli de ferro. Aquestes bobines s'escalfen. Com 80-90 graus de calor amb càrrega normal, més calent amb càrrega pesada.
Refrigeració per aire? Oblida't. No n'hi ha prou. Necessites alguna cosa que:
No condueix l'electricitat
Té una bona capacitat calorífica
Realment pot moure la calor (convecció)
No s'encén fàcilment
Dura dècades sense trencar-se
Aigua? Gran capacitat calorífica! També condueix l'electricitat. Passada dura.
Aire? No condueix, però una transferència de calor terrible.
Oli? No condueix (molt), bona capacitat calorífica, flueix fàcilment, relativament segur. Guanyador guanyador.
Vaig treballar una vegada en un projecte en què el client va insistir que podia utilitzar la refrigeració per aire en un transformador de 2 MVA. Els va estalviar com 3.000 dòlars al petroli. Els va costar 80.000 dòlars quan el transformador va fallar després de 8 mesos. El coure es va fondre literalment. Tinc imatges en algun lloc.
Els diferents tipus i per què són importants
Oh home d'acord aquí és on es complica. Però intentaré que sigui senzill.
Oli mineral (oli de transformador)
Què és: Producte del petroli refinat
Avantatges: barat, funciona molt bé, l'he fet servir durant 100+ anys
Contres: Inflamable (una mena), preocupacions ambientals, biodegradabilitat és una merda
S'utilitza a: la majoria de transformadors, equips més antics
Cost: com 5-8 dòlars per galó a granel (els preus van augmentar recentment, coses de la cadena de subministrament)
Fluid de silicona
Què és: oli de polímer sintètic (normalment polidimetilsiloxà)
Avantatges: punt d'inflamació elevat (300 graus +), estable, no s'oxida fàcilment
Contres: Car com l'infern, si es crema el fum és tòxic
S'utilitza en: transformadors d'interior, llocs on el risc d'incendi és crític
Cost: 30-60 dòlars per galó
Nota: he vist que el fluid de silicona sobreviu a incendis que haurien destruït equips d'oli mineral
Fluids d'Ester
Èster natural: elaborat amb verdures (soja, colza, gira-sol)
Èster sintètic: el laboratori-va fer molècules similars
Avantatges: Biodegradable, alt punt de foc, millor per al medi ambient
Contres: pot ser sensible a la humitat, car, es degrada més ràpidament en algunes condicions
Cost: 15-40 dòlars per galó segons el tipus
S'utilitza a: Noves instal·lacions, modernitzacions, en qualsevol lloc que els reglaments ambientals siguin estrictes
Fluids de fluorocarboni
Què és: compostos fluorats sintètics
Avantatges: completament no-inflamable, increïble estabilitat a la temperatura
Desavantatges: INSTANAMENT CAR, problemes mediambientals (alguns són gasos d'efecte hivernacle)
S'utilitza en: militar, aviació, aplicacions crítiques
Cost: No ho preguntis. De debò. Com $200+ per galó. El vam utilitzar una vegada en un contracte DOD.
També n'hi haaïllat-de gascoses (SF6), però això no és realment un fluid i també l'SF6 és horrible per al medi ambient, així que estem intentant eliminar-lo gradualment. Bon deslliurament sincerament.
Oli mineral vs sintètic: el gran debat
Em pregunten sobre això constantment. "Hauria d'utilitzar oli mineral o sintètic?"
La resposta és: quin és el vostre pressupost i quina és l'aplicació?
Utilitzeu oli mineral quan:
És un transformador exterior estàndard
El pressupost és ajustat
Estàs d'acord amb els compromisos ambientals
El risc d'incendi és manejable
Tens una contenció adequada
Jo diria que el 80% dels transformadors que hi ha encara són oli mineral. Funciona. És barat. És el que tothom sap com gestionar.
Utilitzeu sintètics (silicone/èster) quan:
Instal·lació interior
Els codis de foc ho requereixen
La normativa mediambiental ho exigeix
A prop de fonts d'aigua o zones sensibles
T'ho pots permetre
Un dels meus clients va passar de l'oli mineral a l'èster natural per a tots els seus transformadors-muntats a coixinets. El cost va augmentar un 40% per unitat. Però els seus costos d'assegurança van baixar un 15% i van obtenir relacions públiques positives per ser "verds". Tenia sentit per a ells.
Un altre client va intentar abaratir-se i utilitzar oli mineral on hauria d'haver utilitzat silicona. El transformador estava al soterrani d'un edifici. El comissari de bombers el va atrapar durant la inspecció. Van haver de buidar-ho tot i omplir de silicona. Els va costar com 25.000 dòlars en modernització més temps d'inactivitat. Només cal que utilitzeu el fluid adequat des del principi.
Aquella vegada vaig aprendre sobre els PCB de la manera difícil
D'acord, això és important i també una mica aterridor.
Els PCB (bifenils policlorats) solien ser EL fluid dielèctric. Com des dels anys 30 fins als 70. Van ser increïbles: súper estables, d'alta força dielèctrica, no-inflamables. Perfecte, oi?
Llavors vam descobrir que causaven càncer. I no es trenquen. Mai. Simplement s'acumulen al medi ambient i als éssers vius. Vaja!
Els EUA els van prohibir l'any 1979. La majoria dels països els van seguir finalment. Però aquí està la cosa: els transformadors duren 30, 40, 50 anys. Així que encara hi ha equips amb PCB.
Ho vaig aprendre de la manera més difícil l'any 2016. Estava fent el manteniment del que pensava que era un vell transformador d'oli mineral. L'etiqueta deia oli mineral. La documentació deia oli mineral. Va prendre una mostra per provar la rigidesa dielèctrica (procediment estàndard) i va descobrir que en realitat era askarel, un fluid basat en PCB-.
Algú l'havia reetiquetat en algun moment. Probablement per evitar costos d'eliminació (l'eliminació de PCB és cara i està molt regulada).
Vam haver d'evacuar l'edifici, trucar a un equip de materials perillosos, fer proves de sòl, els nou metres. Vaig haver de fer proves mèdiques per assegurar-me que no estava exposat a nivells perillosos. Setmana divertida.
Si treballeu amb transformadors antics:
SEMPRE prova abans de suposar quin líquid hi ha
Les etiquetes menteixen
Els PCB són més pesats que l'oli mineral (gravetat específica ~ 1,5 vs 0,88)
Si trobeu PCB, informeu-ho. No intenteu disposar-ne vosaltres mateixos.
Encara hi ha desenes de milers de transformadors de PCB en servei
Això no és una broma. Els PCB són molt males notícies. Conec tres nois que van desenvolupar problemes de salut per exposició a PCB. Un s'havia de jubilar abans d'hora.
Oli de transformador (el tipus més comú)
Permeteu-me concretar sobre l'oli del transformador, ja que això és el que tractarà la majoria de la gent.
Comença com a petroli cru, es refina, s'hidroprocesa per eliminar el sofre i els aromàtics, i després es tracta per eliminar la humitat i les partícules. El que acabes és un líquid clar a groc pàl·lid que és aproximadament un 90% d'hidrocarburs parafínics.
Propietats clau:
Densitat: ~0,87 g/cm³ a 20 graus
Viscositat: 10-12 cSt a 40 graus (bàsicament com aigua espessa)
Punt d'inflamació: 135-160 graus (depèn del grau)
Punt d'abocament: -40 graus o inferior per a graus de clima fred
Rigidesa dielèctrica: 30+ kV per a un espai de 2,5 mm (oli fresc, tractat adequadament)
Factor de dissipació:<0.5% at 90°C
Això del factor de dissipació és important. Mesura quanta energia absorbeix el petroli i la converteix en calor. Més baix és millor. El petroli nou és com el 0,05%. L'oli degradat vell pot ser del 5% o més. Això és un problema.
He provat l'oli de transformador que estava en servei des de 1968. Era MARRÓ. Com la coca-cola marró. El factor de dissipació estava fora dels gràfics. La rigidesa dielèctrica era potser de 15 kV. Aquell transformador era una bomba de rellotgeria.
El van substituir després del meu informe. També és bo perquè a dins hem trobat aïllament de paper carbonitzat. Un altre any o dos i aquesta cosa hauria fracassat catastròficament.
On trobareu aquestes coses realment
Més llocs dels que penses.
Transformadors elèctrics- Evidentment. Des de petits-coixinets fins a subestacions massives. Els grans poden tenir 10,000+ galons d'oli. Això és una piscina plena d'oli.
Disjuntors- Els interruptors d'alta tensió solen utilitzar oli per a la supressió d'arcs. Quan trenqueu un circuit de 230 kV sota càrrega, obteniu un arc infernal. L'oli ajuda a apagar-lo.
Condensadors- Alguns condensadors antics utilitzaven fluid dielèctric. La majoria dels nous utilitzen una altra cosa, però encara hi ha equipament antic al voltant.
CablesEls cables - plens d'oli- solien ser habituals per a la transmissió d'energia subterrània. Tub amb cable a l'interior, ple d'oli a pressió. Els estem eliminant progressivament, però encara es troben a les grans ciutats.
Refrigeració per immersió per a ordinadors- Això és més nou i genial. Els centres de dades submergeixen servidors sencers en fluid dielèctric. No es necessiten ventiladors, una refrigeració molt millor. Vaig visitar una instal·lació fent això l'any 2023. És estrany veure una placa base només... asseguda en oli transparent... funcionant amb normalitat.
Precipitadors electrostàtics- Filtració d'aire industrial. Utilitzen alta tensió per carregar partícules. Necessita fluid dielèctric per aïllar les peces d'alta tensió.
Equipament mèdic- Màquines de raigs X-, alguns tipus d'equips d'imatge. A qualsevol lloc on necessiteu alta tensió en un espai reduït.
Màquines d'electroerosió- Mecanitzat de descàrrega elèctrica. Tallen el metall amb espurnes controlades sota l'aigua. Bé, tècnicament sota fluid dielèctric.
També vaig veure un fluid dielèctric utilitzat com a fluid hidràulic una vegada. Això va ser... interessant. I probablement no fos una bona idea, però va funcionar. Guy estava en un pessic i era el que tenia. No el recomanem.
Coses de seguretat que ningú et diu (fins que algú es fereix)
Bé, així que seré real amb tu. Els fluids dielèctrics són bastant segurs en comparació amb molts productes químics industrials. Però no són inofensius.
Oli mineral:
Irritant la pell lleu per a algunes persones
No respireu el vapor si fa calor (pot causar mals de cap, nàusees)
Relliscosos com l'infern (he vist tres persones relliscar i caure)
Si s'encén... bé, se suposa que no s'encén fàcilment, però si ho fa, no utilitzeu aigua. Utilitzeu escuma o CO2.
El vapor calent es pot condensar als pulmons. Això és dolent.
Fluids de silicona:
Gairebé no-tòxic a temperatures normals
Però si es cremen (i no es cremen fàcilment), els productes de combustió inclouen formaldehid i altres coses desagradables
També molt relliscós
Difícil de netejar (no es barreja amb aigua, no s'evapora)
Fluids d'èster:
Generalment segur, fet de verdures, oi?
Pot causar reaccions al·lèrgiques en algunes persones (especialment si sou al·lèrgic a la soja/llavor)
Es degrada més ràpidament en presència d'aigua/oxigen
Els productes de degradació poden ser àcids i corroir metalls
Fluorocarburs:
No-tòxic majoritàriament
But some are greenhouse gases (GWP >10000)
Car de disposar correctament
Coses generals de seguretat:
Feu servir guants. Sé que és un dolor, però l'oli del transformador a les mans arriba a tot arreu. El teu telèfon, el teu volant, el teu dinar. Només poseu-vos els maleïts guants.
Protecció ocular quan es prenen mostres o es treballen en equips sota pressió. Vaig veure com un noi agafava la cara plena d'oli calent del transformador quan va fallar una vàlvula. Estava bé, però podria haver estat dolent.
Ventilació adequada en espais tancats. El vapor d'oli és més pesat que l'aire i s'acumularà en punts baixos. He vist gent desmaiar-se per l'exposició al vapor a les voltes dels transformadors.
Saber amb què estàs treballant. Els equips antics poden tenir PCB encara que estiguin etiquetats d'una altra manera. Prova primer.
Tenir una contenció de vessaments. Quan un transformador falla, pot filtrar centenars de galons ràpidament. Necessites bermes, sistemes de contenció, materials absorbents.
Una vegada vaig respondre a una fallada del transformador on 500 galons d'oli mineral es van filtrar a un desguàs de tempestes. Va arribar a un rierol abans que poguéssim aturar-lo. El cost de la neteja va superar els 200.000 dòlars. L'EPA NO estava content. L'empresa va ser multada amb 75.000 dòlars.
Tot perquè la berma de contenció tenia una esquerda que ningú es va adonar.
Proves i per què va morir el vostre transformador
Aquesta és la qüestió dels fluids dielèctrics: envelleixen. Es degraden. L'oli en si pot estar bé, però acumula contaminants:
Humitat (de la respiració a través de les ventilacions)
Partícules (de desgast)
Àcids (de l'oxidació)
Gasos dissolts (de descàrrega parcial i sobreescalfament)
Fem proves per a totes aquestes coses. O ho hauríem de fer. Molts llocs no fan proves amb prou regularitat i després se sorprenen quan falla un transformador.
Proves que fem:
Força dielèctrica- Quanta tensió pot suportar? Hauria de ser de 30+ kV per a un bon petroli. Per sota de 20 kV i em preocupa. Per sota de 15 kV i aquest equip necessita atenció ARA.
Ho provo amb un conjunt de prova portàtil. Aplicar tensió a 3 kV per segon fins a l'avaria. Feu-ho tres vegades, feu la mitjana dels resultats. Triga com 10 minuts. Pot estalviar-vos d'una fallada del transformador de 100.000 dòlars.
Anàlisi de gasos dissolts (DGA)- Aquestes són les coses bones. Quan l'aïllament del transformador es trenca o quan hi ha arc, produeix gasos. Aquests es dissolen en l'oli. Els extreim i analitzem:
Hidrogen (H2) - sobreescalfament general, corona
Metà (CH4) - sobreescalfament menor
Eta (C2H6) - sobreescalfament de ~300 graus
Etilè (C2H4) - sobreescalfament ~500 graus +
Arc d'acetilè (C2H2) -
Degradació de la cel·lulosa - de monòxid/diòxid de carboni
Cada gas explica una història. Acetilè alt? Tens arc. Alt etilè? Sobreescalfament greu. Molt CO? El vostre aïllament de paper s'està cuinant.
He diagnosticat problemes del transformador de forma remota només mirant els resultats de la DGA. "El teu acetilè està a 300 ppm? Tens una connexió fluixa a l'interior. Tanca'l".
Contingut d'humitat- Hauria de ser inferior a 35 ppm per a un bon aïllament. Per sobre de 50 ppm i la vostra rigidesa dielèctrica cau significativament. Per sobre de 100 ppm i estàs demanant problemes.
La humitat entra a través dels conductes de ventilació, a través dels segells, de la descomposició de l'aïllament. És una batalla constant.
Vaig veure un transformador que feia dos anys que estava sense utilitzar. Ningú el va mantenir, es va disparar la ventilació, va entrar humitat. El contingut d'humitat era de més de 200 ppm. La rigidesa dielèctrica era de 8 kV. Ni tan sols podríem alimentar-lo amb seguretat. Havia de recuperar l'oli i assecar-lo. Va trigar tres dies.
Acidesa (número de neutralització)- Mesura el contingut d'àcid. L'oli fresc és com 0,01 mg KOH/g. Per sobre de 0,15 i comença a oxidar-se. Per sobre de 0,40 i s'ha degradat significativament.
Factor de potència/factor de dissipació- Quanta energia malgasta el petroli com a calor. Oli nou<0.05%. Above 0.5% at 90°C and there's contamination.
Tensió interfacial- Mesura la tensió superficial a la interfície del petroli-aigua. Sona estrany, però és un bon indicador dels productes d'oxidació. L'oli fresc és de 40+ dines/cm. Per sota dels 25 i està degradat.
Fem aquestes proves anualment en equips crítics, cada 2-3 anys en coses menys crítiques. Alguns llocs es fan proves trimestrals. Alguns llocs mai es posen a prova.
Endevineu quins tenen més fracassos?
L'angle ambiental (és complicat)
D'acord, aquí és on les coses es desordenan. Ambientalment parlant.
Oli mineral:
Fet amb combustibles fòssils (dolent per a la petjada de carboni)
Es triguen dècades a biodegradar-se al medi ambient
Tòxic per a la vida aquàtica en grans quantitats
Els vessaments són incidents ambientals greus
PERÒ: relativament estable, normalment no produeix productes de descomposició nocius
Èsters naturals:
Fet amb recursos renovables (bo!)
Es biodegrada ràpidament (+90% en 28 dies)
Menor toxicitat ambiental
PERÒ: requereix agricultura (ús de la terra, aigua, pesticides)
El processament té el seu propi cost ambiental
Èsters sintètics:
Fet-en laboratori (intensiu energètic)
Biodegradabilitat variable
Generalment millor que l'oli mineral
Però la producció té costos ambientals
Silicones:
Realment no es biodegraden
Però tampoc no produeixin productes de degradació tòxics
Molt estable a l'entorn (bo i dolent)
Fluorocarburs:
Molts són gasos d'efecte hivernacle potents
Pot persistir a l'atmosfera durant dècades
Intentant eliminar els pitjors
Buscant alternatives
La realitat és que no hi ha una solució perfecta. Cada tipus té avantatges.
Vaig treballar en un projecte on vam adaptar 50 transformadors d'oli mineral a èster natural. El PR va ser genial: "100% biodegradable!" "Respectuós amb el medi ambient!" L'empresa va rebre premis.
Però ningú no va esmentar:
L'oli mineral s'havia d'eliminar (incinerar)
L'èster natural costa 3 vegades més
Ha requerit proves i manteniment més freqüents
Els transformadors funcionaven una mica més calents
L'èster venia de soja cultivada... en algun lloc (no vam demanar massa)
Va ser millor per al medi ambient en general? Probablement. Potser. Sincerament no ho sé. L'anàlisi del cicle de vida seria complicat.
El que SÍ sé és que prevenir els vessaments és més important que el tipus de fluid. Un sistema d'oli mineral-ben cuidat i amb una contenció adequada és millor que un sistema d'èsters naturals amb fuites.
Alternatives i tecnologia
Passen algunes coses interessants:
Transformadors de tipus-sec- No hi ha líquid. Utilitzeu aire o gas per a la refrigeració. Funciona molt bé per a unitats més petites, però l'eficiència baixa en les grans. Més car inicialment però sense manteniment de fluids.
Aïllament al buit- En lloc de líquid, fes servir el buit. Sembla una bogeria però funciona. Principalment per a aplicacions especialitzades.
Dielèctrics nanofluids- Afegir nanopartícules als fluids tradicionals per millorar les propietats. Encara majoritàriament fase d'investigació, però prometedora. He vist els resultats de les proves que mostren un 30-40% de transferència de calor millor. Podria permetre transformadors més petits.
Fluids de base-bio- Més enllà dels èsters. Mirant els fluids derivats d'algues-, olis vegetals modificats i altres fonts renovables. El repte és igualar el rendiment i el cost dels fluids tradicionals.
Alternatives SF6- Atès que l'SF6 és un gas d'efecte hivernacle terrible, cal treballar molt en alternatives. Aire sec amb alta pressió, mescles nitrogen/CO2, nous gasos sintètics amb menor GWP.
Millor seguiment- Sensors en línia per a un seguiment continu. Sensors DGA que analitzen gasos en-temps real. Sensors d'humitat. Sensors de temperatura a tot arreu. L'objectiu és predir els errors abans que es produeixin.
He estat provant un sistema DGA en línia durant l'últim any. És força genial: mostra l'espai de cap del gas cada hora, envia dades al núvol, avisa si hi ha alguna cosa malament. Va detectar una falla incipient a les 2 de la matinada d'un dissabte. Aquell transformador hauria fallat dilluns al matí si no haguéssim rebut l'alerta.
El cost encara és elevat (entre 5 i 10.000 dòlars per unitat), però baixa. D'aquí a 5-10 anys, aposto que això serà estàndard en equips crítics.
El que realment recomano
Seré directe amb tu.
Si esteu especificant un transformador nou:
Ubicació interior? Utilitzeu silicona o èster sintètic. Mossegueu la bala sobre el cost. El risc d'incendi no val la pena.
Ubicació exterior amb bona contenció? L'oli mineral està bé. Funciona.
A prop de zones ambientalment sensibles? Èster natural.
El pressupost no té cap objecte? Éster sintètic o tipus sec-.
Si feu manteniment d'equips existents:
PROVA EL TEU OLI. Com a mínim anualment. Trimestral per a coses crítiques.
Mantenir registres detallats. Seguiment de tendències. Un mal resultat de la prova pot ser una anomalia. Una tendència és un problema.
Canvia l'oli abans que es faci molt malament. Intentar recuperar el petroli molt degradat és car.
Arregleu les fuites immediatament. Les petites fuites es converteixen en grans fuites.
Els respiradors són importants. Utilitzeu respiradors dessecants i canvieu-los regularment.
La temperatura importa. Els punts calents maten els transformadors. Monitor de temps.
Si esteu tractant amb equipament antic:
Assumir res. Les etiquetes menteixen. Prova-ho.
Si es construeix abans de 1980, tingueu molta cura amb els PCB.
Vell no vol dir dolent. He vist transformadors de la dècada de 1950 encara funcionant bé perquè estaven ben-mantinguts.
De vegades, la readaptació amb fluid nou té sentit. De vegades és millor la substitució. Fes les matemàtiques.
Què NO s'ha de fer:
No barregis tipus de líquid tret que sàpigues realment el que estàs fent
No utilitzeu oli d'automòbil o fluid hidràulic com a oli de transformador (sí, he vist algú provar-ho)
No ignoreu els resultats de les proves
No us salteu el manteniment per estalviar diners
No assumeixis que "fa 20 anys que va bé" vol dir que estarà bé durant 20 més
Ah, i si estàs correntelectroerosió de plomamàquines, presteu atenció a la qualitat del vostre fluid dielèctric. He vist botigues cremar elèctrodes perquè el seu líquid estava contaminat. Filtra'l. Prova-ho. Aquest fluid fa la mateixa feina que l'oli del transformador: aïllant alhora que gestiona la calor i la supressió de l'arc. S'apliquen els mateixos principis. No sortiu barat.