Analisi statistica dell'impatto delle nanoparticelle FeO3 e ZnO sulle prestazioni fisico-chimiche e dielettriche del monoestere

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12328 (2023) Citare questo articolo

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Questo articolo tratta uno studio comparativo delle proprietà fisico-chimiche ed elettriche dei monoesteri dell'olio di ricino rispetto alle loro controparti basate su nanoparticelle di FeO3 e ZnO. I risultati vengono inoltre confrontati con quelli presenti in letteratura sui triesteri, nonché con le raccomandazioni dello standard IEEE C 57.14. I dati vengono analizzati statisticamente utilizzando un test di bontà di adattamento. L'analisi dei dati di viscosità a 40 °C mostra un aumento della viscosità. Per concentrazioni dello 0,10% in peso, 0,15% in peso e 0,20% in peso queste sono rispettivamente 5,4%, 9,69%, 12,9% per NF FeO3 e 7,6%, 9,91% e 12,7% per NF ZnO. Per le stesse concentrazioni, l'aumento del numero di acidità è rispettivamente del 3,2%, 2,9%, 2,5% per i campioni FeO3 e 3,18%, 2,0%, 1,2% per i campioni ZnO. Per le stesse concentrazioni, il punto di fuoco mostra un incremento del 4%, 3% e 2% per i campioni FeO3 e una regressione del 8,75%, 6,88% e 5,63% per i campioni ZnO. Per quanto riguarda la tensione di rottura, a parità di concentrazioni osserviamo rispettivamente un incremento del 43%, 27%, 34% per il FeO3. I risultati mostrano un miglioramento della tensione di inizio della scarica parziale con FeO3 del 24%, 8,13% e 15,21% rispettivamente per le concentrazioni di 0,10% in peso, 0,15% in peso e 0,20% in peso.

La grande maggioranza dei trasformatori di potenza sono dotati di isolamento in cellulosa (carta/cartone compresso) e olio. La parte in cellulosa di questo isolante ha tre funzioni principali. Innanzitutto isola i componenti principali del trasformatore dalle varie tensioni, immagazzinando la carica elettrica quando il trasformatore è in funzione. Questa viene definita funzione dielettrica. Svolge anche una funzione meccanica poiché su di esso poggiano gli avvolgimenti. La terza funzione è quella di contribuire a mantenere una temperatura accettabile creando dei condotti attraverso i quali viene trasferito il calore per il raffreddamento. Per quanto riguarda l'olio, la sua funzione principale è quella di garantire rigidità dielettrica e raffreddamento sufficienti a proteggere il nucleo e l'assieme riempiendo le lacune dei materiali isolanti. Un'altra delle sue funzioni è ridurre al minimo il contatto della cellulosa e di altri materiali con l'ossigeno per ridurre il rischio di ossidazione. Per la parte liquida degli isolanti, gli oli minerali sono quelli maggiormente utilizzati da oltre un secolo1. Tuttavia, la controversia sull’impatto negativo degli oli minerali sull’ambiente è oggigiorno un tema caldo preso molto sul serio dagli ambientalisti2. Questa feroce lotta ha portato i ricercatori a ricercare una soluzione alternativa alle carenze degli oli minerali3. Una delle soluzioni alternative proposte per sopperire alle carenze degli oli minerali è quella di utilizzare oli vegetali. Negli ultimi decenni le indagini hanno permesso di elaborare un'ampia gamma di dielettrici liquidi da estratti vegetali e sintetici4. Le varie proposte vengono generalmente effettuate sulla base di un'analisi delle proprietà fisico-chimiche, termiche ed elettriche di questi liquidi in confronto con quelle degli oli minerali. Questi includono numero di acidità, viscosità, punto di infiammabilità e punto di fuoco, scarica parziale e tensione di rottura, per citarne solo alcuni.

Parlando dell'indice di acidità (AI), è un fattore importante nel degrado dell'isolamento in cellulosa. Tuttavia, in uno studio sulla compatibilità degli oli vegetali come mezzo isolante per trasformatori di potenza, Stefan Tenbohlen5 mostra che l'AI totale negli esteri naturali è molto più elevato che nell'olio minerale. Un risultato simile è riportato nel lavoro di Nkouetcha et al.6 che effettuano un'analisi comparativa di questi dati nell'olio minerale, nell'estere metilico dell'olio di palmisti e nell'estere metilico dell'olio di ricino. Questo lavoro dimostra che, anche dopo un trattamento chimico di questi oli, l'AI è maggiore o uguale a quello dell'olio minerale. Per quanto riguarda la viscosità, questo è uno dei parametri più importanti nel campo dell'isolamento dei trasformatori di potenza. Il trasferimento di calore nei liquidi è strettamente legato alla viscosità del liquido. I liquidi ad alta viscosità rallentano il trasferimento di calore e quindi favoriscono il riscaldamento degli avvolgimenti. Una proposta relativa agli oli vegetali come alternativa agli oli minerali deve quindi tener conto della loro viscosità. Bertrand et al.7 hanno effettuato uno studio sperimentale sulle caratteristiche fisico-chimiche di tre oli vegetali rispetto a quelle raccomandate dalla norma ISO 3104. I liquidi indagati erano gli esteri metilici dell'Olio di Ricino, dell'Olio di Girasole e dell'Olio di Colza. Il loro studio ha dimostrato che tutti i liquidi esaminati avevano una viscosità inferiore o uguale a quella dello standard. Tuttavia, i risultati ottenuti dal loro esperimento mostrano che gli oli minerali hanno caratteristiche migliori sotto questo aspetto rispetto agli oli vegetali. Okafor et al.8 hanno condotto un lavoro sullo studio della viscosità di oli vegetali quali: olio di soia alto oleico modificato (HOSO), olio di soia basso oleico raffinato (LOSO), olio acculube LB2000 (LB2000) rispetto all'emulsione a base di olio minerale fluido da taglio (EC). I risultati mostrano che la viscosità di tutti gli oli vegetali diminuisce esponenzialmente con la temperatura, ed è significativamente superiore a quella dell'olio minerale (EC). Per il punto di incendio e il punto di infiammabilità esistono caratteristiche importanti di un isolante liquido. Questi dati sono ancora più importanti quando l'isolante deve essere utilizzato in un ambiente con elevata concentrazione termica, come ad esempio un trasformatore di potenza. La conoscenza di questo parametro negli oli vegetali è importante per prevedere il massimo stress termico da imporre all'isolante senza rischio di infiammazione. Queste caratteristiche rappresentano alcuni dei punti di forza degli isolanti liquidi a base di oli vegetali rispetto agli oli minerali. Subburaj et al.9 hanno dimostrato che gli oli vegetali esaminati avevano un punto di infiammabilità e un punto di fuoco superiori del 111% rispetto al limite inferiore raccomandato dallo standard ASTM D92, rispetto al 50% per l'olio minerale. Per quanto riguarda la tensione di rottura, Tenbohlen e Koch5 hanno studiato la tensione di rottura dell'olio vegetale High Oleic 90 Sunflower Oil rispetto all'estere sintetico Midel 7131, all'estere naturale Envirotemp FR3 e all'olio minerale inibito Nynas Nytro 3000X. Il loro lavoro mostra che la tensione di rottura degli oli vegetali è molto più elevata di quella dell'olio minerale. Un risultato simile è stato dimostrato da Bertrand e Hoang7 che hanno studiato la tensione di rottura di oli vegetali quali: olio di ricino, olio di colza e olio di girasole. In un lavoro precedente abbiamo eseguito un'analisi di risoluzione di fase sulla propagazione delle scariche parziali nell'estere metilico dell'olio di palmisti rispetto all'olio minerale10. Si è concluso che l'olio vegetale aveva una migliore capacità di rallentare l'attività delle scariche parziali.