Меню

Учёные из США разработали новый изоляционный материал для силовых трансформаторов на основе древесины, который сочетает высокую электрическую прочность, улучшенный теплоотвод и устойчивость к термическому старению. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Несмотря на постоянное совершенствование трансформаторного оборудования, в качестве внутренней изоляции силовых трансформаторов уже более века используются материалы на основе целлюлозы, пропитанные минеральным маслом. Такая система обладает рядом преимуществ, включая доступность сырья и хорошие диэлектрические свойства, однако имеет и существенные ограничения. Одним из них является относительно низкая теплопроводность, затрудняющая отвод тепла от обмоток, а другим — наличие непрерывных масляных каналов, по которым может распространяться электрический пробой.

Для решения этих проблем исследователи разработали материал, получивший название пропитанная маслом плотная древесина (oil-impregnated densified wood veneer, ODW). В качестве исходного сырья использовали древесный шпон липы и бальсы. После удаления лигнина и гемицеллюлозы химической обработкой материал пропитывали трансформаторным маслом и подвергали горячему прессованию.

В результате удалось сформировать структуру из изолированных масляных наноканалов со средним размером около 166 нм, разделённых плотными целлюлозными стенками. В отличие от традиционной маслопропитанной бумаги, где масляные области образуют взаимосвязанную трёхмерную сеть микронного масштаба, в ODW масло локализовано в отдельных каналах. По мнению авторов работы, такая архитектура затрудняет развитие электрического пробоя и одновременно способствует более эффективному отводу тепла.

Испытания показали, что диэлектрическая прочность нового материала достигает 105 кВ/мм, что исследователи называют одним из наиболее высоких значений среди маслопропитанных изоляционных материалов на основе древесины. Предел прочности при растяжении составил 384 МПа, а теплопроводность в направлении толщины материала оказалась примерно в 1,6 раза выше, чем у широко применяемого изоляционного пластика высокой плотности.

Авторы также оценили устойчивость ODW к длительному воздействию повышенной температуры. После шести недель термического старения при 150 °C материал сохранил более 70 % первоначальной прочности на разрыв. Для сравнения, деградация целлюлозной изоляции считается одной из основных причин сокращения срока службы силовых трансформаторов.

Практический эффект новой изоляции исследователи продемонстрировали на экспериментальном плоском трансформаторе. При одинаковых условиях работы устройство с изоляцией из ODW нагревалось примерно на 10 °C меньше, чем аналогичный образец с традиционной пластиковой изоляцией. Более низкая рабочая температура потенциально позволяет замедлить процессы старения и увеличить ресурс оборудования.

По оценке авторов, предложенная технология совместима с промышленными рулонными производственными линиями и может быть масштабирована для изготовления изоляционных материалов из различных пород древесины.

В исследовании приняли участие специалисты Йельского университета, Мэрилендского университета, Техасского университета в Остине, Брукхейвенской национальной лаборатории, Лаборатории лесных продуктов Министерства сельского хозяйства США и Политехнического института Ренсселера.