روغن های گیاهی به عنوان جایگزینی برای روغن های معدنی در ترانسفورماتورهای  روغنی

(مزایا و معایب)

اتلاف انرژی در هسته و سیم‌پیچ ترانسفورماتور باعث تولید حرارت بالا در آن ها می‌شود، در نتیجه طراحی سیستم عایق کاری و خنک‌کاری مناسب برای ترانسفورماتورها باعث بهبود عملکرد و افزایش عمر این تجهیزات گران‌قیمت، جلوگیری از قطعی‌های ناخواسته و ضررهای مالی ناشی از قطع برق و جلوگیری از هزینه‌های گزاف تعمیرات و تعویض ترانسفورماتور‌های فرسوده می‌شود. با توجه به اهمیت خنک‌کاری ترانسفورماتور، تلاش‌های زیادی در این زمینه برای ارائه روش‌های مناسب و کم‌هزینه در حال انجام است. این موضوع به‌شدت مورد علاقه کارخانه‌های معروف تولید‌کننده ترانسفورماتور در دنیاست.

در ترانسفورماتورهای روغنی که در آنها از روغن  به  عنوان  دی الکتریک استفاده می شود،ترکیبی از  کاغذ های سلولز و روغن معدنی نفتی ، پرمصرف ترین سیستم عایق بندی  و خنک کاری است .اگرچه روغن معدنی به علت ویژگی های نقطه اشتعال بالا و تولید گسترده در سراسر جهان به طور گسترده ای مورد استفاده قرارگرفته است ، اما  قوانین فعلی محیط زیست را رعایت نمی کند زیرا این محصول قابل تجزیه نیست. در مقابل روغن های گیاهی دارای مزایایی مانند تجزیه زیستی بالا، ایمنی در برابر آتش، ضریب انبساط حرارتی پایین و رطوبت کم هستند و به راحتی در دسترس هستند.

در این بین مهمترین موضوع،  ذخایر نفتی می باشد که روز به روز در حال کمتر شدن است و درنتیجه افزایش قیمت ان امری اجتناب ناپذیراست . همه این مشکلات باعث جستجوی مایعات جایگزین  از جمله  روغن های گیاهی شده است که در چند سال اخیر به طور فزاینده ای محبوب شده است و در حال حاضر در محدوده ترانسفورماتورهای کوچک تا متوسط ​​استفاده می شود. در ادامه در مورد محاسن و معایب این مایعات نسبت به روغن های معدنی به عنوان جایگزینی برای سیستم خنک کاری ترانسفورماتورها بحث می شود.

شکل 1:  کلاس های مختلف روغن های معدنی

ویژگی‌های اصلی سیال  روغن در ترانسفورماتورها

ویژگی اصلی روغن ترانسفورماتور، عایق الکتریکی بودن آن است که دو عملکرد اصلی در ترانسفورماتورهای برق را فراهم می کند : ابتدا نقش عایق بندی است که  با توجه به وجود اجزای الکتریکی داخل ترانسفورماتور ضروری است و نقش مهم بعدی روغن، دفع حرارت تولید شده در اجزای الکتریکی به بدنه ترانس و محیط بیرون، یعنی خنک‌کاری سیم‌پیچ‌ها و هسته ترانسفورماتور است. علاوه بر این، با توجه به احتمال بالای بروز جرقه در ترانسفورماتور، این نوع روغن باید نقطه اشتعال نسبتاً بالایی داشته باشد.

عملکرد روغن های گیاهی

روغن های گیاهی به دلیل خاصیت در دسترس بودن و تجزیه پذیری بی نظیر آنها می توانند  جایگزین  مطمئنی  برا ی روغن های  نفتی در سیستم خنک کننده ترانسفورماتور در نظر گرفته شوند. در این قسمت خواص مهم روغن  های  گیاهی  از جمله  چگالی  ،ظرفیت گرمایی، ویسکوزیته، هدایت حرارتی، ولتاژ شکست و نقطه فلاش اندازه گیری شده و با روغن های معدنی  مقایسه شده است:

ü      بر اساس این داده های اندازه گیری شده در پژوهش های مختلف ، این گونه استنباط شده است که ولتاژ شکست و هدایت حرارتی روغن های گیاهی به عنوان دو شاخص اصلی روغن ترانسفورماتور از روغن های معدنی بالاتر هستند ،در حالی که ویسکوزیته آن بطور قابل توجهی پایین  است .

ü       نتیجه تحقیقات نشان داده است که روغن گیاهی در برابر آتش مقاوم تر است.

ü      در تمام  طول عمر روغن گیاهی در مخزن ترانسفورماتور، نیروی لازم برای شکستن کاغذ عایق بیشتر می شود. به عبارت دیگر، روغن گیاهی عمر مفید بیشتری به کاغذهای عایق که نقش ایزوله را دارند  می‌دهد.

ü      یک ترانسفورماتور  که از روغن گیاهی پر شده است  قادر است تقاضای بارهای افزایش یافته را بدون افزایش بیش از حد دمای خود برآورده کند و از از عیوب اضافه بار و در نتیجه نقص سرویس جلوگیری کند. در نتیجه نرخ خرابی کمتر به دلیل بارگذاری بیش از حد و در نهایت بهبود شرایط خدمات به مصرف کنندگان را در پی خواهد داشت.

ü      از دیگر ویژگی های عالی روغن های گیاهی از جمله  High Flash Point است که ایمنی بهتری را در عملیات جابجایی، ذخیره سازی و حمل و نقل نسبت به روغن های معدنی تضمین می کند.

ü      در طول این دهه، تلاش‌های تحقیقاتی برای توسعه مایعات جداکننده دی‌الکتریک کاملاً زیست تخریب‌پذیر بر اساس روغن‌های گیاهی برای ترانسفورماتورها توسط شرکت‌های بزرگی که سالانه میلیون‌ها دلار برای پاک‌سازی نشت‌ها و نشتی‌ها از ترانسفورماتورها هزینه می‌کردند، آغاز شد. پس از احتراق، محصولات جانبی استرهای طبیعی نیز بسیار کمتر از روغن‌های معدنی سمی هستند و اثرات زیست‌محیطی کلی آن‌ها را بیشتر کاهش می‌دهند. این بررسی نشان می‌دهد که ترانسفورماتورهایی که با مایعات استر طبیعی پر می‌شوند، اجازه دارند دمای بالاتری نسبت به ترانسفورماتورهای پر شده با روغن معدنی مشابه داشته باشند.

ü      از مزیت های دیگر این روغن ها،  عملکرد روغن گیاهی  در ردیف ولتاژهای بالا می باشد  چرا که دامنه ولتاژ اعمال شده عامل اصلی حاکم بر سرعت انتشار استریمر در مایعات استری و روغن معدنی است. عملکرد دی الکتریک یک ترانسفورماتور پر از مایع استر طبیعی یا همان روغن گیاهی به خوبی ترانسفورماتورهای  پر شده  از روغن معدنی معمولی است و هیچ حفاظت اضافی لازم نیست زیرا هسته،  سیم پیچ های  ترانسفورماتور و تجهیزات خنک کننده دارای جریان آهسته مایعات استر طبیعی در مقایسه با روغن معدنی هستند. در عین حال، مایعات استر طبیعی یا همان روغن گیاهی دارای  رسانای حرارتی بیشتری هستند و ظرفیت حرارتی کمتری نسبت به روغن معدنی دارند. نهایتا  قدرت تجزیه روغن گیاهی از روغن معدنی بهتر است .

ü      محققان به سرعت متوجه شدند که روغن های گیاهی قبل از اینکه بتوانند به عنوان سیال ترانسفورماتور مورد استفاده قرار گیرند نیاز به بهبود دارند. سیال در یک ترانسفورماتور محصور برای مدت طولانی (به اندازه 30 تا 40 سال در صورت عدم تعویض) در تجهیزات باقی می ماند. برخی از ترکیبات روغن گیاهی به طور طبیعی در مدت زمان کوتاهی از بین می روند. تولید روغن گیاهی یک روش چند مرحله ای است. مرحله اول انتخاب روغن مناسب و سپس تصفیه تا درجه الکتریکی است. در نهایت، برای محیط چالش برانگیز ترانسفورماتور تثبیت می شود.

شکل 2:  اکتیو پارت ترانسفورماتور غوطه ور در روغن

v   مزایای رقابتی روغن های گیاهی نسبت به روغن های معدنی

1.      هزینه:

بیش از یک قرن، روغن مبتنی بر نفت به عنوان خنک کننده حرارتی و عایق الکتریکی در ترانسنفورماتورهای  روغنی استفاده شده است تا عملکرد ایمن ترانسفورماتورها را فراهم کند. اما به دلیل نگرانی های افزاینده در مورد  این  منبع  انرژی  از جمله  افزایش تقاضا برای فرآورده های نفتی در جوامع صنعتی امروزی، محدودیت های موجود در منابع نفتی ، باعث  افزایش  روز افزون  قیمت این مواد شده است. در این راستا روغن های گیاهی به دلیل تجدید پذیر بودن مورد توجه  قرار  گرفته اند . از آنجایی  که  فناوری تولید روغن گیاهی به سرعت در حال پیشرفت است، انتظار می رود که روغن های گیاهی در آینده با قیمت کمتر و کارایی  بیشتر با روغن های نفتی رقابت کنند. این موضوع بسیاری از محققان و شرکت ها  را ترغیب کرده است که به عنوان روغن نسل بعدی خنک کننده و عایق  در ترانسنفورماتورها ، بر روغن  های  گیاهی تمرکز نمایند .

2.     اثرات زیست محیطی

امروزه صنعت،  روغن گیاهی را به عنوان مایع عایق دی الکتریک دوستدار محیط زیست انتخابی خود می شناسد. این سازگار بودن روغن گیاهی با محیط زیست می تواند مزایای قابل توجهی را برای کاربر به ارمغان بیاورد. این مایعات ذاتاً غیر سمی و زیست تخریب پذیر هستند که امروزه بسیار مهم و حیاتی می باشد .

3.     چگالی:

4.     گرمای ویژه:

طبق نتایج آزمایشات گوناگون، ظرفیت گرمای ویژه روغن های گیاهی تقریبا 22 % بیشتر از روغن معدنی است. لازم به  ذکر  است  که  ظرفیت  گرمایی  ویژه  ، یک  خاصیت حرارتی کلیدی در مدیرت حرارتی سیستم ها است زیرا به طور مستقیم با ذخیره و انتقال حرارت در ارتباط است. ظرفیت حرارتی بالاتر روغن بدان معنی است که انرژی بیشتری برای بالاتر بردن دمای آن مورد نیاز است که این امر کمک می کند  درجه  حرارت  سیستم را در مقادیر پایین تر برای گرمای مشخص شده حفظ کند. 

5.     لزجت:

لزجت یکی از مهم ترین پارامترهای انتقال حرارت همرفتی است. لزجت پایین تر مایعات نشان از انتقال طبیعی بهتر  می  دهند . از این رو لزجت پایین روغن باعث انتقال حرارت از قسمت فعال به دیواره های مخزن شده و دمای ترانسفورماتور را کاهش می  دهند .

لزجت روغن گیاهی به طور قابل توجهی پایین تر از روغن معدنی در دمای پایین تر است. با این حال، لزجت روغن معدنی در دمای بالاتر نزدیک به روغن گیاهی می شود که باعث می شود  راندمان خنک کنندگی روغن گیاهی از روغن معدنی برتر باشد .

6.     هدایت حرارتی:

پارامتر مهم دیگر در عملکرد حرارتی روغن ترانسفورماتور، هدایت حرارتی است. هدایت حرارتی بالاتر باعث افزایش  سرعت  انتقال  حرارت و کاهش دمای کلی ترانسفورماتور می شود. روغن گیاهی هدایت حرارتی بالاتری را در مقایسه با روغن گیاهی با  حدود  11 % نشان می دهد. این مورد توانایی روغن گیاهی را در مورد خنک سازی ترانسفورماتور نشان می دهد .

7.     ولتاژ شکست:

افزایش دمای روغن ترانسفورماتور به دلیل اضافه بار ممکن است بر رفتار دی الکتریک آن روغن تأثیر بگذارد. یکی از مهمترین خواص الکتریکی روغن ترانسفورماتور خوب (برای یک سیستم عایق سالم) شامل ولتاژ شکست بالا  و ضریب اتلاف کم  است.  از طرفی دیگر  به طور کلی دو پارامتر احتمالی وجود دارد که بر عملکرد روغن مستقیما  تأثیر می گذارد که عبارتند از فرکانس و دما که بیانگر این موضوع است که ترانسفورماتورهای پر بار برای کاربردهای ولتاژ و فرکانس بالا به روغن با کیفیت بهتر نیاز دارند. بنابراین روغن های گیاهی همیشه ولتاژ شکستی به طور قابل توجه بالاتر از روغن های معدنی دارد که این امر منجر می شود که روغن های گیاهی گزینه مناسب تری نسبت به روغن های معدنی باشند.

هر زمان که نتیجه رضایت بخشی از دی الکتریک  روغن دریافت نشد، روغن تحت  فرایندهای  مختلفی همچون خنثی سازی، فیلتراسیون و افزودن آنتی اکسیدان ها برای بهبود ویژگی های دی الکتریک خود قرار می گیرد. از طرف  دیگر  نقطه  فلش  روغن گیاهی به طور تقریبی  33 % بالاتر از روغن معدنی است. بنابراین در جایی که ایمنی آتش سوزی مانند تونل های مترو ، کشتی  ها  و مراکز  خرید مهم است روغن گیاهی کمتر اشتعال پذیر و انتخابی مطمئن تر است.

8.     دمای عملیاتی

طول عمر کاغذ عایق تحت تأثیر دمای کار ترانسفورماتور است که بسته به سیستم عایق و محیط کاهش می یابد. یافته‌های آزمایش‌های عملی نشان می‌دهد که استفاده از روغن‌های گیاهی به جای روغن معدنی به یک ترانسفورماتور اجازه می‌دهد تا در دمای بیشتری کار کند. گرمایش سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور به‌عنوان یک «hot spot» کنترل می‌شود. هنگام بررسی در یک مکان پردازش، دمای عملیاتی بالاتر برابر است با بار بیشتری روی ترانسفورماتور، که یک مسئله ضروری است.

9.     نقطه اتش:

یکی از مهم ترین ویژگی های روغن های گیاهی نقطه آتش سوزی بالاتر آنها در مقایسه  با روغن  ها ی  معدنی  است . بر  طبق  تحقیقات انجام گرفته در این زمینه ، نقطه آتش سوزی روغنهای گیاهی بالاتر از 353 درجه سانتی گراد است در حالی  که  نقطه  آتش سوزی روغن های معدنی در حدود 133 درجه سانتیگراد می باشد.

10.  نقطه ریزش

نقطه ریزش به دمایی اطلاق می شود که در طی آن روغن ترانسفورماتور در صورت برآورده شدن الزامات،  آزادانه جریان می یابد. نقطه ریزش یک معیار مفید برای تعیین نحوه عملکرد روغن ترانسفورماتور در دماهای پایین است، به خصوص زمانی که ترانسفورماتور باید در دماهای بسیار پایین سرد شود. روغن های گیاهی نقطه ریزش بیشتری نسبت به روغن های معدنی دارند که عموماً در محدوده 15- تا 25- درجه سانتیگراد هستند تا جایی که  آزمایشات ،  شروع سرد موفقیت آمیز را تا 30- درجه سانتیگراد نشان داده است.

11. پیری:

روغن در حین استفاده تحت تأثیر عوامل منفی متعددی مانند دما، اکسیژن، نور خورشید، ذرات جامد و غیره قرار می گیرد. اثر کلی این موارد،  پیر شدن روغن است که عملکرد ان را تا حدی کاهش می دهد. تا همین اواخر، روغن ترانسفورماتور استفاده شده به سادگی با روغن های جدید جایگزین می شد که این رویکرد به دلایل متعددی جالب نیست. اولاً، همه آلاینده ها و مواد مضر و محصولات پیری را نمی توان همراه با مایع دی الکتریک استفاده شده حذف کرد و برخی از آنها وارد روغن جدید می شوند و باعث پیری سریعتر آن می شوند.

دوم انکه ، دفع اغلب یک مشکل است و ممکن است روغن در بدنه‌های آبی یا خاک قرار گیرد و گیاهان و حیوانات را بکشد و مقدار زیادی آب را مسموم کند. علاوه بر این، روغن استفاده شده برای سلامتی انسان بسیار خطرناک است. در برخی موارد از روغن مصرف شده به عنوان عامل سرطان در انسان نام برده شده است.

از سویی دیگر تخریب کاغذ سلولزی در ترانسفورماتورها عمدتاً ناشی از پیری حرارتی است .  علاوه بر این، پیری نفت (روغن معدنی) می تواند به طور عمده به رشد گازهای محلول در روغن  کمک کند. خواص پیری مختلف از جمله اسیدیته و گازهای محلول در طول پیری اندازه گیری می شود. در روغن های گیاهی، حلالیت رطوبتی بالا در مقایسه با روغن های معدنی معمولی مزیت محسوب می شود، زیرا آنها رطوبت بیشتری را در ترانسفورماتور از عایق سلولزی جذب می کنند و سرعت پیری سلولز را کاهش می دهند.

شکل 3: مقایسه تحمل حرارتی عایق های غوطه ور در روغن گیاهی و معدنی پس از 4000 ساعت

12. جذب رطوبت:

یکی از پارامترهای مهم دیگر مربوط به عایق بندی روغن ها، رطوبت است که بسته به ساختار شیمیایی آنها متفاوت است. رطوبت به عنوان کاتالیست، سرعت تجزیه سلولز را افزایش داده و باعث کاهش طول عمر تجهیزات می شود. مطالعات مربوط  به  پیری  عایق  بندی جامد نشان می دهد که طول عمر تجهیزات در حضور روغن های گیاهی افزایش می یابد . در تمام مایعات، جذب آب آزاد با افزایش دما افزایش می یابد. روغن‌های گیاهی همچنین تمایل به جمع آوری رطوبت از کاغذ کهنه دارند و عمر عایق کاغذ را افزایش می دهد. این ویژگی ها می تواند عمر عایق ترانسفورماتور را افزایش داده و به آن اجازه دهد بارهای بیشتری را تحمل کند.

13. ایمنی :

ترانسفورماتورهای قدرت بزرگ به ارزیابی دقیق روغن عایق برای عملکرد بهتر، قابلیت اطمینان بالا و ایمنی نیاز دارند . ترانسفورماتور پر شده با روغن معدنی در هنگام مواجهه با انفجار یا آتش‌سوزی آسیب‌های جانبی سنگینی دارد و همچنین نگرانی‌های ایمنی عمده‌ای را ایجاد می‌کند.همچنین نگرانی های زیست محیطی عمده ای در رابطه با اثرات سمی نشت روغن های معدنی مهار نشده وجود دارد .در نهایت، مشاهده شده است که روغن گیاهی اثرات زیست محیطی را کاهش می دهد و ایمنی و عملکرد را بهبود می بخشد. در نتیجه، برای کاربردهای داخلی و مناطق بیرونی با کاربردهای حساسیت ایمنی بالا، روغن گیاهی الزامات ایمنی آتش سوزی را بدون هیچ گونه تجهیزات ایمنی برآورده می کند.

14. هزینه و در دسترس بودن:

روغن های گیاهی به وفور در طبیعت موجود هستند و برای استخراج آنها به هیچ دستگاه پیچیده ای نیاز نیست .روغن گیاهی زیست سازگار و تجدید پذیر است و همچنین توسط صنایع به عنوان مایع عایق دی الکتریک دوستدار محیط زیست شناخته می شود. ترانسفورماتورهای پر شده با روغن گیاهی بیش از 20 درصد کوچکتر از سایر ترانسفورماتورهای پر شده با روغن معدنی معادل هستند و برای عملکرد مداوم در دماهای بالاتر، انعطاف پذیری بیشتری را برای ترانسفورماتور طراحی شده می دهند. روغن گیاهی نیز از دانه هایی که در مزارع به مقدار زیاد رشد می کنند استخراج می شود،  به همین دلیل است که قیمت روغن گیاهی در مقایسه با روغن معدنی بسیار کمتر است و به راحتی در همه جا قابل دسترسی است

15. تقویت بخش کشاورزی

رشد بخش روغن گیاهی،  اقتصاد کشاورزی بومی کشورهای حاصلخیز را به ویژه در مناطق روستایی بهبود می بخشد و به کاهش هزینه واردات روغن معدنی کمک می کند. روغن  گیاهی منبع تمیزی است که ممکن است از محصولات کشاورزی دور ریخته شده و سایر ذخایر خوراک تهیه شود

v   چالش های پیش رو در استفاده از  روغن های گیاهی نسبت به روغن های معدنی

یکی از نگرانی‌های موجود در استفاده‌ های صنعتی از روغن‌ گیاهی ان است که افزایش تقاضا به افزایش قیمت این مواد غذایی و افزایش فشار بر مصرف‌کنندگان، خصوصاً در کشورهای ضعیف دنیا منجر شود. البته با توجه به استفاده از روغن گیاهی پسماند به جای روغن گیاهی خام  ممکن است این نگرانی کاهش ‌یابد. همچنین افزایش پایداری این روغن در شرایط واقعی و نرخ پیر‌شدن آن در مقایسه با روغن معدنی نیاز به بررسی بیشتری دارد. موارد زیر موارد کلیدی است که ممکن است مانع  از ان شود که روغن گیاهی  به صورت کلی به عنوان روغن های ترانسفورماتور  مورد استفاده قرار گیرد:

1.      قیمت  روغن های گیاهی  تحت تأثیر ارزش افزوده مواد خام اولیه است.

2.      نگهداری روغن های گیاهی تا حدودی دشوار است.

3.       همگنی محصول نهایی باید توسط تامین کننده، ذخایر خوراک و تکنیک های تولید شده  تعیین شود.

4.      مجاب نمودن و گرفتن تایید از سازندگان ترانسفورماتور  خود ممکن است یک مشکل جداگانه باشد.

5.      روغن گیاهی  باید به طور مداوم در دسترس باشد تا بتوان از آن به طور گسترده در ترانسفورماتورها استفاده کرد.

6.      استفاده از روغن گیاهی در ترانسفورماتورهای تحت آب و هوای سرد یک مشکل ثابت شده است. حتی زمانی که مواد ضد یخ زدگی اضافه می‌شوند، نقطه ریزش روغن‌های گیاهی به زیر 30 درجه سانتی‌گراد نمی‌رسد. اگر هیچ افزودنی نداشته باشد، این مایع ممکن است در درجه زیر صفر منجمد شود.

7.      واحدهای مربوط به ترانسفورماتور روغن گیاهی باید به طور مناسب ایمن شوند تا از دسترسی رطوبت اضافی به واحد جلوگیری شود. به دلیل احتمال ورود هوا و رطوبت به واحد آب بندی شده در طول عمر آن، مقدار ناکافی آنتی اکسیدان باید وجود داشته باشد.