ترانسفورماتورها از روغن معدنی با کیفیت بالا به عنوان سیال عایق و خنک کننده استفاده می کنند. با این حال، روغن گیاهی نیز دارای خواص عایقی مورد نیاز می باشد. روغن گیاهی به عنوان یک منبع تجدید پذیر، کربن خنثی و زیست تخریب پذیر دارای مزایای زیست محیطی و بار آتش کمتری است.علاوه بر این، استفاده از ترانسفورماتورهای پر از روغن گیاهی در ذخایر آب مزایایی نیز به همراه دارد. از آنجایی که روغن نباتی یک منبع طبیعی و زیست تخریب پذیر است که برای آب ها خطرناک نیست، از این نوع ترانسفورماتورهای پر شده از روغن گیاهی می توان به راحتی در ذخایر آبی و دشت های سیلابی نیز استفاده کرد. ترانسفورماتورهایی که از روغن معدنی استفاده می کنند، در مقابل، باید محدودیت های ساختمانی بسیار دقیق را رعایت کنند. یکی دیگر از مزایای ترانسفورماتورهای پر از روغن نباتی ان است که به دلیل نقطه آتش بالای روغن نباتی، می توان آنها را در مناطقی با مقررات آتش سوزی طولانی نصب کرد، به عنوان مثال در مناطق مسکونی.

ترانسفورماتورهای دارای عایق روغن نباتی به طور فزاینده ای قابل توجه هستند. این فناوری گام مهمی در جهت محافظت از زیرساخت شبکه در آینده است. نتیجه‌گیری می‌شود که ترانسفورماتورهای پر از روغن نباتی مزایای اقتصادی و عملیاتی زیادی داشته باشند و در رابطه با ترانسفورماتورهای سنتی پر از روغن معدنی جذاب تر عمل کنند. در حال حاضر، این فناوری برای انکه به طور جامع مورد استفاده قرار گیرد هنوز در مرحله تحقیق و توسعه است. با این حال، دانشمندان در حال کار کردن روی این موضوع هستند که ایا می توان از روغن های پسماند گیاهی هم در اینده به عنوان روغن ترانسفورماتور بهره مند شد یا خیر.

در این راستا، در نظر گرفتن ضایعات روغن نباتی به عنوان جایگزین روغن گیاهی در دست بررسی است و حلقه شایسته ای را برای بهبود بازیافت مواد و استفاده مجدد از منابع ضایعات ایجاد می کند . یکی از انواع روغن‌های نباتی پسماند، روغن‌های آشپزی پسماند است که از دور ریختن روغن‌های پخت و پز به دست می‌آید و در هر جایی که غذا در روغن پخته یا سرخ می‌شود، قابل دسترسی است. مصرف مواد غذایی باعث تولید مقادیر زیادی روغن های گیاهی زائد می شود که در بسیاری از کشورها به روش های نامناسب دفع می شوند.

استفاده از ضایعات روغن پخت و پز، به عنوان یک ماده قیمت پایین در مقایسه با روغن‌های نباتی خام، منجر به استفاده بهینه از منابع انرژی، کاهش دفع و کاهش قابل توجهی در کل هزینه فرآوری می‌شود. برای تهیه روغن نباتی پسماند به عنوان روغن یا سوخت جایگزین، معمولاً فرآیند استری‌سازی انجام می‌شود. استفاده مستقیم از ضایعات روغن نباتی به دلیل داشتن اسیدهای چرب آزاد باعث ایجاد مشکلاتی در ترانسفورماتور می شود. فرآیند ترانس استریفیکاسیون اسیدهای چرب آزاد روغن را در حضور متانول به متیل استر تبدیل می کند و خواص روغن نباتی پسماند را اصلاح می کند تا جایگزین مناسبی برای روغن معدنی ترانسفورماتورها شود.

اسیدهای چرب آزاد روغن نباتی در دماهای بالا با قطعات فلزی ترانسفورماتور تعامل می کنند و نمکی را تشکیل می دهند که به ترانسفورماتور آسیب می زند و ممکن است به تدریج جریان روغن را در داخل کانال های باریک روغن مسدود کند. علاوه بر این، ویسکوزیته روغن نباتی پسماند به طور قابل توجهی پس از فرآیند استری‌سازی کاهش می‌یابد. ویسکوزیته کمتر باعث گردش سریعتر و آسان تر روغن در داخل ترانسفورماتور می شود که باعث انتقال حرارت از قسمت فعال ترانسفورماتور به هوای اطراف می شود. فرآیند استریفیکاسیون همچنین باعث از بین رفتن آب ضایعات روغن نباتی می شود که حتی در مقادیر کم برای ایمنی ترانسفورماتور مضر است  که این امر باید مورد توجه قرار گیرد.

بدین منظور  محققان کشورمان در آزمایشگاه‌های پارک علم و فناوری خراسان رضوی و پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران مدت ها پیش پژوهش هایی را در زمینه به کارگیری از روغن های پسماند گیاهی به جای روغن های صنعتی  برای ترانسفورماتورها اغاز نمودند. در این تحقیق نتایج آزمایشات برای روغن معدنی ترانسفورماتور و روغن گیاهی پسماند مقایسه و تحلیل شد. همچنین از روش دینامیک سیالات محاسباتی بر اساس داده‌های اندازه‌گیری‌شده، برای شبیه‌سازی رفتار خنک‌کاری روغن گیاهی و مقایسه با رفتار روغن معدنی، در داخل یک ترانسفورماتور مربوط به شبکه توزیع انجام شد.

این محققان عنوان نمودند که در طول هشت سال گذشته پژوهش‌هایی بر روی خنک‌کاری ترانسفورماتور انجام داده‌ایم، اما به‌طور مشخص بررسی عملکرد روغن گیاهی در ترانسفورماتور به مدت یک سال در حال انجام بوده است که همچنان ادامه دارد. در این پژوهش، روغن گیاهی پسماند جمع‌ آوری‌ شده برای مثال از رستوران‌ دانشگاه ها، تحت فرایندهای تصفیه،قرار می گیرد سپس چندین مرحله خالص‌سازی و فیلترکردن نیز برای افزایش کیفیت ان بر روی ان انجام می شود و در نهایت محصول نهایی که اصطلاحاً بیودیزل نامیده می‌شد برای استفاده در ترانسفورماتور اماده می شود.در واقع  بیودیزل، یک نوع سوخت غیر سمی، ایمن و تجزیه‌پذیر که از منابع طبیعی نظیر روغن‌های گیاهی، روغن پسماند غذایی، چربی حیوانات و جلبک‌ها بدست می‌آید.

شکل 1:  روغن های پسماند گیاهی

برای ارزیابی خواص عایق الکتریکی روغن، ولتاژ شکست روغن گیاهی با روغن معدنی مقایسه شد که ۴۸ درصد بهبود ولتاژ شکست هنگام استفاده از روغن گیاهی مشاهده شد. ویسکوزیته که نقش اساسی در دفع حرارت از ترانسفورماتور دارد در روغن گیاهی پسماند کاهش چشمگیری نسبت به روغن معدنی را از خود نشان داد (برای مثال کاهش ۱۰۰ درصدی و ۲۹ درصدی به ترتیب در دمای ۴۰ و ۸۰ درجه سانتی‌گراد). ضریب هدایت حرارتی روغن گیاهی نیز نسبت به روغن معدنی، ۳۳ درصد افزایش یافت. این پارامتر نیز به‌عنوان یکی از شاخص‌های اصلی در انتخاب یک سیال برای کاربردهای خنک‌کاری است. در کنار این موارد، نقطه اشتعال این روغن گیاهی حدود ۱۶۵ درجه سانتی‌گراد اندازه‌گیری شد که ۱۵ درجه بالاتر از نقطه اشتعال روغن ترانسفورماتور معدنی بود که این ویژگی روغن گیاهی معرفی‌شده، افزایش ایمنی ترانسفورماتور را به همراه دارد.

نتایج شبیه‌سازی ها در نهایت نشان داد که دمای نقطه داغ هنگام کاربرد روغن گیاهی، ۳ درجه سانتی‌گراد کمتر از کاربرد روغن معدنی است. این کاهش دمای نقطه داغ در طول دوره کاری ترانسفورماتور (بیش از ۳۰ سال) کاهش خرابی و افزایش عمر ترانسفورماتور را نتیجه می‌دهد. بنابراین نتیجه کلی حاصل از این آنالیزها، پتاسیل بالای روغن گیاهی مورد مطالعه را برای جایگزینی روغن‌ ترانسفورماتور معدنی نشان می‌دهد.از طرف دیگر، از لحاظ قمیتی هم ،  قیمت یک لیتر بیودیزل حاصل از این روغن گیاهی پسماند در بازار، حدوداً لیتری 10000 تومان است که این مبلغ برای روغن ترانسفورماتور معدنی در دو کلاس مختلف حدود 50۰۰۰ تا 90۰۰۰ تومان متغیر است. از سویی دیگر نگرانی‌های موجود در مورد افزایش قیمت روغن‌های گیاهی در صورت افزایش کاربردهای صنعتی آن مطرح است که در این راستا بازیافت روغن گیاهی پسماند، ایده مناسبی به نظر می رسد. شایان ذکر است که این پژوهش با حمایت شرکت برق منطقه‌ای خراسان شمالی انجام گرفته است.

بنابراین با توجه به مسائل ایمنی به ویژه در مناطق محدود، روغن گیاهی بازیافت شده به دلیل نقطه اشتعال بالاتر می تواند انتخاب مطمئن تری باشد. با توجه به اینکه هات اسپات ، تعیین کننده ترین عامل برای ایمنی و طول عمر ترانسفورماتور است و سطح پایین تر آن از اولویت های بالایی برخوردار است، استفاده از تحلیل  های ازمایشگاهی ثابت کرد که روغن گیاهی پسماند این نگرانی را بهتر از  روغن  گیاهی خام برآورده می کند. در نتیجه روغن گیاهی پسماند ، جایگزین مناسبی برای روغن معدنی برای استفاده به عنوان محیط خنک کننده در ترانسفورماتورها می باشد. این یافته زمانی ارزشمندتر می شود که بدانیم روغن های گیاهی پیشنهادی یک ماده تجدید پذیر، قابل استفاده مجدد، غیر سمی، زیست تخریب پذیر و مقرون به صرفه باشند. با این وجود، مسائل دیگری نیز وجود دارد که باید در تحقیقات آتی مورد توجه قرار گیرد، مانند بررسی پایداری طولانی مدت و پیری روغن های گیاهی خام و روغن های گیاهی پسماند .

راه اندازی ترانسفورماتور با روغن گیاهی  در ردیف 420 کیلوولتی

در این میان زیمنس توانست یک تجربه موفق در زمینه طراحی ترنسفورماتورهای قدرت با روغن گیاهی را به ثبت برساند. ترانسفورماتور جدید زیمنس سطح ولتاژ فوق العاده بالای 380 کیلوولت را با شبکه 110 کیلوولت یک اپراتور شبکه توزیع فرعی در نیروگاه پست Bruchsal-Kändelweg  اتصال می دهد.

ترانسفورماتور جدید با استفاده از روغن گیاهی به جای روغن معدنی عایق بندی و خنک می شود. زیمنس ادعا می کند که ترانسفورماتور جدید آن اولین ترانسفورماتور با روغن گیاهی جهان در محدوده ظرفیت 420 کیلوولت بوده است. این شرکت تاکنون از عایق روغن گیاهی در ترانسفورماتورهای قدرت با ولتاژ تا 123 کیلو ولت استفاده کرده است. ترانسفورماتور جدید که حدود 340 تن وزن داشته و حاوی 100 تن روغن عایق بوده است، می تواند در مناطق حفاظت شده آب یا در مناطقی که محدودیت های حفاظت از محیط زیست شدید دارند نصب و راه اندازی شود.در رابطه با این موضوع مدیر عامل واحد تجاری ترانسفورماتور انرژی زیمنس، عنوان نموده است: «واص این روغن گیاهی نه تنها برای محیط زیست مفید است، بلکه مزایای هزینه ای را نیز نسبت به ترانسفورماتورهای خنک شده با روغن معدنی معمولی به مشتری ارائه می دهد. تخریب‌پذیری زیستی روغن عایق به این معنی است که دیگر مخازن جمع‌آوری و سیستم‌های جداسازی اضافی در محل نصب مورد نیاز نیست و در نتیجه در هزینه‌های این اقلام صرفه‌جویی می‌شود».

شکل 2:  اولین ترانسفورماتور ردیف 420 کیلو ولتی با روغن گیاهی تولید شده توسط کمپانی زیمنس

کارشناسان این پروژه تضمین کرده بودند که برق منتقل شده از طریق خطوط فشار قوی به بروکسال به شبکه های 110 کیلوولت که توسط این ترانسفورماتور  حاصل می شود ، به طور ایمن و قابل اطمینان به خانوارها و صنعت در سراسر منطقه خواهد رسید.

ویژگی خاص این ترانسفورماتور موادی است که با آن پر شده است. برای این اولین بار است که روغن نباتی با این دسته ولتاژ به جای روغن معدنی برای عایق کاری و خنک کننده استفاده می شود. این روغن گیاهی نه تنها دوستدار محیط زیست است، بلکه نسبت به روغن معدنی بسیار کمتر قابل اشتعال است. مایکل شفر، رئیس فناوری سیستم های این شرکت تأکید می‌کند: «استفاده از این روغن عایق خنثی و زیست تخریب‌پذیر، با سطح بالای سازگاری با محیط‌زیست، عامل تعیین‌کننده‌ای برای انتخاب این ترانسفورماتور بود». روغن عایق این ترانسفورماتور جدید صرفاً از منابع تجدیدپذیر گیاهی تولید می شود و کاملاً زیست تخریب پذیر است.

بئاتریکس ناتر، مدیر عامل واحد تجاری ترانسفورماتور زیمنس توضیح داد: "خواص این روغن نباتی نه تنها برای محیط زیست مفید است، بلکه مزایای هزینه ای را نیز نسبت به ترانسفورماتورهای خنک شده با روغن معدنی معمولی به مشتری ارائه می دهد." "تجزیه زیستی روغن عایق به این معنی است که دیگر مخازن جمع آوری و سیستم های جداسازی اضافی در محل نصب مورد نیاز

این تنها یکی از کمک های تعیین کننده زیمنس در پایداری محیط زیست است که برای آن هیچ طبقه بندی خطر آبی نباید صادر شود. در نتیجه، این ترانسفورماتور را می توان در مناطق حفاظت شده آب یا در مناطقی که دارای محدودیت های شدید حفاظت از محیط زیست هستند نصب و راه اندازی کرد.

سایر جنبه های مهم، نقطه اشتعال و نقطه احتراق بسیار بالاتر روغن نباتی در مقایسه با روغن معدنی مورد استفاده تا کنون است. اشتعال پذیری کمتر این روغن عایق همچنین طبقه بندی حفاظت در برابر آتش بالاتری را برای ترانسفورماتور فراهم می کند. این بدان معنی است که سیستم حفاظت از آتش می تواند بر این اساس بهینه شود و ترانسفورماتور همچنین می تواند به طور مطلوب در مناطق مسکونی پرجمعیت کار کند.

ترانسفورماتورهای مبتنی بر روغن گیاهی و خدمات مرتبط با ان بخشی از نمونه کارها زیست محیطی زیمنس هستند. حدود 43 درصد از کل درآمد این پروژه از محصولات و راه حل های سبز  که معروف به سازگار با محیط زیست هستند، ناشی می شود. این امر زیمنس را به یکی از ارائه دهندگان پیشرو در زمینه فناوری سازگار با محیط زیست تبدیل کرده است.