بخشی از مقاله
چکیده _
کاربردهای علم نانو و فناوری نانو پیشرفتهای قابل چشمگیری از جمله تولید مواد پیشرفته در صنایع مختلف داشتهاند. امروزه تعداد زیادی پروژههای تحقیق و توسعه در زمینه پیشرفتهای فناوری نانو با هدف افزایش بهبود عملکرد مواد وجود دارد. صنایع الکتریکی از مزایای فناوری نانو در تجهیزات خود از جمله ترانسفورماتورها که نقش مهمی در شبکه الکتریسیته دارند، بهره بردهاند.
بنابراین میتوان از علم نانو در قسمتهای مختلف ترانسفورماتورها مانند هسته مغناطیسی، مواد عایقی، مایعات دی الکتریک، سیستمهای مونیتورینگ و سایر اجزاء آن استفاده نمود. به طور مثال استفاده از آلیاژهای نانوکریستال در هسته مغناطیسی ترانسفورماتورها به دلیل نفوذپذیری مغناطیسی بالا، تلفات هسته پایین و مقاومت الکتریکی بالا،کاندید مناسبی برای جایگزینی با فولادهای سیلیکونی در ساخت هسته های مغناطیسی میباشند.
مقدمه
ترانسفورماتورهای الکتریکی یکی از مهمترین اجزاء در شبکه تولید، انتقال و توزیع برق محسوب میشوند و هرگونه اختلال در این وسیله منجر به کاهش کارایی و قابلیت آن در صنعت برق میگردد. ترانسفورماتور وسیلهای است که انرژی الکتریکی را در یک سیستم جریان متناوب از یک مدار به مدار دیگر انتقال داده و میتواند ولتاژ کم را به زیاد و برعکس تبدیل نماید. این دستگاه، انرژی الکتریکی را به وسیله دو یا چند سیم پیچ و از طریق القای الکتریکی یا جفت شدن القایی از یک مدار به مداری دیگر منتقل میکند.
به این صورت که جریان جاری در مدار اول یا اولیه ترانسفورماتور، موجب به وجود آمدن یک میدان مغناطیسی در اطراف سیم پیچ اول میگردد. این میدان خود سبب ایجاد یک ولتاژ در سیم پیچ دوم شده که با اضافه کردن یک بار به مدار دوم میتواند به ایجاد یک جریان در ثانویه بیانجامد. بنابراین با توجه به نقش بسیار مهم ترانسفورماتورهای الکتریکی در شبکه انتقال و توزیع، فناوری نانو میتواند راه حلهای فناورانه جهت بهبود و افزایش کارایی و توان بازدهی در ترانسفورماتورها ارائه دهد.
کاربرد فناوری نانو در ترانسفورماتور
فناوری نانو در هسته مغناطیسی
هستههای مغناطیسی یکی از اجزای مهم ترانسفورماتورهای الکتریکی می باشند. هسته ترانسفورماتورها با توجه به قدرت آنها ساخته و طراحی شده که به دو دسته تقسیم میشوند: هستههای شکاف دار و هستههای نواری. اجزاء مورد استفاده در هسته مغناطیسی از دسته مواد فرومغناطیس1 هستند که به آن ها مواد نرم مغناطیسی گفته میشود. نقش این مواد تقویت شار مغناطیسی2 است. مشخصه خواص مغناطیسی این مواد، مغناطش3 اشباع بالا به همراه میدان پسماند زدای4 پایین میباشد.
فرییتها و فولادهای سیلیکونی از جمله خانوادههای مرسوم این مواد هستند. به طور کلی چالش اصلی در مورد کلیه مواد نرم مغناطیس تلفات انرژی ورودی میباشد. در تمامی بخشهای صنعت برق - تولید، انتقال و توزیع - تلفات انرژی از اهمیت بالایی برخوردار است به همین خاطر استفاده از مواد و روشهایی که باعث کاهش تلفات میشوند، بسیار مورد توجه هستند.
امروزه یک دسته از مواد نرم مغناطیس که با استفاده از فناوری نانو به منظور کاهش تلفات پیشنهاد شدهاست، آلیاژهای آمورف نانوکریستالین هستند. در این ترکیبات از یک ساختار آمورف به منظور افزایش مقاومت الکتریکی در ابتدا استفاده میشود و در مراحل بعدی با استفاده از یک عملیات حرارتی کنترل شده، دانههای نانوکریستالین در داخل زمینه آمورف جوانه میزند.
استفاده ترکیبی از ساختار آمورف و نانوکریستالین باعث کاهش میدان پسماندزدا و به تبع آن کاهش تلفات مغناطیسی شده و منجر به افزایش شارمغناطیسی میگردد. معمولا این ترکیبات از عناصری مانند آهن، سیلیکون، مس، بور وغیره تشکیل میشوند.
از نمونه مواد نانوکریستالین تجاری شامل FINEMETE، NANOPERM و VITROPERM می باشند .[1] آلیاژ نانوکریستالین NANOMET هم یک نمونه تجاری از مواد مغناطیسی نرم است که دارای میدان پسماندزدای 6/7 آمپر بر متر و چگالی شار مغناطیسی بالا در حدود 1/84 تسلا میباشد.
شکل -1 تصویری از ظاهر بیرونی یک نوار NANOMET با پهنای
120 میلی متری و آلیاژ [2] Fe81.2Co4Si0.5B9.5P4Cu0.8
بنابراین با استفاده از مواد نانوکریستالین در هستههای مغناطیسی ترانسفورماتورها میتوان به ویژگیهایی مانند افزایش شار مغناطیسی و کاهش تلفات هسته، مغناطوتنگش5 پایین و کاهش میدان پسماندزدای دست یافت.
روند مقالات در زمینه استفاده از فناوری نانو در هسته مغناطیسی ترانسفورماتورها با کلید واژه Power Transformer Core and nano* در پایگاه داده اسکوپوس در بین سال های 2000 تا 2016 مورد بررسی قرار گرفت. همانطور که در شکل 2 مشاهده میگردد، مقالات چاپ شده در این زمینه روند رو به رشدی داشته است که نشان دهنده اهمیت این بخش از ترانسفورماتورها و بهبود عملکرد آن با استفاده از فناوری نانو میباشد.
شکل -2 تعداد مقالات ثبت شده کاربرد فناوری نانو در هسته مغناطیسی ترانسفورماتور در پایگاه داده اسکوپوس
جایگزینهای فناوری نانو برای عایقهای جامد ترانسفورماتورهای الکتریکی
یکی از عناصر اصلی در ترانسفورماتورهای الکتریکی مواد جامد عایقی میباشد که نقش مهمی در ماندگاری و طول عمر ترانسفورماتورها دارد. ترانسفورماتورهای قدرت حاوی روغن دارای مواد سلولزی به شکل کاغذ، نوع صفحهای و بلوکهای لایه دار با چگالی بالا میباشند. در سالهای اخیر استفاده از مواد پیشرفته و مفاهیم فناوری نانو با هدف افزایش خصوصیات گرمایی، الکتریکی و مکانیکال در عایق جامد ترانسفورماتورها مورد توجه قرار گرفته است.
گروهی از محققین در شرکت Dupont ماده عایق جدید براساس سلولز نانوساختار با نام تجاری NOMEX را جهت استفاده در ترانسفورماتورها به بازار معرفی کردهاند. این ماده عایق جدید باعث افزایش طول عمر ترانسفورماتورها میشود
بر اساس گزارشهای ارائه شده میتوان ماده عایقی در ترانسفورماتورها را با نانوذرات SiO2، Al2O3 و TiO2 را جهت افزایش پایداری دمایی و شیمیایی تقویت نمود. شرکت زیمنس در سال 2015 یک نوع ماده عایق نانوکامپوزیت که از فیبرهای سلولز و نانولولههای نیترید بور تشکیل شده بود را جهت استفاده در ترانسفورماتورهای الکتریکی معرفی و ثبت اختراع کرد .[4] بنابراین امروزه استفاده از فناوری نانو در مواد عایق ترانسفورماتورهای الکتریکی یک موضوع پژوهشی جدید و در حال توسعه است. شکل 3 تاثیر افزایش ولتاژ شکست با افزودن نانوذرات رس مونت موریلونیت به کاغذ کرافت را نشان میدهد.
استفاده از نانوسیالات در مایع دی الکتریک ترانسفورماتور
مایع دی الکتریک هم یکی از عناصر اصلی در ترانسفورماتورهای الکتریکی است. این مایع دو نقش اصلی شامل عایق دی الکتریک و محیط خنک کننده دارد. روغنهای معدنی به جهت داشتن ویژگیهایی مانند خواص فیزیکی، شیمیایی و دی الکتریک عالی بیشترین استفاده را در ترانسفورماتورها دارند. مطالعات گوناگون نشان داده است که افزودن نانوذرات اثر قابل توجهی بر افزایش هدایت گرمایی نانوسیالات دارند. زیرا با کاهش سایز ذرات، حرکت القا شده و همچنین نانوذرات کوچکتر و سبکتر بهتر در برابر رسوب شدن که یکی از بزرگترین چالشها در آزمایش با نانوسیالات میباشد، مقاومت میکنند
بر اساس گزارشهای ارائه شده، روغنهای معدنی حاوی نانوذرات مگنتیت 6 به میزان دو برابر ولتاژ شکست دی الکتریک را در ترانسفورماتورها افزایش میدهند .[7] نانوذرات الماس انتقال حرارتی را تا میزان % 70 در روغنهای معدنی افزایش میدهند .[8] همچنین افزایش بیش از % 75 انتقال حرارتی در نانوسیالات با افزودن % 0/1 وزنی نانوصفحات شش وجهی نیترید بور گزارش شده است .[9] همانطور که در شکل 4 مشاهده می شود، گزارشات بسیاری مبنی بر استفاده از نانوسیالات جهت افزایش انتقال گرما و ویژگی دی الکتریک ارائه شده است.
شکل -3 افزایش ولتاژ شکست با استفاده از نانوذرات رس مونت موریلونیت در ماده عایقی غوطه ور در روغن ترانسفورماتور
