Analyse statistique de l'impact des nanoparticules de FeO3 et ZnO sur les performances physico-chimiques et diélectriques du monoester

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12328 (2023) Citer cet article

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Cet article présente une étude comparative des propriétés physicochimiques et électriques des monoesters d'huile de ricin par rapport à leurs homologues à base de nanoparticules de FeO3 et de ZnO. Les résultats sont également comparés à ceux de la littérature sur les triesters, ainsi qu'aux recommandations de la norme IEEE C 57.14. Les données sont analysées statistiquement à l'aide d'un test d'adéquation. L'analyse des données de viscosité à 40 °C montre une augmentation de la viscosité. Pour des concentrations de 0,10% en poids, 0,15% en poids et 0,20% en poids, celles-ci sont respectivement de 5,4%, 9,69%, 12,9% pour les NF FeO3 et 7,6%, 9,91% et 12,7% pour les NF ZnO. Pour les mêmes concentrations, l'augmentation de l'indice d'acide est respectivement de 3,2%, 2,9%, 2,5% pour les échantillons FeO3 et 3,18%, 2,0%, 1,2% pour les échantillons ZnO. Pour les mêmes concentrations, le point de feu présente un incrément de 4%, 3% et 2% pour les échantillons de FeO3 et une régression de 8,75%, 6,88% et 5,63% pour les échantillons de ZnO. Quant à la tension de claquage, pour les mêmes concentrations on observe respectivement un incrément de 43%, 27%, 34% pour le FeO3. Les résultats montrent une amélioration de la tension d'amorçage des décharges partielles avec FeO3 de 24 %, 8,13 % et 15,21 % respectivement pour les concentrations de 0,10 % en poids, 0,15 % en poids et 0,20 % en poids.

Une grande majorité des transformateurs de puissance sont dotés d'une isolation en cellulose (papier/carton compressé) et en huile. La partie cellulosique de cet isolant a trois fonctions principales. Premièrement, il isole les principaux composants du transformateur des différentes tensions, stockant ainsi la charge électrique lorsque le transformateur est en fonctionnement. C'est ce qu'on appelle une fonction diélectrique. Il remplit également une fonction mécanique car les enroulements reposent dessus. La troisième fonction est de contribuer à maintenir une température acceptable en créant des conduits à travers lesquels la chaleur est transférée pour le refroidissement. Quant à l'huile, sa fonction principale est d'assurer une rigidité diélectrique et un refroidissement suffisants pour protéger le noyau et l'ensemble en comblant les interstices des matériaux isolants. Une autre de ses fonctions est de minimiser le contact de la cellulose et d'autres matériaux avec l'oxygène pour réduire le risque d'oxydation. Pour la partie liquide de l’isolation, les huiles minérales sont les plus utilisées depuis plus d’un siècle1. Cependant, la controverse sur l’impact négatif des huiles minérales sur l’environnement est aujourd’hui un sujet brûlant pris très au sérieux par les environnementalistes2. Cette lutte acharnée a conduit les chercheurs à rechercher une solution alternative aux carences des huiles minérales3. Une des solutions alternatives proposées pour combler les défauts des huiles minérales est d’utiliser des huiles végétales. Au cours des dernières décennies, des recherches ont permis d'élaborer une large gamme de diélectriques liquides à partir d'extraits végétaux et synthétiques4. Les différentes propositions sont généralement faites sur la base d'une analyse des propriétés physico-chimiques, thermiques et électriques de ces liquides en comparaison avec celles des huiles minérales. Ceux-ci incluent l’indice d’acide, la viscosité, le point d’éclair et le point d’incendie, la décharge partielle et la tension de claquage, pour n’en citer que quelques-uns.

Parler de l’indice d’acide (IA), est un facteur important dans la dégradation de l’isolant cellulosique. Cependant, dans une étude sur la compatibilité des huiles végétales comme isolant pour transformateurs de puissance, Stefan Tenbohlen5 montre que l'AI total dans les esters naturels est bien plus élevé que dans l'huile minérale. Un résultat similaire est rapporté dans les travaux de Nkouetcha et al.6 qui font une analyse comparative de ces données dans l'huile minérale, l'ester méthylique d'huile de palmiste et l'ester méthylique d'huile de ricin. Ces travaux montrent que, même après un traitement chimique de ces huiles, l'IA est supérieur ou égal à celui de l'huile minérale. En ce qui concerne la viscosité, c'est l'un des paramètres les plus importants dans le domaine de l'isolation des transformateurs de puissance. Le transfert de chaleur dans les liquides est étroitement lié à la viscosité du liquide. Les liquides à forte viscosité ralentissent les transferts de chaleur et favorisent donc l'échauffement des bobinages. Une proposition d'huiles végétales comme alternative aux huiles minérales doit donc tenir compte de leur viscosité. Bertrand et al.7 ont réalisé une étude expérimentale sur les caractéristiques physico-chimiques de trois huiles végétales comparées à celles préconisées par la norme ISO 3104. Les liquides étudiés étaient les esters méthyliques de l’huile de ricin, de l’huile de tournesol et de l’huile de colza. Leur étude a montré que tous les liquides étudiés avaient une viscosité inférieure ou égale à celle de l’étalon. Cependant, les résultats obtenus lors de leur expérience montrent que les huiles minérales ont de meilleures caractéristiques à cet égard que les huiles végétales. Okafor et al.8 ont mené des travaux sur l'étude de la viscosité des huiles végétales telles que : l'huile de soja modifiée à haute teneur en acide oléique (HOSO), l'huile de soja raffinée à faible teneur en acide oléique (LOSO), l'huile d'acculube LB2000 (LB2000) par rapport à l'émulsion à base d'huile minérale. fluide de coupe (EC). Les résultats montrent que la viscosité de toutes les huiles végétales diminue de façon exponentielle avec la température et est nettement supérieure à celle de l'huile minérale (EC). Pour le point d’incendie et le point d’éclair, il existe des caractéristiques importantes d’un isolant liquide. Ces données sont d'autant plus importantes lorsque l'isolant doit être utilisé dans un environnement à forte concentration thermique, comme par exemple un transformateur de puissance. La connaissance de ce paramètre dans les huiles végétales est importante pour prédire la contrainte thermique maximale à imposer à l'isolant sans risque d'inflammation. Ces caractéristiques représentent certains des atouts des isolants liquides à base d’huile végétale par rapport aux huiles minérales. Subburaj et al.9 ont montré que les huiles végétales étudiées avaient un point d'éclair et un point de feu 111 % supérieurs à la limite inférieure recommandée par la norme ASTM D92, contre 50 % pour les huiles minérales. Pour la tension de claquage, Tenbohlen et Koch5 ont étudié la tension de claquage de l'huile végétale High Oleic 90 Tournesol en comparaison avec l'ester synthétique Midel 7131, l'ester naturel Envirotemp FR3 et l'huile minérale inhibée Nynas Nytro 3000X. Leurs travaux montrent que la tension de claquage des huiles végétales est bien supérieure à celle de l’huile minérale. Un résultat similaire a été démontré par Bertrand et Hoang7 qui ont étudié la tension de claquage d'huiles végétales telles que : l'huile de ricin, l'huile de colza et l'huile de tournesol. Dans un travail précédent, nous avons effectué une analyse de résolution de phase sur la propagation des décharges partielles dans l'ester méthylique d'huile de palmiste par rapport à l'huile minérale10. Il a été conclu que l’huile végétale avait une meilleure capacité à ralentir l’activité des décharges partielles.