Jeg har jobbet med dielektriske væsker siden 2014. Jeg har sølt dem, pustet dem (ikke), sett dem svikte katastrofalt, og en gang – EN GANG – måtte jeg evakuere en bygning fordi noen mente det var greit å bruke feil type. Det var ikke greit.
Dette er alt jeg skulle ønske noen fortalte meg før jeg begynte å jobbe med disse tingene.
Hva er til og med dielektrisk væske?
Akkurat så. Vet du hvordan elektrisitet leder gjennom metall? Og hvordan leder den ikke gjennom... ikke-metall? Det er grunntanken.
Dielektrisk væske er en flytende isolator. Den leder ikke strøm. Eller teknisk sett gjør det det, men VELDIG dårlig, noe som for våre formål betyr at det ikke gjør det. Resistiviteten er som 10^12 ohm-meter eller høyere. Sammenlign det med kobber ved 10^-8. Stor forskjell.
Men her er saken – det handler ikke bare om isolasjon. Dielektriske væsker gjør tre jobber:
Elektrisk isolasjon- Hindrer strømmen fra å gå dit den ikke skal
Avkjøling- Flytter varme vekk fra varme punkter
Bueundertrykkelse- Hvis det ER en gnist, kveler den den
Den tredje er kritisk, og de fleste forstår den ikke. Luft er faktisk en ganske god isolator til den ikke er det. Få nok spenning, luft brytes ned, du får en lysbue, ting eksploderer. Morsomme tider.
Flytende dielektrisk? Langt høyere sammenbruddsspenning. Vi snakker 30-70 kV for et 2,5 mm gap i olje kontra 8-10 kV i luft. Så du kan pakke elektrisk utstyr mye tettere.
Hvorfor bruker vi det
Fordi vi må, i grunnen.
Se på en stor transformator. De du ser på strømstolper eller utenfor bygninger. Inne i metallboksen er det en haug med kobberspiraler pakket rundt en jernkjerne. De spolene blir VARME. Som 80-90 grader varmt under normal belastning, varmere under tung belastning.
Luftkjøling? Glem det. Ikke nok. Du trenger noe som:
Leder ikke strøm
Har god varmekapasitet
Kan faktisk flytte varmen rundt (konveksjon)
Tar ikke lett fyr
Holder i flere tiår uten å gå i stykker
Vann? Stor varmekapasitet! Leder også strøm. Hard pasning.
Luft? Leder ikke, men forferdelig varmeoverføring.
Olje? Leder ikke (mye), god varmekapasitet, flyter lett, relativt trygt. Vinner vinner.
Jeg jobbet med et prosjekt en gang hvor klienten insisterte på at de kunne bruke luftkjøling på en 2 MVA transformator. Sparte dem for $3000 på oljen. Kostet dem 80 000 dollar da transformatoren sviktet etter 8 måneder. Kobberet smeltet bokstavelig talt. Jeg har bilder et sted.
De forskjellige typene og hvorfor de betyr noe
Ok, her blir det komplisert. Men jeg skal prøve å holde det enkelt.
Mineralolje (transformatorolje)
Hva det er: Raffinert petroleumsprodukt
Fordeler: Billig, fungerer utmerket, har brukt det i 100+ år
Ulemper: Brannfarlig (type), miljøhensyn, biologisk nedbrytbarhet suger
Brukes i: De fleste transformatorer, eldre utstyr
Kostnad: Som $5-8 per gallon i bulk (prisene gikk opp nylig, forsyningskjeden ting)
Silikonvæske
Hva det er: Syntetisk polymerolje (vanligvis polydimetylsiloksan)
Fordeler: Høyt flammepunkt (300 grader +), stabil, oksiderer ikke lett
Ulemper: Dyrt som faen, hvis det brenner er røyken giftig
Brukes i: Innendørs transformatorer, steder hvor brannfaren er kritisk
Pris: $30-60 per gallon
Merk: Jeg har sett silikonvæske overleve branner som ville ha ødelagt mineraloljeutstyr
Ester væsker
Naturlig ester: Laget av grønnsaker (soyabønner, raps, solsikke)
Syntetisk ester: Lab-laget lignende molekyler
Fordeler: Biologisk nedbrytbar, høy brannpunkt, bedre for miljøet
Ulemper: Kan være fuktfølsomme, dyre, brytes ned raskere under noen forhold
Pris: $15-40 per gallon avhengig av type
Brukt i: Nye installasjoner, ettermonteringer, hvor som helst miljøreglene er strenge
Fluorokarbonvæsker
Hva det er: Syntetiske fluorerte forbindelser
Fordeler: Helt ikke-brennbar, utrolig temperaturstabilitet
Ulemper: SINNSYKT DYRT, miljøhensyn (noen er klimagasser)
Brukes i: Militær, luftfart, kritiske applikasjoner
Kostnad: Ikke spør. Seriøst. Som $200+ per gallon. Vi brukte den en gang på en DOD-kontrakt.
Det er ogsågass-isolertting (SF6), men det er egentlig ikke en væske, og også SF6 er fryktelig for miljøet, så vi prøver å fase det ut. God riddance ærlig talt.
Mineralolje vs syntetisk: Den store debatten
Jeg får stadig spørsmål om dette. "Bør jeg bruke mineralolje eller syntetisk?"
Svaret er: hva er budsjettet ditt og hva er søknaden?
Bruk mineralolje når:
Det er en standard utendørs transformator
Budsjettet er stramt
Du er ok med miljøavveiningene
Brannrisiko er håndterbar
Du har skikkelig inneslutning
Jeg vil si at 80 % av transformatorene der ute fortsatt er mineralolje. Det fungerer. Det er billig. Det er det alle vet hvordan de skal håndtere.
Bruk syntetisk (silikon/ester) når:
Innendørs installasjon
Brannkoder krever det
Miljølovgivningen krever det
Nær vannkilder eller følsomme områder
Du har råd til det
En av kundene mine byttet fra mineralolje til naturlig ester for alle de pad-monterte transformatorene. Kostnadene økte med rundt 40 % per enhet. Men forsikringskostnadene deres falt med 15 % og de fikk positiv PR for å være «grønne». Det ga mening for dem.
En annen klient prøvde å billige ut og bruke mineralolje der de burde ha brukt silikon. Transformatoren var i en bygningskjeller. Brannvakten fanget den under inspeksjon. De måtte tømme hele greia og fylle på med silikon. Kostet dem som $25 000 i ettermontering pluss nedetid. Bare bruk riktig væske fra starten folkene.
Den gangen lærte jeg om PCB på den harde måten
Ok, så dette er viktig og også litt skremmende.
PCB (polyklorerte bifenyler) pleide å være den dielektriske væsken. Som fra 1930- til 1970-tallet. De var fantastiske – superstabile, høy dielektrisk styrke, ikke-brennbare. Perfekt, ikke sant?
Så fant vi ut at de forårsaker kreft. Og de bryter ikke sammen. Stadig. De bare samler seg i miljøet og i levende ting. Oops.
USA forbød dem i 1979. De fleste land fulgte etter hvert. Men her er tingen – transformatorer varer i 30, 40, 50 år. Så det er FORTSATT utstyr der ute med PCB i.
Jeg lærte dette på den harde måten i 2016. Holdt på med vedlikehold på det jeg trodde var en gammel mineraloljetransformator. Etiketten sa mineralolje. I papirene stod det mineralolje. Tok en prøve for å teste den dielektriske styrken (standard prosedyre) og fant ut at det faktisk var askarel – en PCB-basert væske.
Noen hadde ommerket det på et tidspunkt. Sannsynligvis for å unngå deponeringskostnader (PCB-deponering er kostbart og sterkt regulert).
Vi måtte evakuere bygningen, kalle inn et hazmat-team, foreta jordtesting, hele ni yards. Jeg måtte ta medisinsk test for å sikre at jeg ikke ble utsatt for farlige nivåer. Morsom uke.
Hvis du jobber med gamle transformatorer:
Test ALLTID før du antar hvilken væske som er der
Etiketter lyver
PCB er tyngre enn mineralolje (spesifikk vekt ~1,5 vs 0,88)
Hvis du finner PCB, rapporter det. Ikke prøv å kaste det selv.
Det er fortsatt titusenvis av PCB-transformatorer i drift
Dette er ikke en spøk. PCB er alvorlig dårlige nyheter. Jeg kjenner tre karer som utviklet helseproblemer fra PCB-eksponering. Man måtte gå av tidlig.
Transformatorolje (den vanligste typen)
La meg være spesifikk om transformatorolje siden det er det de fleste faktisk vil forholde seg til.
Den starter som råolje, blir raffinert, hydrobehandlet for å fjerne svovel og aromater, deretter behandlet for å fjerne fuktighet og partikler. Det du ender opp med er en klar til blekgul væske som består av omtrent 90 % parafiniske hydrokarboner.
Nøkkelegenskaper:
Tetthet: ~0,87 g/cm³ ved 20 grader
Viskositet: 10-12 cSt ved 40 grader (som i utgangspunktet tykt vann)
Flammepunkt: 135-160 grader (avhengig av karakter)
Flytepunkt: -40 grader eller lavere for kalde klimagrader
Dielektrisk styrke: 30+ kV for 2,5 mm gap (fersk olje, riktig behandlet)
Dissipasjonsfaktor:<0.5% at 90°C
Det med spredningsfaktor er viktig. Den måler hvor mye energi oljen absorberer og konverterer til varme. Lavere er bedre. Ny olje er som 0,05%. Gammel nedbrutt olje kan være 5 % eller høyere. Det er et problem.
Jeg har testet transformatorolje som har vært i bruk siden 1968. Den var BRUN. Som koka-cola brun. Dissipasjonsfaktoren var utenfor listene. Dielektrisk styrke var kanskje 15 kV. Den transformatoren var en tikkende bombe.
De erstattet den etter rapporten min. Bra også fordi vi fant karbonisert papirisolasjon inni. Et år eller to til, og den tingen ville ha mislyktes katastrofalt.
Hvor du faktisk finner disse tingene
Flere steder enn du tror.
Elektriske transformatorer- Tydeligvis. Fra små pute-fester til massive understasjonsenheter. De store kan ha 10,000+ liter olje. Det er et svømmebasseng fullt av olje.
Strømbrytere- Høyspenningsbrytere bruker ofte olje for buedemping. Når du bryter en 230 kV-krets under belastning, får du en helvetes lysbue. Olje hjelper til med å slukke den.
Kondensatorer- Noen eldre kondensatorer brukte dielektrisk væske. De fleste nyere bruker noe annet, men det er fortsatt gammelt utstyr rundt.
Kabler- Olje-kabler pleide å være vanlige for underjordisk kraftoverføring. Rør med kabel inni, fylt med olje under trykk. Vi faser ut disse, men de er fortsatt i større byer.
Nedsenkingskjøling for datamaskiner- Dette er nyere og litt kult. Datasentre senker hele servere i dielektrisk væske. Ingen vifter nødvendig, mye bedre kjøling. Jeg besøkte et anlegg som gjorde dette i 2023. Det er rart å se et hovedkort som bare ... sitter i klar olje ... fungerer normalt.
Elektrostatiske utskillere- Industriell luftfiltrering. De bruker høyspenning for å lade partikler. Trenger dielektrisk væske for å isolere høyspenningsdelene.
Medisinsk utstyr- røntgenmaskiner, noen typer bildebehandlingsutstyr. Hvor som helst du trenger høyspenning på en liten plass.
EDM-maskiner- Maskinering av elektrisk utladning. De kutter metall ved hjelp av kontrollerte gnister under vann. Vel, under dielektrisk væske teknisk sett.
Jeg så også dielektrisk væske brukt som hydraulikkvæske en gang. Det var...interessant. Og sannsynligvis ikke en god idé, men det fungerte. Fyren var i klem og det var det han hadde. Anbefaler det ikke.
Sikkerhetsting ingen forteller deg (til noen blir skadet)
Akkurat så jeg skal være ekte med deg. Dielektriske væsker er ganske trygge sammenlignet med mange industrielle kjemikalier. Men de er ikke ufarlige.
Mineralolje:
Lett hudirriterende for noen mennesker
Ikke pust inn dampen hvis den er varm (kan forårsake hodepine, kvalme)
Glad som faen (jeg har sett tre personer skli og falle)
Hvis det brenner … vel, det er ikke ment å ta fyr lett, men hvis det gjør det, ikke bruk vann. Bruk skum eller CO2.
Den varme dampen kan kondensere i lungene dine. Dette er dårlig.
Silikonvæsker:
Stort sett ikke-giftig ved normale temperaturer
Men hvis de brenner (og de brenner ikke lett), inkluderer forbrenningsproduktene formaldehyd og andre ekle ting
Også ekstremt glatt
Vanskelig å rydde opp (blandes ikke med vann, fordamper ikke)
Ester væsker:
Generelt trygt, laget av grønnsaker ikke sant?
Kan forårsake allergiske reaksjoner hos noen mennesker (spesielt hvis du er allergisk mot soya/frø)
Nedbrytes raskere i nærvær av vann/oksygen
Nedbrytningsproduktene kan være sure og korroderende metaller
Fluorkarboner:
For det meste ikke-giftig
But some are greenhouse gases (GWP >10000)
Dyrt å kassere på riktig måte
Generelle sikkerhetssaker:
Bruk hansker. Jeg vet det er vondt, men transformatorolje på hendene kommer overalt. Telefonen din, rattet, lunsjen din. Bare bruk de jævla hanskene.
Øyevern ved prøvetaking eller arbeid på utstyr under trykk. Jeg så en fyr ta ansiktet fullt av varm transformatorolje da en ventil sviktet. Han hadde det bra, men det kunne ha vært ille.
Riktig ventilasjon i lukkede rom. Oljedamp er tyngre enn luft og vil samle seg på lave steder. Jeg har sett folk besvime fra dampeksponering i transformatorhvelv.
Vet hva du jobber med. Gammelt utstyr kan ha PCB selv om det er merket på annen måte. Test først.
Ha sølbegrensning. Når en transformator svikter kan den lekke hundrevis av liter raskt. Du trenger bermer, inneslutningssystemer, absorberende materialer.
Jeg reagerte en gang på en transformatorfeil der 500 liter mineralolje lekket inn i et stormavløp. Den nådde en bekk før vi rakk å stoppe den. Oppryddingskostnadene var over 200 000 dollar. EPA var IKKE fornøyd. Selskapet fikk en bot på 75.000 dollar.
Alt fordi inneslutningsbermen hadde en sprekk som ingen la merke til.
Testing og hvorfor transformatoren din døde
Her er tingen med dielektriske væsker – de eldes. De forringes. Oljen i seg selv kan være fin, men den samler opp forurensninger:
Fuktighet (fra pust gjennom ventiler)
Partikler (fra slitasje)
Syrer (fra oksidasjon)
Oppløste gasser (fra delvis utslipp og overoppheting)
Vi tester for alt dette. Eller vi burde. Mange steder tester man ikke regelmessig nok, og så blir de overrasket når en transformator svikter.
Tester vi gjør:
Dielektrisk styrke- Hvor mye spenning tåler den? Bør være 30+ kV for god olje. Under 20 kV og jeg er bekymret. Under 15 kV og det utstyret trenger oppmerksomhet NÅ.
Jeg tester dette med et bærbart testsett. Påfør spenning på 3 kV per sekund til sammenbrudd. Gjør det tre ganger, gjennomsnitt resultatene. Tar omtrent 10 minutter. Kan redde deg fra en transformatorfeil på $100 000.
Analyse av oppløst gass (DGA)- Dette er de gode tingene. Når transformatorisolasjon bryter sammen eller når det er lysbue, produserer den gasser. Disse løses opp i oljen. Vi trekker ut dem og analyserer:
Hydrogen (H2) - generell overoppheting, korona
Metan (CH4) - liten overoppheting
Etan (C2H6) - overoppheting ~300 grader
Etylen (C2H4) - overoppheting ~500 grader +
Acetylen (C2H2) - lysbuedannelse
Karbonmonoksid/dioksid - cellulosenedbrytning
Hver gass forteller en historie. Høy acetylen? Du har lysbuer. Høy etylen? Alvorlig overoppheting. Mye CO? Papirisolasjonen din er i ferd med å lage mat.
Jeg har diagnostisert transformatorproblemer eksternt bare ved å se på DGA-resultater. "Acetylenet ditt er på 300 ppm? Du har en løs forbindelse som lyser inni. Slå den av."
Fuktighetsinnhold- Bør være under 35 ppm for god isolasjon. Over 50 ppm og dielektrisk styrke synker betydelig. Over 100 ppm og du ber om problemer.
Fuktighet kommer inn gjennom pusteventiler, gjennom tetninger, fra isolasjon som brytes ned. Det er en konstant kamp.
Jeg så en transformator som hadde stått ubrukt i to år. Ingen vedlikeholdt den, lufteventilen ble skutt, fuktighet kom inn. Fuktighetsinnholdet var over 200 ppm. Dielektrisk styrke var 8 kV. Vi kunne ikke engang gi den energi på en trygg måte. Måtte gjenvinne oljen og tørke den ut. Tok tre dager.
Surhet (nøytraliseringstall)- Måler syreinnhold. Frisk olje er som 0,01 mg KOH/g. Over 0,15 og det begynner å oksidere. Over 0,40 og det er betydelig forringet.
Kraftfaktor/Spredningsfaktor- Hvor mye energi sløser oljen som varme. Ny olje<0.05%. Above 0.5% at 90°C and there's contamination.
Grenseflatespenning- Måler overflatespenningen ved olje-vanngrensesnittet. Høres rart ut, men det er en god indikator på oksidasjonsprodukter. Fersk olje er 40+ dyn/cm. Under 25 og det er forringet.
Vi gjør disse testene årlig på kritisk utstyr, hvert 2-3 år på mindre kritiske ting. Noen steder testes kvartalsvis. Noen steder tester man aldri.
Gjett hvilke som har flere feil?
Den miljømessige vinkelen (det er komplisert)
Ok, det er her ting blir rotete. Miljømessig sett.
Mineralolje:
Laget av fossilt brensel (dårlig for karbonavtrykk)
Det tar flere tiår å brytes ned i miljøet
Giftig for liv i vann i store mengder
Søl er alvorlige miljøhendelser
MEN: relativt stabil, produserer ikke skadelige nedbrytningsprodukter normalt
Naturlige estere:
Laget av fornybare ressurser (bra!)
Biologisk nedbrytes raskt (90 %+ på 28 dager)
Lavere miljøtoksisitet
MEN: krever landbruk (arealbruk, vann, plantevernmidler)
Bearbeiding har sine egne miljøkostnader
Syntetiske estere:
Lab-laget (energikrevende)
Variabel biologisk nedbrytbarhet
Generelt bedre enn mineralolje
Men produksjon har miljøkostnader
Silikoner:
Nedbrytes egentlig ikke biologisk
Men produserer heller ikke giftige nedbrytningsprodukter
Veldig stabil i miljøet (bra og dårlig)
Fluorkarboner:
Mange er kraftige klimagasser
Kan vedvare i atmosfæren i flere tiår
Prøver å fase ut de verste
Ser etter alternativer
Realiteten er at det ikke er noen perfekt løsning. Hver type har avveininger.
Jeg jobbet med et prosjekt der vi ettermonterte 50 transformatorer fra mineralolje til naturlig ester. PR-en var flott – "100 % biologisk nedbrytbar!" "Miljøvennlig!" Selskapet fikk priser.
Men ingen nevnte:
Mineraloljen måtte deponeres (forbrennes)
Den naturlige esteren kostet 3 ganger mer
Det krevde hyppigere testing og vedlikehold
Transformatorene ble litt varmere
Esteren kom fra soyabønner som er dyrket ... et sted (vi spurte ikke så hardt)
Var det bedre for miljøet generelt? Sannsynligvis. Kanskje. Jeg vet ærlig talt ikke. Livssyklusanalysen ville være komplisert.
Det jeg VET er at det er viktigere å forhindre søl enn væsketypen. Et godt-mineraloljesystem med riktig inneslutning er bedre enn et naturlig estersystem som lekker.
Alternativer og teknologi
Noen interessante ting skjer:
Tørr-transformatorer- Ingen væske i det hele tatt. Bruk luft eller gass for avkjøling. Fungerer utmerket for mindre enheter, men effektiviteten faller på store. Dyrere i utgangspunktet, men ingen væskevedlikehold.
Vakuum isolasjon- Bruk vakuum i stedet for væske. Høres sprøtt ut, men det fungerer. Hovedsakelig for spesialiserte applikasjoner.
Nanofluid dielektrikk- Legge til nanopartikler til tradisjonelle væsker for å forbedre egenskapene. Fortsatt for det meste forskningsstadiet, men lovende. Jeg har sett testresultater som viser 30-40 % bedre varmeoverføring. Kunne tillate mindre transformatorer.
Bio-baserte væsker- Utover estere. Ser på alger-avledede væsker, modifiserte planteoljer, andre fornybare kilder. Utfordringen er å matche ytelsen og kostnadene til tradisjonelle væsker.
SF6 Alternativer- Siden SF6 er en forferdelig drivhusgass, er det mye arbeid med alternativer. Tørr luft med høyt trykk, nitrogen/CO2-blandinger, nye syntetiske gasser med lavere GWP.
Bedre overvåking- Online sensorer for kontinuerlig overvåking. DGA-sensorer som analyserer gasser i sanntid.- Fuktighetssensorer. Temperatursensorer overalt. Målet er å forutsi feil før de skjer.
Jeg har testet et online DGA-system det siste året. Det er ganske kult – prøver gassens headspace hver time, sender data til skyen, varsler hvis noe ser galt ut. Fanget en begynnende feil klokken 02.00 på en lørdag. Den transformatoren ville ha sviktet mandag morgen hvis vi ikke hadde fått varselet.
Kostnadene er fortsatt høye ($5-10k per enhet), men synker. Om 5-10 år satser jeg på at dette vil være standard på kritisk utstyr.
Hva jeg faktisk anbefaler
Skal være rett med deg.
Hvis du spesifiserer en ny transformator:
Innendørs plassering? Bruk silikon eller syntetisk ester. Bite the bull på kostnad. Brannrisiko er ikke verdt det.
Utendørs plassering med god inneslutning? Mineralolje er greit. Det fungerer.
I nærheten av miljøsensitive områder? Naturlig ester.
Budsjetter ingen objekt? Syntetisk ester eller tørr-type.
Hvis du vedlikeholder eksisterende utstyr:
TEST OLJE DIN. Minimum årlig. Kvartalsvis for kritiske ting.
Hold detaljerte journaler. Spor trender. Et dårlig testresultat kan være en anomali. En trend er et problem.
Skift oljen før den blir skikkelig dårlig. Å prøve å gjenvinne alvorlig nedbrutt olje er dyrt.
Rett opp lekkasjer umiddelbart. Små lekkasjer blir store lekkasjer.
Lufteventiler betyr noe. Bruk tørkemiddel og skift dem regelmessig.
Temperaturen betyr noe. Hot spots dreper transformatorer. Overvåk temp.
Hvis du har å gjøre med gammelt utstyr:
Anta ingenting. Etiketter lyver. Test det.
Hvis bygget før 1980, vær ekstra forsiktig med PCB.
Gammel betyr ikke dårlig. Jeg har sett transformatorer fra 1950-tallet fortsatt fungere fint fordi de ble godt-vedlikeholdt.
Noen ganger er det fornuftig å ettermontere ny væske. Noen ganger er erstatning bedre. Gjør regnestykket.
Hva du IKKE skal gjøre:
Ikke bland væsketyper med mindre du virkelig vet hva du gjør
Ikke bruk bilolje eller hydraulikkvæske som transformatorolje (ja jeg har sett noen prøve dette)
Ikke ignorer testresultatene
Ikke hopp over vedlikehold for å spare penger
Ikke anta at "det har vært bra i 20 år" betyr at det vil være greit i 20 til
Og hvis du løpersøkke EDMmaskiner, vær oppmerksom på kvaliteten på dielektrisk væske. Jeg har sett butikker brenne gjennom elektroder fordi væsken deres var forurenset. Filtrer det. Test det. Denne væsken gjør den samme jobben som transformatorolje – isolerer samtidig som den håndterer varme og lysbueundertrykkelse. Samme prinsipper gjelder. Ikke billig ut.