Jeg har arbejdet med dielektriske væsker siden 2014. Jeg har spildt dem, indåndet dem (ikke), set dem fejle katastrofalt, og én gang – EN GANG – måtte jeg evakuere en bygning, fordi nogen mente, det ville være fint at bruge den forkerte type. Det var ikke fint.
Dette er alt, hvad jeg ville ønske, at nogen fortalte mig, før jeg begyndte at arbejde med det her.
Hvad ER selv dielektrisk væske?
Lige så. Ved du hvordan elektricitet leder gennem metal? Og hvordan leder den ikke gennem... ikke-metal? Det er grundtanken.
Dielektrisk væske er en flydende isolator. Den leder ikke elektricitet. Eller teknisk set gør det det, men MEGET dårligt, hvilket for vores formål betyder, at det ikke gør det. Resistiviteten er som 10^12 ohm-meter eller højere. Sammenlign det med kobber ved 10^-8. Kæmpe forskel.
Men her er sagen – det handler ikke kun om isolering. Dielektriske væsker udfører tre opgaver:
Elektrisk isolering- Stopper strømmen i at gå, hvor den ikke skal
Køling- Flytter varme væk fra varme punkter
Bueundertrykkelse- Hvis der ER en gnist, kvæler den den
Den tredje er kritisk, og de fleste forstår den ikke. Luft er faktisk en ret god isolator, indtil den ikke er det. Få nok spænding, luft bryder sammen, du får en lysbue, tingene eksploderer. Sjove tider.
Flydende dielektrisk? Langt højere gennemslagsspænding. Vi taler om 30-70 kV for et 2,5 mm mellemrum i olie mod 8-10 kV i luft. Så du kan pakke elektrisk udstyr meget tættere.
Hvorfor vi bruger det
For det skal vi i bund og grund.
Se på en stor transformer. Dem du ser på elmaster eller udenfor bygninger. Inde i den metaldåse er der en flok kobberspiraler viklet rundt om en jernkerne. De spoler bliver VARME. Som 80-90 grader varmt under normal belastning, varmere under tung belastning.
Luftkøling? Glem det. Ikke nok. Du har brug for noget, der:
Leder ikke elektricitet
Har god varmekapacitet
Kan faktisk flytte varmen rundt (konvektion)
Vil ikke let antændes
Holder i årtier uden at gå i stykker
Vand? Stor varmekapacitet! Leder også strøm. Hård aflevering.
Luft? Leder ikke, men frygtelig varmeoverførsel.
Olie? Leder ikke (meget), god varmekapacitet, flyder let, relativt sikkert. Vinder vinder.
Jeg arbejdede engang på et projekt, hvor kunden insisterede på, at de kunne bruge luftkøling på en 2 MVA transformer. Sparede dem som $3000 på olien. Det kostede dem 80.000 dollars, da transformatoren fejlede efter 8 måneder. Kobberet smeltede bogstaveligt talt. Jeg har billeder et sted.
De forskellige typer og hvorfor de betyder noget
Åh mand okay det er her det bliver kompliceret. Men jeg vil prøve at holde det simpelt.
Mineralolie (Transformer Oil)
Hvad det er: Raffineret petroleumsprodukt
Fordele: Billig, fungerer godt, har brugt det i 100+ år
Ulemper: Brandfarlig (en slags), miljøhensyn, biologisk nedbrydelighed suger
Anvendes i: De fleste transformere, ældre udstyr
Omkostninger: Som $5-8 pr. gallon i bulk (priserne steg for nylig, forsyningskæden)
Silikone væske
Hvad det er: Syntetisk polymerolie (normalt polydimethylsiloxan)
Fordele: Højt flammepunkt (300 grader +), stabilt, oxiderer ikke let
Ulemper: Dyrt som fanden, hvis det brænder, er røgen giftig
Anvendes i: Indendørs transformatorer, steder hvor brandrisikoen er kritisk
Pris: $30-60 per gallon
Bemærk: Jeg har set silikonevæske overleve brande, der ville have ødelagt mineralolieudstyr
Ester væsker
Naturlig ester: Fremstillet af grøntsager (soja, raps, solsikke)
Syntetisk ester: Lab-lavede lignende molekyler
Fordele: Biologisk nedbrydeligt, højt brandpunkt, bedre for miljøet
Ulemper: Kan være fugtfølsomt, dyrt, nedbrydes hurtigere under nogle forhold
Pris: $15-40 per gallon afhængig af type
Anvendes i: Nye installationer, eftermonteringer, hvor som helst miljøregler er strenge
Fluorcarbon væsker
Hvad det er: Syntetiske fluorerede forbindelser
Fordele: Fuldstændig ikke-brændbar, utrolig temperaturstabilitet
Ulemper: SINDSSYGT DYRT, miljøhensyn (nogle er drivhusgasser)
Anvendes i: Militær, luftfart, kritiske applikationer
Pris: Spørg ikke. Seriøst. Gerne $200+ pr. gallon. Vi brugte det én gang på en DOD-kontrakt.
Der er ogsågas-isoleretting (SF6), men det er egentlig ikke en væske, og også SF6 er forfærdeligt for miljøet, så vi prøver at udfase det. God riddance ærligt.
Mineralolie vs syntetisk: Den store debat
Jeg bliver konstant spurgt om dette. "Skal jeg bruge mineralolie eller syntetisk?"
Svaret er: hvad er dit budget, og hvad er applikationen?
Brug mineralolie, når:
Det er en standard udendørs transformer
Budgettet er stramt
Du er okay med de miljømæssige kompromiser
Brandrisikoen er overskuelig
Du har ordentlig indeslutning
Jeg vil sige, at 80% af transformatorerne derude stadig er mineralolie. Det virker. Det er billigt. Det er, hvad alle ved, hvordan de skal håndtere.
Brug syntetisk (silikone/ester), når:
Indendørs installation
Brandkoder kræver det
Miljøbestemmelser kræver det
Nær vandkilder eller følsomme områder
Du har råd til det
En af mine kunder skiftede fra mineralolie til naturlig ester for alle deres pad-monterede transformere. Omkostningerne steg med omkring 40% pr. enhed. Men deres forsikringsomkostninger faldt med 15 %, og de fik positiv PR for at være "grønne". Det gav mening for dem.
En anden kunde forsøgte at billige og bruge mineralolie, hvor de skulle have brugt silikone. Transformatoren var i en bygningskælder. Brandvagten fangede den under inspektion. De skulle dræne det hele og fylde igen med silikone. Det kostede dem som $25.000 i eftermontering plus nedetid. Bare brug den rigtige væske fra starten folk.
Dengang lærte jeg om PCB'er på den hårde måde
Okay, så det er vigtigt og også lidt skræmmende.
PCB'er (polychlorerede biphenyler) plejede at være den dielektriske væske. Ligesom fra 1930'erne til 1970'erne. De var fantastiske – superstabile, høj dielektrisk styrke, ikke-brændbare. Perfekt, ikke?
Så fandt vi ud af, at de forårsager kræft. Og de går ikke i stykker. Nogensinde. De akkumuleres bare i miljøet og i levende ting. Ups.
USA forbød dem i 1979. De fleste lande fulgte til sidst. Men her er sagen – transformere holder 30, 40, 50 år. Så der er STADIG udstyr derude med PCB'er i.
Jeg lærte dette på den hårde måde i 2016. Vedligeholdt, hvad jeg troede var en gammel mineralolietransformator. Mærket sagde mineralolie. Papirarbejdet sagde mineralolie. Tog en prøve for at teste den dielektriske styrke (standardprocedure) og fandt ud af, at det faktisk var askarel – en PCB-baseret væske.
Nogen havde ommærket det på et tidspunkt. Sandsynligvis for at undgå bortskaffelsesomkostninger (bortskaffelse af PCB er dyrt og stærkt reguleret).
Vi var nødt til at evakuere bygningen, tilkalde et hazmat-team, lave jordprøver, hele ni yards. Jeg var nødt til at få medicinsk test for at sikre mig, at jeg ikke blev udsat for farlige niveauer. Sjov uge.
Hvis du arbejder med gamle transformere:
Test ALTID, før du antager, hvilken væske der er deri
Etiketter lyver
PCB'er er tungere end mineralolie (vægtfylde ~1,5 vs 0,88)
Hvis du finder PCB'er, så rapporter det. Forsøg ikke at bortskaffe det selv.
Der er stadig titusindvis af PCB-transformere i drift
Dette er ikke en joke. PCB er en alvorlig dårlig nyhed. Jeg kender tre fyre, der udviklede helbredsproblemer fra PCB-eksponering. Man skulle gå på førtidspension.
Transformatorolie (den mest almindelige type)
Lad mig blive specifik om transformerolie, da det er, hvad de fleste mennesker rent faktisk vil beskæftige sig med.
Det starter som råolie, bliver raffineret, hydrobehandlet for at fjerne svovl og aromater, derefter behandlet for at fjerne fugt og partikler. Det, du ender med, er en klar til bleggul væske, der består af omkring 90 % paraffiniske kulbrinter.
Nøgleegenskaber:
Massefylde: ~0,87 g/cm³ ved 20 grader
Viskositet: 10-12 cSt ved 40 grader (som grundlæggende tykt vand)
Flammepunkt: 135-160 grader (afhænger af kvalitet)
Flydepunkt: -40 grader eller lavere for koldt klima
Dielektrisk styrke: 30+ kV for 2,5 mm mellemrum (frisk olie, korrekt behandlet)
Dissipationsfaktor:<0.5% at 90°C
Det der med spredningsfaktoren er vigtigt. Den måler, hvor meget energi olien optager og omdanner til varme. Lavere er bedre. Ny olie er ligesom 0,05%. Gammel nedbrudt olie kan være 5 % eller højere. Det er et problem.
Jeg har testet transformerolie, der har været i brug siden 1968. Den var BRUN. Som coca-cola brun. Dissipationsfaktoren var ude af hitlisterne. Dielektrisk styrke var måske 15 kV. Den transformer var en tikkende bombe.
De erstattede det efter min rapport. Det er også en god ting, fordi vi fandt isolering af karboniseret papir indeni. Endnu et eller to år, og den ting ville have fejlet katastrofalt.
Hvor du faktisk finder disse ting
Flere steder end du tror.
Elektriske transformere- Selvfølgelig. Fra små pad-beslag til massive understationsenheder. De store kan have 10,000+ gallons olie. Det er en swimmingpool fuld af olie.
Strømafbrydere- Højspændingsafbrydere bruger ofte olie til lysbueundertrykkelse. Når du bryder et 230 kV-kredsløb under belastning, får du en helvedes lysbue. Olie hjælper med at slukke den.
Kondensatorer- Nogle ældre kondensatorer brugte dielektrisk væske. De fleste nyere bruger noget andet, men der er stadig gammelt udstyr omkring.
Kabler- Olie-kabler plejede at være almindelige til underjordisk kraftoverførsel. Rør med kabel indeni, fyldt med olie under tryk. Vi er ved at udfase disse, men de er stadig i større byer.
Nedsænkningskøling til computere- Dette er nyere og lidt cool. Datacentre nedsænker hele servere i dielektrisk væske. Ingen ventilatorer nødvendige, langt bedre køling. Jeg besøgte en facilitet, hvor jeg gjorde dette i 2023. Det er mærkeligt at se et bundkort bare... sidde i klar olie... fungere normalt.
Elektrostatiske præcipitatorer- Industriel luftfiltrering. De bruger højspænding til at oplade partikler. Behøver dielektrisk væske til at isolere højspændingsdelene.
Medicinsk udstyr- røntgenmaskiner, nogle typer billedbehandlingsudstyr. Overalt hvor du har brug for højspænding på et lille rum.
EDM maskiner- Elektrisk afladningsbearbejdning. De skærer metal ved hjælp af kontrollerede gnister under vandet. Nå, teknisk set under dielektrisk væske.
Jeg så også dielektrisk væske brugt som hydraulikvæske en gang. Det var... interessant. Og nok ikke en god idé, men det virkede. Fyren var i klemme, og det var, hvad han havde. Anbefaler det ikke.
Sikkerhedsting, ingen fortæller dig (indtil nogen kommer til skade)
Så jeg vil være ægte med dig. Dielektriske væsker er ret sikre sammenlignet med mange industrielle kemikalier. Men de er ikke harmløse.
Mineralolie:
Mild hudirriterende for nogle mennesker
Indånd ikke dampen, hvis den er varm (kan forårsage hovedpine, kvalme)
Glat som fanden (jeg har set tre mennesker glide og falde)
Hvis det går i flammer... ja, det er ikke meningen, at det let skal antændes, men hvis det gør det, så brug ikke vand. Brug skum eller CO2.
Den varme damp kan kondensere i dine lunger. Det her er slemt.
Silikone væsker:
Stort set ikke-giftig ved normale temperaturer
Men hvis de brænder (og de brænder ikke let), inkluderer forbrændingsprodukterne formaldehyd og andre grimme ting
Også ekstremt glat
Svært at rydde op (blandes ikke med vand, fordamper ikke)
Ester væsker:
Generelt sikkert, lavet af grøntsager ikke?
Kan forårsage allergiske reaktioner hos nogle mennesker (især hvis du er allergisk over for soja/frø)
Nedbrydes hurtigere ved tilstedeværelse af vand/ilt
Nedbrydningsprodukterne kan være sure og korroderende metaller
Fluorcarboner:
For det meste ikke-giftig
But some are greenhouse gases (GWP >10000)
Dyrt at bortskaffe ordentligt
Generelle sikkerhedsting:
Bær handsker. Jeg ved, det er en smerte, men transformatorolie på dine hænder kommer overalt. Din telefon, dit rat, din frokost. Bare tag de forbandede handsker på.
Øjenbeskyttelse ved prøveudtagning eller arbejde på udstyr under tryk. Jeg så en fyr tage ansigtet fuld af varm transformerolie, da en ventil svigtede. Han havde det fint, men det kunne have været slemt.
Korrekt ventilation i lukkede rum. Oliedamp er tungere end luft og vil samle sig på lave steder. Jeg har set folk besvime fra dampeksponering i transformerhvælvinger.
Ved hvad du arbejder med. Gammelt udstyr kan have PCB, selvom det er mærket på anden måde. Test først.
Hav spildinddæmning. Når en transformer fejler, kan den hurtigt lække hundredvis af liter. Du har brug for berms, indeslutningssystemer, absorberende materialer.
Jeg reagerede engang på en transformatorfejl, hvor 500 liter mineralolie sivede ud i et stormafløb. Den nåede en å, før vi nåede at stoppe den. Oprydningsomkostningerne var over $200.000. EPA var IKKE tilfreds. Virksomheden fik en bøde på 75.000 dollars.
Alt sammen fordi indeslutningsbarmen havde en revne, som ingen lagde mærke til.
Test og hvorfor din transformer døde
Her er det med dielektriske væsker – de ældes. De nedbryder. Olien i sig selv kan være fin, men den akkumulerer forurenende stoffer:
Fugt (fra vejrtrækning gennem ventilationsåbninger)
Partikler (fra slid)
Syrer (fra oxidation)
Opløste gasser (fra delvis udledning og overophedning)
Vi tester for alle disse ting. Eller vi burde. Mange steder tester man ikke regelmæssigt nok, og så bliver de overraskede, når en transformer fejler.
Tests vi laver:
Dielektrisk styrke- Hvor meget spænding kan den modstå? Bør være 30+ kV for god olie. Under 20 kV og jeg er bekymret. Under 15 kV og det udstyr har brug for opmærksomhed NU.
Jeg tester dette med et bærbart testsæt. Påfør spænding med 3 kV pr. sekund indtil sammenbrud. Gør det tre gange, gennemsnit resultaterne. Det tager cirka 10 minutter. Kan redde dig fra en transformatorfejl på $100.000.
Analyse af opløst gas (DGA)- Dette er de gode ting. Når transformatorisolering går i stykker, eller når der er buedannelse, producerer den gasser. Disse opløses i olien. Vi uddrager dem og analyserer:
Brint (H2) - generel overophedning, corona
Metan (CH4) - mindre overophedning
Ethan (C2H6) - overophedning ~300 grader
Ethylen (C2H4) - overophedning ~500 grader +
Acetylen (C2H2) - lysbuedannelse
Kulmonoxid/dioxid - cellulosenedbrydning
Hver gas fortæller en historie. Høj acetylen? Du har bue. Høj ethylen? Alvorlig overophedning. Masser af CO? Din papirisolering er ved at lave mad.
Jeg har fjerndiagnosticeret transformerproblemer bare ved at se på DGA-resultater. "Din acetylen er på 300 ppm? Du har en løs forbindelse, der lyser inde. Luk den ned."
Fugtindhold- Bør være under 35 ppm for god isolering. Over 50 ppm og din dielektriske styrke falder markant. Over 100 ppm, og du beder om problemer.
Fugt trænger ind gennem ventilationsåbninger, gennem tætninger, fra isolering, der er nedbrudt. Det er en konstant kamp.
Jeg så en transformer, der havde stået ubrugt i to år. Ingen vedligeholdt den, udluftningsventilen blev skudt, fugt kom ind. Fugtindholdet var over 200 ppm. Dielektrisk styrke var 8 kV. Vi kunne ikke engang give den energi sikkert. Var nødt til at genvinde olien og tørre den ud. Tog tre dage.
Surhedsgrad (neutraliseringstal)- Måler syreindhold. Frisk olie er som 0,01 mg KOH/g. Over 0,15 og det begynder at oxidere. Over 0,40 og det er forringet betydeligt.
Power Factor/Dissipation Factor- Hvor meget energi spilder olien som varme. Ny olie<0.05%. Above 0.5% at 90°C and there's contamination.
Grænsefladespænding- Måler overfladespændingen ved olie-vandgrænsefladen. Det lyder mærkeligt, men det er en god indikator for oxidationsprodukter. Frisk olie er 40+ dyn/cm. Under 25 og det er nedbrudt.
Vi udfører disse tests årligt på kritisk udstyr, hvert 2.-3. år på mindre kritiske ting. Nogle steder testes kvartalsvis. Nogle steder tester man aldrig.
Gæt, hvilke der har flere fejl?
Den miljømæssige vinkel (det er kompliceret)
Okay, så det er her, tingene bliver rodet. Miljømæssigt set.
Mineralolie:
Lavet af fossile brændstoffer (dårligt for CO2-fodaftryk)
Det tager årtier at nedbryde biologisk i miljøet
Giftig for vandlevende organismer i store mængder
Spild er alvorlige miljøhændelser
MEN: relativt stabil, producerer normalt ikke skadelige nedbrydningsprodukter
Naturlige estere:
Lavet af vedvarende ressourcer (godt!)
Nedbrydes hurtigt (90%+ på 28 dage)
Lavere miljøtoksicitet
MEN: kræver landbrug (arealanvendelse, vand, pesticider)
Forarbejdning har sine egne miljøomkostninger
Syntetiske estere:
Lab-lavet (energikrævende)
Variabel biologisk nedbrydelighed
Generelt bedre end mineralolie
Men produktionen har miljøomkostninger
Silikoner:
Nedbrydes ikke rigtigt biologisk
Men lav heller ikke giftige nedbrydningsprodukter
Meget stabil i miljøet (godt og dårligt)
Fluorcarboner:
Mange er potente drivhusgasser
Kan forblive i atmosfæren i årtier
Forsøger at udfase de værste
Leder efter alternativer
Virkeligheden er, at der ikke er nogen perfekt løsning. Hver type har afvejninger.
Jeg arbejdede på et projekt, hvor vi eftermonterede 50 transformere fra mineralolie til naturlig ester. PR var fantastisk – "100 % biologisk nedbrydeligt!" "Miljøvenlig!" Virksomheden fik priser.
Men ingen nævnte:
Mineralolien skulle bortskaffes (forbrændes)
Den naturlige ester kostede 3 gange mere
Det krævede hyppigere test og vedligeholdelse
Transformatorerne blev lidt varmere
Esteren kom fra sojabønner, der er dyrket ... et eller andet sted (vi spurgte ikke for hårdt)
Var det bedre for miljøet generelt? Sandsynligvis. Måske. Jeg ved det ærlig talt ikke. Livscyklusanalysen ville være kompliceret.
Hvad jeg ved er, at forebyggelse af spild betyder mere end væsketypen. Et vel-vedligeholdt mineraloliesystem med korrekt indeslutning er bedre end et naturligt estersystem, der lækker.
Alternativer og teknologi
Nogle interessante ting sker:
Tørre-transformere- Ingen væske overhovedet. Brug luft eller gas til afkøling. Fungerer godt til mindre enheder, men effektiviteten falder på store. Dyrere i starten, men ingen væskevedligeholdelse.
Vakuum isolering- Brug vakuum i stedet for væske. Det lyder skørt, men det virker. Hovedsageligt til specialiserede applikationer.
Nanofluid dielektrik- Tilføjelse af nanopartikler til traditionelle væsker for at forbedre egenskaberne. Stadig mest forskningsstadie, men lovende. Jeg har set testresultater, der viser 30-40% bedre varmeoverførsel. Kunne tillade mindre transformere.
Bio-baserede væsker- Ud over estere. Ser på alger-afledte væsker, modificerede planteolier og andre vedvarende kilder. Udfordringen er at matche ydeevnen og omkostningerne ved traditionelle væsker.
SF6 Alternativer- Da SF6 er en frygtelig drivhusgas, arbejdes der meget med alternativer. Tør luft med højt tryk, nitrogen/CO2-blandinger, nye syntetiske gasser med lavere GWP.
Bedre overvågning- Online sensorer til kontinuerlig overvågning. DGA-sensorer, der analyserer gasser i realtid-. Fugtsensorer. Temperatursensorer overalt. Målet er at forudsige fejl, før de sker.
Jeg har testet et online DGA-system i det sidste år. Det er ret sejt - prøver gasheadspace hver time, sender data til skyen, advarer, hvis noget ser galt ud. Fanget en begyndende fejl klokken 2 om natten en lørdag. Den transformer ville have svigtet mandag morgen, hvis vi ikke havde fået alarmen.
Omkostningerne er stadig høje ($5-10k pr. enhed), men faldende. Om 5-10 år vil jeg vædde på, at dette vil være standard på kritisk udstyr.
Hvad jeg faktisk anbefaler
Vil være lige med dig.
Hvis du angiver en ny transformer:
Indendørs placering? Brug silikone eller syntetisk ester. Kig på omkostningerne. Brandrisiko er ikke det værd.
Udendørs placering med god indeslutning? Mineralolie er fint. Det virker.
I nærheden af miljøfølsomme områder? Naturlig ester.
Budget intet objekt? Syntetisk ester eller tør-type.
Hvis du vedligeholder eksisterende udstyr:
TEST DIN OLIE. Minimum årligt. Kvartalsvis for kritiske ting.
Før detaljerede optegnelser. Følg trends. Et dårligt testresultat kan være en anomali. En tendens er et problem.
Skift olien før den bliver rigtig dårlig. At forsøge at genvinde alvorligt nedbrudt olie er dyrt.
Reparer lækager med det samme. Små utætheder bliver store utætheder.
Udluftningsventiler betyder noget. Brug tørreventiler og skift dem regelmæssigt.
Temperatur betyder noget. Hot spots dræber transformatorer. Overvåg temps.
Hvis du har at gøre med gammelt udstyr:
Antag ingenting. Etiketter lyver. Test det.
Hvis bygget før 1980, skal du være ekstra forsigtig med PCB.
Gammel betyder ikke dårligt. Jeg har set transformere fra 1950'erne stadig køre fint, fordi de var godt-vedligeholdt.
Nogle gange giver det mening at eftermontere med ny væske. Nogle gange er udskiftning bedre. Gør regnestykket.
Hvad man IKKE skal gøre:
Bland ikke væsketyper, medmindre du virkelig ved, hvad du laver
Brug ikke bilolie eller hydraulikvæske som transformerolie (ja, jeg har set nogen prøve dette)
Ignorer ikke testresultater
Spring ikke vedligeholdelse over for at spare penge
Antag ikke, at "det har været fint i 20 år" betyder, at det vil være fint i 20 mere
Åh og hvis du løbersynke EDMmaskiner, skal du være opmærksom på kvaliteten af din dielektriske væske. Jeg har set butikker brænde igennem elektroder, fordi deres væske var forurenet. Filtrer det. Test det. Denne væske gør det samme arbejde som transformerolie - isolerer samtidig med at den håndterer varme og lysbueundertrykkelse. Samme principper gælder. Ikke billig ud.