High performance cellulosic materials to increase the life and reliability of power transformers
Matériaux cellulosiques de haute-performance pour accroître la durée de vie et la fiabilité de transformateurs de puissance
Résumé
With the invention of the lightbulb and the development of electrical machinery, the industrial world developed an appetite for an ever-increasing electrical power consumption. To answer this demand power grids were built that could transport electricity from producers to consumers. Central to the power grid are transformers, they are passive electrical devices which can rise and lower the voltage in electrical grids, in order to transport electricity with minimum losses. Power Transformer (PT) are particular types of transformer found at the beginning of electrical networks. PT require an insulation system with excellent thermal and dielectric properties. A combination of mineral oil and cellulosic insulation (Kraft paper and pressboard immersed in the oil) is used in power transformers. Oil acts as the main insulation and dissipates heat while cellulosic insulation breaks the stress in the oil and provides a mechanical support. Paper-oil insulation in PT will degrade over time and, while oil can be periodically renewed, cellulosic insulation cannot be replaced. In normal working conditions, the first component of a PT that will fail is the paper insulation. Therefore, assessment methods of PT focus on evaluating the state of the cellulosic insulation. This thesis focuses on the ageing behavior of PT insulation, focused on Kraft paper, with the overall idea of developing new methods for assessing the insulation state in real equipment. The presented research is divided in four chapters.In the first chapter, a general bibliographic survey provides the necessary information to present the global topic. This chapter starts by a general introduction of transformers history, with an overview of transformer insulation, its structure and function. The chemistry of insulation materials, paper and oil, is also presented with a description of the general ageing behavior of Kraft insulation.The second chapter focuses on the use of methanol as an ageing marker for cellulose degradation in PT. This is an indirect method that relates the dosage of a dissolved substance (methanol) to the state of degradation of the cellulose insulation inside a PT. A review of the relevant literature on the subject and description of the experimental methods which have been used to validate methanol as an ageing marker are presented. In our study, a particular focus was brought on the chemical role of paper main components (cellulose, hemicelluloses, lignin) in the production of methanol during ageing. The origin of methanol generated as an ageing marker of cellulose depolymerization, and the role of each paper component in methanol production, were investigated through the study of model molecules. Lignin is a major contribution to methanol release due to the presence of methoxyl groups.In the third and fourth chapter, the same set of samples was studied. It was selected to represent the possible variations in the organic and inorganic composition of paper. Variation in organic composition were achieved by simply using paper samples of different types. Variations in inorganic composition was achieved by ion exchange, to substitute some cations present in Kraft pulps, and enrich the paper with other metal ions. Once ageing starts, lignin protects the pulp from oxidation, not only by reducing overall value of the oxidative damage but also the proportion of acid components in the oxidation. This correlated with permittivity and depolymerization, in both cases, samples with an acid lead oxidation corresponded to the fastest depolymerization and loss of dielectric properties. Main metals (even in ppms concentration) showed to have an important effect on depolymerization and oxidation. Calcium, magnesium, and to a lesser extent sodium, showed a lower proportion of acid lead oxidation that correlates to slower kinetics of depolymerization while iron and copper showed an important acid oxidation that correlate to fast depolymerization kinetics.
Avec l'invention de l'ampoule et le développement des machines électriques, le monde industriel a développé un appétit pour une consommation d'énergie électrique. Pour répondre à cette demande, des réseaux électriques ont été construits pour transporter l'électricité des producteurs aux consommateurs. Au centre du réseau électrique se trouvent les transformateurs, ce sont des dispositifs électriques passifs qui peuvent monter et descendre la tension dans les réseaux électriques dans le but de transporter l'électricité avec un minimum de pertes. Les Transformateurs de Puissance (TP) sont un type de transformateurs que l'on trouve au début des réseaux électriques, ils nécessitent un système d'isolation avec d'excellentes propriétés thermiques et diélectriques. Une combinaison d'huile minérale et d'isolant cellulosique (papier kraft et carton immergés dans l'huile) est utilisée dans les TP. L'isolation papier-huile dans le TP se dégradera avec le temps et, dans des conditions de travail normales, le composant avec la plus faible durée de vie est l'isolation en papier. Par conséquent, les méthodes d'évaluation de TP se concentrent sur l'évaluation de l'état de l'isolant cellulosique. Cette thèse porte sur le comportement de vieillissement de l'isolation des TP, centrée sur le papier Kraft, avec l'idée générale de développer de nouvelles méthodes d'évaluation de l'état de l'isolation dans des équipements réels.Une première partie se concentre sur l'utilisation du méthanol comme marqueur de vieillissement dans la dégradation de la cellulose. Il s'agit d'une méthode indirecte qui relie le dosage d'une substance dissoute (méthanol) à l'état de dégradation de l'isolant cellulosique à l'intérieur d'un TP. Une revue de la littérature pertinente sur le sujet et une description des méthodes expérimentales qui ont été utilisées pour valider le méthanol comme marqueur du vieillissement sont présentées. Dans notre étude, une attention particulière a été portée sur le rôle chimique des principaux composants du papier (cellulose, hémicelluloses, lignine) dans la production de méthanol au cours du vieillissement. L'origine du méthanol généré en tant que marqueur de vieillissement de la dépolymérisation de la cellulose et le rôle de chaque composant du papier dans la production de méthanol ont été étudiés par l'étude de molécules modèles. La lignine a une contribution majeure à la libération de méthanol en raison de la présence de groupes méthoxyle.Dans une deuxième partie, le même ensemble d'échantillons a été étudié. Il a été choisi pour représenter les variations possibles de la composition organique et inorganique du papier. La variation de la composition organique a été obtenue en utilisant des échantillons de papier de différents types. Des variations de compositions inorganiques ont été obtenues par échange d'ions, pour remplacer certains cations présents dans les pâtes kraft et enrichir le papier avec d'autres ions métalliques. Une fois le vieillissement commencé, la lignine protège la pâte de l'oxydation, non seulement en réduisant la valeur globale des dégats oxydatifs, mais également la proportion de composants acides dans l'oxydation. Ce phénomène était corrélé à la permittivité et à la dépolymérisation car, dans les deux cas, les échantillons avec une oxydation acide correspondaient à la dépolymérisation la plus rapide et aux pertes des propriétés diélectriques les plus importantes. Les métaux alcalins et alcalino-terreux (même en concentration ppm) se sont avérés avoir un effet important sur la dépolymérisation et l'oxydation. Le calcium, le magnésium et, dans une moindre mesure, le sodium, ont montré une proportion plus faible d'oxydation acide du plomb qui est corrélée à une cinétique de dépolymérisation plus lente, tandis que les métaux de transition comme le fer et le cuivre ont montré une importante oxydation acide qui est corrélée à une cinétique de dépolymérisation rapide.
Domaines
Matériaux| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|