Comparative investigation on the properties of transformer-used high temperature resistant oil and paper insulation materials

As the distribution transformers experience more severe seasonal overloading in recent years, the reliability of electricity supply to urban and rural residences is jeopardized. Therefore, it is necessary to improve transformers’ anti-overload ability. One economical way is to substitute the insulation system with a higher temperature resistant system. There are already several kinds of high temperature resistant paper candidates which are needed to be investigated on their applicability to fluid-filled transformers. Meanwhile, compared with traditional mineral oil, vegetable oil has much higher fire and flash points and is readily biodegradable. Therefore, vegetable oil has higher fire safety and the advantage of environmental friendliness and is increasingly applied in transformers. The combination of high temperature resistant paper and vegetable oil would provide a potential to safely increase the transformer anti-overload ability. It is necessary to investigate on the behavior of high temperature resistant oil and paper insulation materials. This thesis first selects NOMEX T910 paper and Thermally Upgraded Kraft(TUK) paper and three kinds of vegetable oil, namely FR3,Vinsoil and Dupont EBF#2. The initial physical, chemical, mechanical and dielectric properties of all the paper and oil material are studied and the results are compared with conventional Kraft paper and mineral oil system. On this basis, the thesis further sets up a thermal aging platform and then performs a 150℃ accelerated thermal aging tests on T910 paper and PET Composite(DMD) paper in FR3 impregnation in a sealed tube. The change on typical properties of paper and oil along aging is analyzed. The results show that T910 paper owns a better performance on water content and oil absorption. But on the initial mechanical strength, TUK paper and Kraft paper have higher values, and T910 paper still meet the requirement of the relevant standard. The dissipation factor tanδ of TUK paper and Kraft paper are lower, while T910’s is greater. The dielectric constants εr of all three kinds of paper increase as the density goes up. T910 paper shows higher breakdown electrical field values in air and most oil impregnation conditions, and mineral oil is more sensitive to temperature rise. As for the oil, all the vegetable oils have higher water content, total acid number and viscosity. After 720h of the 150℃ aging, the breakdown voltage of paper shows little change. Kraft paper has more obvious tensile strength decrease and drops to 60% of the initial value, whereas T910 paper and DMD paper nearly keep contant and high level all the time, remain 95% and 90% respectively. The vegetable oil has a stable viscosity behavior but distinct increase on total acid number. The DGA results indicate higher gaseous content of C2H6 and CO and are diagnosed as T1 low-temperature fault by IEC standard. The aging process makes it clear that the paper and oil degrade as the hydyolysis process dominates. All the paper and oil materials experience the molecular chain cleavage led by the breakdown of glucosidic bonds or ester bonds and some by-products are formed simultaneously. The supporting role of high thermal stability of NOMEX fiber and the interactive transesterification effect between PET and triglyceride make the T910 paper and DMD paper have great tensile stability in FR3 oil. T910 and DMD paper both show greater tensile retention than Kraft paper. However, the limitation of aging time could not verify the temperature resistivity of T910 and DMD paper in FR3 oil sufficiently. Therefore, the possibility of cooperations of T910 paper and DMD paper with FR3 oil to improve transformer’s anti-overload ability is still needed to be assessed.

Poiché i trasformatori di rete hanno evidenziato, negli ultimi anni, seri problemi dovuti ai sovraccarichi stagionali, l’affidabilità dei sistemi di alimentazione urbana e non è messa a repentaglio. Perciò, è necessario migliorare l’abilità dei trasformatori di gestire tali sovraccarichi. Una via economica è rappresentata dalla possibilità di sostituire il sistema isolante con uno maggiormente resistente alle alte temperature. Esistono già diversi tipi di carta resistente alle alte temperature candidati a questo ruolo che meritano un’analisi di applicabilità ai trasformatori. Allo stesso tempo, se paragonato agli oli minerali tradizionali, l’olio vegetale ha un più alto flash point ed è facilmente biodegradabile. Perciò esso offre una maggiore sicurezza e il vantaggio di essere meno impattante dal punto di vista ambientale; per questi motivi il suo impiego nei trasformatori sta aumentando notevolmente. La combinazione di un foglio resistente alle alte temperature e di olio vegetale comporterebbe un potenziale miglioramento nell’abilità nella gestione dei sovraccarichi. Questa tesi ha selezionato dapprima due fogli, NOMEX T910 e Thermally Upgraded Kraft (TUK),e tre tipi di olio vegetale, FR3, Vinsoil e Dupont EBF#2. Le proprietà fisiche, chimiche, meccaniche e dielettriche iniziali degli isolanti impiegati sono state studiate e i risultati paragonati con le proprietà di un foglio Kraft e di un olio minerale convenzionali. Su questa base, si è sviluppato un piano di test termici di invecchiamento e in seguito un test di stress accelerato a 150 °C. La variazione delle proprietà tipiche dei materiali impiegati nel corso dell’invecchiamento è stata analizzata. I risultati hanno mostrato che il T910 è in grado di fornire una performance migliore in termini di contenuto di acqua e assorbimento di olio. Tuttavia,il TUK e il Kraft hanno mostrano valori iniziali di resistenza meccanica più elevati. Il fattore di dissipazione tanδ del TUK e del Kraft è più basso. Le costanti dielettriche εr dei tre paper aumentano all’aumentare della densità. Il T910 mostra i più alti valori di breakdown in aria e l’olio minerale è maggiormente sensitivo a un aumento di temperatura. Gli oli vegetali hanno maggiori contenuto di acqua, numero di acidità totale e viscosità. Dopo 720 h di invecchiamento, la tensione di breakdown dei fogli mostra una leggera variazione. Il Kraft mostra una ovvia riduzione della resistenza a trazione (fino al 60 % del valore iniziale), mentre T910 e DMD mantengono tale parametro pressoché costante per tutto il tempo. L’olio vegetale mostra un comportamento stabile della viscosità, ma un netto aumento del numero di acidità totale. I risultati DGA indicano un più elevato contenuto di C2H6 e CO. Il processo di invecchiamento ha evidenziato che il foglio e l’olio degradano se il processo di idrolisi risulta dominante. Tutti i fogli e gli oli minerali hanno evidenziato la frattura della catena polimerica dovuta alla rottura dei legami glucosidici o esterei e alla formazione simultanea di sottoprodotti. I fogli T910 e DMD mostrano una migliore tenuta a trazione rispetto al Kraft. Tuttavia, il limite imposto di tempo durante le prove di invecchiamento potrebbe aver inciso sui risultati ottenuti. Pertanto, la possibilità di unione delle proprietà di T910 e DMD nell’olio FR3 per migliorare la gestione dei sovraccarichi meriterebbe un’ulteriore valutazione.