Анотація: У доповіді розглядаються особливості використання діелектричних рідин для охолодження кабелів у високовольтних енергетичних мережах. Охолоджувальні рідини, які застосовуються в таких системах, повинні мати високу теплопровідність, низьку в'язкість, стабільність при високих температурах і відсутність електропровідності, що дозволяє забезпечити безпеку експлуатації систем високої напруги. Детально аналізуються силіконові рідини, їхні основні властивості, переваги та недоліки, а також новітні інновації в області охолоджувальних рідин, включаючи фенілметилсилоксани, полідиметилсилоксани, функціоналізовані силіконові рідини та фторові рідини.
Ключові слова: діелектричні рідини, охолодження кабелів, силіконові рідини, фторові рідини, трансформаторні масла, теплообмін, високовольтні системи.
Системи охолодження кабелів є критично важливим елементом у сучасних енергетичних мережах та високовольтних установках, де необхідно забезпечити стабільну роботу при значних електричних навантаженнях. Одним з найбільш ефективних способів управління температурним режимом, це використання рідинних систем охолодження. Вибір охолоджувальної рідини, для таких систем, має велике значення, оскільки рідина не лише повинна ефективно відводити тепло, але й виконувати функцію діелектричної ізоляції, що гарантує безпеку експлуатації електричних систем.
Для ефективної роботи охолоджуючої системи необхідно правильно підібрати рідину та оцінити основні властивості діелектричних рідин, необхідних для ефективного охолодження кабелів. Проаналізувати різні типи охолоджувальних рідин. Дослідити вплив інноваційних технологій та матеріалів на підвищення ефективності охолодження.
Загальний огляд діелектричних рідин для охолодження кабелів.
Діелектричні рідини є ключовим компонентом у системах охолодження кабелів, оскільки вони не проводять електричний струм, що робить їх безпечними для використання в електричних і електронних системах. Такі рідини повинні мати ряд властивостей, що забезпечують їх ефективність при охолодженні:
• висока теплопровідність — для ефективного відведення тепла від кабелів;
• низька в'язкість — для забезпечення хорошого потоку через систему охолодження;
• температурна стабільність — рідини повинні працювати в широкому діапазоні температур без втрати ефективності;
• діелектричні властивості — відсутність електропровідності, щоб уникнути коротких замикань у системах високої напруги.
Силіконові рідини в системах охолодження кабелів. Силіконові рідини є одним із популярних варіантів діелектричних рідин, що використовуються в системах охолодження кабелів завдяки своїм численним перевагам.
Основні властивості силіконових рідин:
- теплопровідність, силіконові рідини мають добру теплопровідність, що дозволяє ефективно відводити тепло від кабелів під час їх роботи;
- низька в'язкість, дозволяє їм швидко циркулювати по системі охолодження, що зменшує час охолодження та покращує ефективність;
- температурна стабільність, силіконові рідини мають високу стійкість до високих температур, вони здатні витримувати температури в діапазоні від - 50°C до +250°C (у деяких випадках до +300°C), що робить їх придатними для використання в системах охолодження кабелів, що працюють при значних теплових навантаженнях;
- діелектричні властивості, що забезпечує безпеку в системах високої напруги;
- інертність, дозволяє не взаємодіяти з іншими матеріалами в системі охолодження, запобігаючи корозії чи утворенню шкідливих сполук;
- тривалий термін служби, стійкі до старіння та окислення, що робить їх надійними в довгостроковій експлуатації.
Недоліки силіконових рідин:
• вартість, силіконові рідини можуть бути дорожчими за деякі інші охолоджувальні рідини, що обмежує їх використання в деяких бюджетних проектах;
• в’язкість при низьких температурах, силіконові рідини можуть ставати більш в’язкими, що знижує їхню ефективність при низьких температурах.
Наведемо деякі типові силіконові діелектричні рідини, які можуть бути використані.
Фенілметилсилоксани (PMPS) [2] – Фенілметилсилоксани (PMPS, Phenylmethylsiloxanes) — це тип органосиліконових сполук, які містять фенільну групу (C6H5) і метильну групу (CH3) на кремній-оксигеновому ланцюгу. Ці сполуки мають у своєму складі кремній, кисень, вуглець, водень, а також функціональні групи, які надають їм особливі властивості. Мають дуже високі діелектричні властивості, що означає, що вони можуть ефективно ізолювати електричні сигнали і попереджати короткі замикання або інші проблеми, пов'язані з електричним потоком. Відмінна термостійкість дозволяє використовувати їх в умовах високих температур. Це важливо для кабелів, які можуть нагріватися під час передачі енергії. Фенілметилсилоксани можуть витримувати температури в широкому діапазоні без втрати своїх фізичних та хімічних властивостей, що дозволяє забезпечити стабільну роботу системи охолодження навіть при інтенсивних навантаженнях. Володіють хімічною стабільністю, що дозволяє їм не вступати в реакції з іншими матеріалами. Вони не агресивні і не вступають у корозію, а навпаки із-за своїх хімічних властивостей, фенілметилсилоксани допомагають захистити металеві частини кабелів від корозії та окиснення, що може виникнути при тривалому контакті з водою або іншими вологими середовищами.
Полідиметилсилоксани (PDMS, Polydimethylsiloxane) — це органічні силіконові полімери, що складаються з ланцюгів кремній-кисневих (Si-O) зв'язків, до яких приєднані метильні групи (CH₃). Це одна з найбільш широко використовуваних форм силіконових матеріалів завдяки її універсальності та різноманітним властивостям [1]. Висока діелектрична міцність дозволяє застосовувати PDMS у високовольтних системах охолодження, де важливо забезпечити ізоляцію між кабелями та іншими компонентами. Здатні витримувати широкий температурний діапазон — від -50°C до +200°C. Мають низьку в'язкість, що дозволяє забезпечити рівномірний розподіл рідини в системі охолодження. Це полегшує його застосування в замкнутих контурних системах, де рідина може циркулювати навколо кабелів, допомагаючи відводити тепло. Є стабільним і хімічно інертним матеріалом. Не вступає в реакції з металами, пластиками та іншими матеріалами, що використовуються в системах охолоджеяння.
Функціоналізовані силіконові рідини, (functionalized silicone fluids) — це модифіковані варіанти звичайних силіконових рідин, у яких до основної силіконової структури (Si-O) додаються різні функціональні групи, що надають рідинам специфічні властивості. Ці рідини мають покращені характеристики, такі як підвищена хімічна активність, змінена в'язкість, або здатність до взаємодії з іншими матеріалами, що робить їх корисними для використання в різних технічних системах, включаючи охолоджувальні системи кабелів.
Силіконові гелі це модифіковані форми силіконових полімерів, що мають гелеподібну структуру, що утворюється в результаті процесу гелефікації. Вони складаються з основного кремнієвого каркасу (Si-O), до якого приєднані органічні групи, найчастіше метильні групи (CH₃). Ці гелі мають відмінні ізоляційні та теплопередавальні властивості, що робить їх ефективними як охолоджуючі діелектричні рідини в різних технічних системах.
Фторові рідини – (perfluorinated liquids) — це група хімічних сполук, що складаються з фторованих вуглецевих ланцюгів, де всі водневі атоми замінені фтором. Це робить ці рідини стійкими до хімічних реакцій, включаючи окиснення і розкладання. Вони не вступають у хімічні реакції в умовах високих температур або в присутності кисню, що дозволяє їм забезпечувати тривалий термін служби в різних умовах. Фторові рідини є відмінними діелектриками з високою діелектричною міцністю, що дозволяє використовувати їх у високовольтних і високочастотних системах без ризику короткого замикання або пробою. Відрізняються надзвичайно високою термостійкістю, витримуючи температури від -60°C до понад 250°C без втрати своїх основних властивостей. Це робить їх ідеальними для використання в умовах високих температур, де традиційні рідини могли б розкластися або змінити свої характеристики. Як приклад фторових речовин можно навести наступні: речовина, що випускається компанією Solvay Specialty Polymers від брентом Galden®; полімерні мастила (CTFE), що випускаються компанією Huntsman Advanced Materials під брендом Fluorolube®; речовина FC-40 від компанії DuPont; серія рідин Novec від компанії 3М.
Ці продукти є лише деякими з численних фторових діелектричних рідин, які доступні на ринку. Вибір конкретної рідини залежить від вимог конкретної системи охолодження, а також від фінансових та екологічних обмежень.
Трансформаторні масла. У системах, де кабелі передають велику кількість енергії, трансформаторні масла використовуються для відведення тепла від проводів. Вони можуть циркулювати в спеціальних камерах або каналах усередині кабелів, допомагаючи знижувати температуру і запобігаючи перегріву, що може призвести до виходу з ладу системи.
Діелектричні рідини є ключовими компонентами в системах охолодження кабелів, оскільки вони виконують важливі функції теплообміну та ізоляції. Вони здатні ефективно відводити тепло, підтримувати стабільну роботу систем при високих навантаженнях і забезпечують безпеку в електричних мережах, запобігаючи коротким замиканням та іншим електричним неполадкам.
Використання інноваційних матеріалів, таких як фенілметилсилоксани (PMPS), полідиметилсилоксани (PDMS), функціоналізовані силіконові рідини та фторові рідини, відкриває нові перспективи для підвищення ефективності охолодження кабелів. Ці матеріали мають високі діелектричні властивості, термостійкість та хімічну стабільність, що робить їх ідеальними для використання в сучасних електричних мережах і високовольтних установках.
Фторові рідини, такі як Galden®, Fluorolube®, FC-40 і Novec, відрізняються високою термостійкістю, низькою в'язкістю та чудовими діелектричними властивостями, що робить їх ідеальними для застосування в системах охолодження високовольтних кабелів та інших енергетичних установок. Їхні властивості дозволяють забезпечити тривалий термін служби систем і підвищити їх ефективність у складних умовах експлуатації.
Отже, вибір та впровадження ефективних охолоджуючих рідин є важливим аспектом для підвищення надійності та ефективності роботи кабельних систем в умовах високих навантажень.
Список літератури
1. S. Chakraborty, V. Dey, S.K. Ghosh, A review on the use of dielectric fluids and their effects in electrical discharge machining characteristics, Precision Engineering, Volume 40, 2015, Pages 1-6. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2014.11.003
2. Han, J.-W.; Garud, K.S.; Hwang, S.-G.; Lee, M.-Y. Experimental Study on Dielectric Fluid Immersion Cooling for Thermal Management of Lithium-Ion Battery. Symmetry 2022, 14, 2126. https://doi.org/10.3390/sym14102126
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter