Obtenção de nanolamelas de nitreto de boro para nanoaditivação de óleo vegetal isolante utilizado em transformadores de potência

Abstract

Resumo: Os transformadores de potência são elementos fundamentais, de alto custo e estão presentes desde a geração até a distribuição de energia elétrica. A confiabilidade e a vida útil desses equipamentos dependem da preservação do seu sistema de isolamento elétrico interno, constituído por um fluido e uma isolação sólida, que apresenta degradação ao longo do tempo devido ao calor interno gerado. O óleo isolante possui a dupla função de isolar e refrigerar esse sistema, mas a sua baixa condutividade térmica implica em transformadores maiores para a dissipação do calor com o meio. A presente pesquisa teve como objetivo obter um fluido nanoaditivado com elevada condutividade térmica sem comprometer as propriedades de isolação elétrica para aplicação em transformadores de potência. Nanolamelas bidimensionais (2D) de nitreto de boro hexagonal (h-BN) foram obtidas por diferentes parâmetros da técnica de esfoliação líquida em solvente e dispersas em óleo vegetal. Nanotubos de nitreto de boro e nanopartículas de dióxido de titânio (TiO2) também foram usados como aditivos no óleo em diferentes concentrações, visando a comparação do desempenho de diferentes nanopartículas para a melhoria das propriedades do fluido base. O uso de ácido oleico como surfactante foi avaliado nas propriedades térmicas e na estabilidade dos nanofluidos obtidos. A eficiência das rotas da técnica de esfoliação líquida foi avaliada por difração de raios X, espectroscopia Raman e UV-Vis, microscopias eletrônicas de Varredura e Transmissão (MEV e MET). Foi proposto um processo de esfoliação otimizado com a dispersão de h-BN em uma mistura de solventes (20% IPA em água) durante 3 h no ultrassom, seguido de centrifugação à 1500 ou 3000 rpm. As formulações de nanofluidos foram caracterizadas por ensaios de condutividade e difusividade térmica, calorimetria exploratória de varredura (DSC), imagens de MET das dispersões em óleo e espectroscopia dielétrica por impedância no domínio da frequência. A nanoaditivação não apresentou mudança significativa na morfologia e nas propriedades térmicas dos fluidos. Em relação às propriedades dielétricas, foi observado aumento no fator de dissipação, principalmente nos nanofluidos aditivados com nanotubos de nitreto de boro. Supõe-se que garantir a suspensão e a estabilidade das nanopartículas no óleo seja crucial para a melhora e manutenção das propriedades térmicas e dielétricas dos nanofluidos. Palavras-chave: Óleo vegetal. Nanofluido. h-BN. Condutividade térmica. Nanopartículas 2D. Transformadores de potência.

Abstract: Power transformers are key elements of high cost and are present from generation to distribution of electricity. The reliability and useful life of these equipment depends on the preservation of its internal electrical insulation system, consisting of a fluid and a solid insulation, which presents degradation over time due to internal heat generated. The insulating oil has the dual function of isolating and cooling this system, but its low thermal conductivity implies larger transformers for heat dissipation to the environment. The present research had as objective to obtain a nanofilled fluid with high thermal conductivity without compromising the properties of electrical insulation for application in power transformers. Two-dimensional (2D) nanosheets of hexagonal boron nitride (h-BN) were obtained by different parameters of the liquid exfoliation technique in solvent and dispersed in vegetable oil. Boron nitride nanotubes and titanium dioxide nanoparticles (TiO2) were also used as fillers in the oil at different concentrations, aiming at comparing the performance of different nanoparticles for the improvement of base fluid properties.The use of oleic acid as surfactant was evaluated in thermal properties and stability of the obtained nanofluids. The efficiency of the routes of the liquid exfoliation technique was evaluated by X-ray diffraction, Raman and UV-Vis spectroscopy, Scanning and Transmission electron microscopy (SEM and TEM). An optimized exfoliation process with the dispersion of h-BN in a solvent mixture (20% IPA in water) was proposed for 3 h on ultrasound, followed by centrifugation at 1500 or 3000 rpm. The nanofluid formulations were characterized by conductivity and thermal diffusivity tests, scanning calorimetry (DSC), TEM images of oil dispersions and impedance dielectric spectroscopy in the frequency domain. The nanofillers did not present significant change in the morphology and thermal properties of the fluids. In relation to the dielectric properties, an increase in the dissipation factor was observed, especially in the nanofluids filled with boron nitride nanotubes. It is assumed that ensuring the suspension and stability of the nanoparticles in the oil is crucial for the improvement and maintenance of the thermal and dielectric properties of the nanofluids. Key-words: Vegetable oil. Nanofluid. h-BN. Thermal Conductivity. Nanoparticles 2D. Power transformers.