Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Les transformateurs jouent un rôle central dans la production et la distribution d’électricité, reposant largement sur des systèmes remplis d’huile pour l’isolation et le refroidissement. Traditionnellement, les huiles minérales ont été utilisées en raison de leurs excellentes propriétés diélectriques, de leur haute stabilité thermique et de leur fiabilité. Cependant, ces huiles d’origine fossile sont non biodégradables et présentent des risques environnementaux importants en cas de fuite. Au cours des dernières décennies, les liquides isolants à base d’esters naturels, dérivés d’huiles végétales telles que l’huile de canola, ont émergé comme des alternatives respectueuses de l’environnement, offrant biodégradabilité, haute sécurité incendie et compatibilité avec les isolations à base de cellulose. Malgré ces avantages, leur adoption dans les applications de transformateurs reste limitée en raison de défis tels qu’une faible stabilité thermo-oxydative, une faible résistance à l’ionisation, des pertes diélectriques élevées, de mauvaises propriétés d’écoulement à basse température et des données de performance à long terme limitées. Cette thèse présente une étude complète sur les stratégies d’amélioration des performances et de la fiabilité des liquides isolants à base d’esters naturels, en mettant l’accent sur la stabilité à l’oxydation, les performances diélectriques et le comportement à basse température. L’huile de canola et ses mélanges avec des esters méthyliques dérivés de l’huile de palmiste ont été évalués afin d’atteindre une viscosité optimale et une résistance à l’oxydation améliorée. Des études expérimentales, guidées par les normes ASTM, ont examiné des paramètres clés tels que l’acidité, la viscosité, le facteur de dissipation diélectrique, la conductivité AC et la tension de claquage. Des techniques d’optimisation, telles que l’analyse relationnelle Taguchi-Grey, ont été utilisées pour déterminer les concentrations les plus efficaces d’antioxydants et d’additifs abaisseurs de point de fusion. Les antioxydants, tels que le Tert-butylhydroquinone (TBHQ) et le 2,6-Di-tert-butyl-4-méthyl-phénol (BHT), ont montré une amélioration significative de la stabilité à l’oxydation à une concentration de 0,25 % en poids, réduisant le taux d’augmentation de l’acidité et limitant la détérioration de la viscosité et des propriétés diélectriques sous contrainte thermique. En outre, des approches basées sur la nanotechnologie ont été explorées pour renforcer davantage les performances diélectriques et thermiques des esters naturels. Des nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) et de dioxyde de silicium (SiO2), de tailles comprises entre 5 et 30 nm, ont été dispersées dans l’ester de base à l’aide de surfactants (Span 80 et Polysorbate 80) pour assurer une stabilité colloïdale à long terme. La caractérisation des nanofluides a révélé que les formulations à base de TiO2, en particulier avec des particules ultra-fines de 5 nm à 0,2 % en poids, offraient une stabilité thermo-oxydative supérieure, des augmentations plus faibles de viscosité et d’acidité, et une tension de claquage AC améliorée, atteignant 72,4 kV contre 57 kV pour l’huile de base non modifiée. L’ajout de surfactants a permis des dispersions stables sur de longues périodes, démontrant la faisabilité de produire des nanofluides à base d’esters durables et performants, adaptés à l’isolation des transformateurs. De plus, la compatibilité des liquides synthétisés avec l’isolation en cellulose a été confirmée par spectroscopie diélectrique et analyse par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), indiquant une dégradation négligeable du papier imprégné lors du vieillissement thermique. Les résultats de cette recherche mettent en évidence le potentiel des liquides isolants à base d’esters naturels, tant sous forme d’huiles pures que de formulations améliorées par nanoparticules, comme alternatives durables et performantes aux huiles minérales conventionnelles. Ces résultats fournissent des orientations pour le développement de transformateurs verts capables de fonctionner dans des conditions thermiques extrêmes et subpolaires, tout en maintenant l’intégrité diélectrique, prolongeant la durée de vie et contribuant à la durabilité environnementale des systèmes électriques. Dans l’ensemble, ce travail démontre que, grâce à une sélection rigoureuse des huiles de base, à l’optimisation des formulations d’antioxydants et d’additifs, et à l’amélioration par nanoparticules, les esters naturels peuvent atteindre des niveaux de performance proches ou supérieurs à ceux des huiles minérales traditionnelles, soutenant ainsi la transition vers des technologies de transformateurs respectueuses de l’environnement.

Transformers play a pivotal role in electricity generation and distribution, relying heavily on oil-filled systems for insulation and cooling. Traditionally, mineral oils have been used due to their excellent dielectric properties, high thermal stability, and reliability. However, these fossil-based oils are non-biodegradable and pose significant environmental risks in the event of spillage. Over recent decades, natural ester-based insulating liquids, derived from plant oils such as canola, have emerged as environmentally friendly alternatives, offering biodegradability, high fire safety, and compatibility with cellulose-based insulation. Despite these advantages, their adoption in transformer applications remains limited due to challenges including poor thermo-oxidative stability, low ionization resistance, high dielectric losses, poor low-temperature flow properties, and limited long-term performance data. This thesis presents a comprehensive investigation into strategies for improving the performance and reliability of natural ester insulating liquids, with a focus on oxidation stability, dielectric performance, and low-temperature behavior. Canola oil and blends with methyl esters from palm kernel oil were evaluated to achieve optimal viscosity and oxidation resistance. Experimental studies, guided by ASTM standards, examined key parameters including acidity, viscosity, dielectric dissipation factor, AC conductivity, and breakdown voltage. Optimization techniques such as Taguchi-Grey relational analysis were employed to determine the most effective concentrations of antioxidants and pour point depressants. Antioxidants such as Tert-butylhydroquinone (TBHQ) and 2,6-Di-tert-butyl-4-methyl-phenol (BHT) were found to significantly enhance oxidation stability at 0.25 wt.% loading, reducing the rate of acidity increase and limiting viscosity and dielectric deterioration under thermal stress. In addition, nanotechnology-based approaches were explored to further enhance the dielectric and thermal performance of natural esters. Titanium dioxide (TiO2) and silicon dioxide (SiO2) nanoparticles with sizes ranging from 5 to 30 nm were dispersed in the base ester using surfactants (Span 80 and Polysorbate 80) to ensure long-term colloidal stability. Nanofluid characterization revealed that TiO2-based formulations, particularly with ultra-fine 5 nm particles at 0.2 wt.% loading, offered superior thermo-oxidative stability, lower increases in viscosity and acidity, and enhanced AC breakdown voltage, achieving 72.4 kV compared to 57 kV for the unmodified base oil. The addition of surfactants enabled stable dispersions over extended periods, demonstrating the feasibility of producing durable, high-performance ester-based nanofluids suitable for transformer insulation. Moreover, the compatibility of the synthesized liquids with cellulose insulation was confirmed through dielectric spectroscopy and Fourier Transform Infrared (FTIR) analysis, indicating negligible degradation of impregnated paper during thermal aging. The results of this research highlight the potential of natural ester-based insulating liquids, both as pure oils and as nanoparticle-enhanced formulations, to serve as sustainable, high-performance alternatives to conventional mineral oils. These findings provide guidance for the development of green transformers capable of operating in extreme thermal and sub-polar conditions while maintaining dielectric integrity, extending service life, and contributing to the environmental sustainability of power systems. Overall, this work demonstrates that through careful selection of base oils, optimized antioxidant and additive formulations, and nanoparticle enhancement, natural esters can achieve performance levels approaching or exceeding those of traditional mineral oils, thereby supporting the transition to environmentally responsible transformer technologies.