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Differential Low-Temperature AC Breakdown between Synthetic Ester and Mineral Oils: Insights from both Molecular Dynamics and Quantum Mechanics

Li Shi, Wang Feipeng, Ouyang Liangxuan, Chen Xiaoxiao, Yang Zijian, Rozga Pawel, Li Jian et Fofana Issouf. (2023). Differential Low-Temperature AC Breakdown between Synthetic Ester and Mineral Oils: Insights from both Molecular Dynamics and Quantum Mechanics. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, p. 1-9.

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URL officielle: https://doi.org/10.1109/TDEI.2023.3345299

Résumé

Synthetic ester oil (SEO) is promising for bolstering sustainable development and enhancing operational reliability of transformers at low-temperature. The intention of this study is to acquire understanding of differential low-temperature AC breakdown characteristics exhibited by SEO and mineral oil (MO), while delving into the microscopic influencing factors. The results unveil that the breakdown voltage between -20°C and 20°C illustrates a "V"-shaped trend, with SEO consistently higher than MO. SEO presents its maximum breakdown voltage at -20°C and its minimum at 0°C, whereas MO demonstrates its maximum breakdown voltage at 20°C and its minimum at -10°C. Molecular dynamics (MD) and quantum mechanics (QM) calculations reveal that hydrogen bond and interaction energy associated with the state of water, along with the fraction of free volume, mean square displacement, and diffusion coefficient associated with particle transport property, collectively exert considerable influence on the breakdown voltage. Compared to MO, SEO exhibits a higher number of hydrogen bonds and interaction energies, while displaying lower fraction of free volumes, mean square displacements, and diffusion coefficients. Furthermore, the presence of electron trap, in conjunction with these combined factors, leads to a substantially higher breakdown voltage of SEO (31.4 kV) than that of MO at sub-zero temperatures. The wider energy gap of MO compared to SEO leads to a slightly higher breakdown voltage for MO (19.9 kV) compared to SEO at above-zero temperatures. This study provides experimental data and theoretical guidance for the promotion and stable operation of SEO-immersed transformers in UHVDC systems deployed in cold regions.

Type de document:Article publié dans une revue avec comité d'évaluation
ISSN:1070-9878
Pages:p. 1-9
Version évaluée par les pairs:Oui
Date:19 Décembre 2023
Nombre de pages:1
Identifiant unique:10.1109/TDEI.2023.3345299
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie
Sciences naturelles et génie > Génie > Génie électrique et génie électronique
Sciences naturelles et génie > Sciences appliquées
Département, module, service et unité de recherche:Unités de recherche > Centre international de recherche sur le givrage atmosphérique et l’ingénierie des réseaux électriques (CENGIVRE) > Vieillissement de l’appareillage installé sur les lignes à haute tension (ViAHT)
Mots-clés:electric breakdown, vegetable oils, power transformer insulation, oil insulation, temperature measurement, temperature distribution, mathematical models, panne électrique, huiles végétales, isolation transformateur de puissance, isolation huile, mesure de température, distribution de température, modèles mathématiques
Déposé le:17 avr. 2024 14:13
Dernière modification:17 avr. 2024 14:13
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