Большинство людей не задумываются об электрической сети: мы щелкаем выключателем, и зажигается свет. За кулисами находятся тысячи электростанций и коммунальных предприятий, связанных миллионами миль линий электропередачи. Чтобы сделать необработанную электроэнергию полезной, сетевые трансформаторы преобразуют высокое напряжение в более низкое, к которому могут подключиться миллионы домохозяйств.
Трансформаторы стареют и приближаются к среднему возрасту от 30 до 40 лет. Кроме того, они сталкиваются с большим стрессом, чем когда-либо прежде, вызванным такими факторами, как возобновляемые источники энергии и экстремальными погодными явлениями, такими как ураганы, волны тепла и зимние штормы. Показательный пример — событие 2021 года в Техасе, которое оставило миллионы людей бессильными.
Именно тогда исследователи из Техасского университета в Остине (Юта Остин) решили заглянуть внутрь сетевых трансформаторов, чтобы посмотреть, смогут ли они сделать их лучше. Сетевые трансформаторы наполнены медными обмотками, другими металлическими компонентами и электроизоляцией на основе целлюлозы, например крафт-бумагой. Целлюлозная изоляция является отличным электрическим изолятором, необходимым в процессе «понижения» напряжения, но она также удерживает тепло, что может привести к перегреву.
«Мы исследовали новый класс наноматериалов, в котором мы берем обычную бумагу на основе целлюлозы и легируем ее частицами нанометрового и микрометрового размера с высокой теплопроводностью », — сказал Вайбхав Бахадур, доцент Инженерной школы Кокрелла в Университете Техаса. Остин.
Бахадур является автором исследования, в котором моделируется влияние бумаги с высокой теплопроводностью на производительность и срок службы сетевых трансформаторов, опубликованного в Heliyon. Это первое исследование, предсказывающее, в какой степени настройка теплопроводности бумаги может увеличить срок службы трансформатора.
Моделирование на суперкомпьютере Stampede2 Техасского центра перспективных вычислений (TACC) помогло Бахадуру и его коллегам разработать решения по перегреву сетевых трансформаторов — важнейшего компонента электрической сети.
Сотрудники Университета Мэриленда и Лаборатории лесных товаров Министерства сельского хозяйства США изготовили бумагу с высокой теплопроводностью с использованием наночастиц нитрида бора. В лаборатории Бахадура была построена 3D-модель трансформатора, имитирующая настоящий сетевой трансформатор, разобранный на части и изученный соавтором исследования Робертом Хебнером, также работающим в Инженерной школе Кокрелла.
«Экспериментальная часть исследования имела решающее значение для проверки того, стоит ли инвестировать в улучшение трансформаторной установки», — сказал Хебнер. «У нас был трансформатор, подаренный Центру электромеханики, который питался от микросети UT в Остине мощностью в один мегаватт. Мы могли подключить его и повышать и понижать температуру, а также измерять, как ведет себя трансформатор. Модель и измерения совпали. очень хорошо», — сказал Хебнер.
«Наши результаты показывают, что если теплопроводность увеличить в несколько раз с помощью специальной бумаги, температура горячих точек внутри трансформатора может снизиться на 5–10 °C», — добавил он. «В большинстве случаев этого должно быть достаточно, чтобы удвоить или утроить срок службы трансформатора».
Исследовательская группа Бахадура получила гранты на суперкомпьютер TACC Stampede2, вычислительную рабочую лошадку Национального научного фонда для исследователей UT в Остине и тысяч других исследователей в американском сообществе открытой науки.
«Эта модель была смоделирована с использованием ресурсов TACC для прогнозирования тепловых характеристик», — сказал Бахадур. «Мы смоделировали теплопроводность как изменяющийся параметр и выяснили, насколько необходимо улучшить теплопроводность, чтобы увидеть значимое снижение температуры».
Основной вычислительной проблемой была огромная сложность моделирования деталей внутри настоящего трансформатора.
«Чтобы точно оценить температуру, мы использовали мелкую сетку на основе методов конечных элементов и смоделировали проводимость с помощью уравнения диффузионной теплопередачи — вычислительные затраты при этом высоки», — сказал Бахадур. «Основная причина, по которой мы использовали Stampede2, заключалась в том, чтобы выполнить моделирование за считанные минуты/часы, а не ждать несколько дней, чтобы получить результаты».
Затем исследователи протестируют небольшой прототип трансформатора и добавят в него теплопроводящую бумагу, чтобы изучить, как он ведет себя в рабочей среде с переменными нагрузками.
Это исследование имеет возможность найти применение в реальном мире, где новые трансформаторы могут быть изготовлены из улучшенной термоизоляционной бумаги, усиленной нано- и микрочастицами. Старые трансформаторы можно заменить новой бумагой во время планового ремонта.
«Мы начали не с проекта трансформатора, а с проекта полупроводников. Это исследование направлено на то, чтобы взять множество имеющихся у нас электронных устройств и заставить их работать лучше, работая с меньшими температурами и эффективностью», — добавил Хебнер.
Теги: энергия
