Тепловые и диэлектрические характеристики трансформаторного масла на основе наножидкости с наночастицами фуллерена C60

Охлаждение и безопасность энергосети

По мере того как наши дома, автомобили и производства потребляют всё больше электроэнергии, скромный распределительный трансформатор вынужден работать интенсивнее, оставаясь при этом надёжным и безопасным. Внутри этих металлических корпусов специальное изоляционное масло одновременно охлаждает обмотки и предотвращает электрические короткие замыкания. В этом исследовании изучают, может ли добавление необычной формы углерода — фуллерена C60 — в трансформаторное масло сделать трансформаторы немного холоднее и значительно более устойчивыми к электрическим отказам — без существенных изменений конструкции или эксплуатации.

Новый подход к трансформаторному маслу

Традиционные трансформаторные масла — это тщательно разработанные жидкости, однако они приближаются к пределам своих возможностей по мере роста нагрузки и температур. Исследователи по всему миру испытывают «наножидкости» — обычные жидкости, улучшенные за счёт крошечных твёрдых частиц — чтобы повысить отвод тепла и электрическую изоляцию. Для многих из них требуются химические добавки, чтобы удерживать частицы в суспензии, что может усложнять эксплуатационные характеристики. Фуллерен C60 представляет собой привлекательную альтернативу: эти углеродные молекулы в форме «футбольного мяча» растворяются и остаются стабильными в неполярных жидкостях, таких как трансформаторное масло, и предыдущие исследования указывали, что они могут повысить электрическую прочность, не ухудшая тепловых свойств.

От цеха до полноразмерного трансформатора

Чтобы выйти за рамки небольших лабораторных образцов, команда приготовила почти 400 литров наножидкости C60 в производственном цехе по выпуску трансформаторов. Они взяли биоразлагаемое коммерческое трансформаторное масло и растворили порошок C60 при повышенной температуре с помощью промышленной машины для обработки масла, обычно используемой для сушки и фильтрации. После нескольких часов перекачки и нагрева получилась наножидкость с низкой концентрацией (около 0,004% C60 по объёму). Часть этой жидкости заполнила трёхфазный распределительный трансформатор на 250 кВА, который затем прошёл стандартные испытания по повышению температуры и испытания высоким напряжением, принятые в промышленности. Дополнительные образцы отложили для точных лабораторных измерений плотности, вязкости, теплопроводности, температуры вспышки и ключевых электрических характеристик.

Незначительные изменения течения, существенное улучшение изоляции

Физические свойства самого масла остались удивительно привычными. Плотность наножидкости была лишь примерно на две десятых процента выше, чем у базового масла, а её способность проводить тепло фактически слегка снизилась — менее чем на один процент. Вязкость, определяющая, как легко масло циркулирует по узким каналам, по большей части не изменилась при больших скоростях сдвига, характерных для принудительной циркуляции, но стала на несколько процентов ниже, чем у исходного масла, при очень низких уровнях сдвига, актуальных для естественной конвекции в герметичном трансформаторе. Это небольшое снижение вязкости указывает на то, что наножидкость циркулирует не хуже, а возможно, и чуть лучше, чем чистое масло. Главным компромиссом оказалось умеренное снижение температуры вспышки — температуры, при которой пары над жидкостью могут воспламениться — на несколько процентов, однако значения по‑прежнему с запасом соответствовали международным стандартам безопасности.

Усиленная защита от электрических отказов

Самый впечатляющий эффект проявился в изоляционных свойствах наножидкости. При многократных испытаниях высоким напряжением масло с C60, обработанное дольше всего, показало среднее напряжение пробоя примерно на 65% выше, чем у исходного масла. На практике это означает, что жидкость выдерживает значительно большие электрические напряжения до момента пробоя. Исследователи связывают это с электронной природой молекул C60, которые очень эффективно захватывают свободные электроны. Поглощая эти быстрые заряды, наночастицы замедляют или подавляют лавинообразное развитие электрических «струй» (стримеров), которые обычно запускают пробой. Даже после того, как жидкость прошла через работающий трансформатор и впитала из окружающей среды некоторое количество влаги — известного врага изоляции — она всё равно превосходила необработанное масло.

Испытания в работающем трансформаторе

Когда тот же трансформатор сначала тестировали с обычным маслом, а затем с наножидкостью C60, оба при контролируемой короткозамкнутой нагрузке, датчики температуры внутри бака зарегистрировали лишь небольшую разницу в повышении температуры — примерно один градус Цельсия в пользу наножидкости. Поскольку в момент теста с наножидкостью окружающий воздух был немного холоднее, команда применила упрощённую аналитическую модель циркуляции масла, чтобы разделить влияния. Модель, подкреплённая независимыми измерениями плотности, вязкости и теплообмена на стенках бака, показала, что наночастицы приводят к незначительно более быстрой естественной циркуляции и слегка лучшему тепловому связью между горячими обмотками и охлаждающими ребрами. В результате получается скромное, но реальное улучшение охлаждения, достигнутое без жертв устойчивости или ухудшения удобства обращения с жидкостью.

Что это значит для будущих трансформаторов

В целом исследование показывает, что добавление крошечной доли фуллерена C60 в современное трансформаторное масло может значительно усилить его электрическую изоляцию, сохранив при этом поведение по течению и отводу тепла практически неизменным. Наножидкость оставалась стабильной как минимум в течение года, прошла стандартные испытания трансформаторов и даже позволила работать при напряжениях выше номинала трансформатора. Для энергетических компаний и производителей оборудования это указывает на потенциальный путь «замены без переделки»: более безопасные, более надёжные трансформаторы без крупных конструкционных изменений. Дальнейшие работы должны изучить более высокие концентрации наночастиц, долгосрочное старение и экономические факторы, но эта демонстрация в промышленном масштабе говорит о том, что «нанонастроенные» масла могут помочь сети справиться с более жарким и более электрфицированным будущим с меньшим числом отказов.

Цитирование: Rajnak, M., Paulovicova, K., Kurimsky, J. et al. Thermal and dielectric performance of transformer oil-based nanofluid with fullerene C₆₀ nanoparticles. Sci Rep 16, 13849 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43994-8

Ключевые слова: трансформаторное масло, наножидкость, фуллерен C60, диэлектрическая прочность, распределение электроэнергии