私は 2014 年から誘電性流体を扱う仕事をしています。私は誘電性流体をこぼしたり、吸い込んだり（絶対にやめてください）、致命的な故障を経験したことがあります。また、誰かが間違った種類を使用しても問題ないと考えたため、建物から避難しなければならなかったことがあります。大丈夫じゃなかった。
これは、この仕事を始める前に誰かに教えてほしかったことのすべてです。
誘電性流体とは何ですか?
そうそう。金属中を電気がどのように伝導するか知っていますか?そして、どうして金属を通さないのでしょうか?-それが基本的な考え方です。
誘電性流体は液体絶縁体です。電気を通しません。または、技術的にはそうなりますが、非常に悪いので、私たちの目的では、そうではないことを意味します。抵抗率は 10^12 オーム-メートル以上です。これを 10^-8 の銅と比較してください。大きな違い。
しかし、ここで重要なのは、断熱だけではありません。誘電性流体は次の 3 つの役割を果たします。
電気絶縁- 電流が流れるべきではない場所に流れるのを阻止します
冷却- ホットスポットから熱を遠ざけます
アーク抑制- 火花があればそれを消し去る
3 番目は重要ですが、ほとんどの人が理解していません。空気は、そうでない限り、実際にはかなり優れた断熱材です。十分な電圧がかかると、空気が破壊され、アークが発生し、物体が爆発します。楽しい時間。
液体誘電体?はるかに高い耐圧。油中の 2.5 mm ギャップでは 30 ～ 70 kV であるのに対し、空気中では 8 ～ 10 kV 程度です。そのため、電気機器をよりしっかりと梱包することができます。
使用する理由
基本的にそうしなければならないからです。
大きな変圧器を見てください。電柱や建物の外で見かけるもの。その金属缶の中には、鉄心に巻かれた銅コイルの束が入っています。それらのコイルは熱くなります。通常の負荷では 80 ～ 90 度ほど熱くなりますが、重い負荷ではさらに熱くなります。
空冷？忘れて。足りない。次のようなものが必要です。
電気を通さない
熱容量が良い
実際に熱を移動させることができます（対流）
簡単には着火しない
何十年も壊れずに長持ちします
水？すごい熱容量！電気も通します。ハードパス。
空気？伝導はしませんが、熱伝導がひどいです。
油？伝導性が（あまり）なく、熱容量が高く、流れやすく、比較的安全です。勝者勝者。
私はかつてクライアントが 2 MVA 変圧器で空冷を使用できると主張したプロジェクトに取り組みました。オイル代を 3000 ドルほど節約できました。 8 か月後に変圧器が故障した場合、80,000 ドルの損害が発生しました。銅は文字通り溶けました。どこかに写真があります。
さまざまなタイプとそれらが重要な理由
ああ、わかりました、ここが複雑なところです。しかし、私はそれをシンプルに保つように努めます。
鉱油（変圧器油）
内容：精製石油製品
長所: 安い、機能は素晴らしい、100+年間使用しています
短所: 可燃性（ある種）、環境への懸念、生分解性が最悪
使用場所: ほとんどの変圧器、古い機器
価格: バルクで 1 ガロンあたり 5 ～ 8 ドル程度 (最近、サプライチェーンの関係で価格が上昇しました)
シリコーンオイル
それは何ですか：合成ポリマーオイル（通常はポリジメチルシロキサン）
長所: 引火点が高く (300 度以上)、安定しており、酸化しにくい
短所: とんでもなく高価、実際に燃やすと煙が有毒です
使用場所: 屋内変圧器、火災の危険が重大な場所
コスト: 1 ガロンあたり 30 ～ 60 ドル
注: シリコーンオイルが鉱物油機器を破壊したであろう火災に耐えられるのを見たことがあります。
エステル系液体
天然エステル：野菜（大豆、菜種、ひまわり）由来
合成エステル: 研究室-が同様の分子を作成
長所: 生分解性、高い発火点、環境に優しい
短所: 湿気に敏感で、高価で、条件によっては劣化が早くなる
コスト: タイプに応じて 1 ガロンあたり 15 ～ 40 ドル
使用場所: 新規設置、改造、環境規制が厳しい場所ならどこでも
フロン液
概要：合成フッ素化合物
長所: 完全に不燃性、驚異的な温度安定性-
短所: 非常に高価、環境への懸念 (一部は温室効果ガス)
使用用途: 軍事、航空、重要な用途
コスト: 尋ねないでください。真剣に。 1ガロンあたり$200+くらいです。国防総省との契約で一度使用しました。
それもありますガス-断熱(SF6) ですが、実際には流動的ではありません。また、SF6 は環境に悪いので、段階的に廃止しようとしています。正直言って良いよ。
鉱物油 vs 合成油: 大きな論争
このことについては常に質問を受けます。 「鉱物油を使うべきか、合成油を使うべきか？」
答えは、予算はいくらで、用途は何ですか?
次の場合には鉱物油を使用してください。
標準的な屋外変圧器です
予算が厳しい
環境とのトレードオフは大丈夫です
火災のリスクは管理可能
適切な封じ込めを行っています
世の中にある変圧器の 80% はまだ鉱物油だと思います。それは動作します。安いですよ。それは誰もが対処方法を知っていることです。
次の場合には合成（シリコン/エステル）を使用してください。
屋内設置
消防法で義務付けられている
環境規制がそれを要求している
水源や敏感な場所の近く
余裕があるよ
私の顧客の 1 人は、すべてのパッドマウント変圧器を鉱物油から天然エステルに切り替えました。{0} 1台あたりのコストが約40％上昇しました。しかし、保険料は 15% 減少し、「環境に優しい」ということで肯定的な PR を受けました。彼らにとっては理にかなっていました。
別のクライアントは、シリコーンを使用すべきところを安くして鉱物油を使用しようとしました。変圧器は建物の地下にありました。消防署が点検中に発見した。彼らは全体を排水し、シリコンを補充する必要がありました。改造費とダウンタイムに 25,000 ドルほどの費用がかかります。最初から適切なフルードを使用してください。
その時、私はPCBについて苦労して学びました
そうですね、これは重要なことですが、ある種恐ろしいことでもあります。
PCB (ポリ塩化ビフェニル) は、かつては誘電性流体でした。 1930年代から1970年代までのようです。これらは驚くべきものでした。非常に安定しており、絶縁耐力が高く、不燃性です。-完璧ですよね？
その後、それらが癌を引き起こすことがわかりました。そして壊れません。これまで。それらは環境や生物の中に蓄積されるだけです。おっと。
米国は 1979 年にそれらを禁止しました。最終的にほとんどの国がこれに追随しました。しかし問題は、変圧器の寿命は 30 年、40 年、50 年です。つまり、PCB を使用した機器がまだ存在しているということです。
私は 2016 年にこのことを苦労して学びました。古い鉱物油変圧器と思われるもののメンテナンスをしていたときです。ラベルにはミネラルオイルと書いてありました。書類には鉱物油と書かれていました。絶縁耐力をテストするためにサンプルを採取したところ（標準手順）、それが実際には PCB- ベースの液体であるアスカレルであることが判明しました。
ある時点で誰かがラベルを付け直していました。おそらく、廃棄コストを避けるためでしょう（PCB の廃棄は高価であり、厳しい規制を受けています）。
私たちは建物から避難し、危険物専門チームを呼び、9ヤード全体の土壌検査を行わなければなりませんでした。危険なレベルにさらされていないことを確認するために、医療検査を受ける必要がありました。楽しい一週間。
古い変圧器を使用する場合:
そこにどんな液体が入っているかを推測する前に必ずテストしてください
ラベルは嘘をつく
PCB は鉱物油より重い (比重 ~1.5 対 0.88)
PCB を発見した場合は報告してください。自分で処分しようとしないでください。
今でも数万台の PCB トランスが稼働中です
これは冗談ではありません。 PCB は非常に悪いニュースです。私はPCB曝露により健康上の問題を発症した3人の男性を知っています。一人は早期退職しなければならなかった。
変圧器油（最も一般的なタイプ）
変圧器油については、ほとんどの人が実際に扱うことになるので、具体的に説明しましょう。
原油として出発し、精製され、硫黄と芳香族化合物を除去するために水素化処理され、その後、水分と粒子を除去するために処理されます。最終的に得られるのは、約 90% がパラフィン系炭化水素である透明から淡黄色の液体です。
主要なプロパティ:
密度: 20 度で ~0.87 g/cm3
粘度: 40 度で 10-12 cSt (基本的に濃い水のような)
引火点：135～160度（グレードによる）
流動点：寒冷地グレードでは-40度以下
絶縁耐力: 2.5mm ギャップの場合 30+ kV (新油、適切に処理)
損失係数:<0.5% at 90°C
その損失係数のことが重要です。オイルがどれだけのエネルギーを吸収して熱に変換するかを測定します。低いほど良いです。新油は0.05%くらいです。古い劣化したオイルは 5% 以上になることがあります。それは問題です。
1968 年から使用されている変圧器オイルをテストしました。それは茶色でした。コカ-のようなブラウン。損失係数はチャートから外れていました。耐電圧はおそらく 15 kV でした。あの変圧器は時限爆弾だった。
私の報告後に交換してくれました。内部に炭化した紙の断熱材が見つかったので、これも良かったです。あと1、2年も経てば、それは壊滅的に失敗していたでしょう。
実際にこのアイテムが見つかる場所
思った以上に場所が多い。
変圧器- もちろんです。小さなパッド-マウントから大規模な変電所ユニットまで。大きなものには10,000+ガロンの石油が入っています。あそこは油だらけのプールだ。
サーキットブレーカー- 高電圧サーキットブレーカーは、アーク抑制にオイルを使用することがよくあります。負荷がかかった状態で 230 kV の回路を遮断すると、とんでもないアークが発生します。油はそれを冷ますのに役立ちます。
コンデンサ- 一部の古いコンデンサには誘電性流体が使用されていました。ほとんどの新しいものは他のものを使用していますが、古い機器がまだ残っています。
ケーブル- 油入りケーブル-は、かつて地中送電に一般的でした。内部にケーブルが入ったパイプで、圧力のかかったオイルが満たされています。これらは段階的に廃止されていますが、主要都市ではまだ残っています。
コンピュータ用浸漬冷却- これは新しくて、ちょっとクールです。データセンターではサーバー全体を誘電性の流体に浸します。ファンが不要なので、冷却効果が大幅に向上します。私は 2023 年にこれを行っている施設を視察しました。マザーボードが…透明なオイルの中に置かれているだけで…正常に動作しているのを見るのは奇妙です。
電気集塵機- 工業用空気濾過。粒子を帯電させるために高電圧を使用します。高電圧部分を絶縁するには誘電性の流体が必要です。
医療機器- X- 線装置、一部の種類の画像装置。狭いスペースで高電圧が必要な場所ならどこでも。
放電加工機- 放電加工。彼らは水中で制御された火花を使用して金属を切断します。まあ、技術的には誘電性流体の下で。
私もかつて誘電性流体が作動油として使われているのを見たことがある。それは…面白かったです。おそらく良いアイデアではありませんが、うまくいきました。ガイはピンチに陥っていたが、それが彼が持っていたものだった。お勧めしません。
誰も教えてくれない安全なこと（誰かが傷つくまで）
そうです、だから私はあなたと真剣に向き合います。誘電性流体は、多くの工業用化学薬品と比較してかなり安全です。しかし、それらは無害ではありません。
ミネラルオイル:
人によっては軽度の皮膚刺激性がある
暑い場合は蒸気を吸わないでください（頭痛、吐き気を引き起こす可能性があります）
めちゃくちゃ滑りやすい（3人が滑って転ぶのを見たことがある）
火がついた場合…まあ、簡単には火がつかないはずですが、もし火がついた場合は水を使わないでください。泡またはCO2を使用してください。
熱い蒸気が肺の中で凝縮する可能性があります。これはダメです。
シリコーンオイル:
通常の温度ではほとんど毒性がありません-
しかし、燃えた場合（そして簡単には燃えません）、燃焼生成物にはホルムアルデヒドやその他の厄介な物質が含まれます。
また非常に滑りやすい
掃除が難しい（水と混ざらない、蒸発しない）
エステル系液体:
基本的には野菜から作られているので安全ですよね？
人によってはアレルギー反応を引き起こす可能性があります（特に大豆/種子にアレルギーがある場合）
水/酸素の存在下ではより早く分解します
分解生成物は酸性になり、金属を腐食する可能性があります
フルオロカーボン:
ほとんど無毒-
But some are greenhouse gases (GWP >10000)
適切に処分するには費用がかかる
一般的な安全事項:
手袋を着用してください。面倒だとは思いますが、手についた変圧器の油があちこちに付着してしまいます。携帯電話、ハンドル、ランチ。ただ手袋を着用してください。
サンプリング時や圧力がかかる機器で作業する際の目の保護。バルブが故障したときに、熱い変圧器の油が顔にかかる男を見たことがあります。彼は大丈夫でしたが、もしかしたら悪かったかもしれません。
密閉空間では適切な換気を行う。油蒸気は空気より重いため、低い場所に蓄積されます。変電所の保管庫で蒸気にさらされて気絶する人を見たことがあります。
自分が何に取り組んでいるのかを知ってください。古い機器には、別のラベルが貼られていても PCB が含まれている可能性があります。まずテストしてください。
流出防止策を講じてください。変圧器が故障すると、すぐに数百ガロンの水が漏れる可能性があります。犬走り、封じ込めシステム、吸収材が必要です。
私はかつて変圧器の故障に対応し、500 ガロンの鉱物油が雨水管に漏れました。私たちがそれを止める前に、それは小川に達しました。撤去費用は200万円以上かかった。 EPAは満足していませんでした。同社は7万5000ドルの罰金を科された。
すべては、格納容器のバームに亀裂があったためで、誰も気づかなかったのです。
テストと変圧器が故障した理由
ここで、誘電性流体について説明します。それらは老化します。それらは劣化します。オイル自体は大丈夫かもしれませんが、汚染物質が蓄積します。
湿気（通気孔からの呼吸によるもの）
パーティクル（摩耗によるもの）
酸（酸化によるもの）
溶存ガス（部分放電および過熱による）
私たちはこれらすべてをテストします。あるいはそうすべきです。多くの場所では定期的に十分なテストが行われていないため、変圧器が故障すると驚かれます。
私たちが行うテスト:
絶縁耐力- どれくらいの電圧に耐えられますか?良好なオイルの場合は 30+ kV である必要があります。 20kV以下だと心配です。 15 kV 未満の場合、その機器には今すぐ注意が必要です。
ポータブルテストセットを使用してこれをテストします。破壊するまで毎秒 3 kV の電圧を印加します。それを 3 回行い、結果を平均します。 10分くらいかかります。 100,000 ドルの変圧器の故障を防ぐことができます。
溶存ガス分析 (DGA)- これは良いことです。変圧器の絶縁が壊れたり、アーク放電が発生したりすると、ガスが発生します。これらは油に溶けます。それらを抽出して分析します。
水素 (H2) - 一般的な過熱、コロナ
メタン (CH4) - 軽微な過熱
エタン (C2H6) - が約 300 度で過熱
エチレン (C2H4) - 過熱 ~500 度 +
アセチレン (C2H2) - アーク放電
一酸化炭素/二酸化炭素 - セルロースの分解
それぞれのガスが物語を語ります。高アセチレン？アーク放電が発生しています。高エチレン？深刻な過熱。 COが多い？紙の断熱材が調理中です。
DGA の結果を見るだけで変圧器の問題をリモートで診断しました。 「アセチレンが 300 ppm ですか? 内部で接続が緩んでアーク放電しています。停止してください。」
水分含有量- 良好な断熱性を得るには、35 ppm 未満である必要があります。 50 ppm を超えると、絶縁耐力が大幅に低下します。 100 ppm を超えると問題が発生します。
断熱材の破壊により、通気孔やシールを通って湿気が侵入します。それは絶え間ない戦いだ。
2年間使われずに放置されていた変圧器を見ました。誰もメンテナンスをしていなかったので、通気孔が開けられ、湿気が侵入しました。水分含有量は 200 ppm を超えていました。絶縁耐力は８ｋＶであった。安全に通電することさえできませんでした。オイルを回収して乾燥させる必要がありました。 3日かかりました。
酸性度（中和価）- 酸含有量を測定します。新鮮なオイルは0.01 mg KOH/gのようなものです。 0.15を超えると酸化が始まります。 0.40を超えると大幅に劣化します。
力率/損失率- 石油が熱として浪費するエネルギーの量。新しいオイル<0.05%. Above 0.5% at 90°C and there's contamination.
界面張力- 油水界面の表面張力を測定します。-奇妙に聞こえるかもしれませんが、これは酸化生成物の良い指標です。新油は 40+ ダイン/cm です。 25を下回ると劣化します。
これらのテストは、重要な機器については毎年、それほど重要ではない機器については 2 ～ 3 年ごとに行われます。四半期ごとにテストを行うところもあります。検査をしない場所もあります。
どちらの方が失敗が多いと思いますか?
環境の角度（それは複雑です）
さて、ここからが話が面倒になります。環境的に言えば。
ミネラルオイル:
化石燃料から作られている（二酸化炭素排出量に悪い）
環境中で生分解されるまでに数十年かかる
大量に水生生物に有毒
流出は重大な環境事故です
ただし、比較的安定しており、通常は有害な分解生成物を生成しません。
天然エステル:
再生可能な資源から作られています (良いことです!)
生分解が早い (28 日で 90% 以上)
環境毒性の低減
ただし: 農業が必要です (土地利用、水、農薬)
加工には独自の環境コストがかかります
合成エステル:
ラボで作られたもの（エネルギーを大量に消費）
可変生分解性
一般的に鉱物油よりも優れています
しかし、生産には環境コストがかかります
シリコーン:
本当に生分解しない
ただし、有毒な分解生成物も生成しません
環境（良くも悪くも）において非常に安定
フルオロカーボン:
多くは強力な温室効果ガスです
大気中に数十年間残留する可能性がある
最悪のものを段階的に排除しようとしている
代替品を探しています
現実には、完璧な解決策はありません。各タイプにはトレードオフがあります。
私は、50 台の変圧器を鉱物油から天然エステルに改造するプロジェクトに取り組みました。 「100％生分解性！」というPRも素晴らしかったです。 「環境に優しい！」その会社は賞を受賞しました。
しかし、誰も次のように言及しませんでした。
鉱物油は廃棄（焼却）する必要がありました。
天然エステルは 3 倍のコストがかかります
より頻繁なテストとメンテナンスが必要でした
変圧器は少し熱くなりました
エステルは、どこかで栽培された大豆から来ています（あまり深く尋ねませんでした）
全体的に環境にとっては良くなったのでしょうか？おそらく。多分。正直言って分かりません。ライフサイクル分析は複雑になります。
私が知っているのは、液体の種類よりもこぼれを防ぐことが重要であるということです。適切に封じ込められ、メンテナンスが行き届いた鉱物油システムは、漏れのある天然エステル システムよりも優れています。-
代替品とテクノロジー
いくつかの興味深いことが起こっています:
乾式変圧器-- 液体がまったくありません。冷却には空気またはガスを使用します。小さなユニットではうまく機能しますが、大きなユニットでは効率が低下します。初期費用は高くなりますが、液体のメンテナンスは必要ありません。
真空断熱- 液体の代わりに真空を使用します。クレイジーに聞こえますが、うまくいきます。主に特殊な用途向け。
ナノ流体誘電体- 従来の流体にナノ粒子を追加して特性を改善します。まだほとんど研究段階ですが、有望です。熱伝達が 30 ～ 40% 向上したというテスト結果を見てきました。より小型の変圧器を使用できる可能性があります。
バイオ-ベースの液体- エステルを超えて。藻類-由来の液体、加工植物油、その他の再生可能資源に注目します。課題は、従来の液体の性能とコストに匹敵することです。
SF6の代替品- SF6 は恐ろしい温室効果ガスであるため、代替ガスについて多くの研究が進められています。高圧の乾燥空気、窒素/CO2 混合物、GWP が低い新しい合成ガス。
より良いモニタリング- 継続的なモニタリングのためのオンライン センサー。リアルタイムでガスを分析する DGA センサー。-湿気センサー。あらゆる場所に温度センサー。目標は、障害が発生する前に障害を予測することです。
私は過去 1 年間、オンライン DGA システムをテストしてきました。これは非常にクールです。1 時間ごとにガスのヘッドスペースをサンプリングし、データをクラウドに送信し、何か異常があれば警告します。土曜日の午前2時に初期不良が発生しました。私たちが警報を受け取っていなければ、その変圧器は月曜の朝までに故障していたでしょう。
コストは依然として高い（ユニットあたり 5 ～ 10,000 ドル）が、低下しています。 5～10年後には、これが重要な機器の標準となるでしょう。
私が実際におすすめするもの
率直に言うよ。
新しいトランスフォーマーを指定する場合:
屋内の場所?シリコーンまたは合成エステルを使用してください。コストを重視しましょう。火災の危険を冒す価値はありません。
適切な封じ込めを備えた屋外の場所?鉱物油は大丈夫ですよ。それは動作します。
環境に敏感な地域の近くですか?天然エステル。
予算に問題はありませんか?合成エステルまたは乾燥タイプ。{0}}
既存の機器をメンテナンスする場合:
オイルをテストしてください。少なくとも毎年。重要な事項については四半期ごとに発行されます。
詳細な記録を保管してください。傾向を追跡します。悪いテスト結果の 1 つが異常である可能性があります。傾向が問題だ。
オイルは本格的に悪くなる前に交換しましょう。著しく劣化した石油を再生しようとすると費用がかかります。
漏れをすぐに修理してください。小さな漏れが大きな漏れになります。
通気口は重要です。乾燥剤ブリーザーを使用し、定期的に交換してください。
温度は重要です。ホットスポットは変圧器を破壊します。温度を監視します。
古い機器を扱う場合:
何も仮定しないでください。ラベルは嘘をつきます。テストしてみましょう。
1980 年より前に製造された場合は、PCB に特に注意してください。
古いというのは悪い意味ではありません。 1950 年代の変圧器がよくメンテナンスされていたため、今でも正常に動作しているのを見たことがあります。-
新しい液体を使用して改造することが合理的な場合もあります。場合によっては交換した方が良い場合もあります。計算してみましょう。
してはいけないこと:
自分が何をしているのかよくわかっていない限り、液体の種類を混合しないでください
自動車用オイルや油圧作動油を変圧器オイルとして使用しないでください (はい、誰かがこれを試しているのを見たことがあります)
検査結果を無視しないでください
お金を節約するためにメンテナンスを省略しないでください
「20年間大丈夫だった」ということは、あと20年は大丈夫だということを意味するとは思わないでください
ああ、走っているなら彫り放電加工機機械の場合は、誘電性流体の品質に注意してください。液体が汚染されていたため、電極が焼けてしまった店を見たことがあります。フィルターをかけます。テストしてみましょう。この液体は変圧器油と同じ役割を果たし、熱とアーク抑制を管理しながら絶縁します。同じ原則が適用されます。安売りしないでください。