انتخاب بنتونیت مناسب برای تصفیه و پالایش روغن ترانسفورماتور
چکیده
روغن ترانسفورماتور، یکی از مهمترین اجزای عایقی و خنککننده در تجهیزات قدرت است. آلودگی ناشی از اکسیداسیون، رطوبت و واکنشهای شیمیایی در طول زمان، سبب کاهش خواص دیالکتریک روغن شده و خطرات قابلتوجهی برای عملکرد ترانسفورماتور ایجاد میکند. در سالهای اخیر، استفاده از بنتونیت و خاکهای فعالشده بهعنوان جاذبهای مؤثر در تصفیه و احیای روغن، توجه گستردهای را به خود جلب کرده است. در این مقاله، ضمن بررسی ساختار و خواص بنتونیت، معیارهای انتخاب بهترین نوع آن برای پالایش روغن ترانسفورماتور تشریح میشود. همچنین به استانداردهای بینالمللی، روشهای پایلوت تست، ویژگیهای لازم برای انتخاب بنتونیت بهینه و اثرات زیستمحیطی و اقتصادی اشاره میگردد.
۲. مقدمه
روغن ترانسفورماتور بهعنوان یک عایق مایع، انتقال حرارت و افزایش عمر تجهیزات را تضمین میکند. با گذشت زمان، ترکیبات قطبی، اسیدهای آلی، رنگ، ذرات معلق و رطوبت باعث تخریب خواص الکتریکی و شیمیایی روغن میشوند. از اینرو، تصفیه و احیای روغن بهوسیله جاذبهای معدنی بهویژه بنتونیت فعالشده یکی از مهمترین روشهای صنعتی است.
۳. اهمیت تصفیه روغن ترانسفورماتور
۳.۱. جلوگیری از کاهش ولتاژ شکست
رطوبت و اسیدها با کاهش استحکام دیالکتریک، احتمال تخلیه الکتریکی و خرابی عایق را افزایش میدهند.
۳.۲. مهار اکسیداسیون
حذف محصولات اکسیداسیون سبب افزایش عمر روغن و سیستم عایقی میشود.
۳.۳. کاهش هزینه تعمیرات
احیای روغن در مقایسه با تعویض کامل آن، بسیار مقرونبهصرفه بوده و از خروج ترانسفورماتور از مدار جلوگیری میکند.
۴. نقش مواد جاذب در احیای روغن
مواد جاذب شامل بنتونیت، فولررز ارث، آلومینا و سیلیکاژل هستند. بنتونیت به دلیل قیمت مناسب، سطح ویژه بالا و ظرفیت تبادل یونی مطلوب، پرکاربردترین ماده در سیستمهای Regeneration Plant است.
۵. ساختار و ترکیب بنتونیت
بنتونیت عمدتاً از کانی مونتموریلونیت تشکیل شده و ویژگیهایی مانند سطح ویژه زیاد، خاصیت تورمپذیری، بار لایهای منفی و جذب ترکیبات قطبی را داراست.
۵.۱. تفاوت بنتونیت سدیمی و کلسیمی
| نوع | ویژگی | کاربرد |
|---|---|---|
| سدیمی | تورم زیاد، CEC بالا | مناسب برای جذب ترکیبات قطبی |
| کلسیمی | پایداری بیشتر، نیاز به فعالسازی اسیدی | بهترین گزینه برای تولید بنتونیت فعالشده |
۶. فرایند فعالسازی بنتونیت
فعالسازی بنتونیت با اسیدهای معدنی (معمولاً H₂SO₄ یا HCl) انجام میشود که منجر به افزایش سطح ویژه، حذف ناخالصیهای آهکی و فلزی و افزایش قدرت رنگبری میگردد. بنتونیت فعالشده بهترین گزینه برای تصفیه روغن ترانسفورماتور است.
۷. معیارهای انتخاب بنتونیت مناسب
- سطح ویژه (BET) بیش از ۱۸۰–۲۵۰ m²/g
- CEC بالا برای جذب ترکیبات قطبی
- توزیع اندازه ذرات در محدوده ۳۰۰–۷۰۰ میکرون
- رطوبت اولیه کمتر از ۱۲٪ برای جلوگیری از ورود آب به روغن
۸. اثر اندازه ذرات بر راندمان تصفیه
ذرات ریز، جذب بهتری دارند اما افت فشار بالاتری در ستونهای جذب ایجاد میکنند. ذرات درشت، افت فشار کمتری ایجاد کرده ولی ظرفیت جذب پایینتری دارند. ترکیب بهینه دو بازهی دانهبندی، بهترین تعادل بین جذب و افت فشار را فراهم میکند.
۹. نقش بنتونیت در بهبود ولتاژ شکست روغن
بنتونیت با جذب رطوبت و ترکیبات قطبی، مسیرهای هدایت الکتریکی را حذف کرده و باعث افزایش ولتاژ شکست (BDV) تا حدود ۱۰ تا ۳۰ کیلوولت میشود.
۱۰. ارزیابی تجربی و نتایج صنعتی
مطالعات مختلف صنعتی و آزمایشگاهی نشان دادهاند:
- کاهش TAN به میزان حدود ۴۰ تا ۷۰ درصد
- کاهش رنگ (ASTM D1500) به بیش از دو واحد
- افزایش BDV از حدود ۲۰–۴۰ kV به ۵۰–۷۰ kV
- کاهش تشکیل لجن و محصولات اکسیداسیون در روغن
۱۱. روش تست پایلوت برای انتخاب بنتونیت
مراحل کلی تست پایلوت عبارتاند از:
- نمونهبرداری از روغن در حال بهرهبرداری
- انتخاب چند نوع بنتونیت با خصوصیات مختلف
- تعیین مقدار بهینه مصرف (۲ تا ۵ درصد وزنی)
- آزمایش در دماهای ۶۰ تا ۹۰ درجه سانتیگراد
- اندازهگیری پارامترهای خروجی شامل TAN، رنگ، BDV، رطوبت (ppm) و پایداری حرارتی
۱۲. استانداردهای مرتبط
- IEC 60422 — راهنمای نگهداری و پایش روغن ترانسفورماتور در تجهیزات الکتریکی
- IEC 60296 — مشخصات روغنهای عایقی نو
- ASTM D2668 — ارزیابی خاکهای سفید (Fullers Earth)
- ASTM D1310 / D6045 — رنگسنجی و تعیین اسیدیته
- IEEE C57.106 — راهنمای احیای روغن ترانسفورماتور
۱۳. ملاحظات زیستمحیطی
بنتونیت مصرفشده حاوی ترکیبات اکسیدشده و آلودگیهای جذبشده است. از اینرو:
- میتوان آن را با عملیات حرارتی تا حدی بازیافت کرد.
- دفن در مناطق کنترلشده طبق ضوابط محیطزیست ضروری است.
- پس از فرآوری حرارتی، امکان استفاده بهعنوان سوخت کمکی کربنی وجود دارد.
۱۴. تحلیل اقتصادی و جمعبندی
هزینه کل استفاده از بنتونیت شامل قیمت ماده، مقدار مصرف، هزینه احیا، و هزینه دفع است. بنتونیت فعالشده با وجود قیمت اولیه بالاتر، به دلیل راندمان بیشتر و نیاز به مقدار مصرف کمتر، در نهایت هزینه نهایی تصفیه هر لیتر روغن را کاهش میدهد.
یک بنتونیت مناسب برای تصفیه روغن ترانسفورماتور باید سطح ویژه مناسب، CEC بالا، رطوبت کم، دانهبندی یکنواخت و قابلیت فعالسازی مطلوب داشته باشد. انجام آزمونهای پایلوت برای هر روغن ضروری است، زیرا نوع آلودگیها و شرایط بهرهبرداری در هر شبکه متفاوت است. بنتونیت فعالشده اسیدی بهعنوان بهترین گزینه صنعتی شناخته شده و در استانداردهای معتبر بینالمللی توصیه شده است.
۱۵. منابع علمی معتبر
- IEC 60422: Mineral insulating oils in electrical equipment – Supervision and maintenance guide.
- IEC 60296: Specifications for unused mineral insulating oils for transformers and switchgear.
- M. Abdel-Hameed, Transformer Oil Regeneration Using Clay Treatment Methods, Elsevier, 2018.
- G. R. Deligianis, Insulating Oils: Their Chemistry and Physics, McGraw-Hill, 2013.
- IEEE Std C57.106-2015, Guide for Acceptance and Maintenance of Insulating Oil.
- Sánchez, A. et al., "Acid-activated bentonite and its performance in transformer oil purification", Applied Clay Science, 2017.
- Muhammad, F., "Enhancement of dielectric properties of transformer oil using bentonite clay", Journal of Electrical Engineering, 2020.
- Pal, A. & Banerjee, D., "Regeneration of used transformer oil by adsorption using activated bentonite", Energy Reports, 2019.
- Patel, R., "Comparative study of natural vs. acid-activated clays for transformer oil treatment", Industrial & Engineering Chemistry Research, 2021.