KATRI MANDELIN YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISTEN ERISTYSNESTEIDEN OMINAISUUDET JA KÄYTTÖ. Diplomityö

Transkriptio

1 KATRI MANDELIN YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISTEN ERISTYSNESTEIDEN OMINAISUUDET JA KÄYTTÖ Diplomityö Tarkastaja: lehtori Kirsi Nousiainen Tarkastaja ja aihe hyväksytty Tieto- ja sähkötekniikan tiedekuntaneuvoston kokouksessa

2 II TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma MANDELIN, KATRI: Ympäristöystävällisten eristysnesteiden ominaisuudet ja käyttö Diplomityö, 74 sivua Kesäkuu 2010 Pääaine: Sähkömarkkinat Tarkastaja: lehtori Kirsi Nousiainen Avainsanat: Ympäristöystävällinen, eristysneste, mineraaliöljy, synteettinen esteri, luonnollinen esteri Mineraaliöljy on pitkään ollut sähkövoimatekniikan eristysrakenteissa yleisimmin käytetty eristysneste. Sen kilpailijoiksi ja tulevaisuudessa korvaajiksi on kuitenkin pyritty kehittämään uudenlaisia, ympäristöystävällisiä nesteitä. Tällaisia nesteitä ovat keinotekoisesti valmistetut synteettiset esterit ja kasviöljyistä muokatut luonnolliset esterit. Työn tavoitteena on tutkia estereiden ominaisuuksia ja käyttömahdollisuuksia sekä verrata niitä mineraaliöljyyn. Työ on toteutettu kirjallisuusselvityksenä saatavilla olevista materiaaleista. Työssä selvitetään perinteisesti käytössä olevien eristysnesteiden ominaisuuksia niille asetettujen standardien ja kaupallisten esimerkkituotteiden pohjalta. Estereiden vastaavia ominaisuuksia tutkitaan lisäksi niille tehtyjen tutkimusten avulla. Samalla luodaan katsaus estereiden tämän hetkiseen tutkimustilanteeseen ja kerätään yhteen jo saatuja tutkimustuloksia. Mineraaliöljyn korvaaminen estereillä voi tulevaisuudessa olla mahdollista. Synteettisen esterin käyttöä puoltavat sen tietyt hyvät ominaisuudet, kuten sen hidas vanheneminen ja korkea läpilyöntijännite. Sen yleistymisen esteenä on kuitenkin korkea hinta. Luonnonesterit puolestaan tarjoavat uusiutuviin raaka-aineisiin pohjautuvan vaihtoehdon mineraaliöljylle. Niillä on myös hyvät korkean lämpötilan käyttöominaisuudet. Korkea viskotiteetti ja jähmettymispiste ovat kuitenkin rajoittamassa luonnonestereiden yleistymistä. Vähäisistä käyttökokemuksista johtuen myös niiden käyttövarmuudesta ja todellisesta vanhenemisesta saadut tiedot ovat vielä puutteellisia. Molemmat esterityypit soveltuvat hyvin niin mineraaliöljyn korvaajiksi paperieristysrakenteessa kuin mineraaliöljyllä eristetyn muuntajan uudelleen täyttämiseen. Yleistymisen ongelmina ovat kuitenkin vielä osittain puuttuvat standardit ja estereiden käytöstä saatava hyöty sähköverkkoyhtiölle. Estereiden käytön lisääminen vaatii vielä tutkimustyötä ja toisaalta taloudellista etua tuovia helpotuksia sähköverkkoyhtiöille.

3 III ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master s Degree Programme in Information Technology MANDELIN, KATRI: Properties and use of environmentally friendly dielectric liquids Master of Science Thesis, 74 pages June 2010 Major: Electrical Markets Examiner: Lecturer Kirsi Nousiainen Keywords: environmentally friendly, dielectric liquid, mineral oil, synthetic ester, natural ester Mineral oil has long been the most commonly used dielectric liquid in the electric power engineering. However, there has been an interest of developing new, environmental friendly liquids to compete and replace the mineral oil used in electrical components. These liquids are synthetically manufactured synthetic ester and natural esters refined from vegetable oils. This master s thesis aims to examine the properties and use of esters and compare them with mineral oil. The thesis has been carried out as a literature report from available materials. In the thesis the properties of traditionally used dielectric liquids are analysed based on the standards requirements and on commercial example products. Furthermore, the similar properties of natural esters are studied with the help of researches made for them. At the same time a survey of the present study situation of esters is created and research results that have already been published are collected to one. The replacement of mineral oil with esters can be possible in future. Synthetic esters have some excellent properties, such as their slow aging and high dielectric strength. However, the obstacle of their becoming common is the high price. Natural esters offer an agricultural oil based alternative to mineral oils. They also have good properties in high temperatures. Yet, their high viscosity and pour point are still restricting their possibility to become commonly used as dielectric liquids. Due to the limited use of natural esters there is yet lack of information of their reliability and actual aging. Both ester types are well suited to substitute of mineral oils both in oil/paper insulations and in retrofilling transformers filled with mineral oil. However, the factors still preventing the spreading use of esters are the lacking standards and economic benefits for the network companies obtained by using esters instead of mineral oil. Increasing use of esters still requires further research work and also some economic compensations which would make the esters a more interesting choice for the network companies.

4 IV ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty Tampereen teknillisen yliopiston Sähköenergiatekniikan laitoksen tarjoamasta aiheesta talven aikana. Työn ohjaajana ja tarkastajana toimi lehtori Kirsi Nousiainen. Kiitän häntä saamistani neuvoista ja työni tarkastamisesta. Kiitän myös Tampereen teknillisen yliopiston tukisäätiötä työlle saadusta apurahasta. Työn tekeminen on ollut melko itsenäinen projekti. Haluan kuitenkin kiittää kaikesta tuesta työn teon ja koko opintojen aikana avopuolisoani Tuomasta sekä tytärtäni Lottaa, siis kiitos ymmärtäväisyydestä ja hyvistä hermoista. Vatsassa kasvajalle kiitos siitä, ettet aiheuttanut ylitsepääsemättömiä ongelmia. Lisäksi kiitän myös isääni ja siskojani hyvästä tuesta opiskeluvuosina. Vantaalla Katri Mandelin

5 V SISÄLLYS 1. Johdanto Eristysnesteet Sähköinen käyttäytyminen Permittiviteetti Eristeen tehohäviöt Läpilyöntiprosessi nesteessä Fysikaaliset ominaisuudet Käyttötarkoitukset Standardit ja niiden mukaiset mittausmenetelmät Jännitekestoisuus Leimahduspiste Hapettuminen Muut mittausmenetelmät Perinteiset eristysnesteet Mineraaliöljy PCB Silikoniöljy Ympäristöystävällisten eristysnesteiden tekniset ominaisuudet Synteettinen esteri Valmistus ja rakenne Sähköiset ominaisuudet Fysikaaliset ominaisuudet Vanheneminen Käyttö Luonnollinen esteri Valmistus ja rakenne Sähköiset ominaisuudet Fysikaaliset ominaisuudet Vanheneminen Käyttö Eristysnesteiden ympäristövaikutukset Yleistä ympäristövaikutuksista Hajoavuus luonnossa Kulkeutuminen ja kertyminen eliöihin Myrkyllisyys Estereiden soveltuvuus käytännön eristysrakenteisiin Nesteiden hyödyntäminen eristysrakenteissa Neste - paperi-eristysrakenne Eristysnesteiden sekoittaminen Paperieristyksen impregnointi estereillä... 56

6 Synteettinen esteri Luonnonesteri Estereiden sekoittaminen mineraaliöljyyn Synteettinen esteri Kasviöljypohjainen esteri Käyttöön liittyvät ongelmat Johtopäätökset Lähteet VI

7 VII MERKINNÄT JA LYHENTEET D E C C p Hz L P P d P K P S P U Q c R r T tan δ v V α δ ε θ λ χ e sähkövuon tiheys sähkökentän voimakkuus kapasitanssi ominaislämpö hertsi kyllästymissyvyys jäähtymiskriteeri pätötehohäviöt kapillaari-ilmiön aiheuttama paine sisäinen paine ulkoinen paine kapasitiivinen loisteho resistanssi säde nesteen pintajännitys häviökerroin kinemaattinen viskositeetti tilavuus lämpölaajenemiskerroin häviökulma permittiviteetti öljyn ja selluloosan välinen kulma lämmönjohtavuus suskeptibiliteetti ASTM CEC DBP DBPC DP-luku EPA HMWH HTH IEC ISO KOH American Society of Testing and Materials Commission for Environmental Cooperation 2,6-kaksitertiaarinen butyylifenoli 2,6-kaksitertiaarinen butyyli para-kresoli Degree of polymerization (paperin polymerisoitumisaste) Environmental Protection Agency High Molecular Weight Hydrocarbon (suurmolekyylinen hiilivety) High Temperature Hydrocarbon (korkean lämpötilan hiilivety) International Electrotechnical Commission International Organization of Standardization kaliumhydroksidi

8 VIII LC50 Lethal Concentration, 50 % (50 % koe-eläimistä tappava pitoisuus) LD50 Lethal Dose, 50 % (50 % koe-eläimistä tappava annos) OECD Organisation for Economic Co-operation and Development PCB Polychlorinated Bifenyl (polykloorattu bifenyyli) PDMS Polydimethylsiloxane (polydimetyylisiloksaani) ppm parts per million (miljoonasosa) SI-järjestelmä Système international d unités (kansainvälinen yksikköjärjestelmä) VDE Verband Deutscher Electrotechniker

9 1 1. JOHDANTO Sähkövoimatekniikan komponenteissa käytetään useita erilaisia eristysrakenteita. Eristysrakenteet voivat koostua yhdestä kiinteästä, nestemäisestä tai kaasumaisesta eristeestä tai useammasta eri eristeestä. Nestemäisiä eristeitä on käytetty useissa eri sähkötekniikan sovelluksissa, ja niistä yleisimmin käytetty on pitkään ollut mineraaliöljy. Erityisesti muuntajakäytössä mineraaliöljy yhdistetään useimmiten paperin kanssa öljypaperieristeeksi. Mineraaliöljyn suosio eristysnesteenä johtuu sen hyvistä sähköisistä ja fyysisistä ominaisuuksista. Sen rinnalla on kuitenkin jouduttu käyttämään erikseen paloherkkiin kohteisiin suunniteltuja nesteitä, kuten polykloorattuja bifenyylejä tai silikoniöljyä. Ympäristötietoisuuden lisääntyessä mineraaliöljylle on ryhdytty etsimään vaihtoehtoisia tuotteita, jotka eivät aiheuttaisi ympäristön pilaantumista ja tarjoaisivat paremman paloturvallisuuden. Ensimmäiseksi markkinoille tuotiin synteettisesti valmistettu esterivalmiste, joka täyttää molemmat uudelta nesteeltä vaadittavat ominaisuudet. Tämän jälkeen tutkimus on keskittynyt yhä enemmän kasviöljyistä esteröityihin nesteisiin, joiden biohajoavuus on erinomainen ja raaka-aineet saatavissa uusiutuvista materiaaleista. Työn tavoitteena on tutustua estereiden ominaisuuksiin ja niille tehtyihin tutkimuksiin. Lisäksi arvioidaan ympäristöystävällisten nesteiden mahdollisuuksia korvata mineraaliöljy eristysnesteenä, luodaan katsaus estereiden tämän hetkiseen tutkimustilanteeseen ja kerätään yhteen niiden jo olemassa olevia tutkimustuloksia. Eristysnesteiden ominaisuuksia tutkitaan kirjallisuuden pohjalta ja vertaillaan toisiinsa käyttäen hyväksi standardien asettamia minimiarvoja ja kaupallisille tuotteille ilmoitettuja arvoja. Estereiden ominaisuuksia verrataan erityisesti mineraaliöljyn vastaaviin ominaisuuksiin. Tässä työssä tutustutaan neste-eristeiltä vaadittaviin ominaisuuksiin ja niitä mittaaviin standardeihin, joiden pohjalta eri nesteitä vertaillaan. Ympäristöystävällisiä estereitä verrataan lähinnä mineraaliöljyyn ja osittain myös silikoniöljyyn. Estereiden ominaisuuksiin syvennytään erilaisissa tutkimuksissa saatujen tulosten pohjalta. Lopuksi vertaillaan nesteiden vaikutuksia ympäristöön ja käsitellään estereiden soveltuvuutta käytännön eristysrakenteisiin sekä niiden käyttöön liittyviä ongelmia.

10 2 2. ERISTYSNESTEET Eristeissä varatut partikkelit ovat vahvasti sitoutuneet aineen molekyyleihin. Partikkelit voivat hieman liikkua sähkökentän vaikutuksesta, mutta ne eivät poistu molekyylien läheisyydestä. Eristeillä onkin atomia kiertävän elektronipilven uloin elektronikuori yleensä täynnä, jolloin vapaiden elektronien irrottaminen vaatisi suuren määrän energiaa (Aro et al. 2003). Käytännössä eristeet ovat kuitenkin heikosti johtavia, koska ne eivät ole ideaalisia. Hyviin johteisiin verrattuna eristeiden tyypillinen johtavuus on kuitenkin kertaa pienempi eli yleisesti merkityksettömän pieni. (Reitz et al.) Aineen soveltuvuus eristeeksi riippuu sen käyttäytymisestä muuttuvissa sähköisissä ja fysikaalisissa olosuhteissa. Sähköisillä ominaisuuksilla voidaan kuvata aineen käyttäytymistä vaihto- tai tasasähkökentässä (Foster 1990). Vastaavasti fysikaalisilla ominaisuuksilla kuvataan aineen käyttäytymistä muuttuvissa olosuhteissa. Eristysnesteen monipuolisen toimivuuden kannalta sillä on tärkeää olla tietyt fysikaaliset ominaisuudet. Esimerkiksi lämmönsiirtoon tarvitaan alhaista viskositeettia. Hyvät sähköiset ominaisuudet ovat eristysnesteen toiminnan kannalta välttämättömät, mutta pysyäkseen käyttökelpoisena ja täyttääkseen kaikki eristysnesteeltä vaadittavat osatehtävät tulee nesteen fysikaalisten ominaisuuksien olla myös hyvät. Eristysnesteen sähköistä ja fysikaalista käyttäytymistä käsitellään alaluvuissa 2.1. ja 2.2. Edellä mainituista ominaisuuksista riippuu se, miten ja minkälaisissa komponenteissa nestettä käytetään. Tässä työssä käsiteltävien nesteiden pääasiallisin käyttötapa on muuntajien eristysrakenteessa. Eristenesteen ominaisuudet vaikuttavat muun muassa siihen, onko niiden käyttö suositeltavaa esimerkiksi paloherkissä tiloissa tai sisällä. Tietyn nesteen käyttö voi vaikuttaa myös muuntajan sisäisiin rakenteisiin, mikä tulee ottaa huomioon jo suunnitteluvaiheessa. Nestemäisten eristeiden käyttötapoja esitellään alaluvussa 2.3. Erilaisten käytäntöjen ja mittausmenetelmien yhdenmukaistamiseksi on laadittu kansainvälisiä standardeja. Myös eristysnesteiltä vaadittavien ominaisuuksien todentamiseksi on olemassa standardeja, joiden mukaan mitatut tulokset helpottavat eri nesteiden vertailua ja lisäävät mittaustulosten luotettavuutta. Standardeja luovia yhteisöjä on kuitenkin useita ja niiden käyttö on melko aluekohtaista. Tämän vuoksi kahteen yleisesti eristysnesteillä käytettyyn standardijärjestelmään tutustutaan alaluvussa 2.4. Samalla käsitellään myös nesteiden vertailun kannalta tärkeimpien mittausmenetelmien eroja Sähköinen käyttäytyminen Eristysrakenteiden rakenteelliset ominaisuudet määrittävät niiden käyttäytymisen sähkökentässä. Todellisuudessa eristeissä kulkee aina hieman vuotovirtaa, eli ne eivät ole

11 2. ERISTYSNESTEET 3 täysin johtamattomia kappaleita. Selvitettäessä eristysrakenteen käyttäytymistä laskennallisesti voidaan vuotovirran vaikutus yleensä jättää huomioimatta ja käyttää staattiselle sähkökentälle päteviä yhtälöitä. Niiden hyödyntämiseksi eristysrakenteelta vaaditaan kuitenkin homogeenisuutta ja isotrooppisuutta. Puhdas neste täyttää nämä molemmat ehdot, eli sen ominaisuudet ovat samanlaiset koko nesteessä ja sen sähkövuo sekä sähkökenttä ovat samansuuntaiset. Näiden lisäksi eristeen polarisoituvuus sähkökentässä eli suskeptibiliteetti ei saa olla riippuvainen kentän voimakkuudesta. (Aro et al. 2003) Seuraavassa tarkastellaan eristysnesteen käyttäytymisen kannalta tärkeimpien suureiden muodostumista staattisessa sähkökentässä Permittiviteetti Sähkövaraukset synnyttävät staattisen sähkökentän, jota voidaan kuvata vuoalkioista koostuvan sähkövuon avulla. Varauksen kokonaissähkövuo on siitä poistuvien vuoalkioiden summa, ja toisaalta riippuvainen sähkövuon tiheydestä. Sähkövuon tiheyden D ja sähkökentän voimakkuuden E välinen yhteys homogeenisessa ja isotrooppisessa aineessa on D = ε E (1) missä ε on eristeen permittiviteetti. (Solymar & Walsh 1998; Aro et al. 2003) Eristeen käyttäytymisen sähkökentässä määrittää sen permittiviteetti, joka muodostuu suhteellisesta permittiviteetistä ε r ja tyhjiön permittiviteetistä ε 0 = 8,85*10-12 As / Vm (Solymar & Walsh 1998) ε ε 0ε r =. (2) Käytännössä eristeen permittiviteettinä käytetään suhteellisesta permittiviteettiä. Permittiviteetti kuvaa väliaineelle syntyvää sähkövuon tiheyttä, kun se on tietyn suuruisessa sähkökentässä. Tyhjiön permittiviteetin suhteen lausuttuna saadaan suhteellinen permittiviteetti ε ε r =. (3) ε 0 Suhteellisen permittiviteetin määrittämiseksi voidaan käyttää myös sen yhteyttä aineen kykyyn polarisoitua eli sen suskeptibiliteettiin χ e, jolloin ε r = 1 + χ e. (4)

12 2. ERISTYSNESTEET 4 Permittiviteetin vaikutus tulee parhaiten esiin kerrostetuissa eristeissä, kun eristysrakenne on yhdistelmä useasta eristeestä. Kahdesta eri aineesta muodostetussa eristysrakenteessa syntyy permittiviteetiltään pienempään eristeeseen suurempi sähkökenttä. Tätä on havainnollistettu kuvassa 1. + ε 1 ε 2 ε 1 ε a Kuva 1. a) Sähkökentän kenttäviivat eristysrakenteessa, b) Sähkövuon tiheyden vuoviivat eristysrakenteessa, kun ε 2 = 2ε 1. Yllä olevassa kuvassa on esitettynä metallilevyjen välissä oleva eristysrakenne, joka koostuu aineista, joiden permittiviteetit ovat ε 1 ja ε 2. Tässä suurempi permittiviteetti ε 2 = 2ε 1, jolloin permittiviteetin ε 1 eristeessä sähkökentän voimakkuus on kaksinkertainen verrattuna suuremman permittiviteetin eristeessä vallitsevaan kentänvoimakkuuteen. Kuvan 1a mukaisesti siis ensimmäisessä aineessa on kenttäviivoja kaksinkertaisesti toiseen aineeseen nähden. Sähkövuon tiheys on kuitenkin sama koko eristysrakenteessa, kuten kuvasta 1b voidaan todeta. Tällöin samalla sähkövuon tiheydellä sähkökentän voimakkuus on sitä pienempi mitä suurempi permittiviteetti aineella on. Käytännössä siis suurimman rasituksen kokee permittiviteetiltään pienin eristemateriaali. Tämän huomioiminen on tärkeää kerrostettuja eristysrakenteita suunniteltaessa. Myös mahdollisten ilmataskujen jäädessä eristeeseen on niihin kohdistuva jänniterasitus suurempi kuin eristysmateriaaliin kohdistuva, koska ilman suhteellinen permittiviteetti (1,0006) on selkeästi pienempi kuin muilla eristeillä, jolloin eristeen läpilyöntikestoisuus heikkenee. (Aro et al. 2003; Heathcote 1998) Paitsi materiaalikohtaisesti, permittiviteetin arvot vaihtelevat myös käytetyn taajuuden ja lämpötilan muuttuessa. Taajuuden kasvaessa aineen permittiviteetti pienenee. Lämpötilan kasvaessa permittiviteetin arvo kuitenkin suurenee. (Laughton & Warne 2002) b

13 2. ERISTYSNESTEET Eristeen tehohäviöt Eristeessä syntyvät tehohäviöt saavat alkunsa eristeen polarisoitumisesta. Sähkökentän vaikutuksesta eristeen molekyyleihin ja atomeihin vaikuttaa voima, joka vetää niiden positiivisia ja negatiivisia osia eri suuntiin. Tällöin osat poikkeavat hieman asemastaan normaalitilassa eli eriste polarisoituu. Polarisoitumisen seurauksena syntyy tehohäviöitä jo pienilläkin taajuuksilla, minkä lisäksi polarisoitumisen voi havaita jännitteellisen eristeen varautumisesta ja varausvirrasta. Erilaiset polarisaation lajit saavat nimensä polarisaatiossa liikkuvien osasten mukaan. Orgaanisilla eristeillä huomattavin polarisaatiotapa on dipolipolarisaatio, jossa eristysaineen molekyylien dipolimomentit pyrkivät olemaan kentän suuntaisia ja molekyylien kääntyily tapahtuu sen mukaisesti. Öljypaperieristyksessä voi tapahtua myös avaruuspolarisaatiota, jossa sähkökentän voimavaikutukset saavat positiiviset ja negatiiviset varauksenkuljettajat kertymään eri aineiden rajapinnoille. Muita polarisaatiolajeja ovat elektroni- ja atomipolarisaatio. (Aro et al. 2003) Vaihtojännitteellä molekyylien polarisoituminen synnyttää molekyylikitkaa, kun molekyylit kääntyilevät jännitteen vaikutuksesta. Tämän kitkan ja molekyylien hitausmomentin aiheuttamina molekyylien polarisoituminen on aina hieman polarisoivaa sähkökenttää jäljessä. Tätä puolestaan kutsutaan dielektriseksi jälkivaikutukseksi. Molekyylikitka ja dielektriset jälkivaikutukset sekä johtavuus aiheuttavat eristeessä tehohäviöitä. Lämmetessään eristeen johtavuus paranee, minkä vuoksi myös tehohäviöt suurenevat lämpenemisen myötä. Näitä dielektrisiä häviöitä tutkittaessa voidaan eristykselle määrittää häviökulma δ, joka osoittaa eristeen eroavuuden ideaalisesta eristeestä. Häviökulma voidaan määrittää permittiviteetin avulla, kun kompleksinen permittiviteetti muodostuu kuvan 2 mukaisesti reaaliosasta ε ja imaginääriosasta ε. ε ε ε δ Kuva 2. Häviökulma δ:n muodostuminen permittiviteettien avulla. Permittiviteetiksi saadaan nyt ε = ε j ε = ε δ, jolloin ε kuvaa eristeen kykyä kerätä varausta ja ε johtavuutta. Kuten aiemmin on mainittu, on eristeen johtavuus erittäin pieni eli ε << ε, jolloin johtavuuden vaikutus voidaan jättää huomioimatta ja ε ε. Tällöin häviökulmalle saadaan yhtälö (Aro et al. 2003) ε ε tan δ =. (5) ε ε Häviökulman tangenttia tan δ kutsutaan eristeen häviökertoimeksi. Sen avulla saadaan tietoa eristeen kunnosta, sillä häviöiden suuri kasvu tarkoittaa eristeen kunnon

14 2. ERISTYSNESTEET 6 huononemista. Mittaamalla häviökerrointa voidaan löytää eristeessä paikallisia vikoja, kosteuspitoisuuden kasvua ja yleistä huononemista (Si et al. 2009). Eristysrakenne voidaan ajatella kondensaattoriksi siten, että sen sijaiskytkennän vaihtojännitteellä muodostavat rinnankytketty kapasitanssi C ja resistanssi R, kuten kuvassa 3. R C Kuva 3. Eristysrakenteen sijaiskytkentä. Mikäli rakenteen eristeenä olisi tyhjiö, olisi sen kapasitanssi C = C0. Sijaiskytkennän kapasitanssi saadaan vastaavasti kapasitanssin C 0 ja eristeen permittiviteetin ε r tulona. Resistanssi puolestaan muodostuu kapasitanssin C 0, dielektristä johtavuutta kuvaavan termin ε r ja kulmataajuuden ω tulon käänteisarvona. Sijaiskytkennän varaus- ja pätövirroista saadaan kapasitiiviselle loisteholle Q c ja pätötehohäviölle P d lausekkeet P d ωε δ 2 = r tan C0U (6) Q ωε rc 0 U 2 c = (7) Näistä voidaan ratkaista häviökertoimen määrittämiseksi vielä toinen yhtälö (8), josta voidaan nähdä häviökertoimen tan δ olevan myös dielektristen häviöiden ja kapasitiivisen loistehon suhde. (Aro et al. 2003) P d tan δ = (8) Q c Häviökertoimen arvot riippuvat taajuudesta ja lämpötilasta. Lämpötilan kasvaessa häviökertoimen tan δ arvot suurenevat yhdessä permittiviteetin kanssa. Kasvu on vielä huomattavampaa, mikäli eristeen kosteuspitoisuus on suuri. Häviökertoimen arvon riippuvuus taajuudesta ei ole näin selkeä. Joillain materiaaleilla tan δ:n arvot suurenevat lämpötilan kasvaessa, mutta esimerkiksi mineraaliöljyllä häviökerroin 50 Hz taajuudella on suurempi kuin 1 khz taajuudella. Häviökertoimen taajuusriippuvuus voi vaikuttaa perinteisen sähkövoimatekniikan komponentin eristykseen merkittävästi lähinnä erittäin nopean transientin tai yliaaltojen rasittaessa eristettä. (Laughton & Warne 2002) Eristysnesteen arvoja tarkasteltaessa on hyvä kuitenkin huomioida, että häviökerroin on mitattu käyttötarkoituksen kannalta merkityksellisillä taajuuden arvoilla.

15 2. ERISTYSNESTEET 7 Häviökertoimen käytönaikainen nousu voi olla seurausta hapettumisen rinnakkaistuotteista, epäpuhtauksista tai laatua heikentävistä tuotteista kuten kosteudesta, hiilestä tai muusta johtavasta materiaalista. Mineraaliöljyn tapauksessa uuden öljyn korkean häviökertoimen syynä voi olla riittämätön jalostus tai öljyssä olevat epäpuhtaudet. (Griffin et al. 2004) Läpilyöntiprosessi nesteessä Eristeen kunnon heikkenemisen tai siinä tapahtuvien sähköpurkausten seurauksena voi sen läpi kulkeva vuotovirta kasvaa huomattavasti. Tällöin on mahdollisuus täydelliseen sähköpurkaukseen, jolloin eristeen eristysominaisuudet katoavat kokonaan. Käytännössä eristyksen yli tai läpi syntyy valokaari, joka on hyvin kuuma ja erittäin ionisoitunut purkauskanava. Tässä vaiheessa eristyksen yli oleva jännite on pieni ja läpi kulkeva virta suuri. Näin syntynyttä purkauskanavaa kutsutaan läpilyönniksi. Nestemäisissä eristeissä läpilyönnin syntymekanismia ei vielä tunneta tarkasti. Siihen vaikuttavia tekijöitä on kuitenkin tutkittu paljon ja tärkeimmät vaikutustekijät on löydetty. Homogeenisissa, puhtaissa nesteissä läpilyönnin oletetaankin tapahtuvan kaasujen läpilyöntiprosessia vastaavalla tavalla. (Aro et al. 2003) Eristyksessä kulkeva vuotovirta syntyy elektronien ja ionien eli varauksenkuljettajien liikkeestä sähkökentässä. Läpilyöntiprosessin etenemisessä merkittävimmät varauksenkuljettajat ovat vapaat elektronit. Nesteissä vapaita elektroneja syntyy valon ja sysäysionisaation vaikutuksesta. Niitä poistuu kuitenkin aineesta koko ajan, esimerkiksi rekombinaation eli positiiviseen ioniin yhdistymisen kautta. (Aro et al. 2003) Elektrodivälin läpilyöntiprosessiin vaikuttavia tekijöitä ovat nesteessä olevat epäpuhtaudet ja nesteen hapettuminen sekä kosteuspitoisuuden kasvu. Epäpuhtaudet mahdollistavat vapaiden elektronien syntymisen eristeiden rajapinnoilla, ja hapettuminen sekä kosteus lisäävät eristeessä kulkevaa vuorovirtaa. Merkittävin tekijä läpilyöntiprosessissa ovat nesteessä syntyvät mikroskooppisen pienet kuplat. Nämä kaasukuplat aiheutuvat aineen molekyylien hajoamisesta riittävän voimakkaassa sähkökentässä eli seurauksena nesteen sähköpurkauksesta. Kuplia voi syntyä myös nesteessä olevista epäpuhtauksista. Kuplien muodostumiselle ei ole olemassa tiettyä kohtaa, vaan niitä voi syntyä nestevälin keskellä tai monesti aivan katodin pinnan läheisyydessä, missä myös vapaat elektronit syntyvät. (Aro et al. 2003) Kaasukuplien vaikutuksesta nesteessä voi lähteä liikkeelle ionisaatiovyöry, joka etenee elektrodilta toiselle. Tällöin ionisaatioprosessit syntyvät elektrodien lähelle syntyneistä kuplajonoista, joissa tiheys on pienempi kuin ympäröivässä nesteessä. Ionisaatioprosesseista syntyvä ionisaatiovyöry voi aikaansaada kanavan streamer-purkaukselle. Streamer-purkaus syntyy elektronivyöryn edetessä elektrodilta toiselle, kun sähkökentän voimakkuus elektronivyöryn kulkutiellä vääristyy, kasvaen vyöryn etureunassa. Näissä kohdissa voi tapahtua positiivisten ionien ja elektronien yhdistymistä sekä virittymistä. Tällöin syntyvän fotonisäteilyn muodostama fotoionisaatio voi synnyttää uuden elektronivyöryn anodin lähellä ja lopulta muodostaa purkauskanavan aina katodilta anodille asti. Streamer voi olla negatiivinen tai positiivinen. Negatiiviseksi streameriksi

16 2. ERISTYSNESTEET 8 sanotaan katodilta anodiin muodostuvaa purkausta ja positiiviseksi anodilta katodiin muodostuvaa purkausta. Nesteessä negatiivinen streamer syntyy haarautuvana purkauskanavana, kuten kaasussakin, mutta positiivinen streamer muodostuu nesteessä syntyvän purkauksen suppenemisesta kohti anodia. Streamer-purkaus muodostaa elektrodilta toiselle positiivisia ioneja sisältävän kuplakanavan, jossa tiheys on pienentynyt. Kanavan sähköinen lujuus on heikentynyt muuhun nesteeseen verrattuna ja on syntynyt mahdollisuus virran kulkemiseen kanavan kautta. (Aro et al. 2003) Nesteessä ionisaatioprosessin käynnistymiseksi katsotaan kuplilla olevan tärkeä rooli. Kaasua sisältävien kuplien sähkökentän voimakkuus voidaan määrittää seuraavasti E 1 3ε 2 = E2. (9) ε1 + 2ε 2 Tällöin voidaan kaasukuplan kentänvoimakkuuden E 1 todeta lähestyvän arvoa 1,5E 2, kun ε 2 lähestyy ääretöntä ja kaasukuplan permittiviteetti ε 1 =1. E 2 on sähkökentän voimakkuus kuplaa ympäröivässä nesteessä. Koska nestemäisten eristeiden permittiviteetit ovat käytännössä aina suuruudeltaan selvästi yli yhden (ε 2 > 1), voidaan kuplissa vaikuttavan sähkökentän voimakkuuden todeta olevan suurempi kuin sitä ympäröivässä nesteessä. Tämän lisäksi kaasuissa on ionisaatiovyöryn syntyyn paremmat edellytykset kuin nesteessä ja, kuten aiemmin todettu, kuplissa on myös nestettä pienempi tiheys. Näistä syistä kuplilla on katsottu olevan suuri vaikutus ionisaatioprosessin ja aina läpilyönnin syntymiseen. Kuplajonojen ja muiden kanavien muodostumista voidaan kuitenkin ehkäistä tekemällä neste-eristykseen välikerroksia kiinteästä eristeestä. (Aro et al. 2003) Nesteessä olevat kiinteät epäpuhtaudet voivat mahdollisesti toimia läpilyöntiprosessin käynnistäjinä. Tällöin kiinteästä aineesta johtuva epäpuhtaus, kuten metalli- tai pölyhiukkanen, voi luoda mahdollisuuden johtavan kanavan syntymiseksi anodilta katodiin. Mikäli ylimääräisen kappaleen permittiviteetti on eristysnesteen permittiviteettiä suurempi, pyrkii se sähköstaattisen teorian (electrostatic theory) mukaisesti siirtymään mahdollisimman suuren sähkökentän voimakkuuden alueelle. Tällöin voi muidenkin hiukkasten pyrkiessä samalle alueelle nesteeseen päästä syntymään virran kulun mahdollistava kanava. Virran kulkiessa kanavassa syntyy lämpöä ja läpilyönti on todennäköistä. (Laughton & Warne 2002; Aro et al. 2003) Erityisesti muuntajakäytössä eristysnesteiltä vaaditaan korkeaa jännitelujuutta. Nestemäisillä eristeillä sähköisen lujuuden mittaamista hankaloittaa kuitenkin se, että läpilyöntilujuus pienenee käytön myötä. Ennen käyttöä saadut testitulokset eivät siis ole yhtäpitäviä käytössä olevan eristeen sähkölujuuden kanssa. Uusien nesteiden testauksen ongelmina ovat myös testeissä käytetyt erilaiset elektrodimateriaalit ja todellisessa käytössä olevista rakenteista poikkeavat eristysrakenteet. Neste-eristys ei myöskään ole kokonaan palautuva, vaan siihen jää valokaaren seurauksena läpilyöntilujuutta alentavia ominaisuuksia. (Aro et al. 2003)

17 2. ERISTYSNESTEET Fysikaaliset ominaisuudet Eristeenä käytettäviltä nesteiltä vaaditaan, niiden käyttökohteesta riippuen, erilaisia fysikaalisia ominaisuuksia. Tietyt fysikaaliset ominaisuudet asettavat raja-arvoja nesteen soveltuvuudelle tietyn komponentin eristysrakenteeseen. Joitain ominaisuuksia puolestaan tarvitaan, jotta toimiminen eristeenä ylipäätään olisi mahdollista. Jäähdytysaineena toimiessaan nesteen tulee poistaa lämpöä komponentin rakenteista. Käytännössä jäähdyttäminen tapahtuu säteilyn, lämmön johtamisen tai lämmönsiirtymisen avulla. Eristysnesteillä tärkein jäähdytyskeino on lämmönsiirto, joka tapahtuu luonnollisena kiertona lämpötilamuutosten aiheuttamien nesteen tiheyserojen välillä. (Heathcote 1998) Isommissa muuntajissa voidaan käyttää myös pumppuja jäähdyttämisen ylläpitämiseksi (Fofana et al. 2002a). Nesteen lämmönsiirtokykyä voidaan arvioida yhtälöllä C pλα P =, (10) v jossa P on jäähtymiskriteeri, C p on ominaislämpö, λ on lämmönjohtavuus, α on lämpölaajenemiskerroin ja v on nesteen kinemaattinen viskositeetti. (Perrier et al. 2004) Tällöin lämmönsiirto on sitä parempaa mitä suurempi arvo jäähtymiskriteeri P:lle saadaan. Jäähdytysväliaineena toimivalta eristysnesteeltä vaaditaan pientä viskositeettiä. Yhtälön (10) mukaisesti P ja v ovat toisilleen kääntäen verrannollisia: mitä pienempi viskositeetti, sitä suurempi jäähtymiskriteeri. Edelleen lämmönsiirto on sitä parempaa, mitä pienempi on viskositeetin arvo. Viskositeetti kuvaakin nesteen virtaamisen sisäistä vastusta, joka on sitä suurempi, mitä suuremmat ja painavammat molekyylit nesteellä on (Griffin et al. 2004). Pienen viskositeetin aineella on pieni sisäinen vastus, ja se voi ohuena virrata nopeammin kuin suuren viskositeetin aine. Pienen viskositeetin neste pääsee siis kiertämään komponentissa paremmin kuin neste, jonka viskositeetti on suuri. Viskositeetin suuruus riippuu myös lämpötilasta siten, että lämpötilan laskiessa nesteen viskositeetti kasvaa. (Dai & Wang 2008) Viskositeetin ilmoittamiseksi voidaan käyttää kahta eri suuretta, mm 2 /s tai Pa s, joista ensimmäinen ilmaisee nesteen kinemaattisen viskositeetin ja toinen dynaamisen viskositeetin. Eristysnesteiden viskositeetti ilmaistaan useimmiten kinemaattisena viskositeettina, josta dynaamisen viskositeetin arvo voidaan ratkaista kertomalla aineen tiheydellä. (Oommen & Grune 1995) Alhaista viskositeettia tarvitaan hyvän lämmönsiirron lisäksi myös impregnoitaessa eli nesteellä kyllästämisessä, jotta neste pääsee tunkeutumaan kaikkiin kiinteän aineen pienimpiinkin rakoihin ja huokosiin. (Aro et al. 2003) Korkeastakin viskositeetista voi tosin olla hyötyä, sillä suuren viskositeetin neste lämpenee nopeammin käyttölämpötilaan kuin pienen viskositeetin neste (Fofana et al. 2002a). Viskositeetin maksimiarvoille on määritetty vaatimukset eristysnesteitä koskevissa standardeissa.

18 2. ERISTYSNESTEET 10 Alhaiseen viskositeettiin liittyy jähmettymislämpötilä eli alhaisin lämpötila, jossa neste vielä liikkuu. Nesteen viskositeetin tulisi pysyä pienenä myös nesteen jäähtyessä, jotta se pystyisi kiertämään komponentissa ja toimimaan tehtävissään. (Griffin et al. 2004) Tämä on tärkeää erityisesti pohjoisissa olosuhteissa, jossa lämpötilavaihtelut ovat suuria vuodenaikojen välillä. Tällaisissa maissa jähmettymislämpötilan tulisi olla alhaisempi kuin -40 C, mutta lämpimissä maissa voidaan hyväksyä korkeammankin jähmepisteen neste. (Aro et al. 2003) Erityisesti erikoismuuntajissa ja muuntajissa, joita käytetään sisätiloissa tai muuten paloherkissä paikoissa, tarvitaan korkeaa leimahduslämpötilaa. Leimahduspisteellä tarkoitetaan alinta lämpötilaa, jossa lämmitetty neste vapauttaa riittävästi kaasua muodostaakseen palavan seoksen ilman kanssa. Lämpötila on riippuvainen seoksen herkimmin haihtuvan palavan aineen höyrynpaineesta. (Rouse 1998) Leimahduspiste eroaa syttymispisteestä siten, että syttymispisteeseen kuumennut aine jatkaa palamista itsekseen syttymisen jälkeen Leimahduspisteen minimiarvon tulee olla suurempi kuin komponentin maksimikäyttölämpötilan. (Griffin et al. 2004) Aineen paloturvallisuuden selvittämiseksi onkin perinteisesti mitattu vain sen syttymis- tai leimahduspistettä. Paloturvallisuuteen vaikuttavat kuitenkin muutkin tekijät, kuten miten nopeasti palo leviää aineessa ja miten paljon siitä syntyy lämpöä, savua sekä myrkyllisiä kaasuja. Näiden tutkimiseksi vaaditaan paljon suurempia näyte-eriä ja erityisiä mittaustyökaluja, joita paloturvallisuuden määrittämiseksi ei yleensä ole käytetty. (Laughton & Warne 2002) Olosuhteiden muuttuessa tulisi nesteen myös pysyä kemiallisesti stabiilina, jotta hyvät käyttöominaisuudet eivät huononisi käyttöiän aikana. Nesteen käytön myötä sen ominaisuudet kuitenkin heikkenevät muun muassa hapettumisen vuoksi. Hapettumiseen vaikuttavat hapen saanti, kosteus ja katalyyttien läsnäolo sekä lämpötila. Rajoittamalla eristysnesteen pääsyä kosketuksiin ilman kanssa voidaan vähentää sen hapettumista hapen saannin osalta. Katalyyteistä kupari on kaikkein voimakkain hapettumisen lisääjä, mitä voidaan hieman vähentää tinaamalla eristysnesteeseen yhteydessä olevat kuparijohdot ja -liitokset. Rauta toimii myös katalyyttinä, mutta sen vaikutus hapettumisprosessiin ei ole yhtä voimakas kuin kuparin. (Heathcote 1998) Hapettumisprosessin tuloksina nesteessä muodostuu lietettä ja happopitoisuus kasvaa. Näitä voidaankin pitää eräinä hapettumisen indikaattoreina ja toisaalta eristysnesteen kuntotilaa heikentävinä tekijöinä. Liete heikentää eristysnesteen lämmönsiirtokykyä johtaen nesteen lämpenemiseen ja hapettumisen lisääntymiseen, jotka taas lisäävät lietteen muodostumista. Nesteeseen syntyvä liete aiheuttaa siis jatkuvan kierron hapettumisen lisääntymiselle. Happopitoisuuden kasvamista tulisi puolestaan välttää, sillä se voi aiheuttaa korroosiota ja ennenaikaista huononemista komponentin kiinteissä eristeissä. Hapettumisprosessin etenemiseen ja siinä syntyviin tuotteisiin vaikuttavat tietysti myös eristysnesteen alkuperäiset ominaisuudet, minkä vuoksi toiset eristysnesteet hapettuvat voimakkaammin kuin toiset. (Heathcote 1998) Eristysnesteen sähköisiä ominaisuuksia heikentää ja hapettumista lisää nesteen korkea vesipitoisuus. Eristysnesteessä oleva vesi vahingoittaa sekä itse nestettä että sillä impregnoitua paperia. Neste-eristeessä voi kosteuspisaroiden vaikutuksesta syntyä osit-

19 2. ERISTYSNESTEET 11 taispurkauksia tai jopa läpilyönti. Koska vesi kuitenkin liukenee huonosti öljyihin, imee paperi sen itseensä. Paperin kostuminen heikentää huomattavasti sen eristyskykyä, mikä vaikuttaa suoraan koko eristysrakenteen sähköisiin ominaisuuksiin. Öljyn päästessä kosketuksiin ilman kanssa, jonka kosteuspitoisuus on suurempi kuin öljyn, se imee ilmasta kosteutta ja siirtää sen paperiin. Veden liukenevuuskyky eri öljyihin kuitenkin vaihtelee. Jotkut nesteet pystyvät toimimaan korkeammilla vesipitoisuuksilla kuin toiset, vähentäen samalla myös paperiin imeytyvän veden määrää. Veden liukenevuus mineraaliöljyyn vaihtelee ppm:n välillä. Se paranee hapettumisen myötä öljyn vanhetessa ja toisaalta öljyn lämpötilan kasvaessa. (Heathcote 1998) Vesipitoisuuteen voidaan vaikuttaa pyrkimällä pitämään neste mahdollisimman kuivana eristysnesteen valmistus-, säilytys- ja täyttövaiheissa, mutta tyypillisesti nesteeseen jää aina hieman kosteutta. Normaalisti valmiin nesteen vesipitoisuus on alle 20 ppm, ja jo 50 ppm:n kosteuspitoisuus voi puolittaa muuntajaöljyn läpilyöntikestoisuuden. (Laughton & Warne 2002) Eristysnesteiden ominaisuuksiin keskitytään ja niitä vertaillaan myöhemmin luvuissa 3 ja Käyttötarkoitukset Eristeen tehtävä on estää virran kulku osiin, joissa siitä on haittaa. Eristeitä tarvitaan lähes kaikissa sähkövoimatekniikan sovelluksissa, kuten sähköjohdoissa, kondensaattoreissa ja muuntajissa. Virran estämisen lisäksi eristeellä on myös muita tehtäviä, kiinteitä eristeitä käytetään muun muassa tukirakenteina ja nesteitä jäähdytysaineina. Käytännössä nestemäisen eristeen eristysrakenne koostuu nestemäisestä ja kiinteästä eristyksestä, jolloin saavutetaan monia etuja verrattuna pelkkään eristysnesteeseen. Laughtonin ja Sayn vuonna 1985 antaman määritelmän mukaan eristysnesteillä on neljä päätehtävää. Ne toimivat muuntajien ja muiden komponenttien täyte- ja jäähdytysaineina sekä eristysaineina ja valokaaren sammuttajina katkaisijoissa. Näiden lisäksi nesteitä käytetään imukykyisten aineiden impregnointiin ja kaapeleiden jäähdyttäjinä sekä eristeinä. Nestemäisiä eristeitä käytetään edelleen kaikissa näissä tehtävissä, mutta nykyaikana niitä käytetään kuitenkin eniten muuntajan eristysrakenteessa. (Laughton & Warne 2002) Muuntaja on yleinen neste-eristyksen käyttökohde, jossa neste toimii sekä eristeenä että jäähdytysväliaineena. Neste-eristeisiä muuntajia on kahta eri tyyppiä, hermeettisesti suljettuja ja paisuntasäiliöllisiä. Näiden pääero eristysnesteen kannalta on nesteen pääsy kosketuksiin ilman kanssa. Hermeettisesti suljetussa systeemissä neste on ilmatiiviissä tilassa, ja säiliön seinämät joustavat eristysnesteen laajentuessa lämpötilan vaikutuksesta. Ilmatiiviissä rakenteessa nesteeseen ei pääse epäpuhtauksia ilmasta ja sen hapettuminen on hidasta. Paisuntasäiliöllisessä muuntajassa rakenne ei ole ilmatiivis, vaan eristenesteen laajenemiselle on varattu erillinen paisuntasäiliö, jossa ilman määrä vaihtelee nesteen tilavuuden mukaan. Tällöin neste ja ilma ovat kosketuksissa toistensa kanssa, jolloin neste hapettuu helpommin kuin hermeettisessä systeemissä ja siihen pääsee epäpuhtauksia sekä kosteutta. Paisuntasäiliötä käytetäänkin enimmäkseen suurite-

20 2. ERISTYSNESTEET 12 hoisilla muuntajilla, joilla sen edut voittavat haitat. (Pylvänäinen 2002) Perinteisesti muuntajissa käytetty neste on ollut muuntajaöljy, jonka ominaisuuksiin keskitytään alaluvussa 3.1. Muuntajaöljyn lisäksi käytössä on ollut sitä paremmin paloarkoihin kohteisiin sopivia nesteitä. Viime vuosina markkinoille on tullut myös muuntajaöljyn korvaavia nesteitä. Katkaisijoissa eristysnestettä käytetään eristyksen lisäksi valokaaren katkaisussa. Tällöin nesteessä tapahtuu molekyylien hajoamista ja aineelta vaaditaan kemiallista yhdistymistä. Katkaisijakäytössä eristysnesteeltä vaaditaan myös lämpötilan vaihtelujen kestokykyä ja joissain tapauksissa korkean paineen sietokykyä. Valokaaren sammuttamiseksi turvallisesti tulee eristysnesteellä olla myös korkea leimahduspiste (Aro et al. 2003). Eristysrakenteen on siedettävä myös ukkosesta ja katkaisijoiden syöksyaalloista aiheutuvia transienttiylijännitteitä. Katkaisijoissa käytetty eristysneste on tavallisimmin ollut mineraaliöljy. (Laughton & Warne 2002, s.34/19-34/20) Eristysrakenteissa käytetään useasti kerrostettuja eristeitä, koska usean eristeen käyttö yhdessä parantaa rakenteen jännitelujuutta. Nesteen ja kiinteän eristeen muodostamissa eristysrakenteissa mahdolliset virheet tai epäpuhtaudet saadaan jakautumaan koko eristysrakenteeseen. Kiinteänä eristeenä toimii yleensä ohut kalvomainen materiaali, kuten paperi tai muovi, joiden impregnoinnilla vältetään yhden kerroksen pettämisestä johtuva läpilyönti. Ohuen materiaalin etuina ovat sen muokattavuus ja helppo käsittely. Nesteen tehtävänä eristysrakenteessa on täyttää koko eristystila ja mukautua olosuhteiden tuomiin muodonmuutoksiin, kuten lämpölaajenemiseen. Yleisimmin käytössä oleva nesteen ja kiinteän eristeen yhdistelmä on öljyllä kyllästetty paperi, jota käytetään monissa eri sähkövoimatekniikan komponenteissa. Tämän yhdistelmän ongelmana on kuitenkin sen helppo hapettuminen ja huono kosteuden sietokyky. (Aro et al. 2003) Nesteellä kyllästetty paperi on ollut käytössä aiemmin myös kondensaattoreiden eristeenä. Nestevaihtoehtoina olivat mineraaliöljy ja polykloorattu bifenyyli (PCB), jonka käyttö on nykyisin kielletty. Nykyään suurjännitekondensaattorien eristyksessä käytetään karhennettua muovia, kyllästettynä yleensä mono- tai dibentsyylitolueenilla. Muovia käytettäessä eristysrakenteelle saadaan parempi sähköinen lujuus kuin paperia käytettäessä, minkä lisäksi myös tehonkulutus ja lämpeneminen vähenevät. Muovit myös imevät vähemmän kosteutta itseensä kuin orgaaniset materiaalit. Haittapuolena on kuitenkin muovien orgaanisia aineita huonompi impregnoitavuus, minkä vuoksi muovin pinta joudutaan karhentamaan. Eristysnesteinä mono- ja dibentsyylitolueeni ovat luonnossa täysin hajoavia, mutta ne ovat palavia ja luokitellaan öljytuotteina ongelmajätteeksi. (Aro et al. 2003) Kaapeleissa eristyksenä on käytetty pitkään öljykyllästettyä paperia. Niiden ongelmina on ollut muun muassa nesteen liikkuminen maaperän muotojen mukaan. Uusissa kaapeleissa muovit ovatkin vaihtojännitteellä syrjäyttäneet öljyn lähes kokonaan. Käytössä on kuitenkin vielä paljon öljypaperieristeisiä kaapeleita. (Aro et al. 2003)

21 2. ERISTYSNESTEET Standardit ja niiden mukaiset mittausmenetelmät Eristysnesteiltä vaadittavia ominaisuuksia määritellään erilaisten standardiarvojen mukaan. Standardien määrittämät arvot auttavat nesteiden tuottajia ja käyttäjiä vertailemaan eri nesteiden käyttöominaisuuksia toisiinsa sekä varmistavat nesteiden käyttökelpoisuuden. Kansainvälisesti käytössä olevia sähkötekniikan alan standardeja valmistelevat ja julkaisevat muun muassa International Electrotechnical Commission (IEC) sekä American Society for Testing and Materials (ASTM). IEC on perustettu Lontoossa vuoden 1906 kesäkuussa, minkä jälkeen sen toiminta on keskeytynyt vain maailmansotien ajoiksi. IEC:n toiminta on laajentunut alun muutamasta tekniikan komiteasta lähes sataan komiteaan. Se on perustanut useita sähkötekniikassa käytettyjä yksiköitä, kuten taajuuden yksikön hertsin, ja ollut mukana SI-järjestelmän perustamisessa. IEC:n jäsenet toimivat kansainvälisessä yhteistyössä sähkötekniikan standardien kehitykseen liittyvissä asioissa. (IEC 2009) ASTM puolestaan on vapaaehtoistyöhön perustuva standardeja kehittävä yhteisö, joka on perustettu yli vuosisata sitten vuonna Kuten IEC myös ASTM kehittää standardeja tuotteiden valmistajien ja käyttäjien hyödyksi. (ASTM 2009) IEC:n standardeja käytetään erityisesti Euroopassa valmistetuille ja testatuille aineille sekä vastaavasti ASTM:n standardeja Yhdysvalloissa tuotetuille aineille. Eri eristysnesteille on olemassa omat standardinsa, jotka määrittävät niiltä vaaditut ominaisuudet. Mineraaliöljyn ollessa pisimpään markkinoilla ollut tuote perustuvat monet testimenetelmät sille tehtyihin kokeisiin. Silikoniöljyille on myös kehitetty niiden keskeisimpiä ominaisuuksia määrittävät IEC- ja ASTM-standardit. Synteettisille estereille on kuitenkin olemassa vain IEC:n luoma standardi ja kasviöljypohjaisille vain ASTM:n tekemä standardi. Samankin öljyn ominaisuudet voivat kuitenkin vaihdella siihen käytettyjen raaka-aineiden ja sen valmistustavan mukaan. Jotta eri valmistajien tuottamien öljyjen soveltuvuutta käyttöön voidaan arvioida, täytyy niiden ominaisuudet todeta erilaisilla testimenetelmillä. Koska ASTM- ja IEC-standardien mittausmenetelmät eroavat toisistaan, on niiden käyttämiä koejärjestelyjä käsitelty tarkemmin seuraavassa Jännitekestoisuus Eri nesteitä koskevissa standardeissa on kerrottu, millä menetelmillä standardin asettamat minimiarvot tulisi mitata. Mineraaliöljyn standardeissa määritetyt läpilyöntijännitteen arvojen mittausmenetelmät ovat ASTM D 877 ja D 1816 sekä IEC Käytännössä samoja menetelmiä käytetään myös muiden eristysnesteiden jännitekestoisuuden todentamiseksi. Menetelmillä D 877 ja voidaan mitata sekä uuden että käytetyn nesteen läpilyöntijännitettä, kun taas menetelmällä D 1816 mitataan käsitellyn tai käytetyn nesteen jännitelujuutta. Myös mittauksessa käytettyjen elektrodien etäisyydet toisistaan ovat yhtä suuret (2,5 mm) sekä menetelmissä D 877 että 60156, mutta ensimmäisessä käytetään lautaselektrodeja kun IEC:n testissä käytetään Verband Deutscher Electrotechniker (VDE) järjestön antamien määritysten mukaisia elektrodeja. (Griffin et

22 2. ERISTYSNESTEET 14 al. 2004) Lautaselektrodit muistuttavat litteitä kolikkoja, ja kokeen onnistumiseksi niiden kunto on tarkastettava hyvin sekä epäpuhtaudet poistettava. Kuten kuvassa 4 näkyy, VDE:n mukaiset elektrodit ovat sienen lakkia muistuttavia kappaleita. Niiden halkaisijat ovat 25 mm ja reunat on pyöristetty 4 mm:n sädettä vastaaviksi. Myös näiden elektrodien kohdalla tulee kiinnittää huomiota puhtauteen ja kuntoon, jotta mittaustulokset olisivat todenmukaisia. (SD Myers 2009) Kuva 4. IEC testissä käytettävät elektrodit (Suwarno & Darma 2008) Näissä kaikissa menetelmissä elektrodit upotetaan tutkittavaa nestettä sisältävään testikennoon, joka sitten asetetaan läpilyöntijännitettä mittaavaan laitteistoon. Elektrodeihin johtavaa vaihtojännitettä nostetaan, kunnes tapahtuu läpilyönti. Kuten taulukosta 1 voidaan nähdä, eri menetelmien koejärjestelyt vaihtelevat myös läpilyöntien määrän ja jännitteen nousun suhteen. Jännitettä nostetaan ASTM:n D 877 ja IEC:n testeissä melkein yhtä nopeasti, mutta ASTM:n kokeessa D 1816 käytettävä jännitteen nousu on huomattavasti edellisiä pienempi. IEC-standardin mukaisessa testissä voidaan haluttaessa käyttää erillistä nesteen sekoittajaa, joka sijoitetaan elektrodien alapuolelle kevyesti sekoittamaan nestettä. ASTM:n standardeista testissä D 877 sekoittaja ei ole käytössä, mutta testissä D 1816 se on käytössä. Kokeen suorituksen aikana tulee yhdysvaltalaisen standardin mukaan läpilyöntien välillä olla menetelmässä D 877 yksi minuutti ja menetelmässä D 1816 vähintään yksi minuutti. Eurooppalaisessa standardissa tämä aika on vähintään kaksi minuuttia, minkä lisäksi tulee huolehtia, että elektrodien väliin ei ole syntynyt kaasukuplia. (SD Myers 2009; Griffin et al. 2004)

23 2. ERISTYSNESTEET 15 Taulukko 1. Jännitekestoisuuden testimenetelmät (Griffin et al. 2004) Öljy ASTM D 877 IEC ASTM D 1816 uusi tai käytetty uusi tai käytetty käsitelty tai käytetty Elektrodiväli [mm] 2,5 2,5 1 tai 2 Elektrodit lautas VDE VDE Läpilyöntejä 5 tai tai 10 Jännitteen nousu [kv / s] 3 2 0,5 Jännitekestoisuuden mittaustavoissa on siis huomattavia eroja. ASTM:n D 877 ja IEC:n menetelmä voitaisiin katsoa melkein toisiaan vastaaviksi, mutta kokonaan eri elektrodien käytön vuoksi näillä mittaustavoilla saadut tulokset eivät ole suoraan vertailukelpoisia. Vaikka menetelmässä D 1816 on käytetty standardia vastaavia elektrodeja, ovat mittauksen muut järjestelyt IEC:n standardista poikkeavia. Läpilyöntijännitteen mittaamiseksi annetut standardisoidut menetelmät vastaavat siis huonosti toisiaan eivätkä niillä saadut arvot ole keskenään vertailukelpoisia. Jännitekestoisuuteen liittyy myös eristysnesteen kaasuuntuminen jännitteen vaikutuksesta. ASTM:n menetelmällä D 2300 määritetäänkin eristysnesteessä olevan kaasun pitoisuuden muutos mikrolitroina minuutissa. Saadusta arvosta voidaan päätellä, onko kyseinen neste kaasua kehittävä vai imevä. Testissä eristysnestettä rasitetaan jännitteellä ja ionisaatiolla. Nesteeseen johdetaan ionisaation syntymiseksi tarpeeksi suuri jännite. Tällöin molekyylien ionisesta pommituksesta syntyy vetyä, joka reagoi toisten molekyylien kanssa kuluttaen syntyneitä vetyatomeja. Mittaustuloksena saadaan siis näiden kahden reaktion lopputuloksena jäävän vedyn määrä. Saadun tuloksen ollessa negatiivinen neste luokitellaan kaasua imeväksi ja tuloksen ollessa positiivinen se luokitellaan kaasua kehittäväksi. Eristysnesteiden on todettu olevan yleisesti kaasua imeviä, minkä arvellaan vähentävän käyttöhäiriöitä. Mitään selviä tuloksia muuntajien vikojen vähenemisen ja tämän testimenetelmän tulosten välillä ei ole kuitenkaan ollut. (Rouse 1998; ASTM 2009) IEC ei tarjoa vastaavaa mittausmenetelmää (Griffin et al. 2004) Leimahduspiste Leimahduslämpötilan mittaamiseksi käytetään standardien mukaan melko erilaisia menetelmiä. IEC jakaa öljyt kolmeen eri luokkaan, joissa jokaisessa on erilaiset vaatimukset aineiden fysikaalisille ominaisuuksille. Öljyt on jaettu siten, että ensimmäiseen luokkaan kuuluvilla öljyillä on korkein vaatimus leimahduspisteelle ja kolmanteen kuuluvilla alhaisin minimiarvo. ASTM:n mineraaliöljylle tehdyssä standardissa leimahduslämpötilan mittaamiseksi käytetään menetelmää D 92 ja IEC:n vastaavassa standardissa menetelmää ISO Näiden tärkeimmät ominaisuudet on esitetty taulukossa 2.

24 2. ERISTYSNESTEET 16 Taulukko 2. Leimahduspisteen testimenetelmät (Griffin et al. 2004) ASTM D 92 ISO 2719 Kuppi avoin kuppi umpikuppi Lämpötilan nousu [ºC / min] 14-17, lopuksi Sekoittaja ei kyllä Standardeissa määritetyt testimenetelmät eroavat jo testauskupin kohdalla. Eurooppalaisen standardin mukaan leimahduslämpötilan mittaamiseksi käytetään Pensky-Martins umpikuppia, kun amerikkalaisessa menetelmässä käytetään avointa Cleveland kuppia. Jälkimmäisessä lämpötilan nousu on jaettu kahteen eri osaan. Ensin lämpötilaa nostetaan C minuutissa, kunnes ollaan 56 C:een päässä odotetusta leimahduspisteestä. Tämän jälkeen lämpötilan nousu minuutissa on 5-6 C, jota IEC:n testissä käytetään koko mittauksen ajan. Standardeissa on annettu rajat myös mittauksen toistettavuudelle ja uusittavuudelle. Mittauksen toistettavuudelle määritetty vaihteluarvo on menetelmässä D 92 8 C ja menetelmässä C. Täysin erilaisessakin tilanteessa ja toisella mittauslaitteistolla tehty mittaus on onnistunut eli alkuperäinen mittaus on uusittavissa, mikäli tulos pysyy testin D 92 mukaan 17 C:een vaihtelurajoissa ja testin 2719 mukaan 8,5 C vaihtelurajoissa. (Griffin et al. 2004) Testitavat eroavat myös siten, että menetelmää D 92 voidaan käyttää leimahduspisteen määrittämisen lisäksi myös nesteen syttymispisteen mittaamiseksi. Koska mittausmenetelmissä on huomattavia eroja, tulee nesteiden ominaisuuksia verratessa ottaa selville, millä mittausmenetelmällä tulokset on saatu. Yllä esiteltyjen mittaustapojen lisäksi käytetään ASTM:ltä myös menetelmää D 93. Se vastaakin paremmin eurooppalaisen standardin mittausjärjestelyjä, sillä siinä käytetään myös Pensky-Martinsin umpikuppia. (ASTM 2009) Testin D 93 vastaavuutta menetelmän ISO 2719 kanssa tukee myös Shellin muuntajaöljy Diala B:n tuotetiedoissa ilmoitettu leimahduspisteen yhtä suuri lämpötila molemmilla menetelmillä mitattuna. (Shell 2010) Hapettuminen Eristysnesteen hapettumista tutkitaan kiihdytettyjen hapettumistestien avulla. Näissä testeissä käytetään yleensä kuparikatalyyttejä, korkeaa lämpötilaa ja happivarastoa. Testejä on olemassa monia erilaisia, mutta useimmissa mitataan ainakin lietteen ja happopitoisuuden muodostumista hapettumisprosessin jatkuvuuden todentamiseksi. Joissain menetelmissä hapettumista arvioidaan mittaamalla sivutuotteiden syntymistä öljyssä tiettynä aikana. (Griffin et al. 2004) Hapettumisen vähentämiseksi voidaan eristysnesteitä parantaa lisäaineilla. Jotta osattaisiin valita oikea koemenetelmä ja arvioida tuloksia, tulee tietää sisältääkö neste lisäaineita. Parannetuille nesteille on olemassa omat standardien mukaiset testimenetelmät. Taulukossa 3 esitetyt mittausmenetelmät on tarkoitettu lisäaineettomille nesteille. Ne vastaavat toisiaan melko hyvin, suurin ero on testeissä käytetyt kuparin ja öljyn

25 2. ERISTYSNESTEET 17 suhteet. Myös katalyyttinä käytetyn kuparin koko on IEC:n menetelmässä ASTM:a suurempi. Yhteensä IEC:llä on nesteen hapettumisen osoittamiseksi olemassa kolme erilaista mittausmenetelmää, joita kaikkia voidaan käyttää parannetuillekin öljyille. Taulukko 3. Hapettumisen testimenetelmät (Griffin et al. 2004) IEC A ASTM D 2440 Lämpötila Öljy [g] Happi puhdasta puhdasta Kupari/öljy [mm 2 /g] 45,9 38,1 Katalyytti [mm] Mitattavat ominaisuudet punottu kupari 1,0-1,02 x 365 happopitoisuus ja liete punottu kupari 1,01 x 300 happopitoisuus ja liete Kesto [h] ja 164 Lisäaineiden havaitsemiseen ja pitoisuuden mittaamiseen on olemassa omat standardisoidut testit ASTM D 2668 ja IEC Näissä testeissä käytetään yleensä infrapunaspektroskopiaa, jolloin koejärjestelyt poikkeavat vain hieman toisistaan. IEC:n menetelmässä voidaan käyttää myös ohutkerroskromatografiaa ja spektrofotografiaa yleisimpien lisäaineiden löytämiseen. Mineraaliöljyssä yleisimmin käytetyt lisäaineet ovat DBP eli 2,6-kaksitertiaarinen butyylifenoli ja DBPC eli 2,6-kaksitertiaarinen butyyli para-kresoli. (Griffin et al. 2004) Muut mittausmenetelmät Permittiviteetille ja häviökertoimelle on myös määritetty tietyt arvot eristysnesteitä koskevissa standardeissa. Näin ollen niiden mittaamiseksi on kehitetty standardisoidut menetelmät. Sekä ASTM- että IEC-standardeissa häviökertoimen ja permittiviteetin testit on sisällytetty samoihin standardimenetelmiin, jotka ovat D 924 sekä (Information Handling Services 2009). Mittausmenetelmät eroavat toisistaan lämmitysvaatimusten, kennojen puhdistustapojen ja jänniterasituksen osalta. Esimerkiksi sallituksi jänniterasitukseksi annetut raja-arvot poikkeavat vain vähän toisistaan, sillä menetelmässä D 924 jänniterasitus saa olla välillä 0,2 1,2 kv/mm ja testissä välillä 0,03 1 kv/mm. Näistä eroista huolimatta voidaan menetelmiä pitää toisiaan vastaavina ja myös lopputuloksia vertailukelpoisina. (Griffin et al. 2004) Eristysnesteen vesipitoisuutta voidaan tutkia ASTM:n testillä D 1533 B ja IEC:n vastaavalla testillä Menetelmät ovat keskenään lähes samanlaisia eroten vain hieman. Pienet eroavuudet löytyvät käytetyn näytteen koosta, näytteen säilyttämisestä ja sen ottotavasta. Myös lopputuloksen muodostamisessa menetelmät eroavat siten, että testissä D 1533 B tulos muodostetaan yhden mittauksen perusteella kun testissä 60814

26 2. ERISTYSNESTEET 18 se muodostuu usean otoksen keskiarvona. Kaiken kaikkiaan nämä testit on luokiteltu toisiaan hyvin vastaaviksi. (Griffin et al. 2004) Viskositeetin mittaamiseksi standardisoidut menetelmät ovat ASTM D 445 ja ISO Ne vastaavat toisiaan melko hyvin, ja niillä saadut tulokset ovat vertailukelpoisia. Ainakin muuntajaöljylle asetetuissa minimivaatimuksissa IEC käyttää jälleen viskositeetin kohdalla öljyjen jakoa kolmeen eri luokkaan. Muuntajaöljyn viskositeettivaatimuksissa on standardien välillä sama mittauslämpötila vain 40 C, muuten mittaukset on suoritettu eri lämpötiloissa. (Griffin et al. 2004)

27 19 3. PERINTEISET ERISTYSNESTEET Mineraaliöljyn käytön muuntajan eristys- ja jäähdytysnesteenä havaittiin jo vuonna 1882 pienentävän muuntajan rakennetta ja lisäävän sen tehokkuutta. Ensimmäinen öljyeristeinen muuntaja tehtiin kuitenkin vasta 1892, vaikka ilmaeristeinen jakelumuuntaja rakennettiin Yhdysvalloissa jo vuonna Juuri ennen vuosisadan vaihdetta alkoi öljyn valmistus muuntajakäyttöön. Mineraaliöljyn käytön lisääntyessä tuli tarve myös sitä paloturvallisemmalle nesteelle, joka käytännössä tarkoitti halogenoituja hiilivetyjä luvulla yleiseen käyttöön muuntajanesteenä tulivat polyklooratut bifenyylit (PCB), jonka tunnetuimpia kaupallisia valmisteita oli Askarel. Vuonna 1976 PCB:en myrkyllisyys nousi yleiseen tietoon, mikä johti lopulta nesteen jalostuksen ja myynnin kieltämiseen. Uusien paloturvallisten nesteiden kehittely johti silikoniöljyn runsaaseen käyttöön 1980-luvulla, ja Yhdysvalloissa myös suurmolekyylisten hiilivetyjen eli HMWH:n käytön yleistymiseen. (McShane 2000) Seuraavissa alaluvuissa keskitytään näiden perinteisesti käytettyjen nesteiden ominaisuuksiin Mineraaliöljy Mineraaliöljy on käytetyin nestemäinen eriste. Yleisimmin käytössä oleva mineraaliöljy on muuntajaöljy, jonka hyvät ominaisuudet mahdollistavat sen monipuolisen käytön. Muuntajaöljy on ohutta, hyvin juoksevaa nestettä, jota käytetään erilaisissa muuntajissa joka puolella maailmaa. (Aro et al. 2003) Koska viime aikoina kehitetyillä nesteillä pyritään löytämään vaihtoehtoja nimenomaan mineraaliöljyn käytölle, on sen ominaisuuksia käsitelty seuraavassa melko laajasti ottaen mukaan sekä molemmat standardit että niiden mukaan määritellyt esimerkkituotteet. Mineraaliöljyt muodostuvat monimutkaisista hiilivetyrakenteista, joiden koostumus riippuu öljyn lähteestä. Öljyjä on kolme pääryhmää: parafiinit, nafteenit ja aromaattiset hiilivedyt. Parafiineista yksinkertaisin rakenne on metaanikaasulla, CH 4, monimutkaisemmista rakenteista koostuvat butaani, C 4 H 10, ja isobutaani, myös C 4 H 10. Näiden hiilivetysidokset koostuvat yksöis- ja kaksoissiteillä yhdistyneistä hiilestä ja vedystä, mutta ketjut voivat muodostua hyvinkin pitkiksi ja monimutkaisiksi. Nafteenien rakenne koostuu kehässä olevista hiilistä ja niihin yhdistyneistä vedyistä. Yleisin öljyissä tavattava rakenne on kuuden hiilen muodostama rinki, mutta myös viiden tai seitsemän hiilijäsenen yhdiste on mahdollinen. Kun nafteeneissa atomien väliset sidokset ovat yksöissidoksia, on aromaattisilla hiilivedyillä osa kiinnittynyt kaksoissidoksilla. Tämä onkin huomattavin ero näiden ryhmien välillä, koska aromaattisten hiilivetyjen rakenne on muuten nafteenien kaltainen. Kaksoissiteet tekevät tästä aineesta muutosherkän, minkä vuoksi sitä sisältyy tavallisesti vähemmän eristysnesteenä käytettävään mineraaliöljyyn

28 3. PERINTEISET ERISTYSNESTEET 20 kuin parafiineja tai nafteeneja. Kaupallisten öljyjen koostumukset vaihtelevat kuitenkin tuottajan ja käyttötarkoituksen mukaan. (Heathcote 1998) Käytännössä muuntajaöljy valmistetaan tislaamalla maaöljyä ja poistamalla siinä olevat epäpuhtaudet, jonka jälkeen tislin hiilivetyjä jalostetaan toivottujen ominaisuuksien saavuttamiseksi. Tislaus tapahtuu ilmakehän paineessa, jolloin matalan kiehumispisteen aineet saadaan poistettua. Tislistä saatuja hiilivetyjä voidaan jalostaa monella eri tavalla, esimerkiksi suodattamalla, hydrogenaatiolla tai rikkihappouuttamisella. Öljyn jalostuksessa tavoitteena on vähentää tai kokonaan poistaa siinä olevaa rikkiä, typpeä, vahoja, aromaattisia hiilivetyjä ja happea sisältäviä yhdisteitä. Kaupallisia tuotteita voidaan vielä parantaa lisäaineilla, joiden pääasiallinen tarkoitus on öljyn hapettumisen vähentäminen. Lisäaineita voidaan käyttää myös alkuperäistä alhaisemman jähmettymispisteen saavuttamiseksi. (Heathcote 1998; Aro et al. 2003) Muuntajaöljyltä vaadittavat ominaisuudet on määritelty standardeissa IEC ja ASTM D Muuntajaöljyn standardit määrittelevät vähimmäisvaatimukset, jotka öljyn tulee saavuttaa soveltuakseen käytettäväksi muuntajassa. Taulukkoon 4 on kerätty muuntajaöljyn tärkeimpien fysikaalisten ja sähköisten ominaisuuksien standardiarvot sekä esimerkkituotteiden tyypilliset arvot. Nytro Taurus ja Nytro Orion ovat Nynas Ab:n nafteenipohjaisia muuntajaöljyjä, joista ensimmäisen ominaisuudet on määritetty mineraaliöljyn IEC-standardin ja jälkimmäisen ominaisuudet mineraaliöljyn ASTMstandardin mukaisiksi (Nynas 2008; Nynas 2009). Koska D 3487 standardissa on joillekin ominaisuuksille useita mittaustapoja, on taulukkoon tarpeen mukaan merkitty myös mittausmenetelmä. Esimerkkituotteiden arvot on mitattu samoilla menetelmillä kuin vähimmäisvaatimuksen antavat standardiarvot. Taulukko 4. Muuntajaöljyn ominaisuuksia (Griffin et al. 2004; Naskali 2005; Nynas 2008; Nynas 2009) Nytro ASTM D Nytro IEC Taurus 3487 Orion Fysikaalisia ominaisuuksia Leimahduspiste [ ºC ] (D92) 150 Viskositeetti [ mm 2 /s ], +40 ºC < 12 9,9 < 12 8,5 Jähmettymispiste [ ºC ] Vesipitoisuus [ mg/kg ] - < < 20 Sähköisiä ominaisuuksia Läpilyöntijännite [ kv ] Häviökerroin tan δ (90 ºC; 100 ºC) 30 (D 877) (D1816) - 0,005 < 0,001 0,003 < 0,001 Kaasuuntuneisuus [ µl/min ]

29 3. PERINTEISET ERISTYSNESTEET 21 Taulukosta 4 nähdään, että muuntajaöljyjen leimahduspisteet ovat standardiarvoja parempia, lähellä 150 ºC:tta. Muuntajaöljyn ollessa tulenarkaa tulee sen käyttölämpötilan olla kuitenkin huomattavasti leimahduspistettä alhaisempi, maksimissaan 105 ºC. Pohjoisiin maihinkin sopivan muuntajaöljyn viskositeetin tulee olla alhainen laajalla lämpötila-asteikolla standardin mukaan viskositeetin on oltava alle 1800 mm 2 /s -30 ºC:ssa ja alle 12 mm 2 /s +40 ºC:ssa. (Naskali 2005) Standardi D 3487 ei aseta vaatimuksia viskositeetin suuruuksille alle 0 ºC:een. Juoksevaa öljyn tulee kuitenkin molempien määritysten mukaan olla aina lämpötilaan -40 ºC saakka. Vesipitoisuudelle ei standardissa ole annettu tiettyä vaatimusarvoa, mutta sille voidaan käyttää ASTM:n standardin kanssa samansuuruista arvoa. (Griffin et al. 2004) Taulukkoon 4 kirjattu D menetelmällä mitattu läpilyöntijännite on saatu käyttämällä yhden millimetrin elektrodiväliä. Kuten aiemmin on todettu, läpilyöntijännitteiden testimenetelmät poikkeavat toisistaan niin paljon, että tuloksia ei voida pitää keskenään vertailukelpoisina. Kuitenkin sekä IEC:n testissä että ASTM:n D 877 testissä saaduille tuloksille on annettu samat minimivaatimukset. Näissä mittauksissa elektrodivälinä käytetäänkin samaa 2,5 mm:n väliä. Taulukon arvot on mitattu käsittelemättömille nesteille. Laboratoriokäsittelyn jälkeen läpilyöntijännitteen tulee eurooppalaisen standardin mukaan olla yli 70 kv ja yhdysvaltalaisen standardin mukaan testillä D mm:n välillä mitattuna yli 56 kv (Naskali 2005). ASTM D standardin mukaisesti testatulle muuntajaöljylle määritetään myös herkkyys kaasun muodostumiseen, jonka on sen mukaan oltava alle +30 µl/min (Griffin et al. 2004). Häviökerroin tan δ saa puolestaan IEC:n mukaan olla 90 ºC:een lämpötilassa maksimissaan 0,005 ja ASTM-standardin mukaan 100 ºC:ssa 0,003 (Nynas 2008; Nynas 2009). Mineraaliöljyn permittiviteetille ei ole ilmoitettu arvoa esimerkkituotteiden tiedoissa, mutta tyypillisesti se on luokkaa 2,2 (Aro et al. 2003). Muuntajaöljyä käytetään kaikenkokoisissa muuntajissa 25 kva:sta aina 400 kva:iin saakka. Suurimmat muuntajat voivat sisältää jopa yli gallonaa (noin litraa) öljyä. (Rouse 1998) Muuntajaöljyissä käytetään lähinnä nafteenia, vaikka se hapettuu helpommin kuin parafiini. Herkän saostumien muodostumisen ja kalliin hinnan vuoksi parafiinia käytetään pääasiassa katkaisijoissa. Useasti, varsinkin suurjännitemuuntajissa, muuntajaöljyä käytetään yhdessä paperin kanssa, jolloin saavutetaan parempi sähköinen lujuus kuin pelkkää öljyä tai paperia käytettäessä. Käytön aikana muuntajaöljyyn kertyy kosteutta ja epäpuhtauksia, jotka heikentävät sen hyviä ominaisuuksia. Vanhetessaan orgaaninen öljy hapettuu, jolloin siinä voi syntyä muun muassa happamia yhdisteitä tai saostumia. Molemmissa tapauksissa öljyn käyttöominaisuudet huononevat ja läpilyöntilujuus pienenee. Hapettuminen on sitä voimakkaampaa, mitä korkeammassa lämpötilassa mineraaliöljyä käytetään. Öljyn vanhenemiseen vaikuttaa myös sen molekyylien välisten sidosten rakenne, minkä vuoksi vanhenemisprosessit ovat eri öljyille erilaiset. (Aro et al. 2003; Boris et al. 2008) Tavallisen muuntajaöljyn huonoja ominaisuuksia on sen alhainen leimahduspiste. Tämän vuoksi mineraaliöljyistä on synteettisesti kehitelty myös normaalia heikommin palavia eristysnesteitä, kuten suurmolekyylisiä hiilivetyjä (high molecular weight hyd-

30 3. PERINTEISET ERISTYSNESTEET 22 rocarbons) eli HMWH nesteet. Näitä käytetään korkean käyttölämpötilan muuntajissa, joissa muuntajaöljyä ei voida käyttää. Tällaisia käyttöpaikkoja ovat esimerkiksi liikuteltavat muuntoasemat. Vuoteen 2000 mennessä näihin nesteisiin liittyviä palo- tai räjähdystapauksia ei ole havaittu ja niillä eristettyjä muuntajia oli otettu käyttöön Yhdysvalloissa yli kappaletta. HMWH:t ovat osoittaneet hyviä käyttöominaisuuksia. Vaikka ne ovatkin mineraaliöljypohjaisia, eivät mineraaliöljyille tehdyt standardit päde niille. ASTM onkin tehnyt oman standardinsa korkean leimahduspisteen mineraaliöljyille (Griffin et al. 2004). Yleistymistä vähentäviä seikkoja ovat kuitenkin niiden muuntajaöljyä suurempi viskositeetti, minkä vuoksi lämmönkierto on tavallista mineraaliöljyä heikompaa ja muuntajarakenteen tulee olla erilainen. Myös hinta on tavalliseen mineraaliöljyyn verrattuna huomattavasti korkeampi. Ympäristölle HMWH:t aiheuttavat samankaltaisia ongelmia kuin muutkin mineraaliöljyvalmisteet. Mineraaliöljyn ympäristö- ja terveyshaittoja käsitellään tarkemmin luvussa 5. (McShane 2000) 3.2. PCB PCB-pohjaisten eristysnesteiden käyttö mineraaliöljyä paloturvallisempana nesteenä alkoi Yhdysvalloissa jo vuonna Sillä onkin hyvät ominaisuudet eristys- ja jäähdytysnesteeksi. Ympäristö- ja terveyshaittojen vuoksi sen käyttö ja valmistus jouduttiin kuitenkin myöhemmin lopettamaan. (Valtion ympäristöhallinnon 2009a) PCB-yhdisteet koostuvat useista kongeneereista eli samankaltaisista molekyyleistä. Erilaisia PCB-kongeneereja on olemassa yhteensä 209 kappaletta, mutta niistä on kaupallisissa valmisteissa käytetty vain 103:a. Puhtaat yhdisteet ovat öljyisiä nesteitä, usein ne sisältävät kuitenkin epäpuhtauksia kuten polykloorattuja dibentsodioksiineja, naftaleeneja ja dibentsofuraaneja. Väriltään PCB:t voivat vaihdella värittömästä vaaleankeltaiseen. (WWF 2005; Valtion ympäristöhallinnon 2009a) PCB-nesteet olivat erittäin suosittuja eristysnesteitä neljän vuosikymmenen ajan. Erityisen kiinnostavaksi PCB:den käytön eristysnesteenä teki niiden palamattomuus, mutta myös niiden muut ominaisuudet olivat hyviä. Tunnetuimmat käytössä olleet PCB -pohjaiset yhdisteet olivat kauppanimiltään Askarel ja Clophen. Taulukkoon 5 on koottu muutamia polykloorattujen bifenyylien tyypillisimpiä ominaisarvoja. PCB:den läpilyöntijännite 2,5 mm:n elektrodivälillä mitattuna on samalla tasolla vastaavassa mittauksessa saadun mineraaliöljyn jännitekestoisuuden kanssa. Suhteellinen permittiviteetti puolestaan on melko korkea, minkä katsotaan olleen eduksi kondensaattorin eristysrakenteessa. Polykloorattujen bifenyylien kerrotaan myös olleen kemiallisesti stabiileja ja niiden höyrynpaineen olleen matala. Vaikka PCB-pohjaisia nesteitä markkinoitiin palamattomana, ne eivät todellisuudessa kuitenkaan olleet täysin palamattomia. Ne saattoivat kyllä syttyä, mutta tuottivat palaessaan kloorivetyhappoa, joka tukehduttaa palamisprosessia. (Broadhurst 1972; Foster 1990)

31 3. PERINTEISET ERISTYSNESTEET 23 Taulukko 5. Polykloorattujen bifenyylien ominaisuuksia (Broadhurst 1972; Goodman 1972) Fysikaalisia ominaisuuksia Polyklooratut bifenyylit Jähmettymispiste [ ºC ] -35 Sähköisiä ominaisuuksia Läpilyöntijännite [ kv ] > 35 Suhteellinen permittiviteetti ~ 5 PCB-valmisteiden käyttöön liittyi terveys- ja ympäristöhaittojen lisäksi muitakin haasteita. Niillä oli huono syöksyjännitteiden sietokyky ja taipumus vahingoittaa muuntajan sisällä olevia kiinteitä eristeitä. Palamistuotteiden sisältämien korroosiota aiheuttavien yhdisteiden vuoksi muun muassa kondensaattoreissa tuli käyttää erityisiä korroosiota kestäviä materiaaleja. Polyklooratut nesteet olivat myös mineraaliöljyä selvästi kalliimpia, PCB-gallonan hinta oli jopa seitsenkertainen mineraaliöljyyn verrattuna. (Broadhurst 1972) Sähkövoimatekniikassa polykloorattuja bifenyylejä on käytetty lähinnä muuntajien ja kondensaattoreiden eristys- sekä jäähdytysnesteinä. Niiden käyttö oli erittäin yleistä myös Suomessa ja vuoteen 1969 mennessä PCB-yhdisteitä oli käytössä noin 240 tonnia. Vaikka näiden yhdisteiden ympäristö- ja terveyshaitat tulivat esille jo 1970-luvulla, oli yhä vuonna 1983 muuntajakäytössä 250 tonnia ja kondensaattoreissa 1800 tonnia PCBpohjaisia yhdisteitä. (Valtion ympäristöhallinnon 2009a) Vuonna 1990 voimaan tulleessa valtioneuvoston päätöksessä lopulta kiellettiin polykloorattuja nesteitä sisältävien tuotteiden maahantuonti, valmistus ja myynti sekä luovutus. Tämän lisäksi määrättiin polykloorattuja bifenyylejä sisältävät muuntajat ja yli 1 kvar:n kondensaattorit poistamaan käytöstä viiden vuoden sisällä. (VNp 1071/1989) Kaikki polukloorattuja bifenyylejä sisältävät laitteistot tai esineet tulivat lopullisesti poistettavaksi vuonna 1998 annetun valtioneuvoston päätöksen mukaan. (VNp 711/1998) Luvussa 5 vertaillaan tällä hetkellä käytössä olevien eristysnesteiden vaarallisuutta ympäristölle ja ihmisten terveydelle. Koska PCB-valmisteet eivät ole enää nykyään vaihtoehtona eristysnesteeksi, niiden ympäristövaikutuksia käsitellään tässä lyhyesti. PCB-yhdisteiden ympäristövaikutukset riippuvat niiden osa-aineiden suhteista. Maahan joutuessaan ne yleensä sitoutuvat hiukkasiin, mutta erityisesti matalan klooripitoisuuden yhdisteet voivat haihtua ilmaan. Veteen polyklooratut nesteet eivät liukene herkästi ja klooripitoisuuden kasvaessa vesiliukoisuus pienenee edelleen. Yhdisteen klooripitoisuus vaikuttaa myös nesteen pysyvyyteen luonnossa. Paljon klooria sisältävät bifenyylit ovat luonnossa pysyviä, kun esimerkiksi monobifenyylit hajoavat melko nopeasti. Niiden puoliintumisajaksi ilmakehässä onkin saatu kymmenen päivää, kun taas heptaklooribifenyylin puoliintumisaika on puolitoista vuotta. Polykloorattujen bifenyylien on todettu kertyneen eri eläinlajeihin vaarallisina pitoisuuksina ja ne ovatkin ravintoketjussa kerty-

32 3. PERINTEISET ERISTYSNESTEET 24 viä. Näiden lisäksi ne ovat myrkyllisiä vesieliöille ja kaloille sekä ihmisille. PCB-pohjaisten nesteiden on havaittu kertyvän ihmisillä elimistöön aiheuttaen mahdollisesti syöpäsoluja. (Valtion ympäristöhallinnon 2009a) 3.3. Silikoniöljy Silikoniöljy on palamaton, synteettinen neste, jota käytetään lähinnä muuntajien eristeenä. Sen ominaisuudet ovat heikommat kuin muuntajaöljyllä, minkä vuoksi se ei ole yhtä laajasti käytetty. Sillä on kuitenkin hyviäkin ominaisuuksia, jotka sopivat erinomaisesti tiettyihin käyttökohteisiin. Silikoniöljy-nimitystä käytetään laajasta joukosta synteettisiä polymeerejä, jotka sisältävät silikonia. Ne muodostuvat lähinnä piistä, hapesta ja orgaanisista yhdisteistä. Molekyylitasolla katsottuna hiilivetyryhmät ovat kiinnittyneet piiatomeihin, jotka muodostavat hapen kanssa lineaarisia ketjuja. Koska silikoniöljy on synteettinen neste, sen kemiallista rakennetta voidaan kuitenkin muuttaa ja samalla saada aikaan erilaisia ominaisuuksia. Yksi käytetyimmistä silikoniöljyistä on polydimetyylisiloksaani (PDMS), jonka ominaisuuksia käsittelevät myös ASTM:n standardi D 4652 ja IEC:n standardi silikoniöljyille (ASTM 2009). (Miller 1981; IEC ) IEC-standardin mukaisesti silikoniöljyn tulee olla väriltään kirkasta, eikä siinä saisi olla lietettä tai saostumia (IEC ). Taulukossa 6 on esitetty silikoniöljyn tyypillisille ominaisuuksille määritetyt standardin vähimmäisarvot ja esimerkkituotteena käytetyn Dow Corning -yhtiön valmistaman Xiameter -silikoniöljyn tyypillisiä ominaisuuksia. Taulukossa näkyvät Xiameterille ilmoitetut IEC- ja ASTM-standardeissa määritettyjen testien mukaiset arvot. Viskositeetille ja permittiviteetille on Xiameterin tuoteselosteessa annettu ASTM:n testien mukaan mitatut arvot. Koska IEC:n ja ASTM:n menetelmät on aiemmin näiden kohdalta todettu samanlaisiksi, voidaan annettuja viskositeetin ja permittiviteetin arvoja verrata standardissa annettuihin minimiarvoihin. Viskositeetin arvo (50 mm 2 /s) ei kuitenkaan ole aivan IEC-standardin mukaisissa rajoissa. Myös suhteelliselle permittiviteetille mitattu arvo (2,7) on hieman suurempi kuin standardissa vaaditaan. Vaikka valmistaja ei olekaan ilmoittanut Xiameterille kaikkia arvoja, kerrotaan tuotteen täyttävän kaikilta osin IEC standardissa annetut vaatimukset. Tämän perusteella voidaan Xiameterin viskositeetti- ja permittiviteettiarvojen myös olettaa täyttävän IECstandardissa asetetut vaatimukset, mutta tuskin olevan paljon niitä parempia. (IEC ; Xiameter 2009)

33 3. PERINTEISET ERISTYSNESTEET 25 Taulukko 6. Silikoniöljyn ominaisuuksia ( IEC ; Dow Corning 2009a) Xiameter Xiameter IEC (IEC) (ASTM) Fysikaalisia ominaisuuksia Leimahduspiste [ ºC ] > 300 (D92) Viskositeetti [mm 2 /s], +40 ºC 40 ± 4-50 Jähmettymispiste [ ºC ] Vesipitoisuus [mg/kg] < Sähköisiä ominaisuuksia Läpilyöntijännite [ kv ] Suhteellinen permittiviteetti 2,55 ± 0,05-2,7 Häviökerroin tan δ, 90 ºC 0,001 0, Taulukon 6 mukaan silikoniöljyn leimahduspiste on hyvin korkea. Laaja lämpöstabiilisuus onkin yksi silikoniöljyn erinomaisista ominaisuuksista, sillä se pysyy rakenteeltaan stabiilina vielä 150 ºC:een lämpötilassa. Silikoniöljyn syttymispiste on myös erittäin korkea, sen palamiseen tarvitaan yli 350 ºC lämpötila. Vaikka silikoniöljy palaisikin, se ei palaessaan luovuta yhtä paljon lämpöä kuin mineraaliöljyt. Nesteen palaessa sen pinnalle muodostuva piidioksidikerros myös vaikeuttaa palon jatkumista. Silikoniöljyn altistuessa tulelle se ei syty palamaan, mikäli tulen lämpötila on alle sen leimahduspisteen lämpötilan. (Heathcote 1998) Silikoniöljyn hyviin ominaisuuksiin kuuluvat silikonin heikko hapettuminen korkeissakin lämpötiloissa ja hyvä liukenevuus. Huonoina ominaisuuksina silikoniöljyllä ovat sen heikot lämmönsiirto-ominaisuudet ja huono osittaispurkausten sietokyky. Silikoneilla on myös taipumus imeä itseensä vettä, mistä kertoo myös taulukkoon 6 kirjattu selvästi mineraaliöljyn arvoa suurempi vesipitoisuuden maksimiarvo. Käyttöominaisuuksien säilyttämiseksi tuleekin silikoniöljy suojella hyvin kosteudelta. (Aro et al. 2003; IEC ) Vanhetessaan silikoniöljy pysyy myös hyvin stabiilina osoittaen vain pientä häviökertoimen kasvua ja hapettumista (Perrier et al. 2005). Silikoni on käyttökohteiltaan monipuolinen. Sitä on käytetty jo pitkään muun muassa voiteluaineena, vaahtoamisenestoaineena ja vaimennusnesteenä (Miller 1981). Eristys- ja jäähdytystarkoituksissa silikoniöljyä käytetään muuntajissa. Muuntajaöljystä eroavien ominaisuuksien vuoksi silikoniöljy ei kuitenkaan sovellu suoraan sen korvaajaksi täytön yhteydessä. Silikonin käyttökohteiksi ovatkin yleistyneet lähinnä erityistä paloturvallisuutta tai korkeaa käyttölämpötilaa tarvitsevat muuntajat. Silikoniöljyllä on kuitenkin melko huono lämmönjohtokyky, minkä vaikutus muuntajan jäähdytykseen on otettava huomioon jo muuntajan eristysrakennetta suunniteltaessa. Katkaisijakäyttöön silikoniöljy on soveltumaton, koska siinä syntyy herkästi valokaaren vaikutuksesta palavia kaasuja. (Aro et al. 2003; IEC )

34 3. PERINTEISET ERISTYSNESTEET 26 Silikoniöljyn viskositeetti on suurempi kuin mineraaliöljyn, minkä vuoksi myös sen lämmönsiirtokyky on heikompi. Silikoniöljystä onkin pyritty kehittämään myös alhaisen viskositeetin nestettä, jonka kinemaattisen viskositeetin kerrotaan olevan 25 ºC:een lämpötilassa 20 mm/s 2. Tämä on selvästi parempi kuin tavallisen silikoniöljyn viskositeetti. Tällä alhaisen viskositeetin silikoniöljyllä on myös todettu olevan erittäin hyvät palo-ominaisuudet. (Miyahara et al. 2009) Ongelmana tavallisillakin silikoniöljyillä on niiden osittain huonojen käyttöominaisuuksien lisäksi niiden korkea hinta verrattuna mineraaliöljyihin. Mikäli silikonille siis saataisiinkin paremmat käyttöominaisuudet, ei uusien ominaisuuksien kehittäminen ainakaan pienennä nesteen hintaa. Ongelmia voi syntyä myös silikoniöljyjen aiheuttamista ympäristö- ja terveyshaitoista, joihin syvennytään tarkemmin luvussa 5.

35 27 4. YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISTEN ERISTYSNESTEIDEN TEKNISET OMINAISUUDET Kasviöljypohjaisten estereiden ensimmäiset kokeilut eristysnesteenä alkoivat vuonna Estereiden kiinnostavuutta vähensi kuitenkin niiden mineraaliöljyyn verrattuna korkea jähmettymispiste ja herkkä hapettuminen. Estereitä ryhdyttiinkin kehittämän uudelleen PCB:en korvaajiksi niiden kieltämisen jälkeen. Synteettiset esterit tulivatkin osittain korvaamaan polykloorattuja nesteitä, ja ensimmäiset esterieristeiset muuntajat otettiin käyttöön Yhdysvalloissa vuonna (McShane 2000) Synteettisten ja luonnollisten estereiden ominaisuudet ovat monilta osin hyvin samankaltaiset. Ne eroavat kuitenkin lähtökohtaisesti siten, että synteettinen esteri on täysin laboratoriossa keinotekoisesti valmistettua nestettä, kun taas luonnollinen esteri (natural ester) on kasviöljystä esteröityä nestettä. Lähtöaineiden eroavuudesta johtuvat myös niiden erilaiset hinnat. Kalliimmat materiaalit ja enemmän työtunteja vaativa synteettinen esteri on kalliimpaa kuin luonnonesteri. Seuraavissa alaluvuissa on käsitelty synteettisten ja luonnollisten estereiden ominaisuuksia. Niitä on vertailtu lähinnä mineraaliöljyn vastaaviin ominaisuuksiin kaupallisten valmisteiden tuotetietojen ja standardien asettamia minimiarvojen avulla. Esitetyt arvot ovat taulukoittain samalla standardimenetelmällä tai alaluvussa 2.4. keskenään vertailukelpoisiksi todetuilla menetelmillä mitattuja, jotta niiden vertaileminen on mielekästä Synteettinen esteri Synteettisille estereille on määritetty minimivaatimukset IEC:n standardissa Toinen standardeja luova järjestö ASTM ei tarjoa standardia synteettisille estereille, minkä vuoksi tässä alaluvussa kaikki arvot on ilmoitettu IEC-standardissa määritettyjen mittausten tuloksina. Eristysnesteiden ominaisuuksien vertailuun käytetään esimerkkiesterinä M&I Materials -yhtiön tuottamaa Midel 7131 synteettistä esteriä, joka on ollut kaupallisesti saatavilla jo yli 30 vuotta, vuodesta Se on valmistettu täyttämään IEC-standardin asettamat vaatimukset. (M&I Materials 2009) Toinen tässä työssä käsiteltävä synteettinen esteri on kaupalliselta nimeltään Proeco TR20. Se on huomattavasti Midel 7131:tä uudempana tullut markkinoille vasta muutama vuosi sitten, ja sen kehitystyö jatkuu edelleen. (Dolata et al. 2006) Näiden estereiden ja estereille julkaistujen tutkimusten avulla perehdytään synteettisten estereiden valmistamiseen, tärkeimpiin ominaisuuksiin sekä niiden vanhenemiseen ja käyttötapoihin.

36 4. YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISTEN ERISTYSNESTEIDEN TEKNISET OMINAISUUDET Valmistus ja rakenne Synteettiset esterit ovat hapoista ja alkoholeista valmistettuja nesteitä. Valmistuksessa yleisesti käytettyjä alkoholeja ovat neopentylglykooli, trimetylolipropaani, pentaerytritoli ja dipentaerytritoli (Boris et el. 2008). Keinotekoisesti valmistetut esterit voidaan jakaa seitsemään eri ryhmään, jotka ovat dikarboksyyliesterit eli diesterit, ftalaatit, trimelliitit, pyromelliitit, dimeerihappoesterit, polyolit ja polyoleaatit. Ominaisuuksiensa puolesta kaikkien ryhmien esterit eivät sovellu käytettäväksi eristysnesteenä, mutta esimerkiksi polyoleja käytetään kaupallisissa tuotteissa. Kuvassa 5 on esitetty pentaerytritoli-alkoholin ja haarautuneen yksiemäksisen hapon yhdistelmästä tuotettu synteettinen esteri. Kuvassa esiintyvät R-ryhmät kuvaavat hiiliketjuja. (McShane 2000) R 1 R 2 C R 3 C O O R 2 CH 2 O R 2 R 1 C C O CH 2 C CH 2 O C C R 1 R 3 O CH 2 R 3 O C O R 2 C R 3 R 1 Kuva 5. Erään polyoliesterin rakenne. (McShane 2000) Polyoliesterit ja niihin kuuluvat kompleksiesterit soveltuvat esteriryhmistä parhaiten käytettäväksi voimakasta sähköistä rasitusta aiheuttaviin kohteisiin. Näillä estereillä saadaan tehtyä vahvimmat synteettiset öljyt, ja kompleksiestereillä voidaan helpoiten muokata lopullisen esterin viskositeettiä. (Boris et al. 2008) Synteettisen esterin valmistustapa riippuu siihen käytetyistä lähtöaineista ja tulokseksi haluttavasta nesteestä. Esimerkiksi metyylioleaatin valmistukseen käytetään öljyhappoa ja metanolia suhteessa 1:10. Tätä seosta takaisinvirrataan eli refluksoidaan happokatalyytin avulla usean tunnin ajan. Kun liika metanoli on tislattu pois, seos pestään vedellä ja natriumkarbonaatilla. Lopuksi se puhdistetaan vielä johtamalla läpi puhdistuslaitteistoista. Pentaerytritolitetraoleaatin valmistus eroaa edellisestä vain alkutoimenpiteiden osalta. Siinä öljyhaposta erotetaan happokloridi, joka reagoi monopentaerytritolin kanssa käyttäen hyväksi trietyyliamiinia. Tämän jälkeen neste puhdistetaan kuten metyylioleaattikin. (Thomas et al. 1996) Kaupallisesti saatavat synteettiset esterit voivat koostua useista eri estereistä, ja niihin on yleensä lisätty käyttöominaisuuksia parantavia stabilointiaineita.

37 4. YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISTEN ERISTYSNESTEIDEN TEKNISET OMINAISUUDET Sähköiset ominaisuudet Synteettisesti tuotettujen aineiden sähköiset ominaisuudet riippuvat paljolti niiden valmistamisessa käytetyistä menetelmistä ja lähtöaineista. Synteettisten estereiden ominaisuuksia voidaankin muuttaa helpommin kuin mineraaliöljyn, jonka ominaisuudet vaihtelevat raakaöljyn ominaisuuksien mukaan. Synteettisille estereille on kuitenkin myös määritelty vähimmäisvaatimukset, jotta kaupallisten nesteiden ominaisuudet olisivat vertailukelpoisia. Synteettisesti valmistetuilta estereiltä vaaditut ominaisuudet on määritetty standardissa IEC Se käsittelee kuitenkin vain pentaerytritolialkoholilla syntetisoituja estereitä, minkä vuoksi standardi ei suoranaisesti päde Proeco TR 20-nesteelle (Dolata et al. 2006). Taulukossa 7 on esitetty kahden kaupallisen esterin sähköisiä ominaisuuksia. Vertailun vuoksi taulukkoon on kirjattu myös mineraali- ja silikoniöljyjen esimerkkituotteiden vastaavat ominaisuudet sekä IEC-standardien asettamat vaatimukset. Kaikki esimerkkituotteiden arvot on mitattu luvussa 2.4 käsitellyillä IEC:n määrittämillä testeillä. Tummennetut arvot ovat standardien asettamia minimiarvoja. Taulukko 7. Eristysnesteiden sähköisiä ominaisuuksia (Griffin et al. 2004; IEC ; Dolata et al. 2006; Nynas 2008; M&I Materials 2009; Dow Corning 2009a) Läpilyöntijännite [ kv ] Häviökerroin tan δ, 90 ºC Synteettinen esteri, IEC < 0,003 Midel > 75 < 0,003 Proeco TR ,0038 Mineraaliöljy, IEC ,005 Nytro Taurus < 0,001 Silikoniöljy, IEC ,001 Xiameter 50 0,0005 IEC-standardin mukainen minimiarvo synteettisen esterin läpilyöntijännitteelle on korkein kaikista kolmesta nesteestä. Taulukossa 7 esitetyistä IEC standardin mukaan mitatuista jännitekestoisuuksista Midelille saatu arvo onkin huomattavasti muita esimerkkituotteita korkeampi. Nytro Taurukselle ilmoitettu arvo on keskimäärin yhtä suuri kuin silikoniöljy Xiameterille ilmoitettu arvo. Tyypillisesti silikoniöljyn jännitelujuus on kuitenkin pienempi kuin synteettisillä estereillä ja mineraaliöljyllä (Mc- Shane 1999). Synteettinen esteri Midelin jännitelujuus on tämän vertailun korkein. Toisaalta mineraaliöljyn jännitelujuutta voidaan yleensä parantaa vähentämällä nesteen vesipitoisuutta eli kuivattamalla neste hyvin. Tämä kuitenkin nostaa öljyn hintaa, minkä

38 4. YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISTEN ERISTYSNESTEIDEN TEKNISET OMINAISUUDET 30 vuoksi erittäin hyvin kuivattuja mineraaliöljyjä käytetään lähinnä yksittäisissä käyttökohteissa. Häviökertoimen tan δ tulisi olla mahdollisimman pieni. Taulukosta 7 nähdään, että silikoniöljy Xiameterin häviökerroin on selkeästi muita pienempi. Nytro Taurus puolestaan sijoittuu vertailussa toiseksi, mutta estereiden häviökertoimet ovat huomattavasti muita korkeampia. Korkea häviökerroin johtuu estereiden erilaisesta molekyylitason rakenteesta. Tutkittaessa nesteen vanhenemista tuleekin ottaa huomioon alun perin korkea häviökerroin, ja keskittyä sen muutokseen eikä niinkään lopulliseen arvoon. Eristysnesteen kaasuuntuminen kertoo myös eristeen sähköisestä käyttäytymisestä. Synteettisten estereiden tuotetiedoissa ei ole kerrottu niiden arvoja herkkyydelle muodostaa kaasuja, mutta erään tutkimuksen mukaan niiden on todettu olevan kaasua kehittäviä (Perrier & Beroual 2008). Suhteellisen permittiviteetin arvo on tärkeä erityisesti kerrostetuissa eristysrakenteissa. Synteettisellä esterillä permittiviteetin tyypillinen arvo on 3,2, mikä on mineraalija silikoniöljyjen permittiviteettejä korkeampi. Yleisimmin näitä eristysnesteitä käytetään yhdessä paperin kanssa, jonka permittiviteetti on 4,4. Koska esterin permittiviteetti on kahta muuta nestettä lähempänä paperin permittiviteettiä, on esteriin käytössä kohdistuva sähköinen rasitus öljypaperieristyksessä pienempi kuin mineraali- ja silikoniöljyihin kohdistuva. Vastaavasti paperiin kohdistuva rasitus on suurempi käytettäessä synteettistä esteriä kuin käytettäessä perinteisiä öljyjä. (Longva 2005) Fysikaaliset ominaisuudet Synteettisten estereiden standardissa on määritetty myös fysikaalisia ominaisuuksia, jotka nesteiden on täytettävä. Sen mukaan estereiden jähmettymispiste saa maksimissaan olla -45 C, ja leimahduspisteen on oltava vähintään +250 C. Viskositeetin arvon tulee +40 C lämpötilassa olla alle 35 mm 2 /s ja -20 C lämpötilassa alle 3000 mm 2 /s. Korkeimmaksi käyttölämpötilaksi on standardissa IEC arvioitu +130 C. (Naskali 2005) Taulukossa 8 on esitetty eristysnesteiden fysikaalisia ominaisuuksia. Kuten taulukossa 7, myös tässä taulukossa tummennetut arvot ovat IEC-standardien minimivaatimuksia. Muut arvot ovat esimerkkituotteiden IEC-standardien mukaisissa mittauksissa saatuja tuloksia. Synteettisten nesteiden, esterin ja silikoniöljyn, eduiksi voidaan todeta mineraaliöljyyn verrattuna korkea leimahduspiste, minkä vuoksi ne soveltuvat käytettäväksi myös tulenarkoihin paikkoihin. Taulukosta nähdään, että kaupallisissa valmisteissa estereiden leimahduspisteet ovat samansuuruisia silikoniöljyn leimahduslämpötilan kanssa, eikä standardien asettamissa vaatimuksissakaan ole suurta eroa. Kuten mainittua, mineraaliöljyn heikkoutena näkyy sen melko alhainen leimahduspiste.

39 4. YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISTEN ERISTYSNESTEIDEN TEKNISET OMINAISUUDET 31 Taulukko 8. Eristysnesteiden fysikaalisia ominaisuuksia (Griffin et al. 2004; IEC ; Naskali 2005; Dolata et al. 2006; Nynas 2008; M&I Materials 2009; Dow Corning 2009a) Synteettinen esteri, IEC Leimahduspiste [ ºC ] Viskositeetti [ mm 2 /s ], +40 ºC Jähmettymispiste [ ºC ] Vesipitoisuus [ mg/kg ] Midel Proeco TR ,6-51 ~ 75 Mineraaliöljy, IEC < Nytro Taurus 149 9,9-48 < 20 Silikoniöljy, IEC ± 4-50 < 50 Xiameter Taulukon 8 tietojen perusteella mineraaliöljyn viskositeetti on lämpötilassa +40 C ylivoimaisesti pienin. Xiameterin viskositeetille ei ole ilmoitettu IEC-standardimenetelmän mukaista arvoa, mutta ASTM:n vastaavan testin mukaan mitatuksi viskositeetiksi on saatu 50 mm 2 /s lämpötilassa +25 C. Eristysnesteiden viskositeettejä on vertailtu tarkemmin kuvan 6 pohjalta. Jähmettymispisteissä ei ole huomattavia eroavaisuuksia. Standardien vaatimuksissa synteettisen esterin jähmepiste sijoittuu muuntaja- ja silikoniöljyjen väliin, mutta kaupallisissa valmisteissa synteettisten estereiden jähmettymispisteiden lämpötilat näyttäisivät olevan hieman mineraaliöljyä matalammat. Synteettiselle esterille sallittu vesipitoisuus on muihin nesteisiin verrattuna erittäin korkea, ja kaupallisten tuotteiden vesipitoisuudet ovatkin estereillä selkeästi muita korkeammat.

40 4. YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISTEN ERISTYSNESTEIDEN TEKNISET OMINAISUUDET 32 Esteri Silikoniöljy Mineraaliöljy Viskositeetti mm 2 /s Lämpötila ºC Kuva 6. Viskositeettien muutos lämpötilan funktiona. (Gockenbach & Borsi 2009) Kuvassa 6 on vertailtu mineraaliöljyn, silikoniöljyn ja synteettisen esterin viskositeettejä lämpötilan funktiona. Kuvasta nähdään, että silikoniöljyn viskositeetti on ylivoimaisen alhainen matalissa lämpötiloissa. Esterin viskositeetti pienimmässä mittauslämpötilassa on alhaisempi kuin mineraaliöljyn, mutta käyttölämpötilassa se on selkeästi korkeampi. Silikoniöljyn viskositeetissä ei näytä tapahtuvan yhtä suurta muutosta lämpötilan suhteen kuin kahdella muulla nesteellä, minkä vuoksi lämpötilan noustessa esterin viskositeetti alittaa silikonin viskositeetin. Tärkeintä nesteen lämmönsiirto-ominaisuuksien puolesta olisi mahdollisimman alhainen viskositeetti muuntajan käyttölämpötilassa (Gockenbach & Borsi 2009). Käyttölämpötilassa viskositeettien suuruudet menevätkin kuvan 6 mukaan kuten taulukossa 8, eli pienin viskositeetti on mineraaliöljyllä ja suurin silikoniöljyllä. Korkea viskositeetti käyttölämpötilaa alhaisemmilla lämpötilan arvoilla voi olla myös eduksi, sillä se nopeuttaa käyttölämpötilan saavuttamista (Fofana et el. 2002). Synteettisten nesteiden heikkoihin ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa muuttamalla nesteen rakennetta. Viskositeetin pienentämiseksi voidaan muuttaa kemikaalien yksittäisten molekyylien sidoksia (Gockenbach & Borsi 2009). Proeco TR20 nesteellä onkin viskositeettiä parannettu huomattavasti esimerkiksi Mideliin verrattuna. -20 C lämpötilassa Proecon viskositeetiksi on saatu 288 mm 2 /s, kun Midelin viskositeetti -20 C:ssa on 1400 mm 2 /s (M&I Materials 2009). Myös korkean lämpötilan viskositeetti (100 C, 5 mm 2 /s) on saatu pienemmäksi kuin kuvassa 6 esitetyllä synteettisellä esterillä. (Dolata et al. 2006)

41 4. YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISTEN ERISTYSNESTEIDEN TEKNISET OMINAISUUDET Vanheneminen Tutkittaessa synteettisen esterin vanhenemista sen havaittiin olevan hitaampaa kuin luonnollisella esterillä tai mineraaliöljyllä. Synteettisillä estereillä onkin hyviä ominaisuuksia hitaaseen vanhenemiseen. Tutkimuksen mukaan synteettisen esterin vanhentuessa tapahtuvat muutokset vastaavat mineraaliöljyssä vanhenemisen myötä havaittuja muutoksia. (Fofana et al. 2008) Vanhennettaessa mineraaliöljyä, synteettistä ja luonnollista esteriä samoissa olosuhteissa todettiin synteettisen esterin osoittavan samassa ajassa vähemmän vanhenemisen merkkejä kuin muiden tutkittujen nesteiden. Vanhentaminen tapahtui 100 C:ssa uunissa hapen ja katalyyttien avulla. Synteettiseen esteriin hajonneiden aineiden määrä 3000 tunnin jälkeen oli noin kuudesosa mineraaliöljyyn hajonneista aineista. Myös nesteiden sameutta tutkittaessa synteettinen esteri osoitti vain vähän sameutumista mineraaliöljyn arvojen noustessa huimasti tuhannen tunnin jälkeen. (Fofana et al. 2008) Taulukossa 9 on esitetty esimerkkituotteiden hapettumiselle saatuja tyypillisiä tuloksia. Mittauksissa on käytetty IEC:n menetelmää A, josta happopitoisuudelle saadaan tulokseksi öljygrammaa kohti neutralisoitu kaliumhydroksidin (KOH) määrä. Jo synteettisille estereille annetut minimiarvot ovat mineraaliöljyä pienempiä ja Midelille ilmoitetuissa tuloksissa ne alittuvat selkeästi. Nämä arvot, kuten edellä esitetty tutkimuskin, viittaavat siihen, että mineraaliöljyillä hapettuminen on voimakkaampaa. Taulukko 9. Eristysnesteiden hapettumistestien tuloksia (Griffin et al. 2004; Nynas 2008; M&I Materials 2009) Synteettinen esteri, IEC Happopitoisuus [mg KOH /g] Liete [paino-%] < 0,3 < 0,01 Midel 0,01 0 Mineraaliöljy, IEC < 0,4 < 0,1 Nytro Taurus 0,23 0,07 Yhtenä syynä synteettisen esterin hitaalle vanhenemiselle on siis sen heikko hapettuminen (Fofana et al. 2008). Eristysnesteen vanhetessa siinä syntyy myös muita kaasuja. Perrierin ja Beroualin tekemän tutkimuksen mukaan synteettiset esterit, kuten mineraaliöljykin, voidaan luokitella kaasua kehittäviksi. Estereillä taipumus kaasujen muodostumiseen on kuitenkin mineraaliöljyä suurempi, minkä vuoksi kaasuanalyysin tuloksien tulkinta voi vääristyä. (Perrier & Beroual 2008) Myös kosteuspitoisuuden mittaus voi johtaa väärään kuntoluokitteluun. Veden vaikutus synteettiseen esteriin ei ole yhtä suuri kuin mineraaliöljyyn, jonka sähköiset ominaisuudet huononevat melko lineaarisesti kosteuspitoisuuden kasvaessa. Lämpötilan ja vesipitoisuuden nousun ei olekaan todettu aiheuttavan esterin läpilyöntilujuuden yhtä selvää pienenemistä kuin mineraaliöljyllä. Päinvastoin, molekyylirakenteen muuttuminen vesipitoisuuden kasva-

42 4. YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISTEN ERISTYSNESTEIDEN TEKNISET OMINAISUUDET 34 essa voi parantaa synteettisen esterin läpilyöntilujuutta. Myös lämpötilan nousun aiheuttama viskositeetin pieneneminen voi parantaa läpilyöntilujuutta. (Beyer & Borsi 1990) Häviökertoimen tan δ arvon muutokset voivat myös osoittaa eristysnesteen vanhenemista. Perrier ja Beroual saivat tutkimuksessaan synteettisen esterin häviökertoimelle selvästi suuremman arvon kuin mineraaliöljyn häviökertoimelle. Uudelle nesteelle saadut tulokset ovat vastaavat kuin taulukossa 7 esitetyt häviökertoimen arvot. Vanhennettaessa synteettistä esteriä sen häviökerroin kasvoi kuitenkin huimasti nousten mineraaliöljyyn verrattuna moninkertaiseksi. Vaikka mineraaliöljyllä tan δ:n kasvua on pidetty merkkinä nesteen kunnon heikkenemisestä, ei todellisuudessa vielä tiedetä, miten häviökertoimen muutos indikoi estereiden vanhenemista. (Perrier & Beroual 2008) Kuva 7. Eri tavoin vanhennettua Proeco TR20-nestettä. (Dolata et al. 2006) Kuvassa 7 on esimerkki eristysnesteen tummumisesta. Oikeassa reunassa oleva kirkkain neste on vanhentamatonta Proecoa, ja muut nesteet ovat 2000 tunnin ajan eri tavoin vanhennettuja Proeco-nesteitä. Vanhentaminen on toteutettu +130 C:een lämpötilassa käyttäen katalyytteja. Näytteistä tummin on altistettu vanhennusprosessin aikana sekä katalyyteille että ilmalle ja vaaleammat pelkästään katalyyteille. Nesteen värin muuttuminen ei kuitenkaan ollut aiheuttanut sähköisten ominaisuuksien merkittävää huononemista. Vanhennettujen nesteiden läpilyöntilujuudet ovat luonnollisesti kuitenkin huonompia kuin uusien. (Dolata et al. 2006) Käyttö Synteettisiä estereitä voidaan käyttää eristys- ja jäähdytysnesteinä erilaisissa komponenteissa, kuten muitakin eristysnesteitä. Pääosin niitä käytetään kuitenkin muuntajissa. Mideliä käytetään pylväsmuuntajissa, tehomuuntajissa aina 135 MVA:iin saakka ja jakelumuuntajissa kaupunkialueella sekä sisätiloissa. Muuntajien lisäksi sitä voidaan käyttää käämikytkimissä ja tehoelektroniikassa tyristorien jäähdytysaineena. Midel soveltuu myös mineraaliöljyn korvaajaksi muuntajan uudelleentäytön yhteydessä. Hyvistä korkean lämpötilan ominaisuuksista johtuen Mideliä on käytetty sisätiloissa ja maan alla

43 4. YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISTEN ERISTYSNESTEIDEN TEKNISET OMINAISUUDET 35 sijaitsevissa kohteissa. Proeco on erityisesti tehomuuntajakäyttöön suunniteltu eristysneste, jonka ympärille ollaan kehittämässä myös muihin muuntajiin soveltuvia estereitä. (Dolata et al. 2006; M&I Materials 2009) 4.2. Luonnollinen esteri Kasviöljyistä esteröimällä valmistetut eristysnesteet eli luonnolliset esterit ovat herättäneet kiinnostusta ympäristöystävällisyytensä ja paloturvallisuutensa vuoksi. Ne valmistetaan uusiutuvista raaka-aineista ja tarjoavat edullisemman vaihtoehdon puhtaasti synteettisesti valmistetuille estereille. Luonnonestereiden ominaisuuksia ja käyttömahdollisuuksia onkin tutkittu melko paljon, ja markkinoilla on saatavilla jo muutama tuote. Tällä hetkellä muuntajien eristysrakenteissa käytettäviä kaupallisia kasviöljypohjaisia estereitä ovat muun muassa ABB:n BIOTEMP ja Cooper Power Systemsin Envirotemp FR3. Molemmat esterit ovat syötävistä öljyistä muokattuja nesteitä ja erittäin biohajoavia. BIOTEMPin pohjaöljyinä käytetään muun muassa auringonkukka- ja safloriöljyjä. Envirotempin tunnusmerkkinä on sen ympäristöystävällisyydestä kertova vihreä väri. (Cooper Power 2001; ABB 2009) Valmistus ja rakenne Luonnolliset esterit valmistetaan esteröimällä syötävistä kasviöljyistä, kuten auringonkukka-, palmu- tai soijaöljystä. Pohjimmiltaan kasviöljyt koostuvat glyserolin ja kolmen rasvahapon yhdisteistä eli triglyserideistä. Kasviöljyjen rasvahapot sisältävät lineaarisia hiilivetyketjuja, joissa on parillinen määrä hiiliatomeja. (Bertrand & Hoang 2003) Rasvahappojen kemiallinen rakenne on esitetty kuvassa 8, jossa R, R` ja R `` kuvaavat rasvahappoketjuja (Rajab et al. 2009). Ketjut voivat olla tyydyttyneitä tai kerta-, kaksi- tai kolmityydyttämättömiä. Pääosin tyydyttyneitä rasvahappoja sisältävä öljy on kemiallisesti stabiilimpi kuin tyydyttämättömiä rasvahappoja sisältävä, mutta sillä on myös korkeampi jähmettymispiste. Boss & Oommenin (1999) mukaan tämän vuoksi paras valinta kasviöljyistä onkin paljon kertatyydyttämättömiä rasvahappoja sisältävä öljy, kuten rapsiöljy. Kasviöljyissä yleisimmin tavattava kertatyydyttymätön rasvahappo on oleiinihappo.(boss & Oommen 1999)

44 4. YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISTEN ERISTYSNESTEIDEN TEKNISET OMINAISUUDET 36 Kuva 8. Triglyseridin kemiallinen rakenne. (Rajab et al. 2009) Luonnonestereiden kasviöljyt valmistetaan mahdollisimman puhtaiksi. BIOTEMPin pohjaöljynä käytettävät kasviöljyt uutetaan siemenistä liuottimen avulla, minkä jälkeen ne puhdistetaan polaarisista epäpuhtauksista. Näiden jälkeen öljystä poistetaan epävakaat yhdisteet tislaamalla sitä höyryllä. Vielä ennen hapettumisenestoaineiden lisäämistä öljy jäähdytetään liiallisten tyydyttyneiden rasvahappojen poistamiseksi. Kaiken kaikkiaan valmis eristysneste sisältää maksimissaan kolmea eri hapettumisenestoainetta, joiden tehtävänä on estää tyydyttymättömiä yhdisteitä polymerisoitumasta hapen kanssa. Antioksidanttien pitoisuus prosentteina on BIOTEMPissä alle 1,5. (California 2002, s.2) Kasviöljyjen käyttöominaisuuksien parantamiseksi kaupalliset eristysnesteet esteröidään. Esteröinti tarkoittaa öljyjen muokkaamista alkoholien avulla. (McShane et al. 2006) Sähköiset ominaisuudet Luonnollisilta estereiltä vaadittaville ominaisuuksille on toistaiseksi olemassa vain ASTM-standardi D Tämän vuoksi eri ominaisuuksien arvoja verrataan muiden eristysnesteiden ASTM:n mittausmenetelmien mukaisiin tuloksiin. Osittain voidaan vertailla myös eri standardijärjestöjen mukaisia mittaustuloksia keskenään, mikäli ne on todettu toisiaan vastaaviksi luvussa 2.4. Taulukossa 10 on esitetty kahden luonnollisen esterin sähköisiä ominaisuuksia. Vertailun helpottamiseksi mukana ovat myös mineraaliöljyn esimerkkituotteen vastaavat ominaisuudet sekä ASTM-standardien määrittelemät minimiarvot. Silikoniöljyn arvot on taulukosta jätetty pois, sillä ASTM-standardin mukaisia arvoja ei ole ollut saatavilla. Taulukkoon kirjatut läpilyöntijännitteet ovat testimenetelmän D 877 mukaan mitattuja. Tässä menetelmässä käytettiin 2,5 mm elektrodiväliä. Jännitekestoisuuden vähimmäisvaatimuksista korkein on luonnonestereiden standardilla. Kuitenkin esimerkkituotteista Nytro Orionilla on kasviöljypohjaisia tuotteita korkeampi läpilyöntijännite. Nesteiden läpilyöntikestoisuuksia tutkineet Suwarno ja Darma ovat saaneet esimerkkituotteiden arvoista poikkeavan tuloksen. Heidän tutkimuksessaan mitattiin eri pitoisuuksilla Shell Diala B-mineraaliöljyn ja palmuöljypohjaisen esterin sekoitusten ominaisuuksia. Sa-

45 4. YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISTEN ERISTYSNESTEIDEN TEKNISET OMINAISUUDET 37 moilla mittausmenetelmillä saatujen koetulosten mukaan nesteen läpilyöntilujuus nousi koko ajan esteripitoisuuden kasvaessa siten, että puhtaalla esterillä oli korkein jännitelujuus. Tämän kerrotaan johtuvan luonnollisen esterin alhaisesta suhteellisesta vesipitoisuudesta. (Suwarno & Darma 2008) Taulukko 10. Eristysnesteiden sähköisiä ominaisuuksia (Cooper Power 2001; ABB 2002; Griffin et al. 2004; ABB 2009; Nynas 2009; Rajab et al. 2009) Herkkyys kaasun Läpilyöntijännite Häviökerroin tan δ, muodostumiseen [ kv ], D ºC (µl /min) Luonnollinen esteri, ASTM D ,002 - Envirotemp 47 0, BIOTEMP 45 0,0009 0,0019 (100ºC) -50 Mineraaliöljy, ASTM D ,003 (100ºC) +30 Nytro Orion 55 < 0,001 (100ºC) +15 Taulukon 10 häviökertoimen arvoista osa on ilmoitettu 100 ºC:een lämpötilassa. Estereiden ja mineraaliöljyn häviökertoimet ovat samaa suuruusluokkaa, kun verrataan estereiden 25 ºC:ssa mitattuja ja mineraaliöljyn 100 ºC:ssa mitattuja arvoja. Koska häviökertoimen suuruus riippuu lämpötilasta siten, että lämpötilan kasvaessa myös häviökerroin kasvaa, voidaan olettaa että mineraaliöljyn häviökerroin 25 ºC:ssa on pienempi kuin tarkasteltavien luonnonestereiden. BIOTEMPille on ilmoitettu häviökertoimen arvo myös 100 ºC:ssa, joka onkin selvästi suurempi kuin Nytro Orionin tyypillinen arvo. Myös silikoniöljy Xiameterin tuotetiedoissa annettuun häviökertoimen arvoon 0,0001 verrattuna ovat estereiden häviökertoimet korkeampia. Häviökertoimien suuruus johtuu luonnollisilla estereillä niiden epätasapainoisesta rakenteesta. Mineraaliöljyn tasapainoisesta rakenteesta johtuen on molekyylien vastustus polarisaatiossa pienempi kuin epätasapainoisella rakenteella. Tällöin myös häviökerroin on pienempi. Myös mineraaliöljyä suurempi vesipitoisuus vaikuttaa metyyliestereiden häviökertoimeen korottavasti. (Suwarno & Darma 2008) Koska kaupalliset kasvipohjaiset esterit ovat ASTM-standardin mukaisesti määriteltyjä, myös niiden herkkyys muodostaa kaasua on kerrottu tuoteselosteissa. Molempien taulukossa 10 esiteltyjen estereiden arvot ovat selkeästi negatiivisia, jolloin ne voidaan todeta kaasua imeviksi eli ne eivät osoita taipumusta kaasun muodostamiseen. Mineraaliöljyn kaasuuntuneisuudeksi on sen sijaan määritetty maksimiarvo +30 µl / min ja Nytro Orionille kaasuuntuneisuudeksi on ilmoitettu +15 µl / min. Näiden tietojen perusteella mineraaliöljy näyttäisi olevan kaasua kehittävä.

46 4. YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISTEN ERISTYSNESTEIDEN TEKNISET OMINAISUUDET 38 Kuten synteettisillä, myös luonnollisilla estereillä on perinteisiä eristysnesteitä suuremmat suhteelliset permittiviteetit. Envirotempille ilmoitettu permittiviteetin arvo on 3,2 ja BIOTEMPille vastaava arvo on 3,1. ASTM D 6871 standardissa määritetty suhteellisen permittiviteetin suuruus on 3,2 (Rajab et al. 2009). Verrattuna mineraaliöljyn tyypilliseen permittiviteettiin 2,2, ovat kasviöljypohjaisten estereiden permittiviteetit selvästi suurempia. Tämän vuoksi eristysnesteeseen kohdistuva sähköinen rasitus on pienempi esteri-paperi-eristysrakenteessa kuin mineraaliöljyn ja paperin muodostamassa eristysrakenteessa Fysikaaliset ominaisuudet Luonnollisten estereiden fysikaaliset ominaisuudet poikkeavat hieman perinteisesti käytettyjen nesteiden ominaisuuksista. Estereiden soveltuvuutta muuntajan eristysnesteeksi onkin epäilty muun muassa niiden herkän hapettumisen ja korkean viskositeetin vuoksi. (Perrier & Beroual 2008) Taulukossa 11 on esitetty luonnollisten estereiden, mineraali- ja silikoniöljyjen tärkeimmät fysikaaliset ominaisuudet. Menetelmällä D 92 mitattuna molemmille estereille on saatu erittäin korkeat leimahduslämpötilat. Sekä BIOTEMP että Envirotemp onkin luokiteltu heikosti syttyviksi (Less-Flammable) nesteiksi niiden korkeiden leimahduspisteiden vuoksi (ABB 2009; Cooper Power 2001). Paloturvallisena nesteenä käytetyn silikoniöljyn leimahduslämpötila jää luonnonestereiden leimahduspistettä alhaisemmaksi. Taulukko 11. Eristysnesteiden fysikaalisia ominaisuuksia (Cooper Power 2001; Griffin et al. 2004; ABB 2009; Nynas 2009; Rajab et al. 2009; Dow Corning 2009a) Luonnollinen esteri, ASTM D 6871 Leimahduspiste [ ºC ] Viskositeetti [ mm 2 /s ], +40 ºC Jähmettymispiste [ ºC ] Vesipitoisuus [ mg/kg ] Envirotemp BIOTEMP < 50 Mineraaliöljy, ASTM D < Nytro Orion 150 8,5-60 < 20 Silikoniöljy Xiameter > Luonnollisten estereiden käyttöä voi rajoittaa niiden vielä synteettisiä estereitäkin korkeampi viskositeetti. Taulukosta 11 nähdään, että kasviöljypohjaisten estereiden viskositeetit ovat selkeästi mineraaliöljyn viskositeettia suurempia. Ne ovat silti alhaisempia kuin Xiameterille ilmoitettu viskositeetti. Viskositeettiin matalissa lämpötiloissa

47 4. YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISTEN ERISTYSNESTEIDEN TEKNISET OMINAISUUDET 39 liittyvä jähmepiste on myös luonnollisilla estereillä korkea. Molemmat esimerkkituotteet jähmettyvät valmistajan mukaan jo pohjoisten olosuhteiden tavallisissa talvilämpötiloissa. Puhtaat kasviöljyt, kuten oliiviöljy, jähnettyvät jo jääkaappilämpötilassa. BIO- TEMPille tehdyissä kokeissa korkean jähmepisteen ei kuitenkaan todettu pienentävän nesteen läpilyöntijännitettä. Jähmettymisestä huolimatta nesteen kerrotaan toimivan alhaisissa lämpötiloissa sekä jäähdytysaineena että eristeenä. (ABB 2009) Myös ASTM D 97 -testin, joka on alun perin mineraaliöljyille tarkoitettu menetelmä, soveltuvuudesta estereiden jähmettymispisteen mittaamiseen on esitetty eriäviä mittaustuloksia. Rapp, Gauger ja Luksich tutkivat eri kasviöljypohjaisten estereiden ja yhden synteettisen esterin sekä niiden sekoitusten jähmettymisominaisuuksia. Mittaustulosten perusteella 25 päivän kylmän lämpötilan testi antaa paremman kuvan öljyjen käyttäytymisestä kuin jähmepisteen mittaaminen. Tämän lisäksi estereiden todettiin toimivan hyvin muuntajan kylmäkäynnistämisessä jähmepisteen alapuolella eikä nesteiden jäätymisellä ja sulamisella huomattu olevan vaikutusta niiden ominaisuuksiin. (Rapp et al. 1999) Tulee myös huomioida, että luonnonestereiden pohjaöljyinä voidaan käyttää useita eri kasviöljyjä, joiden ominaisuudet eivät ole samanlaisia. Toisella esterillä voi siis olla paremmat viskositeettiominaisuudet kuin toisella. (Perrier & Beroual 2008) Vesikylläisyysraja (ppm) Lämpötila (K) Kuva 9. Mineraaliöljyn ja luonnollisen esterin vesikylläisyys lämpötilan funktiona. (Suwarno & Darma 2008) Estereiden suhteellinen vesipitoisuus on alhainen, koska ne pystyvät imemään itseensä paljon enemmän vettä kuin mineraaliöljyt. Taulukossa 11 esitetty luonnolliselle esterille sallittu vesipitoisuuden maksimiarvo onkin huomattavasti suurempi kuin mine-

48 4. YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISTEN ERISTYSNESTEIDEN TEKNISET OMINAISUUDET 40 raaliöljyn vastaava. Esimerkkituotteissa ero ei kuitenkaan ole yhtä suuri. Kuvassa 9 on esitetty luonnonesterin ja mineraaliöljyn veden kyllästymispisteen kasvut lämpötilan funktiona. Lämpötilan noustessa esterin kyky liuottaa vettä paranee ja todellinen vesipitoisuus pienenee. Tämän vuoksi myös suhteellinen vesipitoisuus öljyssä pienenee. (Suwarno & Darma 2008) Vesipitoisuus vaikuttaa myös paperin säilymiseen eristysnesteessä. Luonnonestereiden kyky imeä vettä itseensä pitää tällöin eristysrakenteessa olevan paperin kuivempana kuin mineraaliöljyn kanssa käytettäessä. (Lewand 2005) Vanheneminen Eristysnesteen vanhetessa sen sähköiset ominaisuudet huononevat, ja se muuttuu väriltään tummemmaksi. Laboratoriotestauksissa saatujen tulosten mukaan kasviöljyt osoittavat vanhetessaan samoja piirteitä kuin mineraaliöljyt. (Hosier et al. 2008) Luonnollisten estereiden vanhenemisprosessissa esiintyy myös muista nesteistä poikkeavia ominaisuuksia. Mineraaliöljylle, synteettiselle ja luonnolliselle estereille tehdyn tutkimuksen tulosten perusteella luonnollinen esteri sijoittuu vanhenemisnopeudeltaan kahden muun nesteen väliin. Kasviöljypohjaisella esterillä hajonneiden ainesten määrä on uudessa nesteessä suurempi kuin muilla tutkimuksen nesteillä. Vanhenemisprosessin aikana esteriin hajonnut aines lisääntyi jatkuvasti, mutta sen määrä oli kuitenkin testin lopussa vain 2/3 mineraaliöljyyn hajonneesta aineesta. Luonnollisen esterin sameus oli 3000 tunnin vanhentamisen jälkeen melko lähellä synteettisen esterin tasoa, vain hieman tätä sameampi. Tutkimuksessa kasvipohjaisen esterin heikkoudeksi havaittiin kuitenkin sen häviökertoimen huomattava nousu nesteen vanhetessa. (Fofana et al. 2008) Taulukossa 12 on luonnolliselle esterille ja mineraaliöljylle hapettumistestillä ASTM D 2440 mitatut tulokset. Voidaan nähdä selkeä ero jo 164 tuntia vanhennettujen nesteiden happopitoisuuksien välillä. Luonnollinen esteri BIOTEMPille saatu arvo on selkeästi suurempi kuin mineraaliöljyn esimerkkituotteen arvo. Se on kuitenkin pienempi kuin mineraaliöljylle määritetty minimiarvo. Myös nesteeseen muodostuneen lietteen määrä prosentteina nesteen painosta on suurempi BIOTEMPillä kuin Nytro Orionilla. Taulukko 12. Eristysnesteiden hapettumistestien tuloksia (Nynas 2009; ABB 2009) Happopitoisuus Liete [paino-%] [mg KOH /g] Luonnollinen esteri BIOTEMP 0,36 0,12 Mineraaliöljy, ASTM D ,6 0,3 Nytro Orion 0,04 0,02 Perrierin ja Beroualin (2008) tekemässä tutkimuksessa verrattiin luonnollisten estereiden ominaisuuksia muihin eristysnesteisiin. Yksi tutkittavista ominaisuuksista oli estereiden hapettuminen. Mittauksessa saadut tulokset olivat melko hajaantuneita. Yksi

49 4. YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISTEN ERISTYSNESTEIDEN TEKNISET OMINAISUUDET 41 estereistä osoitti vähäistä hapettumista vanhenemisprosessin aikana alittaen IEC-standardissa määritellyn rajan mineraaliöljyn hapettumiselle. Toisen esterin happopitoisuus oli erittäin korkea. Kolmas tutkittu esteri sijoittui näiden väliin, mineraaliöljyn hapettumisen ollessa paljon muita alhaisempi. Tutkimustulos viittaa luonnonesterin hapettumisen riippuvan käytetystä pohjaöljystä ja mahdollisesti joissain estereissä olleista hapettumisenestoaineista. (Perrier & Beroual 2008) ABB:n mukaan kasviöljyn rasvahappopitoisuudella onkin merkitystä hapettumiseen siten, että enemmän oleiinihappoa sisältävät (high-oleic) öljyt ovat stabiilimpia kuin vähemmän rasvahappoja sisältävät (lowoleic) öljyt (ABB 2009). Myös muiden tutkimusten mukaan nimenomaan nesteiden rasvahappopitoisuus vaikuttaisi niiden stabiilisuuteen (Boss & Oommen 1999). Eristysnesteen vanhetessa voivat myös sen fysikaaliset ominaisuudet muuttua. Southamptonin yliopistossa tehdyssä vanhenemistutkimuksessa huomattiin kasviöljypohjaisten nesteiden viskositeetin lisääntyvän vanhenemisen myötä. Auringonkukkaöljyllä viskositeetin kasvu oli erittäin suurta nousten noin 110 mm 2 /s:ta lähelle arvoa 2500 mm 2 /s. Mineraaliöljyn vanhentuessa ei ole todettu esiintyvän selkeää muutosta viskositeetissa. Tutkimuksen lopputulosten mukaan kasvipohjaiset öljyt eivät kuitenkaan suoriutuneet mineraaliöljyä huonommin. (Hosier et al. 2008) Vanhennetun luonnonesterin läpilyöntilujuus ei välttämättä merkittävästi heikkene. Perrierin ja Beroualin tutkimuksen tuloksina todettiinkin luonnollisten estereiden läpilyöntikestoisuuden pysyvän nesteen vanhetessa hyvänä ja jossain tapauksissa myös ylittävän vanhennetun mineraaliöljyn jännitelujuuden. (Perrier & Beroual 2008) Muuntajan eristysrakenteeseen käytön aikana päässyttä vettä voidaan arvioida kosteusmittauksilla. Luonnollisilla estereillä kosteuspitoisuuden kasvu ei vaikuta yhtä suorasti läpilyöntilujuuteen kuin mineraaliöljyillä, joilla vesipitoisuuden kasvaessa sataan ppm:ään sähköinen lujuus laskee kv:iin. Envirotemp-esterillä läpilyöntikestoisuus on yli 50 kv vielä vesipitoisuudella 400 ppm. Kyky sitoa hyvin vettä parantaa myös eristysrakenteen paperieristyksen käyttöikää. Envirotempille tehdyissä tutkimuksissa havaittiinkin, että sen kanssa käytetty paperi pysyy käyttökelpoisena 5-8 kertaa pidempään kuin mineraaliöljyllä impregnoitu paperi. (Longva 2005) Myös BIOTEMPillä impregnoidun paperin kerrotaan vanhenevan hitaammin kuin mineraaliöljyllä impregnoidun (ABB 2009). Kasvipohjaiset esterit ovat melko voimakkaasti kaasua imeviä. Vanhenemisprosessin etenemisen tunnistamiseksi nesteille tehtävät kaasuanalyysit voivat tämän vuoksi antaa todellisuutta paremman kuvan nesteen kunnosta. Näin ollen mineraaliöljyn vikaantumisen tutkimisessa käytetyt raja-arvot eivät todennäköisesti päde estereille. Estereiden erilaisen kaasunmuodostumistaipumuksen vaikutusta estereiden kaasuanalyysiin tuleekin vielä tutkia, jotta siitä saadut tulokset olisivat luotettavia. (Perrier & Beroual 2008)

50 4. YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISTEN ERISTYSNESTEIDEN TEKNISET OMINAISUUDET Käyttö Vaikka joitain kasviöljyjä on suunniteltu kondensaattorien eristyskäyttöön soveltuviksi jo vuonna 1962, on luonnollisten estereiden ominaisuuksia tutkittu lähinnä muuntajien eristyskäytössä. Niitä voidaan käyttää muuntajaöljyn paikalla uudelleentäytön yhteydessä tai uusissa muuntajissa millä tahansa jännitetasolla. Ensimmäinen luonnollisella esterillä täytetty muuntaja on otettu käyttöön Yhdysvalloissa vuonna 1996, jonka jälkeen kymmenen vuoden aikana on asennettu yli esterieristeistä muuntajaa. Kokoluokiltaan muuntajat ovat vaihdelleet aina 10 kva:sta 200 kva:iin. (McShane et al. 2006) Kasviöljypohjaisia estereitä voidaan siis käyttää muuntajissa kuten mineraaliöljyäkin. Kaasua imevästä luonteestaan johtuen niiden käyttö on suositeltavaa nimenomaan ilmaeristetyissä systeemeissä (Perrier & Beroual 2008). Luonnollisia estereitä voidaan käyttää kerrostetussa eristysrakenteessa yhdessä paperin kanssa, jolloin eristyksen suunnittelussa tulee kuitenkin mahdollisesti ottaa huomioon kasviöljypohjaisten estereiden mineraaliöljystä poikkeavat ominaisuudet. Tämän lisäksi luonnonestereitä, kuten synteettisiäkin, voidaan sekoittaa mineraaliöljyn kanssa. Näihin käyttötarkoituksiin keskitytään tarkemmin luvussa 6. Kaupallisista tuotteista jäähdytys- ja eristysneste Envirotemp on valmistettu käytettäväksi jakelumuuntajissa, mutta sen käyttö on laajentunut myös muihin komponentteihin, kuten kytkimiin ja tasasuuntaajiin. Envirotemp soveltuu ominaisuuksiensa puolesta hyvin myös kuormankatkaisun laitteisiin. BIOTEMP puolestaan on käytössä pienissä teho- ja jakelumuuntajissa Yhdysvalloissa. Sitä suositaan erityisesti runsaasti asutetuilla alueilla ympäri Pohjois-Amerikkaa. Molempia nesteitä voidaan käyttää myös sisätiloissa ja muissa paloherkissä tiloissa. Ne soveltuvat sekoitettavaksi mineraaliöljyn kanssa parantaen tällöin sen paloturvallisuuttakin. (Cooper Power 2001; ABB 2009)

51 43 5. ERISTYSNESTEIDEN YMPÄRISTÖVAIKUTUKSET Eristysnesteiden valinnassa ei ole enää tärkeintä vain niiden hyvät fysikaaliset ja sähköiset ominaisuudet. Yhä enemmän painotetaan myös nesteiden myrkyttömyyttä ja vähäisiä ympäristövaikutuksia. Luontoon joutuessaan eristysnesteen tulisikin aiheuttaa mahdollisimman vähän toimenpiteitä. Ympäristövaikutuksia voidaan arvioida tutkimalla nesteen hajoamista luonnossa, sen kulkeutumista eri alueilla ja kertymistä ravintoketjuun. Mikäli kemikaali voi päästä luontoon, on tärkeää myös tuntea sen terveysvaikutukset ja vaikutukset luonnon eliöihin Yleistä ympäristövaikutuksista Eristysnestettä sisältävä komponentti voi rikkoutua joko vanhuuden tai yllättävän vikaantumisen myötä, jolloin eristysnestettä voi päästä vuotamaan sen säiliöstä. Vuoto voi olla pitkäaikaista tai äkillistä. Pitkäaikaisessa vuodossa nestettä tihkuu vähitellen esimerkiksi säiliön tiivisteistä, venttiileistä tai saumoista, ja nestettä pääsee valumaan maaperään vain pieni osa koko muuntajan nestemäärästä. Äkillisen vuodon tapauksessa säiliöstä vapautuneen nesteen määrä on huomattava, ja ympäristön pilaantuminen on todennäköistä. Äkilliset vuodot syntyvät muuntajan sisäisten tai ulkoisten valokaarien aiheuttamista räjähdyksistä ja säiliön reikiintymisestä. Muuntajan vuoto aiheuttaa aina lähiympäristön kasvillisuudelle poikkeustilanteen. Eristysnesteen ominaisuuksista riippuen ympäristö voi pilaantua pahasti, tai tilanne voi olla nopeasti ohimenevä. Luonnossa pysyvät aineet vaikuttavat ympäristöön pidempään kuin nopeasti hajoavat aineet, minkä vuoksi ne voivat lievästi myrkyllisinäkin aiheuttaa ympäristön pilaantumista. Nopeasti hajoavien aineiden vaikutus ei ehdi levitä laajalle alueelle, ja ne eivät sen vuoksi aiheuta niin suurta vaaraa ympäristölle kuin pysyvät aineet. Hajotessaan aine muuttuu myös yleensä haitattomammaksi. (Ova-ohjeet 2010) Ympäristöön päässyt aine voi hajota muun muassa hydrolysoitumalla, valokemiallisesti tai biologisesti. Hydrolysoituminen tarkoittaa aineen muuttumista toiseksi aineeksi vesiliuoksen ionien ja vesimolekyylien vaikutuksesta. Valokemiallinen hajoaminen puolestaan tapahtuu joko suoraan tai epäsuoraan auringonvalon vaikutuksesta. Eristysnesteillä hajoaminen tapahtuu maaperässä pääosin biologisena hajoamisena, eli mikrobien suorittamana orgaanisen aineen hajoamisena. Sen onnistumiseen kuitenkin vaikuttaa usea asia. Aine voi esimerkiksi olla myrkyllistä hajottajamikrobeille, jolloin ne eivät pysty hajottamaan ainetta. Mikäli ainetta esiintyy vain pieninä pitoisuuksina, voi sen hajotuskyky olla häipynyt hajottajien geneettisestä muistista, jolloin hajottaminen on

52 5. ERISTYSNESTEIDEN YMPÄRISTÖVAIKUTUKSET 44 hidasta. Myös aineen kulkeutuminen maaperässä vaikuttaa sen biologiseen hajoamiseen. Syvälle maaperään kulkeutunut aine hajoaa hitaammin kuin maan pintakerroksessa oleva. (Ova-ohjeet 2010) Biohajoamisen nopeutta ja täydellisyyttä voidaan tutkia erilaisilla testeillä. Testien vertailtavuutta vaikeuttaa kuitenkin se, että osassa testejä tutkitaan nesteen valmiutta nopeaan hajoamiseen (ready biodegradation) ja osassa sen lopullisen hajoamisen täydellisyyttä (ultimate biodegradation). Eristysnesteiden biohajoavuuden tutkimiseksi käytetään muun muassa The Coordinated European Council CEC:n testiä L-33, jonka tuloksena saadaan testimateriaalin hiilivetyjen häviäminen 21 päivän aikana. Tämä menetelmä soveltuukin ennemmin biohajoavuuden nopeuden kuin lopullisen hajoamisen tarkasteluun. Testiä on myös kritisoitu yksipuoliseksi ja sen on epäilty antavan vääriä tuloksia. Lopullista biohajoavuutta mittaavia testejä ovat muun muassa Organisation for Economic Co-operation and Development OECD:n Modified Sturm-menetelmä ja Yhdysvaltain Environmental Protection Agency EPA:n Shake Flask-testi, joissa määritetään testattavan nesteen hiilen muuttuminen hiilidioksidiksi 28 päivän aikana. Tulos ilmoitetaan prosentteina. Näissä testeissä voidaan kuitenkin mitata myös valmiutta biohajoamiseen. Mikäli 60 % testinesteen hiilestä on muuttunut hiilidioksidiksi kymmenen vuorokauden kuluessa 10 %:n rajan ylittymisestä, voidaan neste todeta nopeasti biohajoavaksi. (Novick et al. 2006) Biohajoavuuteen maaperässä vaikuttavat luonnollisesti myös maaperän ominaisuudet. Testeissä käytetyt olosuhteet ovat usein ideaaliset testin onnistumiselle, toisin kuin normaalissa käyttötilanteessa. Muun muassa maaperän lämpötila, happamuus, happipitoisuus ja siinä olevat ravinteet vaikuttavat biologisen hajoamisen nopeuteen. (Pasanen 1991) Puhdistettaessa vuotopaikkaa sen olosuhteita pyritäänkin parantamaan ja täten edistämään eristysnesteen hajoamista. Biohajoamisprosessia voidaan nopeuttaa esimerkiksi lisäämällä maaperään ravinteita. (IEEE 2008, s.22). Muuntajan säiliöstä vuotanut neste voi päätyä ilmaan, veteen tai maahan. Eristysnesteet joutuvat todennäköisesti maahan, josta ne voivat kuitenkin kulkeutua veteen. Kulkeutumista maaperässä voidaan päätellä muun muassa aineen vesiliukoisuudesta. Hyvin veteen liukenevat aineet kulkeutuvat helposti ja leviävät ympäristöön laajalle alueelle. Ne eivät kuitenkaan kerry herkästi eliöihin ja ovat melko biohajoavia. Nopeasti kulkeutuvina vesiliukoiset aineet voivat kuitenkin ohittaa maan hajottajavyöhykkeen ja kulkeutua pohjaveteen sellaisinaan. Veteen liukenemattomatkin aineet voivat päätyä pohjaveteen, minkä vuoksi on tärkeää, että aine olisi mahdollisimman myrkytön. (Ovaohjeet 2010) Aineen myrkyllisyyttä eliöille voidaan arvioida monilla erilaisilla kokeilla. Myrkyllisyys vaikuttaa paljon aineen ympäristövaikutuksiin, minkä vuoksi sen tunnistaminen on olennaista. Yleisesti käytössä olevat kokeet mittaavat pitoisuuksia, joilla koe-eliöissä näkyy muutoksia, esimerkiksi levillä mitataan niiden kasvun estymistä. Välitöntä myrkyllisyyttä mittaavien kokeiden perusteella luokitellaan ympäristölle vaaralliset aineet. (Ova-ohjeet 2010) Monesti myrkyllisyyttä mitataan LD50 (Lethal Dose) ja LC50 (Lethal Concentration) -arvoilla. LD50-arvo kuvaa koe-eläimistä puolet tappavaa annosta ja

53 5. ERISTYSNESTEIDEN YMPÄRISTÖVAIKUTUKSET 45 LC50-arvo vastaavaa pitoisuutta. Haitallisten, myrkyllisten ja erittäin myrkyllisten arvojen annosmäärät on esitetty taulukossa 13. LD50-arvot on testattu rotilla, ja LC50-arvot kaloilla 96 tunnin testissä. Taulukko 13. LD50 ja LC50 raja-arvot. (Valtion ympäristöhallinnon 2009b; Ova-ohjeet 2010) LD50 [mg / kg] LC50 [mg / L] Nieltynä Ihon kautta Haitallinen Myrkyllinen < 10 Erittäin myrkyllinen < 25 < 50 < Hajoavuus luonnossa Eristysnesteen biohajoavuutta pidetään sen ympäristöystävällisyyden merkkinä. Uudet esterit ovat perinteisiin nesteisiin verrattuna helpommin biohajoavia. Biohajoavuutta tarkastellessa tulee kuitenkin muistaa, että yksittäisten nesteiden biohajoavuuteen vaikuttaa suuresti nesteen koostumus. Täten voi esimerkiksi eri muuntajaöljyjen biohajoavuus vaihdella suuresti käytetyn raakaöljyn ja valmistusmenetelmien mukaan. Mineraaliöljyjen biologinen hajoaminen riippuu suuresti siitä, mistä hiilivetyryhmistä öljy koostuu. Muuntajaöljyt sisältävät lähinnä nafteeneja ja parafiineja, joiden suhteet riippuvat suunnitellusta käyttötarkoituksesta. Nafteenia sisältävän raakaöljyn hajoaminen on hyvin hidasta, eikä raakaöljy milloinkaan hajoa täydellisesti. Koska parafiinien rakenne on yksinkertaisempi kuin nafteenien, on myös niiden biohajoavuus tehokkaampaa. Lisäksi maahan päässeestä öljystä häviää haihtumalla pieni osa, pääosin öljy kuitenkin imeytyy maahan. Biohajoamiseen vaikuttaakin se, kuinka syvälle maaperään öljy imeytyy. Öljy saattaa pysyä hapettomassa maassa syvällä maaperässä vuosikymmeniä, mutta maan pintakerroksissa mikrobit pääsevät hajottamaan öljyä. Pintavedestä öljy hajoaa lähinnä haihtumalla ja valon aikaansaaman hapettumisen avulla. Maassa öljyn biologiseen hajoamiseen on kuitenkin melko hyvät olosuhteet, sillä maassa on valmiina ravinteita, hajotusbakteereja ja -sieniä. (Pasanen 1991, s.36-39) Öljyn hajoaminen maaperässä on kuitenkin melko hidasta, tyypillisesti mineraaliöljy biohajoaa 30 %:sti ja korkean lämpötilan mineraaliöljy vain 20 %:sti. (Suwarno & Darma 2008) Silikoniöljyjen hajoaminen maaperässä perustuu hydrolyysiin. Polydimetyylisiloksaaneja tutkittaessa on niiden todettu hajoavan kuivassa maassa lähes kokonaan alle kahdessa viikossa muodostaen lähinnä monomeerisia dimetyylisilanedioleja. Nämä hajoamistuotteet puolestaan biohajoavat tai haihtuvat maasta siten, että PDMS:n lopullisiksi hajoamistuotteiksi jää CO 2 ja epäorgaaninen silikaatti. Märässä maassa silikonien hajoaminen kuitenkin hidastuu huomattavasti vain 3 %:iin puolessa vuodessa. Myös luonnon olosuhteissa tehdyssä tutkimuksessa hajoamisnopeus oli huomattavasti hi-

54 5. ERISTYSNESTEIDEN YMPÄRISTÖVAIKUTUKSET 46 taampi kuin edellä mainitut kaksi viikkoa, mutta kuitenkin nopeampi kuin märässä maassa. (Dow Corning 1998; Lehmann et al. 1999) Kokeissa tutkitut silikonit ovat polydimetyylisiloksaaneja, joita käytetään muun muassa kotitalouksissa. Nämä tutkimukset eivät siis ole toteutettu erityisesti muuntajissa käytetyille silikoniöljyille, vaan yleisesti PDMS:lle. Valmistajat tarjoavatkin erittäin vähän tietoa silikoniöljyjen ympäristövaikutuksista. Synteettisten estereiden kehittämisen lähtökohtana on ollut ympäristöystävällisen vaihtoehdon löytäminen polyklooratuille bifenyyleille ja myöhemmin muuntajaöljylle. Esterit hajoavatkin luonnossa biologisesti mikrobien vaikutuksesta. Eräässä tutkimuksessa selvitettiin voiteluaineina käytettävien mineraaliöljyn, synteettisen esterin ja luonnollisen esterin biologisia hajoavuuksia. Nesteille tehtiin erilaisia biologista hajoavuutta määrittäviä kokeita. CEC:n 21 päivän testissä synteettisille estereille on saatu erittäin hyviä tuloksia. Kaikkien tutkimuksessa mitattujen estereiden biohajoavuuksiksi saatiin yli 95 %, kun samassa tutkimuksessa mineraaliöljyjen biohajoavuuksiksi saatiin %. EPA:n Shake Flask-testistä hieman muokatussa tutkimuksessa hiilidioksidiksi oli 28 päivän aikana muuttunut % hiilestä. Mineraaliöljyille vastaavat testitulokset olivat %. Synteettisen esterin hajoavuus on siis selkeästi parempi kuin mineraaliöljyn, vaikka lopullinen biohajoavuus EPA:n kokeen mukaan on alhaisimmillaan vain 61 %. Toisin kuin muut testit OECD:n koe tehtiin tutkimuksessa vain yhdelle yhdeksästä tutkitusta synteettisestä esteristä. Tälle nesteelle biologisen hajoavuuden määräksi saatiin 81 %. (Novick et al.2006) Pitkään markkinoilla ollut synteettinen esteri Midel on valmistajan mukaan luokiteltu helposti biohajoavaksi, sillä ulkopuolisen tahon tekemässä tutkimuksessa siitä oli biohajonnut 89 % 28 päivän kokeessa. Midelin biohajoavuus prosentteina näkyy kuvassa 10. Voidaan huomata, että Midel täyttää ehdon helposti biohajoavalle tuotteelle, sillä kymmenen vuorokauden kuluttua 10 %:n rajasta neste oli hajonnut jo 71 prosenttisesti. Perinteisiin eristysnesteisiin verrattuna Midelin biohajoavuus on erittäin hyvää, sillä mineraali- ja silikoniöljyn hajoavuus samassa 28 päivän testissä oli alle 10 %. (M&I Materials 2009)

55 5. ERISTYSNESTEIDEN YMPÄRISTÖVAIKUTUKSET 47 Biohajoavuus Aika (päivää) Kuva 10. Midelin biohajoavuus prosentteina ajan funktiona. (M&I Materials 2009) Luonnollisia estereitä on ryhdytty kehittämään nimenomaan ympäristöä ja terveyttä säästäviksi, uusiutuviksi vaihtoehdoiksi mineraaliöljyille. Erilaisille voiteluaineille tehdyssä tutkimuksessa selvitettiin myös erään kasviöljyn biohajoavuutta. Tulosten suhteen tutkimus ei kuitenkaan ole yhtä kattava kasviöljylle kuin synteettisille estereille, sillä tutkittavia kasviöljyä oli vain yksi, kun synteettisiä estereitä mittauksissa oli yhteensä yhdeksän. Saadut arvot biologiselle hajoamiselle olivat kuitenkin hyvät. CEC:n kokeessa 21 päivän aikana oli kasviöljystä hajonnut yli 95 %, kuten synteettisillä estereilläkin. EPA:n testissä puolestaan 81 % kasviöljyn sisältämästä hiilestä oli muuttunut hiilidioksidiksi ja vastaavassa OECD:n 28 päivän kokeessa tulokseksi saatiin 94 %. Kaupallisille estereille tehdyissä tutkimuksissa on saatu myös erittäin hyviä tuloksia niiden biohajoavuudesta. Tuoteselosteen mukaan BIOTEMPille tehdyssä CEC:n 21 päivän hajoavuustestissä nesteen biohajoavuus oli 100 %, kun samassa testissä synteettisen esterin hajoavuus jäi hieman yli 80 %:iin. Nämä ennemmin biohajoavuuden valmiutta kuin lopullisen hajoavuuden tasoa kuvaavan testin tulokset näkyvät kuvassa 11. Luonnonesteri Envirotemp puolestaan vastaa EPA:n vaatimuksia täydellisesti biohajoavasta (ultimately biodegradable) aineesta. Senkin hajoavuudeksi on siis ilmoitettu 100 %. (M&I Materials 2001; Novick et al. 2006; ABB 2009)

56 5. ERISTYSNESTEIDEN YMPÄRISTÖVAIKUTUKSET 48 BIOTEMP Synteettinen esteri Mineraaliöljy HTH Silikoniöljy Kuva 11. Eristysnesteiden biohajoavuus 21 päivän testissä. (ABB 2009) BIOTEMP-esterin biologinen hajoavuus on ABB:n ilmoittamien tietojen mukaan vielä synteettistä esteriä huomattavasti parempi. Toisen tutkimuksen CEC:n testeissä saatiin synteettiselle esterille ja kasviöljylle yhtä suuri hajoavuus (< 95 %), tosin kyseessä oli voiteluaineille tehty tutkimus. Lopullista biohajoavuutta tutkivissa EPA:n ja OECD:n testeissä kasviöljylle saatiin synteettisten estereiden tasoa vastaava ja niitä parempi hajoavuus. Vaikka kuva 11 onkin BIOTEMPin valmistajan julkaisema eikä kuvaa nesteiden täydellisen biohajoamisen suuruutta, on siinä esitetty järjestys niiden biohajoavuudelle oikea. Tulee kuitenkin muistaa, että mikrobien kyky hajottaa ainetta riippuu paljon sen koostumuksesta. Vastoin yllä esitettyä järjestystä voi siis joku synteettinen esteri hajotakin paremmin kuin luonnollinen esteri. Laboratoriomittausten tulokset eivät ole suoraan verrattavissa todelliseen tilanteeseen, sillä nesteiden hajoavuus luonnossa hidastuu esimerkiksi kylmien talvikuukausien aikana. Laboratoriotestien ihanneolosuhteissa tehtyihin mittauksiin tuleekin suhtautua hieman kriittisesti, sillä tällaisten olosuhteiden toistuminen luonnossa on melko harvinaista. Testeistä saadaan kuitenkin informaatiota samassa olosuhteessa tapahtuvasta hajoamisesta ja nesteiden välisestä järjestyksestä Kulkeutuminen ja kertyminen eliöihin Nesteen kulkeutuminen ympäristössä riippuu nesteen vuotopaikan sijainnista. Mikäli nestettä on päässyt maaperään, on paikallinen maa-aines merkittävä tekijä nesteen kulkeutumisessa. Veteen vuotanut neste voi käyttäytyä aivan eri tavalla kuin maaperään päässyt. Erityisen tärkeää on tietää nesteen käyttäytyminen maaperässä, kun toimitaan pohjavesialueella. Toisaalta nesteen liikkumiseen luonnossa vaikuttaa myös sen kertyminen eliöihin, sillä eliöihin kertyneet aineet voivat kulkeutua ravintoketjussa ylöspäin. Öljyn kulkeutuminen maaperässä riippuu öljyn ja maaperän ominaisuuksista. Maaperässä pohjaveteen asti pääsee kulkeutumaan paremmin kevyet kuin raskaat öljytuotteet. Toisaalta raskaat öljyt ovat nimenomaan vesistöille vaarallisempia kuin kevyet. Maaperän maa-aineksesta riippuen öljyn imeytyminen maahan voi olla erittäinkin nopeaa. Moreeni, savi- tai kalliomaahan öljy ei juuri imeydy, jolloin sen kulkeutuminen on lähinnä salaojien ja muiden kaivantojen varassa. Sen sijaan sora- ja hiekkamaiden hyvästä läpäisevyydestä johtuen öljyn imeytyminen vie vain muutamista minuuteista muutamiin tunteihin. Tällöin öljy voi kulkeutua aina pohjaveteen asti, jossa se levittäy-