The study of jatropha curcas oil-based biodegradable insulation materials for power transformer

par Henry Binsar Hamonangan Sitorus

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Abderrahmane Beroual, Setijo. Bismo et de Rudy Setiabudy.

Le président du jury était Wayan Gede Ariastina.

Le jury était composé de Serge Agnel, Jérôme Castellon.

Les rapporteurs étaient Issouf Fofana.

  • Titre traduit

    Etude d'une huile biodégradable à base de Jatropha curcas comme matériau isolant pour transformateurs de puissance


  • Résumé

    Ce travail porte sur la caractérisation physico-chimique de l'huile de Jatropha Curcas et sa capacité à remplacer l'huile minérale dans les transformateurs de puissance. Ce produit présente plusieurs avantages sur les autres huiles végétales comme l'huile de palme ou l'huile de colza, qui recommandent sa production et son utilisation. En effet, la plante de Jatropha Curcas peut être cultivée sur des sols pauvres à faibles précipitations, évitant ainsi d'utiliser des sols plus fertiles pour sa culture permettant ainsi aux petits exploitants de réserver leurs terres aux cultures de base. Cette plante peut pousser facilement dans des zones où les niveaux de précipitations annuelles sont nettement inférieures à celles requises par d'autres espèces telles que le colza, le tournesol, le soja, le maïs, le palmier à huile et d'autres. Elle peut être cultivée sur tous les types de sol en Indonésie, même sur des terres arides, dans de nombreuses régions de l'Indonésie orientale, inexploitées en raison des difficultés à planter d'autres cultures. En outre, l'huile de Jatropha Curcas est un produit non alimentaire. En faisant subir à l’huile de Jatropha Curcas brute une estérification à base alcaline avec de l'hydroxyde de potassium (KOH), on obtient de l’huile de méthylester de Jatropha Curcas (JMEO) dont la viscosité et l’acidité sont acceptables pour les équipements à haute tension en particulier pour les transformateurs de puissance. Les propriétés physico-chimiques et électriques de JMEO ont été mesurées ainsi que celles de l'huile minérale (MO) pour la comparaison. Pour les propriétés physico-chimiques, il s’agit de la densité relative, la teneur en eau, la viscosité, l'acidité, l'indice d'iode, la corrosivité, le point d'éclair, le point d'écoulement, la couleur, l'examen visuel, et la teneur en ester méthylique. Quant aux propriétés électriques, elles concernent la rigidité diélectrique sous différentes formes de tension (alternative, continu et choc de foudre), les phénomènes de pré-claquage et de claquage sous choc de foudre, les décharges glissantes sur les surfaces de carton comprimé, immergé dans JMEO et MO. Les résultats obtenus montrent que les tensions de claquage moyennes en continu et en choc de foudre des huiles JMEO et MO sont très proches ; la tension de claquage moyenne de JMEO est même plus élevée que celle de l'huile minérale (de type naphténique). La mesure des tensions de claquage des mélanges d'huiles «80% JMEO + 20% MO» et «50% JMEO et 50% MO» montrent que la tension de claquage du mélange «80% JMEO + 20% MO» est toujours supérieure à celle de l'huile minérale sous tensions alternative et continue. Cela indique que le mélange d'huile minérale et de JMEO avec un rapport de 20:80 ne dégrade pas ses performances. Le mélange d'huiles peut se produire lors du remplacement de l'huile minérale par JMEO dans les transformateurs installés et en exploitation. L'analyse des caractéristiques des streamers (la forme, le temps d'arrêt, le courant associé et la charge électrique) se développant dans les huiles JMEO et MO sous tension impulsionnelle de foudre, montre une grande similitude. Aussi, la longueur finale (Lf) et la densité des branches des décharges surfaciques se propageant sur le carton comprimé immergé dans l'huile de Jatropha Curcas de méthylester (JMEO) et de l'huile minérale (MO), sous tensions de choc de foudre positif et négatif (1,2/50 μs), pour deux configurations d'électrodes divergentes (électrode pointe haute tension perpendiculaire et tangente au carton, respectivement), sont fortement influencées par l'épaisseur du carton comprimé. Pour une épaisseur donnée, Lf augmente avec la tension et décroît lorsque l'épaisseur augmente. Lf est plus long lorsque la pointe est positive que lorsque la pointe est négative. Pour une tension et une épaisseur du carton comprimé donnée, les valeurs de Lf dans l’huile minérale et l’huile JMEO sont très proches. [...]


  • Résumé

    This work is aimed at the investigation of the physicochemical characterization of Jatropha Curcas seeds oil and its capacity to be an alternative option to replace mineral oil in power transformers. This product presents several advantages that recommend both its production and usage over those of other vegetable oils as crude palm oil and rapeseeds oil. Indeed, it may be grown on marginal or degraded soils avoiding thus the need to utilize those more fertile soils currently being used by smallholders to grow their staple crops; and it will readily grow in areas where annual rainfall levels are significantly lower than those required by other species such as palm oil, rape-seeds oil, sunflower oil, soybeans oil, corn oil and others. For instance, these plants can grow on all soil types in Indonesia, even on barren soil. The barren soil types can be found in many parts of eastern Indonesia that remain untapped because of the difficulty planted with other crops. Moreover, jatropha curcas oil is nonfood crops. Jatropha Curcas oil was processed by alkali base catalyzed esterification process using potassium hydroxide (KOH) to produce Jatropha Curcas methyl ester oil (JMEO) has a viscosity and a acidity that are acceptable for high voltage equipment especially in power transformer. The physicochemical and electrical properties of JMEO were measured as well as those of mineral oil (MO) for comparison. The physicochemical properties cover relative density, water content, viscosity, acidity, iodine number, corrosivity, flash point, pour point, color, visual examination, and methyl ester content. Meanwhile the electrical properties cover dielectric strength under AC, DC and lightning impulse voltages, pre-breakdown / streamers under lightning impulse voltage, creeping discharge over pressboard immersed in JMEO and MO. The obtained results show that the average DC and lightning impulse breakdown voltages of JMEO and MO are too close, even the average AC breakdown voltage of JMEO are higher than that of mineral oil (napthenic type). The measurement of breakdown voltages of two oil mixtures namely “80% JMEO + 20% MO” and “50% JMEO and 50% MO” shows that the breakdown voltage of the first mixture (i.e., “80%JMEO+20%MO”) is always higher than that of mineral oil under both AC and DC voltages. This indicates that mixing 20:80 mineral oil to JMEO ratio does not degrade its performance. The mixing of oils can occur when replacing mineral oil by JMEO in installed transformers. The analysis of the streamers characteristics (namely; shape, stopping length, associated current and electrical charge) developing in JMEO and MO under lightning impulse voltages, shows that these are too close (similar). It is also shown that the stopping (final) length Lf and the density of branches of creeping discharges propagating over pressboard immersed in Jatropha Curcas methyl ester oil (JMEO) and mineral oil (MO), under positive and negative lightning impulse voltages (1.2/50 μs), using two divergent electrode configurations (electrode point perpendicular and tangential to pressboard), are significantly influenced by the thickness of pressboard. For a given thickness, Lf increases with the voltage and decreases when the thickness increases. Lf is longer when the point is positive than with a negative point. For a given voltage and thickness of pressboard, the values of Lf in mineral oil and JMEO are very close. It appears from this work that JMEO could constitute a potential substitute for mineral oil for electrical insulation and especially in high voltage power transformers.


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  • Détails : 1 vol. (xxxviii-100 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 91-98

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