大多数人不会再考虑美国电网——我们按下开关，灯就会亮起来。幕后是数以千计的发电厂和公用事业公司，由数百万英里的输电线路连接起来。为了使原始电力发挥作用，电网变压器将高压转换为可供数百万家庭使用的低压。
变压器正在老化，平均寿命已接近30至40年。此外，他们还面临着比以往任何时候都更大的压力，这些压力是由可再生能源等因素以及飓风、热浪和冬季风暴等极端天气事件带来的。典型的例子是2021年德克萨斯州发生的事件，导致数百万人无能为力。
就在那时，德克萨斯大学奥斯汀分校(UTAustin)的研究人员决定研究电网变压器的内部，看看是否可以改进它们。电网变压器充满了铜绕组、其他金属部件以及牛皮纸等基于纤维素的电绝缘材料。纤维素绝缘体是“降低”电压过程中必不可少的重要电绝缘体，但它也会积聚热量，从而导致过热。
德克萨斯大学科克雷尔工程学院副教授VaibhavBahadur表示：“我们研究了一种新型纳米材料，采用传统的纤维素纸，并在其中掺杂高导热性纳米和微米尺寸的颗粒。”奥斯汀.
Bahadur是Heliyon发表的一项研究的通讯作者，该研究模拟了高导热纸对电网变压器性能和寿命的影响。这是第一项预测调整纸张导热率可以在多大程度上延长变压器寿命的研究。
在德克萨斯州高级计算中心(TACC)的Stampede2超级计算机上进行的模拟帮助Bahadur和他的合作者设计了解决电网变压器过热问题的解决方案，而电网变压器是电网的关键组成部分。
马里兰大学和美国农业部林产品实验室的合作者使用氮化硼纳米粒子制造了高导热率纸。Bahadur的实验室构建了变压器的3D模型，以模仿实际的电网变压器，该变压器由研究合著者、同样来自科克雷尔工程学院的RobertHebner拆开并进行了研究。
“该研究的实验部分对于测试是否投资改善变压器安装至关重要，”赫布纳说。“我们向机电中心捐赠了一台变压器，该变压器由德克萨斯大学奥斯汀分校的一兆瓦微电网供电。我们可以连接它并上下运行温度，我们可以测量变压器的行为。模型和测量结果相吻合非常好，”赫布纳说。
“我们的结果表明，如果使用工程纸将导热率提高几倍，变压器内部的热点温度可以降低5至10°C，”他补充道。“在大多数情况下，这应该足以使变压器的寿命延长一倍或三倍。”
Bahadur研究小组获得了TACC的Stampede2超级计算机的拨款，这是美国国家科学基金会为UTAustin研究人员和美国开放科学界数千名其他研究人员提供的计算主力。
“这个模型是使用TACC资源进行模拟来预测热性能的，”Bahadur说。“我们将热导率建模为一个变化的参数，并计算出热导率需要改进的程度才能实现有意义的温度降低。”
主要的计算挑战是对实际变压器内部细节进行建模的巨大挑战。
“为了准确估计温度，我们使用基于有限元方法的精细尺寸网格，并通过扩散传热方程对传导进行建模-这样做的计算成本很高，”巴哈杜尔说。“我们使用Stampede2的主要原因是在几分钟/几小时内完成模拟，而不是等待几天才能得到结果。”
接下来，研究人员将测试小型变压器原型，并添加导热纸，以研究其在负载波动的操作环境中的表现。
这项研究有可能在现实世界中找到应用，即可以用改进的纳米和微米颗粒增强隔热纸来制造新的变压器。旧变压器可以在例行整修期间用新纸进行改造。
“我们不是从一个变压器项目开始，而是从一个半导体项目开始。这项研究的目的是利用我们拥有的大量电子设备，通过更凉爽、更高效的方式使它们运行得更好，”赫布纳补充道。