voeto.ru   страница 1страница 2страница 3
скачать файл

9.5. Газостойкость масел в электрическом поле

Для современных трансформаторов характерны высокая напряженность электрического поля и использование в конструкциях трансформаторов высокого напряжения изоляции кабельного типа, что позволяет говорить о сближении условий работы масла в трансформаторах, кабелях и конденсаторах. В связи с этим к трансформаторному маслу предъявляется новое требование – поглощать, а не выделять газы под воздействием электрического поля. Повышение газостойкости масел может снизить опасность газового пробоя.



Воздействие разрядов на углеводороды. Приложение к газу или пару соответствующей разности потенциалов приводит к возникновению в них самостоятельного разряда независимо от наличия внешних источников ионизации (космические, рентгеновые и радиоактивные лучи, эмиссия с электродов, воздействие света и др.). Регулируя давление газа и напряженность поля, можно полу­чать различные формы разряда.

Химические реакции, протекающие под воздействием электриче­ского поля, имеют сложный характер. Полагают, что они осуществляются в две стадии. Первая сводится к элементарным процессам образования разнообразных активных газовых частиц (электронов, ионов, радикалов, возбужденных атомов и молекул). Во второй стадии проходят реакции взаимодействия этих частиц между собой и с нейтральными молекулами.

Поскольку в эксплуатационных условиях продукты реакции не выводятся из зоны действия разряда, идут вторичные реакции, еще более усложняющие состав образующихся веществ. Кроме того, воздействие разряда может осложняться присутствием двух фаз: газообразной и жидкой.

9. 6. Состав продуктов, образующихся при воздействии разрядов на масла

При воздействии разрядов на масла различного происхождения независимо от газовой атмосферы (водород, азот, воздух) основным образующимся газом является водород. Кроме того, в атмосфере водорода образуются метан, этан, этилен, ацетилен, пропан, пропилен и другие углеводородные газы. В среде азота, помимо этих газов, возможно присутствие аминов и аммиака. Состав соединений, содержащих азот в газовой и жидкой фазах, изучен слабо. В атмосфере кислорода, кроме водорода и углеводородных газов, могут присутствовать летучие продукты окисления (пары воды, низкомолекулярные перекиси, альдегиды, спирты, кислоты, CO2, СО) и озон.

Имеется прямая зависи­мость между газостойкостью масел и содержанием в них ароматических углеводородов; когда содержание ароматических углеводородов достигает 20%, масло становится газопоглощающим.

Все отечественные трансформаторные масла можно оценить как газостойкие в электрическом поле.


9.7. Диэлектрические потери в трансформаторном масле
При частоте 50 Гц (используемой обычно в трансформаторах) диэлектрические потери в жидких изоляционных маслах определяются практически только проводимостью; дипольные потери в этих жидкостях не имеют места, так как время релаксации (порядка 10–11…10–12 с) намного меньше частоты.

Экспериментальные данные по определению зависимости между тангенсом угла диэлектрических потерь tg и удельной проводимостью  при частоте 50 Гц подтверждают отсутствие дипольных потерь в масле при температурах от 20 до 100° С.

Таким образом, при рассмотрении причин диэлектрических потерь в трансформаторном масле при 50 Гц потери, связанные с поляризацией, т.е. локальным смещением зарядов и поворотом диполей, можно не принимать во внимание.

Тангенс угла диэлектрических потерь tg для трансформаторных и других не очень вязких изоляционных масел при температуре выше 20° при 50 Гц можно с достаточной для практики точностью рассчитывать по удельной проводимости :

tg = 1,631010.

С повышением частоты тока проявляются дипольные потери. Полярными компонентами масла, повышающими tg масла при высокой частоте, кроме кислородных, сернистых и азотистых соединений, являются ароматические углеводороды.

Поскольку трансформаторное масло работает при частоте 50 Гц, при которой tg определяется практиче­ски только проводимостью, рассмотрим подробнее источники и причины проводимости в свежих и эксплуатационных маслах. Диэлектрические потери в этих условиях обычно объясняют ионной и электрофоретической проводимостью. Основной причиной потерь принято считать ионную проводимость отчасти самого масла, а главным образом его примесей.

Полагают, что продукты окисления масла – вода, низкомолекулярные кислоты, перекиси, спирты и др. – легко диссоциируют на свободные ионы, что проявляется в росте проводимости.



Влияние влаги на диэлектрические потери в масле явилось предметом многочисленных исследований. Вода может находиться в масле как в растворенном, так и в эмульгированном состоянии. В первом случае вода вызывает ионную про­водимость, во втором электрофоретическую.

Эмульсионная вода в противоположность растворенной повышает tg за счет роста электрофоретической проводимости.

При наличии в масле некоторых полярных веществ (например, нафтената натрия) оно приобретает способность самоэмульгироваться, поглощая влагу из воздуха; при этом резко растет tg.

Таким образом, диэлектрические потери, обусловленные присутствием воды, определяются не общим ее содержанием, а состоянием. Вода, образуя в масле истинный раствор, не оказывает влияния на потери в масле, а, будучи, нерастворенной в виде эмульсии с очень малым размером частиц, вызывает резкий их рост. Существует порог концентрации воды в данном масле для задан­ных температуры и относительной влажности воз­духа, выше которого tg сильно возрастает.


9.8. Растворимость газов в трансформаторном масле
При нормальных условиях в трансформаторном масле может раствориться значительное количество газа (табл. 1). Для характеристики растворимости данного газа в масле служит коэффициент абсорбции (или коэффициент Бунзена), который равен объему газа (при нормальных условиях) в единице объема масла, или же коэффициент растворимости, выраженный в объемных процентах.

Растворимость в трансформаторном масле водорода, азота и воздуха с повышением температуры в пределах от +(20 до +80° С возрастает (рис. 3); растворимость кислорода слегка снижается; наконец, растворимость углекислого газа резко снижается.



Рис. 3. Зависимость растворимости газов в трансформаторном мас­ле


от температуры: 1 – воздух; 2 – азот

Высокая растворимость углекислого газа в масле используется для того, чтобы в максимальной степени удалить газовые включения из изоляции трансформаторов высокого напряжения.



Таблица 1 - Растворимость некоторых газов в трансформаторном масле
при +25° С и 760 мм рт.ст.

Наименование газа

Химическая
формула


Коэффициент
растворимости, % (объемн.)

Шестифтористая сера

SF6

43

Перфторпропан

C3F8

39

Воздух



9,4

Азот

N2

8,6

Кислород

O2

16

Аргон

A


15

Углекислый газ

CO2

120

Окись углерода

CO


9

Водород

H2

7

Метан

CH4

30

Этан

C2H6

280

Этилен

C2H4

280

Ацетилен

C2H2

400

Пропилен

C3H6

1200

Пропан

C3H8

1900

Бутан

C4H10

2000

При растворении воздуха в масле соотношение между входящими в состав воздуха газами изменяется. Так, если воздух содержит азота и кислорода соответственно 78 и 21% объемных, то, будучи растворенным в масле, он содержит азота 69,8, а кислорода 60,2% объемных.

Приведенные закономерности справедливы для случая бумажно-масляной изоляции, если диаметр газового включения значительно меньше толщины масляной прослойки между слоями бумаги. Время растворения крупных газовых пузырьков, диаметр которых соизмерим с толщиной масляной прослойки, колеблется в значительных пределах.

Под влиянием электрического поля растворимость газа в трансформаторном масле может изменяться вследствие явления электрострикции. Хотя такие изменения и незначительны, однако вероятность образования газового включения в насыщенном газом трансформаторном масле не исключена. Генерация газовых пузырьков возможна также при вибрации в масле твердых тел. Вибрация приводит к появлению в масле локальных зон пониженного давления.



9.9. Влияние материалов, применяемых в трансформаторостроении,
на старение масла

Быстрое ухудшение качества трансформаторных масел в эксплуатации может происходить как из-за недостаточной химической стабильности масла, так и под воздействием конструкционных и изоляционных материалов трансформатора.

Жесткие требования, предъявляемые современным трансформаторостроением к качеству и долговечности изоляционных и других материалов, а также разработанная за последнее десятилетие широкая номенклатура новых материалов заставляют в каждом конкретном случае обоснованно подходить к их подбору.



Влияние металлов. Металлы находят широкое применение в трансформаторостроении. Для обмоток, шин и т. д. используют медь или алюминий. Из сталей изготавливают баки, опорные и крепежные детали и другие узлы трансформатора. Магнитопровод набирают из листов специальной кремнистой стали. Многие цветные металлы находят применение как антикоррозионные покрытия для черных металлов. В качестве примера в табл. 2 приведены величины удельной поверхности (по отношению к весу масла) меди в трансформаторах различной мощности.
Таблица 2 - Удельная поверхность меди по отношению к весу масла
в трансформаторах различной мощности.

Мощность трансформаторов, кВА

Отношение полной поверхности всего обмоточного провода к весу масла, см2

Мощность трансформаторов, кВА

Отношение полной поверхности всего обмоточного провода к весу масла, см2

300…500

1,36

120000

0,28

2500

0,61

144000

0,57

30000

0,72

183000

0,58

60000

0,30

240 000

0,30

103000

0,59







Известно, что интенсивность каталитического действия металла в процессах окисления масел при прочих равных условиях зависит от величины поверхности металла.

Следует заметить, что измерение величины tg масла является наиболее чувствительным методом, позволяющим обнаружить влияние металлов на окисляемость масла; кислотные числа масел после окисления в присутствии каталитически малоактивных металлов практически не различаются, в то время как величины tg разнятся заметно.

Активность меди в качестве катализатора окисления зависит от состояния ее поверхности.

Таким образом, при оценке воздействия металлов на процесс окисления трансформаторного масла следует принимать во внимание конкретные условия его работы в аппаратуре.

Не только металлы в чистом виде, но и их производные: окислы и соли органических кислот – мыла способны ускорять окисление трансформаторных масел; при этом в ряде случаев повышается tg масла.

Из всех металлов, применяемых в трансформаторостроении, наиболее активными катализаторами окисления масла являются медь и ее сплавы. Алюминий, сталь, олово и их сплавы незначительно ускоряют окисление масла.


9.10. Влияние продуктов окисления трансформаторного масла
на старение твердых изоляционных материалов

Окисление масла в трансформаторе сопровождается разрушением твердой изоляции, основную массу которой составляют материалы, изготовленные на основе целлюлозы. Опыт показывает, что быстрее всего разрушаются электроизоляционная бумага и хлопчатобумажная ткань.

Срок службы трансформатора в основном определяется разрушением твердой изоляции, так как жидкий диэлектрик в течение периода эксплуатации трансформатора меняется неоднократно. К концу эксплуатации бумага приобретает коричневый цвет и становится хрупкой.

Возникающие в трансформаторе в режимах коротких замыканий продольные электродинамические усилия вызывают повышенное смятие изношенной бумажной изоляции в местах прилегания ее к межкатушечным прокладкам. В конечном счете изменения механических свойств и химической структуры бумаги способствуют развитию электрического пробоя; увеличивается опасность возникновения межвитковых замыканий в обмотке трансформатора, приводящих к аварии.

Для нахождения путей повышения долговечности целлюлозных материалов важно правильно оценивать роль отдельных факторов, таких, как температура, электрическое поле, кислород, продукты окисления масла, в том числе вода, действие которых в совокупности определяет скорость старения изоляции при работе в среде масла.

Одним из решающих факторов старения изоляции является температура.

Теоретически скорость старения целлюлозной изоляции трансформаторов можно оценить, используя известное уравнение Аррениуса, описывающее зависимость скорости химических реакций от температуры. Однако в реальных условиях разложение целлюлозы протекает при одновременном воздействии ряда факторов, действующих синергически. Это приводит к значительным отклонениям экспериментальных данных от тех результатов, которые получают экстраполяцией на основании закона Аррениуса. В связи с этим при оценочных испытаниях новых сортов целлюлозной изоляции для трансформаторов температура испытания не должна значительно отличаться от рабочей, хотя и следует учитывать, что продолжительность старения в лабораторных условиях должна быть ограничена разумными пределами.

Быстрое снижение механической прочности кабельной бумаги в масле наблюдается, начиная от 105 до 110° С. Такую температуру считают предельно допустимой для нестабилизированных целлюлозных материалов. Если условно принять, что срок службы трансформатора (на основании данных по износу кабельной бумаги) при 95° С равен 20 годам, то при 120° С он составит только 2,2 года, а при 145° С – всего 3 мес.

В тех случаях, когда старение изоляционной бумаги в масле протекает без доступа кислорода, разложение ее при сравнимых температурах замедляется. Для таких условий установлена определенная зависимость приращения температуры от величины относительной степени полимеризации бумаги, оценивающей ее старение. Эта зависимость носит экспоненциальный характер.

Ускоренное старение целлюлозной изоляции в масле в присутствии кислорода обусловлено главным образом воздействием продуктов окисления масла.

Наиболее интенсивно целлюлозой поглощаются иизкомолекулярные кислоты и вода.

Интересно отметить, что количество воды, накопившееся в бумаге и картоне в продолжение опыта, оказалось значительно большим, чем ее могло образоваться при окислении масла за счет повышенного расхода кислорода в опытах с материалами. Это можно объяснить тем, что часть воды, несомненно, высвободилась при разложении целлюлозы в процессе ее старения.

Более интенсивное окисление масла в присутствии картона (судя по кривым поглощения кислорода) связано с большим весом картона (толщина его в 4 раза превосходит толщину бумаги).

При окислении масла в электрическом поле в присутствии материалов проявляются те же закономерности, которые были описаны выше для случаев окисления масла без изоляции: укрупнение частиц осадка, накопление последнего в зоне максимальной напряженности поля и др. Следует упомянуть, что на образцах изоляции, которые подвергались воздействию электрического поля, образовались темные пятна неправильной круглой формы диаметром около 5 мм. Это связано с осаждением на изоляции движущихся в электрическом поле частиц осадка. Подобного рода явления, очевидно, имеют место и в реальных трансформаторах.

Характерно, что в электрическом поле старение твердой изоляции (например, бумаги) ускоряется. Это можно связать с накоплением осадка на образцах изоляции, который агрессивно воздействует на нее, а также влиянием ионизационных процессов на разложение целлюлозы. Приведенные выше данные свидетельствуют, что при совместном воздействии целлюлозных материалов и электрического поля на процесс старения масла ускоряющее действие этих факторов суммируется. Это обстоятельство имеет важное значение и должно приниматься во внимание при создании методов оценки стабильности масел.

Для предотвращения увлажнения (старения) трансформаторного масла трансформаторы оборудуют термосифонными фильтрами (рис. 4) и различными системами защиты от увлажнения (рис. 5).

Рис. 4. Схема работы трансформатора, оборудованного термосифонным фильтром, осуществляющим непрерывное поглощение из масла продуктов его окисления (1– термосифонный фильтр)


Основные физикохимические показатели эксплуатационных трансформаторных масел приведены в табл. 3.

Рис. 5. Принципиальные схемы конструктивного выполнения различных систем защиты масла в трансформаторах от окисления и увлажнения:

1 – система, работающая при переменном давлении азота, находящегося над поверхностью масла; 2 – система с масляным затвором в расширителе, работающая при атмосферном давлении азота в отсеке расширителя; 3 – система, работающая при постоянном избыточном давлении азота, находящегося над поверхностью масла (а – баллон с азотом; б – редуктор с манометром;
в – регулятор давления); 4 – система, работающая при низком давлении азота: (а – газоосушитель; б – эластичные резервуары); 5 – система, работающая при атмосферном давлении (a – пространство, сообщающееся с атмосферой;
б – эластичный резервуар – компенсатор расширения масла, установленный в расширителе трансформатора); 6система, работающая при атмосферном давлении(а – пространство, сообщающееся с атмосферой; б – эластичная мембрана; в – воздухоосушительный патрон); 7 – система, работающая при атмосферном давлении(а – пространство, сообщающееся с атмосферой;
б – эластичный компенсатор расширения масла, установленный в баке трансформатора); 8 – система, работающая при отрицательном давлении в расширителе трансформатора (а – постоянно действующий вакуум-насос;
б – редукционный клапан для масла).

Таблица 3 - Основные физико-химические показатели эксплуатационных


трансформаторных масел.

Показатель качества масла

Категория электрооборудования

Значение показателя качества масла

Примечание

ограничивающее область нормального состояния

предельно допустимое

1. Пробивное напряжение по ГОСТ 6581-75, кВ, не менее

Электрооборудование:










до 15 кВ включительно



20




до 35 кВ включительно



25




от 60 до 150 кВ включительно

40

35




от 220 до 500 кВ включительно

50

45




750 кВ

60

55




2. Кислотное число по ГОСТ 5985-79, мг КОН/г масла, не более

Силовые и измерительные трансформаторы, негерме­тичные маслонаполненные вводы

0,10

0,25




3. Температура вспышки в закрытом тигле по ГОСТ 6356-75, °С, не ниже

Силовые и измерительные трансформаторы, негерметич­ные маслонаполненные вводы

Снижение более чем на 5 °С в срав­нении с предыду­щим анализом

125




4. Влагосодержание: по ГОСТ 7822-75, % массы (г/т), не более

Трансформаторы с пленоч­ной или азотной защитой, герметичные маслонаполнен­ные вводы, герметичные из­мерительные трансформаторы



0,0025(25)

Допускается опре­деление данного показателя методом Карла Фишера или хроматографическим методом по РД 34.43.107-95

Силовые и измерительные трансформаторы без специаль­ных защит масла, негерметич­ные маслонаполненные вводы

0,0015(15)

0,0030(30)

по ГОСТ 1547-84 (качественно)

Электрооборудование, при отсутствии требований пред­приятий-изготовителей по количественному определе­нию данного показателя

Отсутствие

Отсутствие

5. Содержание механиче­ских примесей:













ГОСТ 6370-83, % (класс чистоты по ГОСТ 17216-71, не более);

Электрооборудование до 220 кВ включительно

Отсутствие (13)

Отсутствие(13)




РТМ 34.70.653-83, %, не более (класс чистоты по ГОСТ 17216-71, не более)

Электрооборудование свы­ше 220 до 750 кВ включи­тельно

0,0020 (11)

0,0030 (12)




6. Тангенс угла диэлектриче­ских потерь по ГОСТ 6581-75, %, не более, при температуре 70 °С/90 °С

Силовые и измерительные трансформаторы, высоко­вольтные вводы:







Проба масла допол­нитель­ной обработке не подвергается. Норма tg5 при 70 °С факультатив­на

110-150 кВ включительно

8/12

10/15

220-500 кВ включительно

5/8

7/10

750 кВ

2/3

3/5

Продолжение таблицы 3.


Показатель
качества масла

Категория электрооборудования

Значение показателя качества масла

Примечание

ограничивающее область нормального состояния

предельно допустимое

7. Содержание водораство­римых кислот и щелочей, мг КОН/г, не более

Силовые трансформаторы, герметичные высоковольтные вводы, герметичные измери­тельные трансформаторы до 750 кВ включительно

0,014



Определение дан­ного показателя производится по РД 34.43.105-89

Негерметичные высоко­вольтные вводы и измери­тельные трансформаторы до 500 кВ включительно

0,030



8. Содержание антиокисли­тельной присадки АГИДОЛ-1 (2,6-дитретбутил-4-метилфенол или ионол) по РД 34.43.105-89, % массы, не менее

Трансформаторы без специ­альных защит масла, негерме­тичные маслонаполненные вводы свыше 110 кВ

0,1






9. Содержание растворимо­го шлама, % массы, не более

Силовые и измерительные трансформаторы, негерме­тичные высоковольтные вво­ды, свыше ПО кВ



0,005

Определение дан­ного показателя производится по РД 34.43.105-89

10. Газосодержание в соот­ветствии с инструкциями предприятия-изготовителя, % объема, не более

Трансформаторы с пленоч­ной защитой, герметичные маслонаполненные вводы

2

4

Допускается опре­деление хроматогра-фическим методом по РД 34.43.107-95

11. Содержание фурановых производных, % массы, не более (в том числе фурфу­рола)*

Трансформаторы и вводы свыше 110 кВ

0,0015 (0,001)




Определение данного показателя производится хроматогра­фическими методами по РД 34.43.206-94 или РД 34.51.304-94

* Показатель 11 рекомендуется определять также в случае обнаружения в трансформаторном масле значительных количеств СО и СО2 хроматографическим анализом растворенных газов, которые свидетельствуют о возможных дефектах и процессах разру­шения твердой изоляции.


Для того чтобы составить себе первоначальное представление о воздействии на изоляцию тех или иных продуктов окисления масла, важно располагать данными о способности изоляции адсорбировать такие продукты. Такие сведения необходимы и для расчетов сложной композиционной изоляции, которую образуют пропитанным маслом целлюлозные материалы. Известные аналитические формулы, характеризующие электрические свойства бумажно-масляной изоляции, справедливы лишь для исходного состояния. Вследствие адсорбции бумагой полярных продуктов из окисляющего масла эти соотношения могут существенно изменяться.

Опыты, проводившиеся в запаянных сосудах с маслом, позволили установить, что бумага и картон обладают явно выраженной избирательной адсорбционной способностью по отношению к различным органическим кислотам. С увеличением молекулярного веса кислот адсорбция их бумагой и картоном уменьшается.

Наиболее интенсивно низкомолекулярные кислоты адсорбируются целлюлозной изоляцией в начальный период; в дальнейшем скорость этого процесса замедляется. Кинетические кривые имеют экспоненциальный вид.

Кабельная бумага обладает способностью адсорбировать довольно значительные количества низкомолекулярных кислот из раствора их в масле.

Рассматривая адсорбцию мыл, следует отметить, что нафтенат меди адсорбируется бумагой и картоном более интенсивно, чем нафтенат железа. Нафтенаты в свою очередь адсорбируются изоляцией значительно сильнее, чем нафтеновые кислоты, из которых они получены. Кинетические кривые адсорбции нафтенов имеют такой же экспоненциальный вид, как и кривые адсорбции кислот.

Адсорбция изоляцией мыл сопровождается снижением диэлектрических потерь масла при одновременном росте потерь в твердой изоляции. Очевидно, с подобного рода явлениями связаны наблюдаемые в эксплуатации случаи повышения tg изоляции трансформаторов (и соответственно снижения ее сопротивления) при работе последних с маслами, имеющими больший tg. Более поздние исследования экспериментально подтвердили такое предположение. Установлено, что коллоидные частицы, находящиеся в свободном масляном слое, обуславливают повышение tg пропитанный этим маслом бумаги. В то же время не найдено строгой зависимости между величинами tg масла и tg пропитанной этим маслом целлюлозной изоляции. Для этих случаев удалось установить связь между tg маслопропитанной бумаги и (при определении на постоянном токе) масла.

Гидроксильные группы глюкозных колец целлюлозы можно рассматривать как центры, вокруг которых осуществляется закрепление посредством водородных связей различных полярных молекул: кислот, спиртов, воды и др.

Рассмотрим влияние старения целлюлозных материалов отдельных соединений из числа тех, которые обычно содержатся в составе продуктов окисления масла.

Действие продуктов окисления на твердую изоляцию легче всего проследить на примере кабельной бумаги и хлопчатобумажной ленты. Эти материалы отличаются относительно невысокой механической прочностью (по сравнению, например, с электротехническим картоном), в силу чего изменения их прочности могут быть легче обнаружены. Опыты проводились в запаянных сосудах с атмосферой азота над маслом, а также в открытых сосудах при свободном доступе кислорода воздуха к поверхности масла в течение 720 ч при температуре 950С.

Механизм старения целлюлозы сложен и недостаточно изучен. Предполагают, что процесс начинается с гидролиза; в дальнейшем происходит окисление с разрывом молекулярных цепей и размыканием глюкозных колец, выделением воды, углекислого газа, окиси углерода, образованием кислых соединений. Чем больше глубина старения целлюлозы, тем больше степень расщепления глюкозных цепей. Этот процесс в известной мере оценивается по изменению таких химических показателей, как степень полимеризации целлюлозы, медное и кислотное числа, а также снижением механической прочности материалов из целлюлозы.

Известна определенная корреляция между механической прочностью целлюлозной изоляции и степень ее полимеризации. Электрическая прочность пропитанной маслом бумаги в результате ее старения практически не изменяется, поскольку разрушенные участки бумаги немедленно заполняются маслом. Таким образом, в данном случае электрические показатели не могут служить индикаторами старения.

Влияние перекисей и кислот. При отсутствии кислорода гидроперекись изопропилбензола (гипериз) не оказывает значительного влияния на механическую прочность изоляции.

На примере одной из наиболее активных низкомолекулярных органических кислот – уксусной – было установлено, что в концентрации, соответствующей кислотному числу масла 0,1 мг КОН/г, последняя практически не оказала влияния на разрушение изоляции. При содержании уксусной кислоты в масле, отвечающем его кислотности 1 мг КОН/г, удается обнаружить неглубокое старение целлюлозных материалов.

Наличие в масле высокомолекулярных кислот – стеариновой и смеси нафтеновых (при кислотном числе масла 1 мг КОН/г) – не влияет на механические характеристики изоляции.

Влияние влаги. В пропитанной маслом бумажной изоляции силовых трансформаторов содержится 0,8…4,7% влаги; нижний предел относится к новым трансформаторам, верхний к – находящимся в эксплуатации. В изоляции измерительных трансформаторов, работающих при небольшом превышении температуры масла над температурой окружающего воздуха, содержание воды значительно выше – в среднем 7,4%.

Увлажнение изоляции трансформаторов происходит в силу ряда естественных процессов: окисления масла, «дыхания» трансформатора, которое происходит при изменения температурного равновесия между маслом и окружающей средой, несовершенство уплотнений и т.д. В новом, хорошо высушенном трансформаторе содержание влаги в изоляции не превышает 0,8%.

Скорость разложения бумаги при концентрации влаги в бумажной изоляции в пределах 0,3…7% пропорциональна количеству содержащей в ней воды. Соответствующие испытания проводились в герметически закрытых сосудах.

Установлено, что при содержании в масле 0,027% растворенной воды и температуре 950С отмечается заметное ухудшение механических характеристик изоляции. Такое значительное увлажнение масла встречается лишь в исключительных условиях (высокая температура окружающего воздуха и 100%-ная относительная влажность). В обычных условиях работы трансформаторов содержание влаги в масле находится в пределах 0,003…0,010%.

При атмосферном давлении по прошествии определенного промежутка времени, длительность которого зависит от температуры, достигается состояние динамического равновесия между влагой, находящейся в воздушной среде над маслом, растворенной в масле и содержащейся в бумаге.

Для количественной оценки содержания воды в отдельных составляющих системы «воздуха – бумага – масло» можно пользоваться графиком на рис. 6. Получаемые при этом данные, близки к наблюдаемым на практике.

Следует подчеркнуть, что увлажнение бумажной изоляции трансформаторов связано не только с потерей ею механической прочности, но и со значительным снижением ее электрической прочности. Опыты показывают, что это явление связано с газовыделением, которое происходит в порах пропитанной маслом бумаги за счет диссоциации воды под воздействием высокого напряжения.

Установлена квадратичная зависимость tg пропитанной маслом бумаги от процентного содержания влаги в бумаге (рис. 7).


Рис. 6. Равновесное распределение влаги в изоляции трансформатора:



Wб – влагосодержание бумаги; Wм – влагосодержание масла;
t – температура изоляции

Рис. 7. Зависимость электрической прочности и tg


изоляционного масла от влагосодержания
Существует аналитическое выражение по оценке влагосодержания в твердой изоляции в зависимости от tg масла и электрокартона:

,

где tgи – измеренное значение tg изоляции промежутка ВН-НН, %;

tgм – значение tg масла при температуре измерения tgи, %;

tg0 – начальное значение tg картона, %;



kм – коэффициент влияния масла на величину tg изоляции;

kТ – коэффициент влияния бумаги на величину tg изоляции.

Диэлектрическая постоянная пропитанная маслом бумаги линейно изменяется в зависимости от концентрации влаги: = 3,8 + 0,41 m.

Хорошо высушенное масло способно поглощать воду из более влажной целлюлозной изоляции. На этом принципе основан метод сушки увлажненных трансформаторов, так называемый способ «последовательной обработки масла». Последней заключается в заполнении трансформатора маслом с высоким значением электрической прочности (сухим). По истечении некоторого времени вследствие перераспределения влаги между бумагой и маслом происходит снижение электрической прочности последнего. Масло в трансформаторе вновь подвергается сушке до получения прежнего значения электрической прочности. Такие циклы повторяются до тех пор, пока электрическая прочность масла перестанет падать. Этот момент свидетельствует об установлении динамического равновесия между количеством влаги в масле и в бумаге, т.е. о минимально возможном при данных условиях содержания влаги. Так, например, согласно данным номограммы при температурах масла +50 и воздуха +200С относительной влажности окружающего воздуха 50% концентрация воды в масле составит 0,0010 – 0,0013% вес, что будет соответствовать содержанию воды в бумаге порядка 2% вес.

Влияние продуктов окисления. Наиболее сильное разрушающее действие на твердую изоляцию оказал осадок, выделенный из окисленного масла (потеря прочности бумаги – до 65%, ленты – до 56%).

Эксперименты, проведенные в условиях окисления масла свободно поступающим к его поверхности кислородом воздуха (открытые сосуды), показали, что в неингибированном масле из бакинских нефтей целлюлозная изоляция (бумага и лента) потеряла в прочности 16%, хотя глубина окисления масла была минимальной (содержание водорастворимых кислот 0,003 мг КОН/г при незначительном количестве осадка). Напомним, что в запаянных сосудах даже при концентрации уксусной кислоты 1 мг КОН/г или эквивалентом содержания гидроперекиси изопропилбензола (гипериза) наблюдалось значительно меньше разрушение изоляции. Очевидно, при свободном доступе кислорода в масле непрерывно образуется, хотя и в небольших концентрациях, активные промежуточные продукты окисления, оказывающие разрушающее действие на изоляцию. Приводимые ниже данные позволяют в некоторой степени оценить возможную природу таких соединений.

В тех случаях, когда в среде окисляющего масла находился силикагель (3% вес.), процесс разрушения изоляции замедлялся благодаря адсобции агрессивных по отношению к изоляции соединений силикагелем.

При окислении масла с гидроперекисью изопропилбензола (гиперизом) или нафтенатом кобальта, а также со смесью этих соединений степень разрушения изоляции оказалась лишь немного большей, чем в случае окисления масла без добавок.

Глубина окисления масла в присутствии названных добавок оказалась, судя по значениям кислотности, в 30 раз большей, чем без них. Относительно высокое кислотное число масла (до 0,6 мг КОН/г), так же как наличие значительного количества водорастворимых кислот, еще не определяет агрессивности данного масла по отношению к целлюлозным материалам.

Таким образом, можно заключить, что сами по себе кислоты, в том числе низкомолекулярные, перекиси типа гипериза, не ответственны за ускоренное старение целлюлозной изоляции в данных условиях. Остается предположить, что наиболее агрессивным по отношении к изоляции являются малоустойчивые промежуточные продукты окисления масла. Согласно современным представлениям о механизме автокаталитического процесса окисления углеводородов такими соединениями многоатомные гидроперекиси.

Низкомолекулярные кислоты сами по себе и не вызывают значительного разрушения изоляции, скорость образования их в масле в качестве вторичных продуктов разложения гидроперекисей служит косвенным указанием на агрессивность такого масла по отношению к изоляции. Это общее положение не всегда проявляется так четко. Бывает, что два масла с одинаковой кислотностью вызывают различное разрушение изоляции или же при различной кислотности масел наблюдается примерно одинаковый износ целлюлозы. В свете сказанного выше такие отклонения можно объяснить различными активностью и концентрацией перекисных соединений, образующихся при окислении масел, различающихся по углеводородному составу.

Весьма интересными и неожиданными оказались данные по влиянию на целлюлозные материалы масел различного происхождения при окислении их в присутствии меди и без нее. Можно было предполагать, что в первом случае произойдет катастрофическое разрушение изоляции, поскольку окисление протекало с высоким выходом низкомолекулярных кислот (до


0,2 мг КОН/г). Однако пришлось убедиться, что износ изоляционных материалов в присутствии меди оказался не большим, а меньшим, чем в опытах без меди, при сравнительно малом изменении масла и невысоким выходе низкомолекулярных кислот.

На рис. 8 приведена классификация диагностирования маслобарьерной и бумагомасляной изоляции аппаратов высокого напряжения.

Рис. 7. Классификация диагностирования маслобарьерной и бумагомасляной изоляции аппаратов высокого напряжения:


СП – степень поляризации; W – влагосодержание;
ВРК – водорастворимые кислоты; КЧ – кислотное число
9.11. Старение бумажной изоляции
Целлюлоза – полимер, полученный путем химической переработки природного полимера (клетчатки). На рис. 9 приведена структурная формула молекулы целлюлозы. Каждое звено цепочки имеет три гидроксильные группы – ОН. Наличие гидроксильных групп обуславливает сильно выраженные полярные свойства и высокую гигроскопичность целлюлозы.

При соответствующей химической обработке целлюлозы атомы водорода в упомянутых гидроксильных группах заменяются различными группами атомов: нитрогруппами (NO2) – нитроцеллюлоза; остатками уксусной кислоты (СО – СН3) – ацетилцеллюлоза; группой этила (С2Н5) – этилцеллюлоза.



Рис. 9. Структурная формула целлюлозы


Нитроцеллюлоза весьма горюча, а при большом содержании нитрогрупп даже взрывоопасна.

Ацетилцеллюлоза имеет удовлетворительные электроизоляционные свойства; она практически негорюча. Недостатком ее является заметная гигроскопичность.

Этилцеллюлоза и близкая к ней по строению бензилцеллюлоза обладают повышенными электроизоляционными свойствами; при сравнительно высокой температуре размягчения они характеризуются также и хорошей морозостойкостью (чистая этилцеллюлоза еще сохраняет гибкость при температуре – 500С).

Имеются другие группы целлюлозы: триацетатцеллюлоза, ацетобутират целлюлозы, трипропионат целлюлозы и т.д.

Эфиры целлюлозы имеют по сравнению с природной целлюлозой то преимущество, что они обладают плавкостью и способностью растворяться в подходящих растворителях, а потому удобны для переработки; эфиры целлюлозы широко используются для изготовления искусственных волокон, пленок, лаков и пластмасс.

скачать файл


<< предыдущая страница   следующая страница >>
Смотрите также:
В состав маслобарьерной (мби) и бумажномасляной изоляции (бми) входят твердая изоляция на основе целлюлозы и трансформаторное масло. Подробно рассмотрим их состав и процессы их старения
506.25kb.
Свойства воды Биологическое значение
16.97kb.
Продукты, которых следует избегать
12.09kb.
Морфологический химический состав мяса
24.65kb.
Инструкция по применению сухой смеси лахта ® проникающая гидроизоляция ту 5775-008-11149403-2001
125.06kb.
1. общие сведения тилозинокар (Tilozinocarum) комплексный препарат, в состав которого входят тилозина тартрат и каролин
17.57kb.
1. общая часть
197.45kb.
Быстротвердеющий, расширяющийся, гидроизолирующий состав с регулируемым временем схватывания срок схватывания по требованию
49.14kb.
Смоленская область областной закон
633.17kb.
Проект вселения «Город Мурманск»
28.95kb.
Формула здоровья доктора Скачко №1 Состав
33.61kb.
Австрия (зима)
313.66kb.