«Пробой жидких диэлектриков»

Жидкие диэлектрики отличаются значительно более высокой электрической прочностью, чем газы в нормальных условиях. Предельно чистые жидкости получить чрезвычайно трудно. Постоянными примесями в жидких диэлектриках являются вода, газы и твердые частички. Наличие

примесей и определяет в основном явление пробоя жидких диэлектриков и вызывает большие затруднения для создания точной теории пробоя этих веществ.

Представления теории электрического пробоя применяют к жидкостям, максимально очищенным от примеси. При высоких значениях напряженности электрического поля может происходить вырывание электронов из металлических электродов и, как и для газов, разрушение молекул самой жидкости за счет ударов заряженными частицами. При этом повышенная электрическая прочность жидкого диэлектрика по сравнению с газообразным обусловлена значительно меньшей длиной свободного пробега электронов. Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняют местным перегревом жидкости (за счет энергии, выделяющейся в относительно легко ионизирующихся пузырьках газа), который приводит к образованию газового канала между электродами. Под влиянием электрического поля капельки воды — сильно полярной жидкости — поляризуются и создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.

Электрическая прочность чистого масла не зависит от температуры в пределах до 80° С, когда начинается кипение легких масляных фракций и образование большого количества пузырьков пара внутри жидкости. Наличие воды снижает электрическую прочность масла при нормальной температуре. Подъем Е_пр при повышении температуры обусловлен переходом воды из состояния эмульсии в состояние молекулярного раствора. Дальнейшее снижение электрической прочности объясняется процессами кипения жидкости. Увеличение электрической прочности при низких температурах связано с увеличением вязкости масла и меньшими значениями диэлектрической проницаемости льда по сравнению с водой. Твердые загрязнения (сажа, обрывки волокон и т. п.) искажают электрическое поле внутри жидкости и также приводят к снижению электрической прочности диэлектрических жидкостей.

Очистка жидких диэлектриков, в частности масел, от примесей заметно повышает электрическую прочность. Так, например, неочищенное трансформаторное масло имеет Е_пр ≈ 4 МВ/м; после тщательной очистки электрическая прочность масла повышается до 20—25 МВ/м.

«Нефтяные электроизоляционные масла»

Основные области применения нефтяных электроизоляционных масел следующие: маслонаполненные трансформаторы, масляные выключатели, высоковольтные силовые кабели, бумажно – масляные конденсаторы, высоковольтные изоляторы (вводы). В трансформаторах, выключателях и конденсаторах масло является средой, пропитывающей волокнистую изоляцию заполняющую пространство между отдельными конструктивными элементами, создающими масляные промежутки, разделенные слоями твердого материала (масляно-барьерная изоляция). В кабелях масло играет в основном роль пропитывающего материала. В зависимости конструкции высоковольтных вводов масло играет роль пропитывающего и заливочного материала (бумажно-масленная изоляция) или только заливочного (вводы с сердечниками и с твердой бумажно-смоляной изоляции). В трансформаторах, масляных выключателях и низковольтных конденсаторах масло обычно заливается в металлические кожухи. В конденсаторах на высокие напряжения наряду с форфоровыми кожухами (покрышками) в последнее время начали применять стеклопластиковые и винипластовые

кожухи.

В трансформаторах по сравнению с другими областями применения особенно- велика охлаждающая роль масла. В маслянных выключателях масло является средой, в которой при разрыве цепи погашается электрическая дуга. Вследствие теплового воздействия дуги происходит интенсивное разложение масла с образованием большого количества газообразных продуктов. Фактически дуга создается в газовом пузыре, окруженном маслом. Температура в середине дуги в масле около 2000° С, вблизи электродов она достигает значений около 3000° С. Такая высокая температура вызывает сильное химическое разложение и обугливание масла (образование копоти), ионизацию и увеличение давления как следствие сильного газообразования. На разложение и ионизацию масла может расходоваться до 90 % всей энергии, выделяемой дугой. В силовых кабелях на напряжения до 35 кВ нефтяные масла применяют для пропитки бумажной изоляции; масла малой вязкости применяются с добавкой канифоли в количестве от 10 до 35% в зависимости от марки кабеля. Кабели на рабочие напряжения 110 кВ и выше делаются маслонаполненными. Вдоль всей длины кабеля или внутри жилы (в одножильном кабеле), или между жилами (в трехжильном кабеле) проходят каналы, заполненные маловязким маслом, находящимся все время под избыточным давлением. Таким образом, при возникновении опасности образования внутри изоляции пустот, например, вследствие изменений температуры происходит подпитка изоляции из масляного канала. Основной изоляцией маслонаполненных кабелей является бумажная изоляция, пропитанная маслом, заполняющим канал. Без подпитки кабели на напряжения 110 кВ и выше надежно работать не могут, так рабочие напряженности электрического поля в них таковы, что вызывают в пустотах ионизацию, постепенно разрушающую основную изоляцию.

Для масляных трансформаторов (силовых и измерительных), для выключателей и изоляторов применяется одинаковое масло, а для конденсаторов и кабелей (особенно в высоковольтных) применяются масла с улучшенными электрическими параметрами, что достигается обычно более тщательной очисткой их.

По своему происхождению нефтяные электроизоляционные масла разного назначения принципиально не отличаются друг от друга, но удовлетворение специфических требований работы в том или ином изделии заставляет прибегать к разным режимам технологии получения масел, а иногда и отбирать масла определенного месторождения (например, для высоковольтных кабелей).

Нефтяные электроизоляционные масла получают путем фракционной вакуумной перегонки нефти. Свойства нефтей разных месторождений отличаются друг от друга, также как и продукты из перегонки. Это отличие определяется как составом и структурой основных углеводородов нефти, так сопутствующими примесями. Большинство электроизоляционных нефтяных масел получают путем очистки от вредных примесей фракций нефти, выкипающих при температуре 300—400° С. Основными углеводородами нефтяных масел являются: парафиновые, нафтеновые, ароматические.

Парафиновые углеводороды являются насыщенными, отличающимися значительной химической инертностью, хотя способными окисляться кислородом воздуха при повышенной температуре. Они бывают разной структуры. Наиболее простая структура парафиновых углеводородов может быть представлена полена такой формулой:

Н₃С—(СН₂)_n—СН₃.

При достаточно большом значении n (около 30) углеводороды этого типа становятся твердыми (парафин).

Нафтеновые углеводороды (также насыщенные) содержат в структуре молекулы не менее одного кольца, почему их часто называют также циклопарафиновыми. Циклическое строение влияет положительно на химическую стабильность масел.

Ароматические углеводороды отличаются наличием в молекуле бензольных ядер (колец). В электроизоляционных маслах ароматические углеводороды обычно бывают в виде примесей к одной из двух вышеуказанных групп.

Ненасыщенные углеводороды в электроизоляционных маслах обычно отсутствуют. К вредным примесям, снижающим стабильность масел, в частности стойкость против окисления, относятся разные ненасыщенные углеводороды, сернистые соединения, смолисто- битумные вещества, органические кислоты. Твердые углеводороды (парафин, церезин) вызывают нежелательное повышение температуры застывания масла; поэтому масла парафинистые с большим содержанием твердых углеводородов подвергаются специальной операции депарафинизации. Для удаления вредных примесей дистиллят из малосернистой нефти обычно подвергают кислотно-щелочной очистке, сущность которой заключается в следующем (последовательно): обработка серной кислотой (удаление нестойких примесей), обработка раствором едкого натра (нейтрализация остающейся в масле серной кислоты), промывка водой (удаление продуктов нейтрализации кислоты щелочью - натровых мыл), сушка и очистка центрифугами. Иногда применяют дополнительную контактную очистку масла адсорбентами, т. е. поверхностно-активными минеральными веществами (глина кил, силикагель), обладающими благодаря мелкодисперсной структуре большой удельной поверхностью (до 1000 м² на 1 г). Адсорбенты, смешанные с маслом, при осаждении уносят из него разные примеси, преимущественно соединения, состоящие из дипольных молекул. Этим достигается повышение качества масла, в частности снижение органической кислотности без разрушения основных углеводородов. Снижение кислотности уменьшает проводимость. Получение масел с пониженными диэлектрическими потерями (кабельные, конденсаторные с tg б при 20° С в пределах 0,0002—0,0005) требует очень хорошей очистки с применением адсорбентов и вакуумной обработки при 60—70° С для сушки и дегазации.

Для применений, требующих глубокой очистки масла, кислотно-щелочной способ непригоден. Серная кислота кроме удаления из масла нежелательных примесей может растворять и уносить из масла такие составные части, которые повышают его стабильность. Для получения электроизоляционных масел из сернистой нефти применяют обычно так называемую селективную очистку, заключающуюся в обработке дистиллята растворителем, способным избирательно (селективно) удалять из масла раствори примеси, не влияя на основные углеводороды.