4 Общие теоретические сведения
4.1 Нефтяные электроизоляционные масла
Жидкие диэлектрики широко применяются в электрических устройствах (силовые трансформаторы, реакторы, масленые выключатели, конденсаторы, кабели и т.п.) Заливаемые в электрооборудование под вакуумом жидкие диэлектрики хорошо пропитывают пористую изоляцию, тем самым повышая ее электрическую прочность. Наряду с этим жидкие диэлектрики выполняют функцию охлаждающей среды. Например, в трансформаторах изоляционное масло нагревается у обмоток, а затем, перемещаясь, отдаёт полученное тепло холодным стенкам бака трансформатора. Причем, отвод тепла потерь в масле происходит в 20-30 раз интенсивнее, чем в воздухе. В высоковольтных масляных выключателях жидкий диэлектрик (трансформаторное масло) выполняет также функцию дугогасящей среды,
В качестве жидких диэлектриков наибольшее распространение получили нефтяные электроизоляционные масла:
- трансформаторные, для трансформаторов и высоковольтных выключателей;
- конденсаторные, для пропитки бумажной изоляции конденсаторов;
- кабельные, для высоковольтных кабелей.
Нефтяные масла получают фракционной перегонкой нефти. Это сложный процесс, состоящий из ряда операций, в результате которого получают соляровое масло. Затем последовательно обрабатывают соляровое масло серной кислотой и щелочью, удаляют химически нестойкие соединения. После очистки, сушки и фильтрации получают соответствующие электроизоляционные мосла. Конденсаторные и кабельные масла отличаются более глубокой очисткой и поэтому обладают более высокими электрическими характеристиками. Выделенные фракции представляют собой сложную смесь углеводородов нафтенового, парафинового и ароматического рядов с небольшой примесью (до 1 %) других компонентов, содержащих атомы серы, кислорода и азота.
Химический состав нефтяных масел определяется составом нефти. В трансформаторных маслах содержание нафтеновых углеводородов достигает 75-80%. От процентного состава этих углеводородов зависит стойкость масел к окислению, газостойкость, а также вязкостно-температурные характеристики. Необходимой составной частью электроизоляционных масел является также ароматические углеводороды. Их количественный и структурный состав определяет физико-химические и электрические характеристики масел. Полное удаление ароматических углеводородов из масла в процессе очистки приводит к снижению стойкости масла к окислению при повышенной температуре, излишнее количество увеличивает тангенс угла диэлектрических потерь, понижает температуру вспышки паров масел и вызывает выпадение осадков. Оптимальное количество ароматических углеводородов в масле не превышает 10-12%. Масла с преобладанием ароматических соединений более стойки к действию электрического поля, поэтому они применяются для пропитки силовых кабелей и заливки бумажных конденсаторов.
Применяемое в трансформаторах (конденсаторах) масла имеет золотисто-желтый цвет и характеризует глубину очистки: чем глубже очистка, тем светлее масло.
В процессе работы силовых трансформаторов или других электрических аппаратов, содержащих масло, происходит ухудшение рабочих параметров масло: увеличивается проводимость и диэлектрические потери, изменяются химические и электрические показатели, т.е. происходит старение или окисление масла. Роль катализаторов в процессе старения масла играет повышенная температура (наивысшей рабочей температурой масла считается 95°С), воздействие электрического поля, соприкосновение с металлическими частями электрооборудования или атмосферным воздухом, а так же медь, железо, свинец. Присутствие воды в масле так же ускоряет процесс его старения. В результате старения образуются твердые смолообразные примеси, которые могут растворяться или не растворяться в горячем масле. Выпадая на обмотках трансформатора, они замедляют теплоотвод от нагретых частей. Для замедления процессов старения масел, в них вводят ингибиторы (антиокислительные присадки).
Удаление из масел продуктов сгорания и восстановление исходных свойств достигается обработкой их специальными адсорбентами.
Для продления срока службы электроизоляционных масел используются различные методы:
- герметизация оборудования, в результате которой устраняется непосредственный контакт масла с кислородом воздуха;
- циркуляция масла через термосифонный фильтр;
- заполнение свободного пространства между поверхностью масла и крышкой бака азотом.
Наиболее важной характеристикой в процессе эксплуатации трансформаторного масла является кинематическая вязкость при температурах 20 - 50 °С. Зависимость кинематической вязкости от температуры для трансформаторного масла показана на рисунке 1.
Увеличение вязкости сверх допустимых пределов приводит к ухудшению отвода теплоты от обмоток и магнитопровода трансформатора, и как следствие, к сокращению срока службы электрической изоляции, а повышение вязкости в выключателя, создаёт опасность затяжного горения дуги и взрыва выключателя, т.к слишком вязкое масло плохо пропитывает пористую изоляцию.
Рисунок 1 – Зависимость кинематической вязкости от температуры
1 - для трансформаторного масла, 2 -для кремнийорганической жидкости
Электропроводность жидких диэлектриков обусловлена ионами. образующимися при диссоциации молекул самой жидкости (для полярных диэлектриков) или ее примесей (в основном для неполярных диэлектриков). Проводимость жидких диэлектриков зависит от значения диэлектрической проницаемости. Полярные диэлектрики имеют повышенную электропроводность по сравнению с неполярными диэлектриками. Кроме ионной электропроводности, которой обладают многие электроизоляционные материалы, в жидких диэлектриках наблюдается и молионная (или электрофорезная) электропроводность. В этом случае носителями заряда являются группы молекул - молионы (коллоидные частицы). Молионная электропроводность наблюдается у жидких лаков и компаундов, увлажненных масел и т.п.
Удельная проводимость любой жидкости сильно зависит от температуры. С увеличением температуры вязкость уменьшается (рисунок 1), а это приводит к росту подвижности носителей заряда и увеличению степени ионизации. Удельная проводимость определяется формулой
, (2)
где γ – удельная проводимость, см/м;
μ – подвижность носителей заряда, м2/(В-с);
q – заряд, Кл;
n – число носителей заряда в объеме вещества, м-3.
Следовательно, с ростом температуры удельная проводимость жидких диэлектриков увеличивается (рисунок 2).
Зависимость удельной проводимости от температуры для жидких диэлектриков описывается следующим выражением
, (3)
где А и α – постоянные, характеризующие данную жидкость.
Повышение температуры приводит к росту тангенса угла диэлектрических потерь, обусловленного увеличением электропроводности жидкого диэлектрика.
Наиболее важные для практического применения свойства трансформаторного масла нормированы ГОСТ 982-80 и приведены в таблице 1 (Приложение А).
Рисунок 2 – Зависимость удельного сопротивления от температуры
1 - тщательно очищенное трансформаторное масло,
2- очищенное трансформаторное масло,
3 - промышленное трансформаторное масло
4.2 Механизм пробоя жидких диэлектриков
Пробой жидких диэлектриков представляет собой более сложные явления, чем пробой газа. На механизм пробоя жидких диэлектриков, кроме электронных процессов, существенное влияние оказывают также и тепловые процессы. Электрическая прочность жидких диэлектриков зависит от температуры, давления, частоты и формы напряжения, формы м материала электродов, а также от наличия примесей.
Например, при увеличении содержания воды в нефтяных маслах, электрическая прочность понижается, но с увеличением температуры при таком же содержании воды, электрическая прочность жидкого диэлектрика повышается. Эту зависимость отображает рисунок 3.
Рисунок 3 – Зависимость электрической прочности нефтяного масла
при разных температурах от содержания в нем воды
Механизм пробоя и значения электрической прочности диэлектрических жидкостей зависят от их чистоты.
Электрический пробой в «чистом» виде возможен только в тщательно очищенных жидких дилектриках и происходит за счет сочетания двух процессов:
– ударной ионизации электронами;
– холодной эмиссии с катода.
Электрическая прочность тщательно очищенных жидких диэлектриков на порядок выше, чем газообразных и составляет свыше 100 МВ/м.
В технически чистых диэлектриках имеет место электротепловой пробой. Механизм пробоя технических диэлектриков зависит от содержания примесей и, в первую очередь нерастворенных полярных в виде эмульсии, суспензии или коллоидных части (например, воды, находящейся в состоянии эмульсии), твердых частиц.
Электрическая прочность увлажнённого трансформаторного масла имеет служную температурную зависимость (рисунок 4).
Это объясняется различными агрегатными состояниями воды в масле. Вода в жидком диэлектрике может находиться в растворенном, эмульсионном и свободном состоянии. Минимальное значение электрической прочности масло имеет при температуре минус 5 °С, минус 8 °С. Это вызвано тем, что вода образует отдельную фракцию в виде микрольдинок, а вязкость масла при этом увеличивается. Образуется большая разница в значениях диэлектрической проницаемости воды и масла, что приводит к образованию резконеоднородного электрического поля и вследствие этого - к существенному снижению Unp масла. При дальнейшем понижении температуры диэлектрическая проницаемость льда уменьшается. В результате этого электрическое поле становится более однородным и Unp масла возрастает. С увеличением температуры воды переходит в растворённое состояние. Электрическое поле становится более однородным, вследствие этого Uпp масла возрастает. Сухое трансформаторное масло имеет большое значение электрической прочности, чем увлажнённое и практически не изменяется до температуры + 70° С.
Рисунок 4 – Зависимость Епр на переменном напряжении от температуры
1 -сухое трансформаторное масло, 2 - увлажненное трансформаторное масло
Масло, побывавшее в эксплуатации, подвергается окислению, в нем появляются твердые и жидкие примеси, происходит процесс старения. Существует несколько способов очистки и восстановления электрических свойств масла:
– для удаления растворенной влаги, газов и твердых примесей из масел, используемых в электрических аппаратах напряжением до 35 кВ, нагретое до плюс 40-60 °С масло пропускают через центрифугу; недостаток - опасность окисления масла;
– для электрических аппаратов напряжением свыше 35кВ, масла содержащие влагу и примеси, очищают путем термовакуумной обработки в специальных аппаратах;
– для удаления механических загрязнений и воды масла пропускают через фильтр-прессы;
– сильно окисленное масло (кислотное число ниже 0,4 мг КОН на 1 г) нуждается в регенерации (восстановлении). Для этого используется метод контактирования масла с различными природными и синтетическими адсорбентами при температуре плюс 50-60 С .
Основные характеристики регенерированного масла должны соответствовать нормам на свежие масла.
Электрическая прочность жидких диэлектриков зависит от однородности электрического поля: с увеличением неоднородности электрического поля пробивное напряжение снижается.
В неоднородном поле в жидкости может произойти неполный пробой (корона). Под действием короны происходят процессы интенсивного разложения и образования продуктов распада (горючих газов и сажи), которые резко снижают электрическую прочность. При переходе коронного разряда в дуговой, процессы разложения резко ускоряются.
В соответствии с правилами технической эксплуатации (ПТЭ) оценка электрических свойств чистого сухого и эксплуатационного масел производится по пробивному напряжению. Испытание масла на пробой производится между латунными дисковыми плоскими электродами диаметром 25 мм., расположенными внутри стандартного фарфорового сосуда на расстоянии 2,5 мм. Края электродов закруглены. Тип испытательной установки АИИ-70.