Исследование старения и срока службы внутренней изоляции ВН - Взаимосвязь характеристик трансформаторного масла в процессе старения

Статья представлена 13.11.84.
УДК 621.315.615
О. И. Гречко (НИИПТ), Л. А. Горчакова (СКТБ ВКТ Мосэнерго)
ВЗАИМОСВЯЗЬ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНСФОРМАТОРНОГО МАСЛА В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО СТАРЕНИЯ
Опыт эксплуатации современных силовых трансформаторов в СССР и за рубежом [1] показывает недостаточную эффективность традиционного набора контролируемых характеристик масла.
В статье обобщены накопленные НИИПТ данные измерения нестандартных характеристик масла: показатель полярности Де, поверхностное натяжение а и относительное свегопропускание S. Цель работы состоит в выявлении взаимосвязи отдельных характеристик масла между собой, сравнении их диагностических свойств и выработке предложений по нормам на нестандартные характеристики.
Для оценки диагностических свойств отдельных характеристик масла рассматривали их изменение в процессе лабораторных испытаний образцов масел различных марок на окислительную стабильность при температуре 90 °С в присутствии меди на открытом воздухе. Зависимости кислотного числа Кч, tg δ, показателя полярности Де, поверхностного натяжения на границе с водой а и относительного свегопропускания в видимом свете (с синим фильтром) S от времени выдержки для масла ТКп представлены на рис. 1. Там же для сравнения штриховыми линиями нанесены зависимости характеристик для масла Т-1500. Кроме того, были исследованы зависимости тех же характеристик масла на моделях маслобарьерной изоляции (МБИ) с маслом ТКп от времени их выдержки при температурах 40 и 80 °С (в присутствии электрического поля со средней напряженностью в первом масляном канале Еср = = 4,4т5,5 кВ/мм. Кривые, полученные для условий длительных испытаний макетов МБИ при t = 80 °С и Еср “ 5 кВ/мм, приведены на рис. 2 [2].
Сравнение зависимостей этих характеристик от времени старения в разных условиях у нескольких марок масел показывает следующие их особенности: значения Д е, о и S зависят от качества и марки масла, как и у традиционных характеристик; зависимости Де, о и S от времени как в более жестких условиях термоокислительного старения с катализатором, так и при термоэлектрическом старении в макетах МБИ независимо от сорта масла имеют монотонный характер.
В этих же условиях такие известные характеристики, - как tg δ и Кч, имеют иной характер изменения, что связано с условиями испытаний. Так, при испытании на окислительную стабильность кислотное число монотонно возрастает, а при испытаниях МБИ оно вначале возрастает, затем понижается и к концу испытаний мало отличается от исходного. Известны подобные колебания величины Кч и в процессе эксплуатации маслонаполненного оборудования. Примерно такие же закономерности наблюдаются при испытаниях МБИ и у tg δ масла. При испытаниях же на окислительную стабильность его изменения зависят от сорта масла: у масла Т-1500 tg δ монотонно растет, а у масла ТКп - вначале очень сильно растет, а через 400 часов резко падает (в результате наблюдаемого выпадения шлама) (см. рис. 1, сплошная кривая 4).

Рис. 2. Зависимость поверхностного натяжения от показателя полярности о= /(Де)
1 — опытная кривая; 2 — данные

С точки зрения диагностики состояния масла и маслоцеллюлозной изоляции такие особенности изменения tg δ и Кч таят в себе опасность ошибочной оценки результатов измерения. Например, по низкому значению tg δ в конце испытаний масла ТКп на окислительную стабильность можно сделать ошибочный вывод о более высокой стабильности масла ТКп по сравнению с Т-1500, в то время как в нем уже выпал шлам, что весьма опасно для состояния маслоцеллюлозной изоляции. Монотонное изменение характеристики исключает возможность такой ошибки, поэтому с позиций диагностики такие характеристики как о, Де и 5, дают более четкую информацию о состоянии изоляции, чем Кч и tg δ. Статистический анализ результатов измерений всех перечисленных характеристик показывает, что разброс значений Де, а и S, измеренных на пробах масла из моделей МБИ с одинаковыми условиями испытаний, оказывается заметно меньше, чем разброс значений tg δ и Кч. Коэффициенты вариации характеристик проб трансформаторного масла из моделей МБИ представлены ниже:

Рис. 1. Зависимости характеристик масел ТКп (сплошные линии) и Т-1500 (штриховые) от длительности термоокислительного старения т / — относительное светопропускание S (синий фильтр, 10 мм) ; 2 — поверхностное натяжение на границе с водой о; 3 — показатель полярности Де; 4 —tg δ ; 5 — кислотное число Кч

Кроме упомянутых выше лабораторных исследований старения масла в различных условиях в течение ряда лет в НИИПТ накапливались результаты измерений дополнительных характеристик на оборудовании различных энергосистем (силовые трансформаторы 35-750 кВ и реакторы 330 и 750 кВ, в том числе 46 проб масла из оборудования системы Мосэнерго) с различными сроками эксплуатации и различными марками масла. Для оценки взаимосвязи отдельных характеристик масла по этим данным был применен корреляционно-регрессионный анализ. С учетом довольно большого объема выборки (л = 65-10+5) обработка проводилась способом группировки выборочных данных, а для оценки степени связи использовано выборочное значение корреляционного отношения р. Результаты расчета р пар характеристик приведены в табл. 1, в последнем столбце которой для данного объема выборки п и заданной вероятности ошибки а = 0,001 приведены максимальные значения эмпирического коэффициента корреляции при принятии гипотезы о независимости случайных величин в генеральной совокупности. Эти данные позволяют сделать оценку статистической значимости расчетных значений корреляция статистически значима, а приможно говорить об отсутствии корреляции между рассматриваемыми параметрами). Из табл. 1 видно, что только одна пара характеристик, а именно поверхностное натяжение и показатель полярности имеют сильную корреляционную связь (I р I - 0,98, что намного превышает соответствующую величину Рmax). Если учесть, что обе эти характеристики (ст и Ле) реагируют на содержание в масле полярных групп, то эту связь можно считать функциональной. Отсюда вытекает практический вывод о том, что для оценки состояния масла нет необходимости измерять обе эти характеристики. Для эксплуатационного контроля, в частности, выбор можно остановить на определении о, которое гораздо проще методически и не требует сложной аппаратуры. Все чаще обращаются к этой характеристике в мировой практике [3, 5]. С другой стороны, преимущество Де состоит в том, что его определение поддается автоматизации.
Остальные зависимости пар характеристик четко делятся на две группы. У одной группы корреляционные отношения находятся в пределах(при а = 0,001), т. е. корреляция статистически незначима. К этой группе относятся связи tg δ со всеми характеристиками, кроме 5. Близкий коэффициент корреляции р = 0,49 для зависимости tg δ = / (Кч) получен в [4J. У другой группы
Рис. 3. Зависимость поверхностного натяжения от кислотного числа о = /(Кч)

1 — опытная кривая; 2 — данные [5]
корреляция более сильная:
|р| = 0,55-!-0,66, причем р > Рmax- К этой группе относятся зависимости всех характеристик, кроме tg δ, от кислотного числа, а также зависимости S от всех характеристик. Отсутствие корреляции стандартной характеристики tg fi как с кислотным числом, так и со всеми остальными характеристиками (кроме S) объясняется отчасти большим разбросом, которым характеризуются обычно измерения tg δ масла по чисто методическим причинам, так как значение tg δ масла сильно зависит от условий кондиционирования пробы (коэффициент вариации 40%). Хотя наблюдается некоторая корреляция tg δ и 5(|р| = 0,59), однако в области малых значений tg δ и зависимость S=/(tg δ ) отличается очень сильным разбросом. Это объясняется тем, что малые значения tg δ в эксплуатации встречаются как в случае светлых свежих масел, так и в случае старых темных масел, из которых уже выпал шлам (аналогичная ситуация при испытаниях масла ТКп на окислительную стабильность - см. рис. 1, кривая 4).
Таким образом, анализ зависимости tg δ масла от других физических и химических характеристик масла указывает на отсутствие или слабую корреляционную связь. С другой стороны, сам по себе большой разброс tg δ и возможность неоднозначной оценки состояния масла (в случае измерения tg δ после выпадения шлама) свидетельствует о невысокой диагностической эффективности этой характеристики. В особенности это относится к оценке состояния изоляции силовых трансформаторов и реакторов, где в отличие от маломасляного оборудования (бумажно-масляная изоляция силовых кабелей, конденсаторов и трансформаторов тока) не надо бояться перегрева, связанного с повышением tg δ. Промежуточное положение по степени тесноты связи, как было отмечено, занимают зависимости Кч и S с другими характеристиками (кроме tg δ ). Заметная корреляция Кч с параметрами о и Де объясняется тем, что увеличение количества кислотных групп на хвостах молекул масла повышает дипольную поляризацию масла, хотя последняя увеличивается не только за счет кислотных групп, а и за счет продуктов более глубокого окисления и полимеризации молекул масла. Зависимость между Кч и Де можно представить в виде линейного уравнения Де =0,031+0,44 Кч. Все остальные зависимости носят нелинейный характер; из-за невысокой степени корреляции между ними их аналитические выражения не представляют интереса. В качестве примера на рис. 2-5 приведены построенные по средним в интервале группирования кривые зависимостей с различной степенью связи:. Для сравнения на рис. 2 и 3 пунктиром проведены кривые по данным [5]. Очевидно, что форма соответствующих кривых совпадает, хотя кривые 2 сдвинуты: в область более высоких значений о (и более низких Де ). Это связано, по-видимому, с тем, что результаты [5] получены на высококачественных маслах (более высокой степени очистки и более стабильных). Невысокая степень корреляции у большинства рассмотренных взаимных зависимостей характеристик отражает, по-видимому, закономерное явление. Отсюда логически вытекает соображение, поддерживаемое в ряде работ (например, [4]) о недопустимости сокращения числа контролируемых характеристик масла. Напротив, с учетом того, что отсутствует какой-либо единый параметр изоляции, непосредственно связанный с работоспособностью конструкции, необходимо стремиться к расширению набора параметров, характеризующих состояние масла и вообще изоляции с той или другой стороны. Определенный интерес в этом смысле представляют и рассмотренные здесь дополнительные характеристики масла: о,
Д e,S.

Рис. 5. Зависимость кислотного числа от tg δ Кч = /(tg δ )

Рис. 4. Зависимость относительного светопропускания от кислотного чиcла E = / (Кч)

Большой объем проведенных определений этих характеристик на маслах с различной степенью старения и анализ литературных данных позволяет дать ориентировочные значения этих характеристик для отечественных трансформаторных масел в свежем состоянии: Де - 0,01-10,03; о = 35-50 мН/м; 5 = 65-80%, а в качестве предельно допустимых в эксплуатации можно назвать значения: Де = 0,090, о = 20-25 мН/м, S = 5%.
Выводы.

1. Статистический анализ зависимостей между отдельными характеристиками трансформаторных масел показал в большинстве случаев незначительную корреляцию или полное ее отсутствие (например, взаимосвязи tg в с другими характеристиками). Это подтверждает правильность тенденции к расширению набора характеристик масла, подлежащих контролю в эксплуатации, с целью повышения эффективности диагностики состояния изоляции.
2. Рассмотренные дополнительные характеристики масла: поверхностное»натяжение (о), показатель полярности (Де) и светопропускание (S) - отличаются монотонным характером изменения в процессе старения масла и маслоцеллюлозной изоляции и малым разбросом при измерениях. Их можно рекомендовать для контроля масла в эксплуатации, причем определение о можно 'использовать в качестве   экспресс-метода оценки состояния масла.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Повышение эффективности традиционных методов контроля изоляции трансформаторов /Б. В. Ванин, Ф. Я. Левин, В. В. Соколов, Н. П. Фуфурин. - Электрические станции, 1983, № 4.
2. Исследование старения маслобарьерной изоляции силовых трансформаторов / О.  Н. Гречко, А. Г. Левит, Ю. Н. Калентьев, Р. С. Кучинский, Е. И. Миронова. (См. настоящий сборник).
3. Crine J. P., Duval М., Lamane С. Evaluation of transformer oil aging under service load from varions chemical and dielectric measurements. - IEEE Conf. Rec. Int. Symp. Elec. Insul. Philadelphia, June 7-9,1982, N 7.
4. Янарн Томисоки, Икеда Мазами, Таи игу си Ясугико, Иитока Ясуакп. Старение масла при длительной работе трансформаторов. Дэики Гаккай ромбу ней. - Транс. Инст. Элек. Инж. Яп, 1981, В101, № 12,719-72б(№яп.).
5. Варжак И. Взаимосвязь диагностических методов определения степени старения изоляционных масел. Трансформаторы (ЧССР) 1979 (15) №2.