Стартовая >> Оборудование >> Трансформаторы >> Практика >> Влияние металлов на старение трансформаторного масла

Влияние металлов на старение трансформаторного масла

Металлы находят широкое применение в трансформаторостроении. Для обмоток, шин 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 приведены удельные поверхности (по отношению к массе масла) меди в трансформаторах различной мощности.

Таблица 1 - Удельная поверхность меди по отношению к массе масла в трансформаторах различной мощности

Мощность трансформаторов, кВА

Отношение полной поверхности всего обмоточного провода к массе масла, м2/кг

Мощность трансформаторов, кВА

Отношение полной поверхности всего обмоточного провода к массе масла, м2/кг

300—500

0,136

120000

0,28

2500

0,061

144000

0,57

30000

0,072

183000

0,58

60000

0,030

240000

0,30

103000

0,059

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

Окисление нефтяных масел, в числе трансформаторных, в присутствии металлов изучено довольно подробно.

Наиболее активным катализатором окисления трансформаторного масла является медь. В отношении степени активности железа, алюминия, никеля, цинка, олова мнения отдельных исследователей расходятся. Это можно объяснить, с одной стороны, различием условий окисления масла, с другой — неодинаковой чувствительностью масел различного углеводородного состава к влиянию тех или иных металлов.

Весьма активно ускоряет окисление масла также медно-фосфористый припой (таблица 1). Другие металлы, применяемые в трансформаторостроении, — алюминий, сталь, олово, сплав олова со свинцом, кадмий, никель,— мало влияют на окисляемость масла.

Таблица 2 - Влияние металлов на окисление трансформаторного масла

Металл

Показатели качества масел после 1000 ч окисления при 95 °С

Кислотное число, мг КОН на 1 г масла

Содержание водорастворимых кислот, мг КОН на 1 г масла

Осадок,

%

tg δ при +70 °С, 10-2

Масло из смеси бакинских нефтей

Отсутствие металла

0,05

0,01

0,06

5,9

Медь

1,60

0,40

1,34

19,0

Сталь оцинкованная

0,09

0,02

0,02

8,0

Алюминий

0,05

0,01

0,07

8,0

Сталь трансформаторная

0,06

0,01

5,8

Оловянно-свинцовый припой

0,08

0,01

0,07

10,0

Медно-фосфористый припой

0,52

0,05

0,60

16,0

Ст2

0,06

0,01

0,08

7,3

Кадмий

0,07

0,02

0,03

7,7

Никель

0,07

0,02

0,05

8,1

Олово

0,07

0,02

0,04

9,2

Хром

0,11

0,03

0,03

12,5

Масло из сернистых нефтей (S=0,5%) фенольной очистки с присадкой 0,2% ионола

Отсутствие металла

0,03

0,02

0,10

2,9

Медь

0,56

0, 17

0,30

Более 100

Сталь оцинкованная

0,04

0,02

0,12

7,3

Оловянно-свинцовый припой

0,11

0,02

0,13

3,2

Meдно-фосфористый припой

0,66

0,09

0,40

Более 100

Ст2

0,02

0,15

11,7

Кадмий

0,03

0,01

0,08

3,3

Никель

0,06

0,02

0,07

5,7

Олово

0,05

0,02

0,06

3,8

Хром

0,12

0,02

0,01

12,4

Хромированные стали и сплавы на основе титана индеферентны как катализаторы окисления масла.

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

В присутствии медного провода, плотно обмотанного несколькими слоями кабельной бумаги, наблюдаются меньшие изменения показателей масла, чем при таком же проводе, но без бумажной изоляции (рисунок 1). Это связано с ухудшением условий диффузии масла к поверхности меди через слой бумаги, а также с влиянием процессов адсорбции продуктов окисления масла бумагой.

Окисление трансформаторного масла

1 — масло + медный провод без изоляции; 2— масло + медный провод с бумажной изоляцией; 3 — масло без медного провода

Рисунок 1 - Окисление трансформаторного масла из бакинских нефтей в присутствии медного провода, покрытого бумажной изоляцией, и такого же провода без изоляции (окисление в статических условиях при температуре 95 °С)

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 δ масла (таблица 3).

Таблица 3 - Влияние добавки мыл различных кислот на окисляемость трансформаторного масла из эмбенских нефтей (массовая концентрация мыл 0,001% по металлу)

Масло

Показатели качества масла после окисления по ГОСТ 981-80

Общая стабильность

Склонность к образованию низкомолекулярных кислот

Кислотное

число окисленного масла, мг КОН на 1 г масла

Осадок после окисления, %

Летучие, мг КОН на 1 г масла

Нелетучие, мг КОН на 1 г масла

Без добавок

0,14

0

0,010

0,004

С добавкой:

ацетата меди

1,02

0,13

0,072

0,080

нафтената меди

0,95

0,14

0,064

0,077

пальмитата меди

0,75

0,06

0,090

0,041

ацетата железа

0,40

0,04

0,048

0,022

нафтената железа

0,62

0,09

0,114

0,064

пальмитата железа

0,73

0,07

0,130

0,065

Долгое время существовало мнение, что медь и железо, взятые при определенных соотношениях их поверхностей, так же как и смеси мыл этих металлов, в большей степени ускоряют окисление масла, чем каждый из этих металлов или мыл в отдельности. Однако исследования показали, что это справедливо лишь для малоочищенных масел. В случае окисления масел глубокой или даже средней степени очистки синергизм действия медных и железных мыл менее значителен (таблица 4). В случае металлов (не мыл), это, очевидно, объясняется тем, что каталитическая активность меди в процессе окисления масла велика и одновременно присутствие железа практически не оказывает влияния на скорость и глубину окисления.

Таблица 4 - Влияние добавки смеси нафтенатов металлов на окисляемость трансформаторных масел

Катализатор

Показатели масла после окисления по методу МЭК

(164 ч, 100°С)

Масло неглубокой очистки

Масло средней очистки

Масло глубокой очистки

О

К

О

К

О

К

О

К

Нафтенат меди, массовая концентрация 0,001 % (по металлу)

0,20

0,70

0,17

0,45

0,12

0,41

0,14

1,05

Нафтенат меди + нафтенат железа, массовая концентрация каждого 0,0005% (по металлу)

0,51

1,00

0,30

0,61

0,11

0,40

0,20

1,11

Медный провод (диаметр 1 мм, длина 305 мм)

0,22

0,75

0,08

0,27

0,02

0,11

0,07

0,75

Примечание: О — массовое содержание осадка, %; К — кислотное число масла, мг КОН на 1 г масла.

При 110°С различные мыла в процессе окисления углеводородов различного строения обладают неодинаковой активностью.

Таблица 5 - Активность катализаторов в различных углеводородах

Углеводороды

Катализатор

Степень окисления, мл О2

Парафиновые с длинными боковыми цепями

Отсутствует

0,25

Стеарат меди

0,25

Стеарат железа

4,9

Стеарат кобальта

4,9

Тетралин

Отсутствует

12

Стеарат меди

125

Стеарат железа

190

Вопрос о причинах различной каталитической активности металлов в процессе окисления масла нельзя считать полностью ясным. Наиболее изучен механизм каталитического действия металлов с переменной валентностью.

Последние в зависимости от их валентного состояния могут либо присоединять, либо отдавать один электрон какой-либо валентно насыщенной частице. Это приводит к образованию свободных радикалов, которые инициируют возникновение цепной реакции окисления.

Более высокая каталитическая активность меди по сравнению с железом связана с большей термолабильностью первой, благодаря чему медь скорее переходит в растворимое в масле состояние. В результате ускоряется взаимодействие меди с перекисными соединениями и происходит дальнейшее развитие окислительного процесса.

Приведенные выше данные показывают, что из всех металлов, применяемых в трансформаторостроении, наиболее активными катализаторами окисления масла следует считать медь и ее сплавы. Алюминий, сталь, цинк, олово и его сплавы, кадмий, никель, хром незначительно ускоряют окисление трансформаторного масла. Производные металлов — окислы и соли органических кислот — мыла — в большинстве случаев является более активными инициаторами окисления масла, чем сами металлы.

В условиях, моделирующих работу масла в герметичных трансформаторах (при отсутствии кислорода над поверхностью масла), металлы, как этого и следовало ожидать, практически не оказывают влияния на изменения качества масла (таблица 6). Некоторое увеличение tg δ масла происходит за счет образования мыл при реакции металла с кислородсодержащими соединениями масла.

Таблица 6 - Влияние металлов на старение трансформаторного масла в отсутствие кислорода (температура 95°С)

Металл

Показатели масла после 1000 ч старения

Цвет (условные единицы)

Кислотное

число,

мг КОН на 1 г масла

Содержание водорастворимых кислот, мг КОН на 1 г масла

tg δ при температуре +70°C, 10-2

Масло без металла

100

0,01

Отсутствует

1,0

Медь

100

0,01

Отсутствует

9,3

Ст2

100

0,01

Отсутствует

3,9

Трансформаторная сталь

100

0,01

Отсутствует

 
« Влагосодержание изоляции трансформатора при его эксплуатации   Влияние отверстий для стяжки магнитопровода трансформатора »
электрические сети