Стартовая >> Оборудование >> Трансформаторы >> Теория >> Растворимость газов в трансформаторном масле

Растворимость газов в трансформаторном масле

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

Таблица 1 - Растворимость некоторых газов в трансформаторном масле при 25°С и 0,981 МПа (760 мм рт. ст.)

Газ

Химичес-кая фор-

мула

К, %

(в объемных

долях)

Газ

Химичес-кая фор-

мула

К, %

(в объемных

долях)

Шестифтористая сера

SF6

43

Водород

H2

7

Метан

CH4

30

Перфторпропан

C3F8

39

Этан

C2H6

280

Воздух

-

9,4

Этилен

С2Н4

280

Азот

N2

8,6

Ацетилен

C2H2

400

Кислород

O2

16

Пропилен

C3H6

1200

Аргон

Аr

15

Пропан

С3Н8

1900

Углекислый газ

СO2

120

Бутан

С4Н10

2000

Окись углерода

СО

9

Растворимость углеводородных газов в трансформаторном масле снижается с повышением температуры тем больше, чем выше растворимость данного газа в масле. При увеличении температуры снижается также растворимость углекислого газа в масле. Растворимость азота, кислорода и углекислого газа в масле незначительно повышается при росте температуры (рисунок 1). На рисунке К — это отношение концентрации газа в масле к равновесной концентрации того же газа в пространстве над маслом (или так называемый коэффициент Оствальда). В соответствии с законом Генри масса m газа, растворенная в единице объема жидкости, при давлении р определяется уравнением m = kp, где k — коэффициент Генри:

k = KM/RT (М — молекулярная масса газа; R — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура).

растворимость данного газа в масле, от температуры

1 — бутан; 2 — пропан; 3 — этан; 4 — этилен; 5 — ацетилен; 6 — метан; 7 — углекислый газ; 8 — кислород; 9 — окись углерода; 10 — азот

Рисунок 1 - Зависимость коэффициента распределения К, характеризующего растворимость данного газа в масле, от температуры

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

В полулогарифмических координатах зависимость логарифма растворимости углекислого газа в масле (в состоянии насыщения) от обратного значения абсолютной температуры выражается прямой линией. Скорость насыщения масла газом зависит от высоты столба масла и размера поверхности соприкосновения газа с жидкостью.

При растворении воздуха в масле соотношение между входящими в состав воздуха газами изменяется. Так, воздух содержит по объему азота и кислорода соответственно 78 и 21%, а если он растворен в масле, то содержит по объему азота 69,8 и кислорода 30,2%. Равновесное содержание углекислого газа в масле над воздухом составляет по объему 0,01—0,03%, что соответствует обычной концентрации этого газа в воздухе. Растворимость газа в масле при данной температуре зависит от парциального давления газа (рисунок 2). Изучение динамики этого процесса позволило установить, что при данном диаметре газового включения время полного растворения его в масле тем меньше, чем меньше остаточное давление газа, растворенного в масле (рисунок 3).

Растворимость воздуха в трансформаторном масле

Рисунок 2 - Растворимость воздуха в трансформаторном масле при различных давлениях

Зависимость времени полного растворения газового включения в конденсаторном масле

d0 — начальный диаметр включения; рост — остаточное давление газа при дегазации масла, характеризующее степень насыщения масла газом (от 0 до 700 мм рт. ст.); tр — время полного растворения газового включения, с

Рисунок 3 - Зависимость времени полного растворения газового включения в конденсаторном масле, дегазированном при различных остаточных давлениях

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 невелики, однако вероятность образования в связи с этим стабильного зародыша 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, в некоторых случаях — значительного размера, в которых растворенный в масле газ может выделяться в виде пузырьков. Появление разрежения обусловлено непрерывным изменением объема, вмещающего масло и ограниченного твердыми стенками, из которых одна, например, вибрирует. Учитывая практическую несжимаемость масла, изменение объема возможно только при вытеснении его или притоке. В связи с этим снижение до минимума различного рода вибраций в работающем трансформаторе позволит уменьшить вероятность возникновения газовых пузырьков и будет способствовать повышению электрической прочности изоляции.

Изучение закономерностей растворения газов в масле позволило вывести эмпирическую формулу для расчета времени, потребного для достижения заданной степени дегазации трансформаторного масла, %, в замкнутой системе:

А = 100(1-еt/τ),

где t — продолжительность обработки, ч;

τ = V/L), ч;

V — полный объем масла, м3;

L — производительность вакуум-насоса, м3/ч.

Известен ряд методов определения количества растворенных в масле газов. Наиболее широко применяется хроматографический. Для практических целей пригодны также манометрические методы в различных модификациях. Простой и удобный метод определения содержания воздуха (или другого газа) в масле основан на глубокой дегазации масла под вакуумом при одновременном перемешивании с помощью вибратора. На основании измерений величины давления в камере прибора до и после опыта производится расчет содержания растворенного в масле газа.

Наконец, для определения малых количеств газа в масле и на небольших образцах перспективен масс-спектрометрический метод. Каждый максимум на спектре нумеруется в соответствии с его расположением на оси молекулярных масс и обозначает присутствие определенного газа.

 
« Растворимость воды и газов в трансформаторном масле   Расчет магнитной системы трансформатора »
электрические сети