Под влиянием рабочей температуры в трансформаторе происходит старение, т. е. разложение как масла, так и твердой изоляции.
1. Старение трансформаторного масла
Основным продуктом старения масла являются кислоты. Удаление воздуха и содержащегося в нем кислорода, растворенного в масле, содействует замедлению этого процесса.
Почти полная дегазация масла происходит во время сушки масла. Последующая абсорбция кислорода маслом во время эксплуатации зависит от системы защиты трансформатора от влияния атмосферы. Поэтому устройства, предотвращающие контакт масла с окружающим воздухом, являются весьма желательными.
С точки зрения старения масла наличие нескольких граммов воды на тонну масла не имеет существенного значения. В большинстве случаев срок службы трансформаторного масла до его смены или очистки составляет более 10 лет.
Однако хорошо очищенные масла даже в сочетании с обычным расширителем с воздухоосушителем обеспечивают без специальной обработки срок службы до 30 лет.
2. Старение целлюлозной изоляции
Под влиянием ряда воздействий — тепловых, химических и других, в изоляции идет процесс, ухудшающий ее характеристики — старение. Существенно не влияя на электрические свойства, старение резко проявляется в изменении механических характеристик. Для оценки состояния изоляции производится определение степени ее полимеризации.
Целлюлоза — натуральный полимер, молекула которого образует цепь, состоящую примерно из 1200—1300 колец глюкозы, степень полимеризации 1200—1300. Степень молекулярной полимеризации полимера есть среднее число одинаковых частей, образующих молекулу. При разложении молекулы распадаются на более мелкие части. Средняя длина этих частей определяется степенью разложения.
При старении целлюлозы степень молекулярной полимеризации снижается от 1200—1300 приблизительно до 100. Это снижение средней длины цепей сопровождается образованием альдегидов и кетонов в местах разрыва цепочек, которые в свою очередь имеют тенденцию к превращению в кислоты. Степень полимеризации (СП) удобно оценивать по вязкости разбавленного раствора полимера в подходящем растворителе.
Старение пропитанной маслом бумаги в зависимости от времени и температуры: а — относительные значения степени полимеризации, СП/1300, пропитанной маслом бумаги (опыты проводились в вакууме, содержание воды в бумаге в начале опыта составило 0,3 %); б — степень полимеризации СП в моделях трансформаторов в масле при 85 °С, температура бумаги 100 °С; в — время и температура, потребные для достижения указанного относительного значения степени полимеризации.
Для целлюлозы таким растворителем может быть гидрооксид купроэтилендиамина.
Измерение СП, которое можно производить пробами массой в несколько грамм, при хорошей точности (2%) дает оценку состояния бумаги, начиная от новой и кончая той, которая подверглась сильному разрушению.
По мере старения механические свойства целлюлозных материалов, и в частности бумаги, ухудшаются. По достижении СП значения 360—400 прочность бумаги на разрыв снижается приблизительно вдвое, и дальнейшее ее использование считается нецелесообразным.
В случае развитого старения бумаги механические характеристики становятся ненадежными и имеют существенный разброс величин, тогда как химические критерии старения бумаги позволяют определить любую наиболее глубокую степень старения бумаги, какая только встречается на практике.
На рис. приведены экспериментальные зависимости скорости старения от температуры.
Приведенные кривые получены на образцах, предварительно высушенных и отвакуумированных.
В описан способ экстраполяции экспериментальных данных, с помощью которого получены зависимости рис. в. На этом рисунке различные прямые линии, относящиеся к различным степеням старения бумаги, не являются параллельными. Это свидетельствует о том, что закономерность, найденная Монтзингером справедлива только для определенной степени старения бумаги.
Другими словами, приращение температуры, при котором время, необходимое для достижения одной и той же степени полимеризации, снижается вдвое, зависит от относительной величины степени полимеризации.
Это положение иллюстрировано также на рис. 2.
Ниже приведены данные о продолжительности термического старения в вакууме бумаги с начальным содержанием влаги 0,3 %, необходимой для достижения степени полимеризации, равной 150.
Рис. 2. Изменения приращения температуры, А9, обусловливающей удвоение скорости старения бумаги, в зависимости от достигаемой при этом степени старения, оцениваемой по относительной степени полимеризации СП/1300 .
Температура, °С.........115 110 105 100 95 90
Продолжительность, лет .. 14 26 50 95 180 350
Эти данные, получены авторами путем экстраполяции результатов экспериментов, приведенных на рис. 2). Считается, что использование бумаги с меньшей степенью полимеризации нецелесообразно, хотя в некоторых случаях отмечено, что трансформаторы эксплуатировались до степени полимеризации 200 и даже 100. Установлено, что при значении степени полимеризации ниже 150 механические свойства бумаги уже не могут быть определены.
Действие кислорода
Содержащийся в масле кислород, воздействуя непосредственно на бумагу, ускоряет старение.
Продукты окисления масла также влияют на старение бумаги; однако степень их воздействия представляет величину второго порядка по сравнению с прямым воздействием кислорода. Это подтверждается тем, что в открытых сосудах (со свободным доступом воздуха), содержащих масло и бумагу с влажностью 0,3—5%, старение бумаги протекает примерно в 2,5 раза быстрее, чем в герметично закрытых сосудах в вакууме (или в атмосфере азота) при таком же содержании влаги и температуре 90, 100 и 115 С .
Действие влаги
Влияние влаги на скорость старения подчиняется простому закону, скорость разложения бумаги приблизительно пропорциональна количеству содержащейся в ней влаги (см. рис. ). Этот приближенный закон справедлив при содержании влаги в бумаге от 0,3 до 7 % и при относительно небольшой степени разрушения бумаги. При более сильном конечном разрушении бумаги влияние влаги становится более заметным (рис. 19.19). При содержании влаги 2% старение бумаги происходит быстрее в 6—16 раз, а при 4% — в 12—45 раз чем при 0,3%.
Влагосодержание твердой изоляции нового трансформатора при выпуске с завода составляет менее 0,5%. По истечении нескольких лет эксплуатации трансформатора с силикагелевым осушителем воздуха влагосодержание может увеличиться до 3—5 % в зависимости от режима работы. В таком состоянии трансформатор работает оставшееся время до установленного срока эксплуатации, равного 25 годам. При этом степень полимеризации твердой изоляции обычно остается в пределах не менее 400-360.
Трансформаторы, снабженные защитой от окружающей атмосферы с помощью эластичной мембраны, не имеют непосредственного соприкосновения масла в расширителе с окружающей атмосферой. Поэтому влагосодержание и газосодержание изоляции в таких трансформаторах повышается значительно медленнее.
В отечественной практике такой защитой обычно снабжаются трансформаторы напряжением 220 кВ и выше.
Поэтому можно считать, что при одинаковых нагрузочных условиях изоляция в таких трансформаторах старится существенно медленнее.
