Исследование масла МН-4 с нестабильными диэлектрическими потерями

УДК 621.315.211.3
В. И. Попков, И. Н. Привалов, Е. С. Трушинская, И. Н. Квятковская
ИССЛЕДОВАНИЕ МАСЛА МН-4 С НЕСТАБИЛЬНЫМИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПОТЕРЯМИ

Приведены результаты всестороннего исследования свойств масла МН-4 с высоким нестабильным tgδ и дана оценка его влияния на характеристики бумажно-масляной изоляции концевых муфт и основной изоляции кабеля класса 110 кВ низкого давления. Показано, что длительные (до 3 лет) испытания на стендах отрезков кабеля не выявили снижения электрической прочности и роста tgδ бумажно-масляной изоляции. Предложено изменение в методику измерения tgδ масла МН-4 (ГОСТ 6581-75) в сторону увеличения времени выдержки проб масла при 100°C до получения установившегося значения.

В последние годы в энергосистемах страны. (Ленэнерго, Мосэнерго, Латвэнерго и др.) имели место многочисленные случаи аномальнобыстрого роста диэлектрических потерь tgδ масла МН-4 в кабельных линиях (КЛ) 110-220 кВ низкого давления [1, 2, 3]. Так, в Ленэнерго за период с 1974 г. выявлено 6 кабельных линий, в которых tg δ проб масла из концевых муфт достигал 0,08—0,16 за 1-4 года эксплуатации при нормированном значении tgδ до 0,03 [4]. Рост tgδ приводил к внеплановым выводам из работы КЛ и замене масла в них, что стало серьезным фактором, затрудняющим их нормальную эксплуатацию. Общим для всех случаев такого аномального роста tgδ являлось то, что остальные нормированные показатели масла: электрическая прочность, кислотное число, содержание растворенного газа, наличие водорастворимых кислот и щелочей, воды и механических примесей, — не выходили за допустимые пределы.
В настоящей работе была поставлена задача оценить возможное влияние масла с высоким и нестабильным tgδ на характеристики бумажно-масляной изоляции муфт и собственно кабеля. Исследовались как масла, отобранные из эксплуатирующихся кабельных линий Ленэнерго, так и из опытных кабелей 110 кВ типа МНСКГ1X625-110 (толщина изоляции 7 мм), испытывавшихся на стендах НИИПТ [5]. Для ускорения старения изоляции опытные кабели длиной 10—12 м каждый подвергались весьма жестким воздействиям: напряжение (50 Гц) достигало 2,4—2,5Uном, токовая нагрузка создавала температуру нагрева жилы 95—125 °C. Продолжительность испытаний на стендах составляла от 8 мес. до 3 лет.
В процессе испытаний периодически измерялся tgδ кабеля и tgδ проб масла из концевых муфт. В качестве примера в табл. 1 приведены сравнительные значения диэлектрических потерь одного из образцов кабеля и масла МН-4 после различного времени выдержки под напряжением. Указанные в табл. 1 значения tgδ кабеля определялись при  температуре жилы кабеля 125 °C и U — 150 кВ, а масла МН-4 при температуре 100 °C и U= 1 кВ по методике, установленной ГОСТ 6581-75.
В ходе дальнейших испытаний при последующих измерениях максимальный tgδ масла находился в пределах 0,2—0,35.

Таблица 1

Основной особенностью "аномального" масла, отличающей его от обычного состаренного (или загрязненного) масла, является нестабильность значения tgδ. На рис. 1 представлен типичный пример зависимости диэлектрических потерь tg δ и диэлектрической проницаемости е такого масла от температуры. При нагревании масла в стандартном электроде с регламентируемой скоростью tgδ растет и достигает своего максимального значения при температуре 80—100 °C (кривая 1}. Дальнейшая выдержка масла при 100-110 °C в течение 2—4 часов сопровождается постепенным уменьшением tgδ, после чего зависимость tgδ от температуры стабилизируется, максимум в кривой пропадает и при последующих циклах "нагрев—охлаждение" не меняется (кривая 3). Зависимость диэлектрической постоянной от температуры ε=f (Т), снятая одновременно с зависимостью tgδ = f (Т), при первом цикле нагрева также имеет максимум (кривая 2), исчезающий при последующих циклах (кривая 4). Описанная процедура выдержки масла при температуре 100 °C приводила к уменьшению tgδ от 0,1--0,2 (и даже более) до значений, обычно не выше нормированных.
Стандартная методика (по ГОСТ 6581-75) предписывает отсчитывать значения tgδ и ε после 20-минутной выдержки масла при 100°C. За это время tgδ и ε практически не успевают достичь стабильных значений и в результате в качестве контрольных принимаются завышенные значения tgδ и ε.

Рис. 1. Зависимость параметров ε и tg δ от температуры 1, 2 — 1-й цикл нагрева; 3, 4 — 2-й цикл нагрева

Наличие подобных максимумов в температурных зависимостях tgδ и ε характерно для полярных жидкостей. Очевидно, в масле МН-4 при определенных условиях за короткое время могут образоваться неустойчивые полярные соединения, частично или полностью разлагающиеся при нагреве. Наблюдение "аномального" масла через микроскоп при 100-кратном увеличении в поляризованном свете показало наличие в масле взвешенных частиц, исчезавших при нагревании или после длительной выдержки при комнатной температуре. Эти частицы приводят к дополнительным потерям вследствие возрастания катафоретической проводимости масла.
Определяющее влияние этих частиц на увеличение tgδ было подтверждено измерениями tgδ масла с наложением на напряжение 50 Гц Постоянного напряжения. В постоянном электрическом поле частицы Прилипали к электродам, что приводило к резкому уменьшению tgδ (рис. 2). Снятие постоянной составляющей напряжения сопровождалось восстановлением прежнего значения tgδ.

Для проверки возможного влияния контакта с воздухом на характеристики масла были получены зависимости tgδ=f(Т) для проб масла, не имевших контакта с воздухом ни в процессе отбора проб, ни в процессе нагрева и измерений. Заметных различий в характеристиках масел, имевших и не имевших соприкосновение с воздухом, отмечено не было.
Для выявления физико-химических особенностей масла МН-4, имеющего высокий tgδ, были проведены исследования нескольких проб масла из действующих кабельных линий Ленэнерго и из концевых муфт образцов кабеля 110 кВ, проходивших длительные испытания на стенде НИИПТ. Все пробы масла имели tgδ выше 0,25 (при первом цикле нагрева). Для сравнения изучались те же характеристики свежего масла, имевшего tgδ не более 0,0005-0,002. Физические, химические, спектральные и структурные характеристики масла с высоким tgδ и свежего масла сопоставлены в табл. 2. За исключением незначительных изменений, свидетельствующих о наличии небольшого количества полярных примесей, масло с высоким tgδ по всем основным показателям соответствует свежему.
Поскольку для оценки состояния изоляции особенно большое значение наряду с tgδ имеет электрическая прочность масла, исследования электрической прочности проводились не только при комнатной температуре (как предписывает ГОСТ), но и при нагреве до 150 °C. Важным представлялось определение электрической прочности при температуре, соответствующей максимуму tgδ. Результаты представлены на рис. 3, где кривая 2 получена для свежего масла, а кривая 7 — для масла из концевой муфты кабельной линии К-108 Ленэнерго. Электрическая прочность у масел с большим tgδ существенно выше, чем у свежего масла. Этот результат подтверждался неоднократно для различных проб масла. Независимость Uпр от T в широком диапазоне температур характерна для чисто электрического пробоя при отсутствии ионной проводимости. Само же значение электрической прочности (значительно более высокое, чем предусмотрено в ГОСТ на масло) свидетельствует об отсутствии в масле эмульсионной воды.
Отдельно по методике ГОСТ 7822-75 для пробы масла с tgδ=0,3 было определено содержание растворенной в масле воды, которое составило (6,2·10-5) %, т. е. весьма малую величину.
В процессе длительных испытаний образцов кабеля на стендах НИИПТ периодически производились отборы проб масла для хроматографического анализа газов, растворенных в масле. Все пробы масла имели
Результаты приведены в табл. 3. Из табл. 3 следует, что независимо от длительности испытаний во всех опытах выявлено крайне малое содержание водорода и метана, которые выделяются в результате разложения масла. Заметный рост содержания углекислого газа указывает на некоторые изменения, происходящие в бумаге.

Таблица 2

Рис. 3. Зависимость электрической прочности масла МН-4 от температуры 1 — свежее масло; 2 — состаренное масло

Таким образом, всестороннее исследование нескольких десятков проб масла МН-4 как из кабельных линий, находящихся в эксплуатации в системе Ленэнерго, так и из концевых муфт отрезков кабелей 110 кВ, установленных на испытательных стендах НИИПТ, показало, что аномально быстрый рост tgδ не сопровождается существенными изменениями других его характеристик.
Основной вопрос заключался в оценке степени влияния масла 6 нестабильным tgδ на характеристики бумажно-масляной изоляции кабеля и концевых муфт. 

Таблица 3

Рис. 4. Распределение tgδ по толщине изоляции в направлении от жилы к оболочке 1 — изоляция кабеля до старения; 2 — изоляция концевой муфты после старения; 3 — изоляция кабеля после старения

Исследования изоляции концевых муфт представляли особый интерес по трем причинам: во-первых, изоляция муфты длительное время (более полугода) находилась непрерывно в прямом контакте с маслом, имевшим tgδ на 2 порядка выше регламентированного, во-вторых, только в концевых муфтах обнаружен высокий tgδ масла* и, в-третьих, изоляция муфт ранее никогда не обследовалась из-за технических сложностей, связанных с процедурой подготовки к измерениям.
В настоящей работе было проведено послойное измерение бумажно-масляной изоляции одной из концевых муфт, прошедшей испытания в течение более чем 6600 ч при напряжении 150 кВ и температуре у токопровода в муфте 105 °C. При этом наружные слои бумаг более 5000 ч находились в контакте с маслом, имевшим tg δ = 0,30-0,34.
Распределение tgδ по слоям бумажной изоляции в направлении от оболочки к жиле приведено на рис. 4. Измерения проводились по всей толщине изоляции — от 1-го слоя под экраном до последней ленты, примыкающей к полупроводящему экрану по жиле. Для сравнения на том же рисунке нанесены значения tgδ по ленточкам изоляции кабеля, прошедшего до пробоя следующий режим испытаний: 150 кВ, 125 °C на жиле, 6618 ч. Из кривых рис. 4 видно, что по всей толщине изоляция кабеля и изоляция концевой муфты имеют tgδ < 0,012-0,017.
Таким образом, исследования бумажно-масляной изоляции при длительных испытаниях кабеля показали, что высокий нестабильный tgδ масла существенно не влияет на tgδ основной изоляции.

 * Как показывает многолетний опыт эксплуатации кабелей в системе ЛКС Ленэнерго, пробы масла из соединительных муфт и других элементов кабельных линий имели повышенный tg δ крайне редко.

Заключение. Выполненные всесторонние исследования свойств масла МН-4 в кабельных линиях 110—220 кВ низкого давления показали, что быстрый рост диэлектрических потерь tgd масла вызывается образованием в нем температурно-неустойчивых полярных веществ в виде взвешенных частиц. Выдержка пробы такого масла в течение от одного до нескольких часов при температуре 90-110°С приводит к уменьшению tgδ до стабильных значений, как правило, не превышающих допустимых.
Испытания на стендах в форсированных режимах продолжительностью до трех лет кабелей 110 кВ с маслом, tgδ которого достигал 30% и более, и измерения самой изоляции не выявили снижения электрической прочности и роста tgδ основной бумажно-масляной изоляции ни в муфтах, ни в собственно кабеле.
Во избежание неоправданной замены масла в КЛ предлагается раздел 3 "Инструкции по эксплуатации силовых кабельных линий 110-500 кВ, часть 2" дополнить следующим пунктом: "Если значение tgδ, измеренное при 100 °C по методике ГОСТ 6581-75, превышает нормированное значение, масло дополнительно выдерживается не менее 2 ч при температуре 100 °C. При неизменном к концу выдержки значении tgδ измерения прекращаются. Если имеет место уменьшение tgδ, выдержка масла при 100 °C продолжается до получения установившегося значения tgδ (значения tgδ, измеренные с интервалом 1 час, совпадают). Установившееся значение tgδ принимается в качестве контрольного. Такой критерий оценки контрольного значения tgδ допускается только для проб масла, в которых кислотное число и пробивное напряжение удовлетворяют норме".
Опыт эксплуатации кабельных линий 110—220 кВ показывает, что при опасном для изоляции ухудшении масла, вызванном нарушением технологии монтажа, правил эксплуатации или старением изоляции КЛ, рост tgδ сопровождается, как правило, ухудшением других его показателей, а значение tgδ остается стабильным при нагреве. Восстановление такого масла достигается только специальной очисткой.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Щеглов А. П. Опыт применения масла МН-4 в кабельных линиях 110- 220 кВ // Электрические станции. 1980. № 9. С. 70.
2. Айзстраутс Э. В., Мункевице М. Э. tgδ как показатель качества изоляционных масел // Электрические станции. 1985. № 1.
3. Попов Л. В. Опыт эксплуатации кабельных линий 110-220 кВ в Москве //Опыт эксплуатации кабельных линий. М.: Энергия, 1974.
4. Инструкция по эксплуатации силовых кабелей линии. М.: Союзтехэнерго. 1980. Ч. 2. Кабельные линии напряжением 110—500 кВ.
5. Исследования старения маслонаполненного кабеля 110 кВ с уменьшенной толщиной изоляции // А. К. Манн, В. И. Попков, Е. С. Трушинская, С. Е. Глейзер, М. Г. Хануков // Исследования старения и строка службы внутренней изоляции электрооборудования высокого напряжения. 1985 (Сборник научных трудов НИИПТ).