В процессе старения изоляция претерпевает ряд физико-химических изменений. При этом выделяются продукты разложения — твердые, жидкие или газообразные вещества. Особо интенсивным это выделение бывает при некоторых видах дефектов изоляции, связанных с термическим или электрическим ее повреждением.
Изоляционное масло, являясь одним из элементов изоляционной конструкции, выполняет еще и роль теплоотводящей и защитной среды, предохраняющей твердую изоляцию от перегревов и влияния атмосферы.
При старении масло окисляется, что приводит к образованию органических кислот, растворимых в масле или создающих осадки (шлам). Выделяется также ряд газообразных продуктов, причем интенсивность газообразования зависит от напряженности электрического поля. Увлажнение снижает электрическую прочность масла. Термические воздействия приводят к крекингу — разложению с образованием ряда газов.
Старение изоляционного масла снижает надежность всей изоляционной конструкции, ибо повышенная кислотность способствует старению твердой изоляции и снижению ее механической прочности, а осаждение шлама увеличивает диэлектрические потери и ухудшает отвод тепла. Влага из масла, переходя в твердую изоляцию, усиливает в ней процессы разрушения. Наличие в масле пузырьков газа способствует развитию частичных разрядов.
Диэлектрические свойства масла характеризуют его электрическая прочность и tgfi. Свойства масла определяют также его прозрачность, газо- и влагосодержание, наличие загрязнений (твердых частиц), содержание водорастворимых кислот и щелочей. Наличие процессов крекинга приводит к снижению температуры вспышки.
Твердые изоляционные материалы на основе целлюлозы (бумага, картон) при медленном старении также выделяют ряд продуктов разложения. При нормальных условиях эксплуатации наряду с водородом выделяются низкомолекулярные углеводороды, а также окись и двуокись углерода, образующиеся при окислении целлюлозы. В числе газов, растворенных в масле силовых трансформаторов, находят метан СН4, этан С2Н5, этилен С2Н4, ацетилен С2Н2, пропан С3Н8 и пропилен С3Н6. Газовыделение зависит от режима работы объекта, примененных в нем изоляционных материалов, продолжительности эксплуатации и ряда других, не всегда легко учитываемых факторов.
В практике энергосистем страны [11] для ориентировки принимают, что после двух лет эксплуатации концентрации газов в масле не должны превышать следующих значений:
1 В числителе указаны данные для трансформаторов без РПН, в знаменателе — с РПН.
У 95 % обследованных трансформаторов концентрация газов ниже приведенной.
Влияние дефектов РПН на газосодержание масла основной изоляции трансформаторов может быть объяснено неплотностями перегородок или газообменом через общее надмасляное пространство.
При разрушении изоляции, связанном с наличием повреждений, интенсивность процессов газовыделения резко повышается; может измениться также состав газов и их соотношение. Это явление используется в целях диагностики оборудования. Наиболее широкое применение метод диагностики по анализу газов получил при эксплуатационном контроле силовых трансформаторов.
Повреждения в трансформаторе могут иметь различный характер. Типичными их проявлениями являются: дуговой разряд, маломощные искровые разряды в масле, частичные разряды, местные перегревы. Каждому виду дефекта соответствует определенный набор газов, выделяющихся при разрушении изоляции (табл. 3).
Таблица 3. Состав газов, растворенных в масле, характерный для различных дефектов трансформаторов [13]
Примечание, а — основной газ для данного дефекта; б — характерный газ (высокое содержание); в—характерный газ (малое содержание); г—нехарактерный газ; д—только при высокой плотности выделяемой энергии.
В реальном трансформаторе процессы, вызывающие газовыделение, могут происходить одновременно при участии различных материалов (бумаги, картона, дерева, пластмасс). Кроме того, эти процессы могут различаться по интенсивности (выделяемой в месте дефекта энергии). Поэтому состав газов, выделяющихся при повреждениях, может значительно изменяться. Хотя перед заливкой масла в трансформатор оно дегазируется, вскоре в нем растворяются газы, содержащиеся в расширителе (воздух, если расширитель не герметичен, или азот — при азотной защите). Между образовавшимися при разложении изоляции газовыми пузырьками и маслом происходит газообмен (в соответствии с парциальными давлениями газов). Мелкие пузырьки практически полностью растворяются в масле. Крупные пузыри, образовавшиеся при интенсивном газовыделении, всплывая в масле и обмениваясь с ним газами, существенно меняют свой состав. Газы, свидетельствующие о наличии дефекта (диагностические газы), как правило, очень быстро растворяются в масле, и поэтому, когда газовый пузырь достигнет расширителя, концентрация в нем этих газов может оказаться пониженной.
В трансформаторах, расширители которых имеют сообщение с воздухом, парциальное давление диагностических газов мало, ибо они непрерывно удаляются. По мере приближения к месту дефекта концентрация этих газов растет. В трансформаторах с азотной защитой, особенно в случае замкнутой системы циркуляции азота, диагностические газы постепенно скапливаются над поверхностью масла. В трансформаторах с пленочной защитой выделившиеся газы в основном растворены в масле.
Приведенные данные указывают, что состав газов, сигнализирующих о дефекте, и их концентрация зависят от конструктивных особенностей трансформатора, индивидуальных особенностей дефекта и места взятия пробы.
Оценим возможности ряда методов контроля, основанных на обнаружении продуктов разрушения изоляции.
Известны следующие методы контроля: определение горючести газов в газовом реле; определение доли горючих газов в азотной подушке; анализ газов в газовом реле;
анализ газов, растворенных в масле.
Из-за растворения в масле горючих компонентов диагностических газов горючесть газов в газовом реле существенно зависит от интенсивности газообразования. Поэтому метод в качестве диагностического имеет малую ценность. По этой же причине анализ газов из газового реле может быть применен лишь для обнаружения развившихся повреждений изоляции.
Для трансформаторов с азотной защитой определение доли горючих газов в азоте (определение общей горючести) является одним из самых простых методов выявления развивающихся дефектов. Измерения этим методом достаточно легко автоматизировать.
В начальных стадиях повреждения трансформатора скорость газообразования мала, и поэтому для насыщения газами всего объема масла требуется значительное время. В этот период методы, основанные на контроле газов, выделившихся из масла, неэффективны и следует применять метод контроля, основанный на анализе газов, растворенных в масле. Являясь методом ранней диагностики, он наиболее эффективен для эксплуатационного контроля.
Следует подчеркнуть, что из-за различия в механизме и характере газовыделения при разных видах повреждений анализы газов, взятых из газового реле или выделенных из масла, несут информацию не только о различных стадиях развития одного и того же дефекта, но и о разных видах дефектов [14].
