ГЛАВА ТРЕТЬЯ КВАРЦЕВЫЙ ПЕСОК КАК НАПОЛНИТЕЛЬ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
До последнего времени трансформаторы для производств со взрывоопасной средой имели обычное масляное или воздушное охлаждение. Несмотря на то, что масло в изоляционном и тепловом отношении является хорошим заполнителем, применение его для шахтных трансформаторов нежелательно, так как: а) легко воспламеняется, горит, выделяя большие количества дыма; б) поглощая атмосферную влагу, значительно снижает электрическую прочность; в) при соприкосновении своздухом окисляется, разлагая при этом изоляцию; г) требует постоянного контроля за уровнем его в баке. Заполнение взрывобезопасных трансформаторов негорючими жидкостями вместо масла, такими как совтол, совол, фторорганические жидкости и т. п., пока не нашло широкого применения. Совол и совтол — токсичны, сравнительно дороги, под действием электрической дуги выделяют сажу и вредные газы. Фторорганические жидкости очень дороги, являются энергичными растворителями изоляции и лаков, обычно применяемых в производстве трансформаторов.
Взрывобезопасные трансформаторы с воздушным охлаждением, выпускаемые промышленностью, также не лишены существенных недостатков.
Активная часть такого трансформатора для обеспечения требований взрывобезопасности должна находиться в прочной оболочке, заполненной воздухом, имеющим низкую теплопроводность. Вследствие этого приходится ограничивать электромагнитные нагрузки активных материалов и применять дорогостоящую кремнийорганическую изоляцию.
В результате постоянного воздухообмена изоляция подвергается увлажнению, особенно в нерабочие периоды, что вынуждает иметь большие изоляционные расстояния как по воздуху, так и по поверхности изоляционных конструкций.
Способы обеспечения взрывозащиты для различных исполнений трансформаторов различны. В воздушных трансформаторах применяется так называемая фланцевая взрывозащита, которая обеспечивается шириной фланцев и величиной безопасного зазора между ними. Суть этой взрывозащиты состоит в том, что при взрыве внутри оболочки раскаленные частицы, а также пламя не могут выбрасываться в окружающую взрывоопасную среду, т. е. не могут передавать взрыв благодаря большой ширине фланцев оболочки и малому зазору между ними, при условии что механическая прочность оболочки достаточна. Величина критического зазора бкр между фланцами для метано-воздушной смеси зависит от ширины фланцев А, если она менее 50 мм. При ширине фланцев более 50 мм критический зазор практически постоянен и равен 1,2 мм (рис. 3-1) [Л. 16].
В 1928 г. в СССР впервые был предложен способ достижения взрывозащиты с помощью кварцевого заполнения, предусматривающий погружение электрических частей оборудования в кварцевый песок [Л. 12].
Кварцевый песок обладает следующими свойствами;
а) имеет достаточно высокую электрическую прочность;
б) негорюч, химически инертен и нетоксичен; в) имеет сравнительно высокую теплопроводность; г) имеет коэффициент объемного расширения, близкий к коэффициенту расширения стали.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КВАРЦЕВОГО ПЕСКА, ПРИМЕНЯЕМОГО ДЛЯ ЗАПОЛНЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Для заполнения взрывобезопасных трансформаторов применяется кварцевый песок с гранулометрическим составом от 0,5 до 1,6 мм, причем процентное содержание кварца должно быть весьма высоким. Так, например, песок Вольского месторождения (Саратовская обл.) содержит до 98—99% фракций зерен от 0,5 до 1,6 мм, причем зерна этих песков имеют округлую форму, что имеет большое значение. В процессе работы активные части трансформатора (обмотки, магнитопровод) вибрируют и в случае заполнения трансформатора песком с острыми краями зерен возможно повреждение изоляции обмоток и отводов.
Содержание кварца Si02 в песке должно составлять 97—98,5%; Fe203 не более 0,08—0,12%; А1203 не более 0,5—1,75%; СаО не более 0,25—0,4%; MgO не более 0,1—0,2%; прочих элементов 0,5—0,7%. Глинистые примеси и другие загрязнения удаляются из песка путем промывки.
Теплопроводность песка приведенного выше химического состава составляет 0,00394 Вт/см -град, тогда как картона — 0,0016 Вт/см-град; пропитывающих лаков — 0,002 Вт/см-град. Высокая теплопроводность кварцевого песка дает возможность эффективно отводить тепло от активных частей трансформатора к кожуху.
Сухой кварцевый песок (влажность 0,05—0,1%) имеет достаточно высокую электрическую прочность. Напряжение пробоя кварцевого песка для различных толщин слоя приведено на рис. 3-3. Но в условиях шахты, где наблюдаются высокий процент относительной влажности (до 98%) и температура до 35°С) и где, кроме того, возможен «капеж» непосредственно на трансформатор, песок и изоляция трансформатора сильно увлажняются,
электрическая прочность песка снижается в 2—2,5 раза, что может привести к выходу из строя трансформатора.
Рис. 3-3. Зависимость напряжения пробоя кварцевого песка от расстояний между электродами. (Электроды диаметром 25 мм по ГОСТ 6581-53).
Для уменьшения влагопоглощаемости и увеличения удельного объемного сопротивления песка осуществляется его гидрофобизация — обработка его полиорганосилоксановой жидкостью ГКЖ-94 или жидкостью АМСР-3, ГОСТ 10834-64.
Песок, обработанный 1-процентным раствором ГКЖ-94 в уайтспирите, имеет удельное объемное сопротивление в несколько раз выше, чем необработанный песок (рис. 3-4).
Рис. 3-4 Изменение удельного объемного сопротивления в зависимости от продолжительности увлажнения (относительная влажность воздуха 98%).
1— песок немытый; 2 — лесок мытый; 3 — песок мытый и обработанный однопроцентным раствором ГКЖ-94.
Контрольные значения электрических характеристик гидрофобизированного песка при выпуске трансформатора с завода должны быть не меньше величин, приведенных в табл. 3-1.
Таблица 3-1
Здесь с и в— средние действующие значения напряжения пробоя при разрядном промежутке 50 мм и электродах игла — игла для сухого и увлажненного пески соответственно; с и в—средние значения удельного объемного сопротивления для сухого и увлажненного песка соответственно,
Сопротивление изоляции трансформаторов типа ТКШВП с гидрофобизированным песком равно: между обмотками ВН—НН 1000—5000 Мом, обмотка ВН — земля 1 000-5 000 Мом. обмотка НН—земля 30—45 Мом и в процессе эксплуатации в шахтной среде
с относительной влажностью воздуха 98% не опускается ниже допустимых значении, равных 1 Мом/кВ согласно ГОСТ 183-66, тогда как сопротивление изоляции трансформаторов с негидрофобизированным песком в процессе эксплуатации снижается до 1—0,3 Мом, в результате чего некоторые трансформаторы выходят из строя.
