Изоляционные минеральные масла.
Изоляционные минеральные масла представляют собой смесь различных очищенных углеводородов, получаемых из нефти путем ее перегонки. Состав минерального масла следующий: 40—60% парафинов, 30—50% нафтенов, 5—20% ароматических углеводородов, 1% олефинов (табл. 8.2).
Таблица 8.2. Структуры молекул минеральных масел
Насыщенные углеводороды
Исходным продуктом служит натуральная нафтеновая нефть, чаще всего венесуэльская. Она не содержит воскообразных компонентов, которые повышают вязкость при низких температурах. В последнее время для получения изоляционных масел начинают использовать, прежде всего за границей, парафиновую нефть. Недостатком такого масла является то, что температура, при которой оно перестает течь, примерно на 10 градусов выше, чем температура масла на основе нафтеновой нефти, которая равна минус 50 °C. Существуют способы снижения этой температуры, основанные на введении добавок, препятствующих объединению при низких температурах очень мелких кристаллов парафина в более крупные, и текучесть масла сохраняется.
Основные свойства минерального масла низкой вязкости при температуре 20 °C и содержания воды менее 10-5 [8.2] следующие:
Разрядная напряженность поля Edeff , кВ/см 200 — 350
Диэлектрическая проницаемость еr при 50 Гц ... . 2,2
Плотность γ, г/см3 ... 0,9
tg δ при 50 Гц ... 10-3
Примечание. Здесь и далее вместо более корректного обозначения реальной части комплексной диэлектрической проницаемости ε используется обозначение обычное для технической литературы.
Как показано в 8.1.3.4, электрические свойства минерального масла ухудшаются при его увлажнении. Если tg δ при 40 °C практически остается постоянным при концентрациях воды до 4-10-5, то при таких же концентрациях наблюдается заметное снижение электрической прочности по сравнению с прочностью при незначительном увлажнении. Если влажность превышает указанное значение, tg δ резко возрастает, что сопровождается дальнейшим падением электрической прочности (см. рис. 8.14 и 8.19).
Старение. Во время эксплуатации устройств с масляной изоляцией масло стареет в результате поглощения кислорода и влаги из окружающей среды, действия повышенной температуры и катализаторов (например, меди, свинца и других металлов, имеющихся в устройстве). Кислород вступает в реакцию с углеводородами, образуя сначала перекись, а затем продукты окисления (спирты, кетоны, кислоты и щелочи) и, наконец, высокомолекулярные соединения, которые в начальной стадии еще растворимы в масле. В результате электрическая прочность масла падает, a tg δ увеличивается.
В сильно состаренном масле, когда имеет место увеличение молекул, образуется шлам, затрудняющий циркуляцию масла в охлаждающих каналах, что может привести к перегреву обмотки и возникновению опасности теплового пробоя [8.27]. Поэтому в некоторых случаях в трансформаторах с большой тепловой нагрузкой необходимо после нескольких лет эксплуатации фильтровать масло, пропуская его через отбеливающую глину, чтобы удалить продукты старения. Однако при этом удаляются и естественные консерванты, и поэтому после фильтрования рекомендуется добавлять ингибиторы, задерживающие окисление масла.
В новых сортах масла можно также замедлить процесс старения добавкой ингибиторов. Для этого служит 2,6-дитрибутил- паракрезол (сокращенно DBPC), содержание которого в масле составляет обычно 0,3% по массе. Лишь около 5% используемых в ФРГ трансформаторных масел содержат подобные ингибиторные присадки [8.28, 8.29].
Поведение газа в масле. Изоляционные масла различаются также поведением газа в них при воздействии электрического поля. Под этим понимают изменение свойств изоляционного масла на границе раздела масло — газ, возникающее в результате скользящих разрядов, а также способность поглощать газ (преимущественно Н2) и химически его связывать (газостойкие или газоневосприимчивые масла) или выделять (газовыделяющие и негазовыделяющие масла). На обезгаживание масла влияют определенные ароматические вещества, химически связывающие водород, при этом поведение масла в отношении газов в электрическом поле зависит не только от структуры масла, но и от энергии разрядов. Если энергия разрядов превышает пороговое значение, то теряют свои свойства даже газостойкие масла, происходит дальнейшее повышение энергии разрядов. Таким образом, все масла при большой энергии разрядов выделяют газ.
Газовый анализ. Наряду с контролем процесса старения минерального масла в трансформаторах путем регулярного взятия проб и исследования электрических и физико-химических свойств в настоящее время ценным вспомогательным средством раннего распознания дефектов в трансформаторах, получения первых сведений о возникшей неисправности является анализ растворенных в масле газов. При дефектах в трансформаторах, которые обычно связаны с повреждениями изоляции, выделяются газы, которые полностью или частично растворяются в масле.
Обнаруженные в пробах растворенные газы, а также увеличение их количества во времени служат мерой интенсивности разрядов и указывают вид разрушения, если состав газа, обычно не зависящий от сорта масла, позволяет это сделать.
По роду и количеству газа можно установить, имеются в трансформаторе частичные или искровые разряды с малой энергией, дуга или сильноточные разряды (пробои), а также местные перегревы.
Частичные и слабые искровые разряды приводят обычно к выделению Н2 и СН4, сильные разряды образуют в основном С2Н2 и Н2. Так называемые горячие точки, в которых имеет место локальный нагрев масла, обусловливают повышенное содержание Н2, СН4, С2Н4 и С3Н6. При термическом разложении изоляции на основе целлюлозы выделяются СО и СО2. Установленное соотношение компонентов газа оказывается типичным для каждого вида дефекта. Благодаря этому можно проследить долю того или иного газа и изменение во времени соотношения концентраций газов, а также оценить характер состояния трансформатора. Эти критерии облегчают распознание дефектов задолго до выхода трансформатора из строя [8.30—8.32].
Синтетические изоляционные жидкости.
Чистые углеводороды. Полиизобутен является химически стойким продуктом полимеризации масла из ряда полиолефинов. Этот более или менее вязкий пропиточный материал для конденсаторов применяется также для пропитки кабельной изоляции.
Додексилбензол — газостойкая изоляционная жидкость с малой вязкостью из ряда алкольбензолов. Она иногда применяется для пропитки кабелей низкого давления с масляной изоляцией, а также конденсаторов.
Аскарели. Это полихлорированные дифенилы (РСВ), смешанные с три- и тетрахлорбензолом. Баварское акционерное общество в ФРГ поставляет аскарель под фирменным названием клофен. Он применяется в трансформаторе и конденсаторостроении, и его марки различаются степенью хлорирования использованного РСВ и содержанием три- и тетрахлорбензола. Аскарели — термически и химически стойкие соединения, являющиеся высококачественными пропиточными материалами с высокой диэлектрической проницаемостью. Они используются в электротехнике начиная с 40-х годов в качестве огнебезопасной изолирующей и охлаждающей жидкости. В то время как в конденсаторах применяются только трихлордифенил (рис. 8.24) и смеси трихлордифенила с дихлордифенилом, в трансформаторах используются клофены из три-, тетра-, пекта- и гексахлордифенила, разбавленные для достижения более низкой вязкости три- и (или) тетрахлорбензолом. Они обладают высокой температурой вспышки в отличие от минерального масла, негорючи вплоть до температуры кипения, химически настолько стабильны, что их старение в процессе эксплуатации практически исключено.
Основные электрические характеристики хлорированных дифенилов при 20 °C приведены ниже.
Свойства хлорированных дифенилов при температуре 20 °C и содержании воды менее 10-5 [8.3]:
Разрядная напряженность Е, кВ/см 200 — 300
Диэлектрическая проницаемость εr при 50 Гц . . 4—6
Плотность γ, г/см3 1,35—1 ,55
tgδ при 50 Гц ... · ... <10-3
Хлорированные дифенилы имеют такие же зависимости разрядного напряжения от содержания воды, как и минеральное масло (рис. 8.25).
Проблема применения высокохлорированных дифенилов заключается в том, что они легко аккумулируются в живых организмах и трудно выводятся из них, а поэтому опасны экологически. Кроме того, из аскарелей, особенно на базе высокохлорированных дифенилов, при окислении и высокой температуре в небольших количествах образуются полихлордибензолфуран (PCDF) и полихлордибензолдиоксин (PCDD), а также высокотоксичный 2,3,7,8-тетрахлордибензол-Р-диоксин (2,3,7,8-TCDD). С этим необходимо считаться, если, например, трансформатор с аскарелем находится в зоне пожара и его бак повреждается [8.33]. Поэтому изготовление РСВ в некоторых странах запрещено, а их использование в других странах строго регламентировано. В ФРГ находятся в эксплуатации трансформаторы с аскарелем; их состояние строго контролируется, и при соблюдении правил безопасности использование таких трансформаторов вполне допустимо. Таблица 8.3. Свойства нехлорированных синтетических углеводородов, применяемых для изоляции конденсаторов
Однако не исключена возможность возникновения пожаров, во время которых при 1200 °C могут образовываться токсичные вещества. К сожалению, нет возможности быстро заменить имеющиеся в настоящее время 60 000 эксплуатируемых трансформаторов, содержащих в общей сложности 40 000 т аскареля. С 1983 г. в ФРГ прекращен выпуск всех РСВ.
Заменители аскареля для конденсаторов. Для замены хлорированных дифенилов в последние годы разработаны новые синтетические не содержащие хлора биологически безопасные углеводороды, обладающие хорошей термической стойкостью и способностью абсорбировать водород. Вследствие экологической безопасности и хороших диэлектрических характеристик перспективны для пропитки изоляции косинусных конденсаторов такие жидкости, как BNC, РХЕ, ΜΙΡΒ и баулектроль 4900 (изготовитель — фирма Bayer), дитолиловый эфир (DTE) (табл. 8.3).
Из зависимости прочности РХЕ от влажности (рис. 8.26,а) видно, что при малой относительной влажности прочность заметно выше, чем у хлорированного дифенила — клофена А 40.
На рис. 8.26,б—г приведены зависимости tg 6 от содержания влаги, величины, обратной абсолютной температуры и напряженности поля.
Рис. 8.27. Молекула полидиметилсилоксана (n=35), используемого в качестве изоляционной жидкости в трансформаторах
Заменители аскареля для трансформаторов. Для трансформаторов в настоящее время разрабатываются как содержащие, так и не содержащие хлор жидкости; некоторые из них находятся в опытной эксплуатации [8.34].
Заменители, не содержащие хлор, имеют высокие температуры вспышки (от 210 до 305°), воспламенения (от 310 до 360°) и самовоспламенения (400°C). Для окружающей среды эти заменители опасны в такой же степени, как и обычное углеводородное масло. Их недостатком чаще всего является меньшая, чем у аскареля, теплопроводность. Дуга в них образует частично горючие и взрывоопасные газы. К таким заменителям относятся высокотемпературные углеводородные масла (НТК), силиконовые жидкости и сложные эфиры на базе карбоксилат- эфира.
Примером хлорсодержащего заменителя может служить тетрахлорэтан или смесь дихлорбензолдихлортолуола с трихлорбензолом, находящаяся в пробной эксплуатации. Такая смесь вообще негорюча, дуга в ней не образует горючих или взрывоопасных газов, однако она обладает экологически опасными свойствами, хотя и не такими, как аскарель.
Что касается широкого использования заменителей аскареля в силовых конденсаторах и прежде всего в трансформаторах, то пока накоплен небольшой опыт и не выработаны необходимые критерии, а поэтому требуется проведение специальных исследований в этом направлении.
Силиконовые жидкости (иногда их еще некорректно называют силиконовым маслом) представляют собой чистые линейные полидиметилсилоксаны, основа молекулы которых состоит из связи кремния и водорода с двумя остатками метила (рис. 8.27). Эти жидкости наряду с рассмотренными синтетическими не содержащими хлор углеводородами предназначаются для замены аскарелей в конденсаторах и силовых трансформаторах, когда к последним предъявляются повышенные требования в отношении пожарной безопасности. Силиконовые жидкости отличаются от аскарелей токсилогической, физиологической и экологической безопасностью. Термически (до 300 °C и химически (не окисляются в воздухе при температуре до 180 °C) они очень устойчивы, поэтому в условиях эксплуатации не стареют и обладают хорошими диэлектрическими свойствами [8.27, 8.35]. Разрядная напряженность E≈300- 400 кВ/см,
Температурная зависимость вязкости силиконовых жидкостей слабо выражена. Температура, при которой исчезает текучесть, низка. По сравнению с минеральными маслами эти жидкости имеют более высокие температуры вспышки и воспламенения. Однако следует подчеркнуть, что они гораздо дороже, чем минеральные масла. Что касается использования жидкостей в конденсаторах, то они имеют более низкую диэлектрическую проницаемость, чем аскарели. Кроме того, необходимо учитывать, что силиконовые жидкости хуже передают тепло, чем минеральное масло, имеют заметно больший коэффициент теплового расширения и меньшую электрическую прочность при больших расстояниях между электродами. Их tg δ примерно такой же, как и у минерального масла (рис. 8.28).
Концентрация насыщения воды при 25 °C равна 0,2%. Следует заметить, что определение малых содержаний воды по методу Карла-Фишера для силиконовых жидкостей дает ненадежные результаты. Причиной этого является то, что полидиметилсилоксаны не только физически растворяют воду, но и химически ее абсорбируют. Оксид силоксана способен захватывать воду и создавать проводящие мостики. Поэтому необходимо модифицировать объемно-метрическую методику Карла-Фишера в отношении реагентов и растворителей. Лучше использовать калориметрический способ определения содержания воды в силиконовых жидкостях с соответствующими реагентами. Методика определения содержания воды в силиконовых жидкостях с указанием соответствующих титрирующих растворов в виде рекомендации МЭК находится в стадии подготовки.
Рис. 8.29. Зависимости разрядного напряжения Ud силиконовой жидкости от относительной влажности wrel при температуре 26 °C (1) и 51 °C (2); электроды VDE с s=2,5 мм
На рис. 8.29 приведена зависимость разрядного напряжения силиконовой жидкости от относительной влажности. Более плавный ход кривых в области малых увлажнений вызван тем, что усиливающийся подвод электрической энергии при высоких температурах непосредственно перед пробоем приводит к разрыву ассоциативных связей между оксидом силоксана и молекулами воды, которые в результате этого высвобождаются. Это можно было бы еще отчетливее объяснить, рассмотрев зависимость разрядного напряжения от содержания воды при более высокой температуре, когда ассоциативные связи оборваны. Необходимо иметь в виду, что при определении разрядного напряжения силиконовых жидкостей нужно менять жидкость в ячейке после каждого разряда, так как в ней образуются при разряде труднорастворимые студенообразные продукты разложения (не удаляемые из промежутка перемешиванием), которые могут повлиять на значение разрядного напряжения.
Подготовка изоляционных жидкостей
Рис. 8.30. Устройство для сушки и обезгаживания: 1 — первая ступень; 2 — вторая ступень; 3 — вакуумная откачка
Сушка и обезгаживание.
Чтобы получить высокие диэлектрические характеристики изоляционной жидкости, необходимо перед использованием ее тщательно высушить и обезгазить. Это осуществляется в специальных установках в виде насадочных колонн (рис. 8.30).
Изоляционная жидкость, обычно подогретая, поступает через фильтр в установку. Необходимая температура определяется вязкостью жидкости, которая должна поддерживаться на низком уровне, чтобы при прохождении по насадочной колонне жидкость на заполнителе образовывала тонкую пленку, постоянно обновляющуюся при протекании через заполнитель. Этим достигается большая поверхность границы жидкость — вакуум в отдельных ступенях колонны. Однако температура не должна быть слишком большой, чтобы не испарялись летучие составляющие жидкости при требуемом вакууме в рабочем объеме.
Изоляционная жидкость, обычно подогретая, поступает че рез фильтр в установку. Необходимая температура определяется вязкостью жидкости, которая должна поддерживаться на низком уровне, чтобы при прохождении по насадочной колонне жидкость на заполнителе образовывала тонкую пленку, постоянно обновляющуюся при протекании через заполнитель. Этим достигается большая поверхность границы жидкость — вакуум в отдельных ступенях колонны. Однако температура не должна быть слишком большой, чтобы не испарялись летучие составляющие жидкости при требуемом вакууме в рабочем объеме.
В приведенном в качестве примера двухступенчатом устройстве обе ступени разделены сифонной задвижкой. Давление в первой ступени поддерживается на уровне нескольких гектопаскалей, а во второй — примерно 1 Па. Применение заполнителя, через который пропускается жидкость, обеспечивает также большое время ее пребывания в обезгаживающем устройстве, достаточное для того, чтобы парциальные давления водяного пара и газов в жидкости во второй ступени устройства стали приблизительно одинаковыми. Таким способом можно достичь остаточного содержания влаги в изоляционной жидкости в пределах от 5·10-7 до 5-10-6%.
В описанном устройстве из изоляционной жидкости удаляется только содержащаяся в ней вода, а не мелкие механические включения, растворенные продукты старения, которые образуются в жидкости под действием кислорода, повышенной температуры и каталитического действия металлов. Эти продукты сильно повышают ионную проводимость и приводят к увеличению tg δ. Их можно удалить из жидкости полностью или частично фильтрованием через отбеливающую глину.
Фильтрование.
Отбеливающая глина (силикат алюминия) добывается открытым способом, затем высушивается и размалывается до требуемой тонкости помола. Ее требуемая кислотность устанавливается оптимальным содержанием влаги. Глина способна абсорбировать продукты старения и, в частности, продукты с полярными молекулами, содержащиеся в жидкости.
Фильтрование минеральных масел в большинстве случаев является заключительной стадией их кондиционирования после изготовления.
На этой стадии удаляются остатки полярных компонентов, что приводит к замедлению процесса старения и уменьшению tg δ. Бывшее в эксплуатации масло фильтруется в ФРГ редко, так как вследствие заметного снижения tg δ требуются большие затраты, чтобы получить существенное снижение содержания продуктов химического старения.
Однако при использовании синтетических жидкостей непосредственно перед пропиткой они должны быть профильтрованы для получения оптимальных диэлектрических свойств.
