Трансформаторное масло, служащее в трансформаторах как теплоотводящая среда и составная часть изоляции, изготовляется из нефти. В промышленных масштабах добыча нефти началась в XIX веке и за каждые десять лет мировая добыча нефти увеличивалась примерно в 2 раза.
Добыча нефти в России впервые началась в конце прошлого столетия.
Человечество стало использовать нефть более двух тысячелетий назад в строительстве, медицине. Позднее нефть стала служить как топливо для освещения. Лучшей для светильников была легкая светлая нефть. Когда таких нефтей стало не хватать, началась перегонка нефти. В 60-х годах прошлого столетия отмечался быстрый рост предприятий по перегонке нефти.
В 1918 г. вся нефтяная промышленность была национализирована. К 1925 г. закончилось восстановление и в 1927 г. началось строительство новых заводов.
После войны были восстановлены разрушенные заводы, а в западных и северозападных районах России построены новые, более мощные заводы, на которых освоена новая технология переработки сернистых, высокосмолистых и парафинистых нефтей. Нефть стали использовать как сырье для получения синтетического спирта, искусственных волокон, синтетического каучука, минеральных удобрений. Объем промышленного производства превышает довоенный уровень. Продукция нефтеперерабатывающей промышленности России экспортируется более чем в 55 стран.
По физическим и химическим свойствам нефти различных месторождений, а иногда различных скважин одного месторождения значительно отличаются друг от друга. Поэтому классификация нефти по свойствам имеет существенное значение при определении оптимального варианта технологии ее переработки. В Советском Союзе с 1967 г. действовала технологическая классификация. Нефти разделяются на классы по содержанию серы в нефти, бензине, реактивном и дизельном топливе; на типы по выходу фракций до 350° С: на группы по потенциальному содержанию базовых масел; на виды по содержанию парафина (парафин — твердые углеводороды). I класс — нефти малосернистые, содержат не более 0,5% серы; II класс— нефти сернистые, содержат 0,51—2% серы и III класс — нефти высокосернистые, содержат более 2% серы. По выходу светлых фракций, перегоняющихся до 350° С, нефти делятся на три типа: Ti, Т2, Т3; по содержанию масел — на четыре группы: Mi. М2, Мз, М4; в зависимости от индекса вязкости (индекс вязкости — показатель, характеризующий вязкость масел в зависимости от их температуры) — на две подгруппы: H1 и H2. Нефть с содержанием не более 1,5% парафина, из которой можно без депарафинизации получить реактивное и зимнее дизельное топливо с пределами перегонки 240—350° С и с температурой застывания не выше — 45е С и также базовые масла, относят к мало-парафинистой (вид П|). Если из нефти нельзя получить какой-либо из указанных выше продуктов без депарафинизации, то такую нефть относят к парафинистой (вид П2). Масла из парафинистых нефтей можно получить только после депарафинизации. Высокопарафинистые нефти содержат более 6% парафина (вид Пз); они не могут служить сырьем для получения масел.
Трансформаторные масла изготовляют из фракций нефти, выкипающей при 300—400° С при атмосферном давлении и состоят в основном из смеси нафтеновых, парафиновых и ароматических углеводородов (соединения только из углерода и водорода).
Нафтены — насыщенные углеводороды (насыщенными, или предельными, называются углеводороды, которые не содержат в своей молекуле двойных связей; все атомы соединены друг с другом за счет одной валентности каждого из них), имеющие в своей молекуле одно или большее число колец. Кольцевым называется строение углеводородной молекулы, при котором атомы углерода соединены между собой в виде замкнутого контура, образуя кольцо. В зависимости от числа углеродных атомов различают кольца трехчленные, четырехчленные и т. д. В зависимости от числа колец в молекуле нафтены бывают моноциклические, бициклические и т. д. Масляные фракции некоторых нефтей содержат более 70% нафтенов. Масляные фракции нефтей, менее качественных в отношении производства масел, содержат обычно 30—40% нафтеновых углеводородов. Нафтены хорошие диэлектрики с низким и стабильным значением tg6. В химическом отношении нафтены неустойчивы: они легко окисляются кислородом воздуха, причем электрическое поле, присутствие металла и нагрев в значительной мере ускоряют этот процесс.
Парафины — предельные углеводороды, имеющие малую химическую активность. По кристаллической структуре они делятся на парафины и церезины. При одинаковой температуре плавления с парафинами церезины имеют большую молекулярную массу, плотность, вязкость и температуру кипения. В своей кристаллической решетке церезины прочно удерживают жидкую фазу. Парафины — хорошие диэлектрики, но получить трансформаторное масло с достаточно низкой температурой застывания из нефтей, содержащих более 1,5% парафина, нельзя. Необходимо путем депарафинизации удалить избыток парафина.
Ароматические углеводороды — непредельные углеводороды циклического строения — характеризуются наличием в молекуле кольчатой группы из шести углеродных атомов (бензольное ядро). Простейший представитель этого ряда — бензол С6Н6. Ароматические углеводороды обнаружены во всех нефтях. Количество их в масляных фракциях различных нефтей различно. Богатые нафтеновыми углеводородами масляные фракции содержат меньше ароматических углеводородов, чем масляные фракции с меньшим количеством нафтенов.
В нефтях ароматическим углеводородам, как правило, сопутствуют сернистые соединения и смешанные нафтеноароматические соединения. Отделить ароматические соединения от сернистых при разделении нефтяных фракций на силикагеле не удается. Удалить сернистые соединения на силикагеле можно, если предварительно перевести их в кислородные. Это объясняется тем, что соединения, содержащие кислород, имеют более высокое значение диэлектрической постоянной, чем соответствующие им по строению сернистые соединения. Например, для амилмеркаптана (C5H4S) е=4,7, а для амилового спирта (С5Н4ОН) е=15,8.
Ароматические углеводороды из всех углеводородов, входящих в масло, обладают наибольшей стабильностью к окислению и передают эти свойства трансформаторному маслу. Но тяжелая полициклическая (содержащая много циклов — колец) ароматика ухудшает диэлектрические свойства, увеличивает гигроскопичность и при старении масел в процессе эксплуатации вызывает выпадение обильных осадков. Ароматические углеводороды масляных нефтей имеют меньше колец и более длинные боковые цепи, чем ароматика тяжелых нефтей. От строения боковых цепей зависят такие свойства, как вязкость и стабильность окисления.
В масляных фракциях кроме парафинов твердыми являются нафтеновые и ароматические углеводороды с длинными боковыми цепями нормального строения.
В нефтях содержатся в основном следующие сернистые соединения: меркаптаны — общая формула R — SH, где R — радикал парафинового углеводорода (например, CH1—СН2—SH — этилмеркаптан); сульфиды — соединения, которые образуются при замещении в молекуле меркаптана атома водорода сульфидной группы углеводородным радикалом (например, СН3—S—СН3 — диметилсульфид). Сульфиды и меркаптаны имеют резкий неприятный запах. При нагревании они разлагаются с выделением сероводорода. С галоидами, мочевиной и солями металлов они образуют комплексные соединения — дисульфиды общей формулой R—S—S—R, например диметилдисульфид СН3—S—S—СН3, триофены — циклические соединения, содержащие в пятичленном цикле атом серы.
Масло не должно содержать активной серы (сероводород, меркаптаны, коллоидная сера), которая может вступать в реакцию с металлами. Допускается содержание в небольшом количестве сульфидов, которые могут служить естественными антиокислителями. Содержание сульфидов более 0,5% (в пересчете на серу) увеличивает осадкообразование при старении масел.
К кислородсодержащим веществам нефтей относятся асфальто-смолистые вещества и нафтеновые кислоты. Асфальто-смолистые вещества делятся на: 1) нейтральные смолы, полностью растворяющиеся в петролейном эфире и нафтеновых фракциях. Нейтральные смолы имеют жидкую или полужидкую консистенцию, плотность их около 1; 2) асфальтены твердые — неплавящиеся, хрупкие вещества, растворяются в бензоле, в петролейном эфире нерастворимы, имеют плотность больше 1; 3) карбены — вещества, по внешнему виду похожи на асфальтены, но в бензоле не растворяются, растворимы в сероуглероде. В свежих трансформаторных маслах содержатся только нейтральные смолы в количестве, не превышающем 1%. Смолы имеют интенсивную темно-красную окраску и придают цвет трансформаторному маслу. Масла, из которых полностью удалены смолы, бесцветны.
Нейтральные смолы легко окисляются даже при комнатной температуре, особенно на свету. В состав смол входят нафтеновые и ароматические циклы, сера, кислород и азот. В небольших количествах смолы могут быть естественными окислителями. Однако наличие их в трансформаторном масле нежелательно. Смолы являются полярными соединениями и поэтому снижают диэлектрические свойства (увеличивают lg6) трансформаторных масел. В процессе эксплуатации в маслах образуются продукты окисления, по составу близкие к асфальтенам и карбенам.
Нафтеновые кислоты имеют нафтеновое ядро, кислые свойства им придает карбоксильная группа СООН. С щелочами и тяжелыми металлами нафтеновые кислоты образуют соли, которые, кроме щелочных, в воде нерастворимы. Наиболее богаты нафтеновыми кислотами бакинские нефти. Восточные сернистые нефти почти не содержат нафтеновых кислот. Содержащиеся в трансформаторном масле нафтеновые кислоты имеют молекулярную массу 270—290.
Физическое состояние компонентов масла.
Нафтеновые, ароматические и нафтеноароматические углеводороды находятся в масле в состоянии молекулярного раствора. Твердые при обычной температуре ароматические, нафтеноароматические углеводороды, смолы и парафины при повышении температуры могут раствориться в масле, но при понижении температуры опять выделиться в виде твердой фазы. Таким образом, при разных температурах физическое состояние компонентов масла различно.
Асфальтены находятся в смолистых веществах в тонкодисперсном состоянии (диспергирование — тонкое измельчение твердых или жидких тел в окружающей среде). В парафиновых и нафтеновых углеводородах асфальтены не растворяются и не набухают. В растворителях асфальтены выпадают в осадок. Происходит коагуляция асфальтенов (коагуляция — слипание частиц в дисперсных системах с образованием более крупных частиц, что приводит к выпадению осадка). Метод определения осадка при определении общей стабильности против окисления основан на этом свойстве асфальтенов.
