В масле работающего трансформатора может содержаться некоторое количество твердых частиц. Наиболее опасными для изоляции являются проводящие частицы (металлы, углерод, влажные волокна и т. д.). Известны случаи повреждения трансформаторов, причиной которых являлось загрязнение масла твердыми частицами.
1. Источники образования твердых частиц, их состав
Степень опасности определяется количеством частиц, их размером и природой. По-видимому, более жесткое ограничение количества частиц должно быть для трансформаторов высших классов напряжения. Разработка таких нормативов требует проведения дополнительных исследований. Главными источниками образования частиц являются системы охлаждения, особенно насосы, а также процессы старения твердой изоляции и масла.
Характерным является неравномерное распределение частиц в масле трансформатора. Методы отбора проб и счета частиц приведены в публикации МЭК-60970 (Методы подсчета и определения размеров частиц в изоляционных жидкостях).
Обычно после сборки трансформатора на заводе в масле содержится большое количество частиц, главным образом волокон целлюлозы. Поэтому масло трансформаторов напряжением 220 кВ и выше перед испытаниями подлежит фильтрации. После монтажа на месте установки в эксплуатации фильтрация должна быть произведена повторно, т. к. в масле могут появиться частицы из системы охлаждения.
Во время эксплуатации с течением времени количество частиц в масле может возрасти. Характерный количественный состав частиц в зависимости от их размеров приведен в таблице.
В МЭК-60970 рекомендована процедура отбора пробы масла для определения количества частиц. Важно обеспечить чистоту сосуда для масла и вентиля, через который берется проба. Желателен отбор из движущегося потока масла. Отбор пробы из застойной зоны на дне бака может сильно исказить результат.
Повреждения трансформаторов вследствие наличия большого количества твердых частиц отмечались главным образом на трансформаторах сверхвысокого напряжения (СВН). Наибольшее число известных случаев повреждения имело место в масляных промежутках, например, с экрана высоковольтного ввода или отвода и пр., где отсутствовали барьеры.
2. Оценка результатов определения количества частиц
Рабочей группой Исследовательского комитета 12 СИГРЭ рекомендована классификация результатов определения количества частиц, приведенная в таблице 2.
Результаты, оцененные согласно таблице 2, могут быть уточнены после проведения испытаний электрической прочности масла. Эти испытания должны быть проведены согласно МЭК-60156. Если результаты испытаний не будут соответствовать измеренному количеству частиц, испытания следует повторить. При этом должна быть применена методика, которая способна выявить влияние частиц. Были описаны испытания при большом объеме масла между электродами и достаточно длительном приложении напряжения (ступенями с выдержкой 1 мин). Для рекомендаций принято «граничное» значение электрической прочности, сниженное на 30% или более по сравнению с новым маслом. Рекомендуются дальнейшие действия применительно к трансформаторам СВН, приведенные в таблице 3.
Таблица 1. Типичный пример количества твердых частиц в естественно загрязненном масле трансформатора
| Кумулятивное число | Дифференциальное число | ||
Размеры | Количество частиц в 100 мл, больших указанного размера | Диапазоны размера частиц, мкм | Количество частиц, указанных |
5 | 11600 | 5-15 | 10930 |
15 | 670 | 15-25 | 551 |
25 | 119 | 25-50 | 107 |
30 | 12 | 50-100 | 11 |
100 | 1 | Более 100 | 1 |
Таблица 2. Уровни содержания твердых частиц в масле трансформаторов
Максимальное количество в 100 мл | Обозначение содержания частиц | Оценка | |
5 мкм | 15 мкм | ||
250 | 32 | Нулевое | Уровень содержания частиц в растворителе в сосуде, предназначенном для отбора масла (согласно МЭК) |
1000 | 150 | Низкое | Масло высшей чистоты перед заводскими испытаниями и перед включением в эксплуатацию |
32000 | 4000 | Нормальное | Уровень содержания частиц типичный для трансформаторов в эксплуатации |
130000 | 16 000 | Предельное | Уровень содержания частиц имеющий место в значительном числе трансформаторов в эксплуатации |
> 130 000 | >16000 | Высокое | Уровень, редко встречающийся и свидетельствующий |
Таблица 3. Рекомендации при загрязненном масле
Уровень содержания частиц | Электрическая прочность | Рекомендации |
Нормальный | Хорошая | Меры не требуются Определить тип частиц |
Граничный | Граничная Хорошая | Определить тип частиц. Определить влагосодержание, принять решение о необходимости фильтрации |
Высокий | Граничная | Исследовать источник образования частиц Рекомендуется обязательная фильтрация или замена масла |
3. Влияние частиц на электрическую прочность
В литературе имеется много сведений о влиянии твердых частиц на электрическую прочность.
На рис. показано влияние влаги и твердых частиц на электрическую прочность.
В литературе отмечается, что метод определения пробивной прочности масла согласно МЭК-60156 не пригоден для определения вредного влияния твердых частиц в масле.
Однако, с той же испытательной камерой можно показать влияние частиц заменив быстрый подъем напряжения ступенчатым подъемом с выдержкой напряжения на каждой ступени. При таком методе 30 % снижение среднего пробивною напряжения имеет место для нормально загрязненного в эксплуатации масла. Более четко на зависимость проявляется при увеличении объема масла в испытательной камере. Голые электроды в твердых частицах, как проводящих так и в виде целлюлозных волокон, всегда уменьшает пробивное напряжение. Степень уменьшения зависит от объема масла, метода приложения напряжения, типа частиц.
Однако, в случае электродов, покрытых изоляцией, снижение пробивного напряжения меньше.
В трансформаторах, имеющих большой объем масла, частицы могут перемещаться и концентрироваться в наиболее напряженных местах. Поэтому для оценки снижения пробивного напряжения вследствие наличия твердых частиц были предложены коаксиальные электроды, которые способствуют движению масла и концентрации частиц в наиболее напряженном месте.
Важным является также метод приложения напряжения. Большая длительность приложения напряжения увеличивает вероятность концентрации частиц между электродами.
Необходимо учитывать и влагосодержание масла, которое может усилить отрицательный эффект частиц. Следует также отмстить, что частицы снижают минимальное пробивное напряжение в большей степени, чем среднее.
Изолированные электроды
Имеется относительно мало данных о снижении электрической прочности загрязненного масла при изолированных электродах.
Известен опыт, в котором масло, загрязненное алюминиевым порошком в системе электродов, имитировавших главную изоляцию между обмотками, снизило среднее пробивное напряжение на 7%, а минимальное — на 32 %.
Возможно, что механизм пробоя при изолированных электродах иной чем при неизолированных.
Известны случаи отложения проводящих частиц на поверхности изоляционных деталей, что значительно снизило их электрическую прочность.
