Влагосодержание изоляции трансформатора при его эксплуатации

1. Источники воды в трансформаторе

Главным источником воды в трансформаторе является атмосферная влага. Она проникает в трансформатор вместе с воздухом через несовершенные системы защиты от увлажнения. Второй путь, это проникновение воздуха через уплотнения (в случае их дефекта) под воздействием градиента давления.
Помимо попадания влаги в масло из окружающей атмосферы, в самом трансформаторе существует источник воды. Эта вода выделяется в твердой изоляции и масле в результате процесса их старения. В полностью нагруженном трансформаторе целлюлозная изоляция состарится в течение 20—30 лет и выделит за это время около 0,5—0,75 % воды (от массы изоляции).
Старение масла увеличивает влагосодержание бумаги примерно на 1 % до его замены. Если за время эксплуатации имела место одна смена масла, то общее количество влагосодержания твердой изоляции может возрасти за счет старения не более чем на 2—3 %.
Однако если целлюлозная изоляция сильно состарилась, например механическая прочность бумаги на разрыв уменьшилась более чем вдвое, что обычно бывает за пределами нормального срока эксплуатации, выделения воды в результате воздействия температуры значительно увеличивается.
Опыт показывает, что после длительной эксплуатации в трансформаторах с первоначально хорошо обработанной изоляцией, снабженных расширителями с эффективно действующими силикагелевыми влагопоглотителями, содержание влаги в твердой изоляции не превысит 5 % по массе, а в масле 25 г/т (грамм на тонну), если эти трансформаторы находились под достаточной нагрузкой. Но бывают случаи и значительно более высокой влажности, что приводит к выводу трансформатора в ремонт. При этом следует иметь в виду, что образцы изоляции, взятые из более нагретых мест, показывают влагосодержание меньше.

В случае пленочной или азотной защиты влагосодержание остается ниже 1 %, т. к. в этом случае отсутствует контакт масла с окружающим воздухом.

2. Распределение воды в изоляции трансформатора

Вода растворяется в трансформаторном масле в очень небольших количествах.
Растворимость увеличивается с повышением температуры   и изменяется в зависимости от химического состава масла. Увеличение содержания ароматических углеводородов значительно увеличивает растворимость воды.
Ниже приведены данные о растворимости воды в масле в зависимости от содержания ароматических углеводородов, согласно норм.
При снижении температуры, при которой в масле находится предельное (насыщающее) значение влаги, часть влаги выделится в масле в виде эмульсии, т. е. в форме очень мелких капель. Эти капли имеют тенденцию осаждаться на твердых включениях, имеющихся в масле.
Увлажнение твердой изоляции при эксплуатации трансформатора происходит путем миграции влаги из масла. Масло в свою очередь увлажняется при соприкосновении с воздухом, когда защита от увлажнения несовершенна.

Скорость миграции влаги из воздуха в масло и из масла в твердую изоляцию мала и зависит от многих условий.
Насыщающее значение влагосодержания целлюлозной изоляции, в отличие от масла, практически не зависит от температуры и составляет около 17% по массе.
Распределение воды в изоляции подчиняется закону равновесия: при равенстве температур относительные влажности соприкасающихся сред: воздуха, масла и твердой изоляции равны.
Равновесие может быть достигнуто в течение относительно длительного времени, но тенденция к достижению равновесия постоянна.
При равновесном состоянии парциальные давления водяных паров во всех трех средах равны.

Насыщающее влагосодержание масла, WH при различном содержании ароматических углеводородов при атмосферном давлении и плотность насыщенных водяных паров в зависимости от температуры: 1 — трансформаторное масло, содержащее около 6 % ароматических углеводородов; 2 — масло, содержащее около 30 % ароматических углеводородов; 3 — бензол; 4 — плотность насыщенных водяных паров (1 г/м соответствует массе волы 1 г/м3).
В случае повышения температуры твердой изоляции парциальное давление водяных паров в ней повышается и под действием градиента парциального давления влага переходит из твердой изоляции в масло. Это объясняет тот факт, что витковая изоляция в работающем трансформаторе имеет меньшее влагосодержание, чем это следует из равновесных кривых, предполагающих равенство температур.
Качественно такое же положение имеет место если температура масла превышает температуру соприкасающегося с ним воздуха.
Когда бумага находится в трансформаторном масле, соприкасающемся с воздухом, имеющим температуру +20°С и относительную влажность 50 % (или 10 °С и влажность 100 %), содержание влаги в бумаге составит примерно 2% при температуре масла 60°С и снизится до значения менее 1 % при температуре масла 80 °С. С другой стороны, когда масло находится при температуре 20 °С, содержание влаги в бумаге достигает 9%.
При превышении температуры изоляции (масла и твердой изоляции) над температурой окружающего воздуха, влагосодержание изоляции будет низким. И наоборот, при равенстве температуры всех трех компонентов изоляция будет сильно увлажнена.
Так, при температуре окружающего воздуха 20 °С с влажностью 100% и при температуре изоляции равной 90 °С, влагосодержание масла составит около 19 г/т, твердой изоляции — около 1 %, тогда как при одинаковой температуре изоляции и воздуха (20 °С), даже при вдвое сниженной его влажности равной 50%, влагосодержание масла — около 26 г/т, а твердой изоляции — около 9 %.
Наличие масла не предохраняет твердую изоляцию от увлажнения. Оно просто замедляет достижение момента равновесия.
В равновесном состоянии основное количество воды содержится в твердой изоляции (свыше 90 %).
Так, например, в автотрансформаторе мощностью 125 MB-А напряжением 220/ 110/11 кВ количество масла 47 т, а масса целлюлозной изоляции — 5,9 т.
При температуре 70 °С и влагосодержании масла 20 г/т, влажность твердой изоляции составляет 2 %. Т. е. в масле содержится 0,94 кг, а в твердой изоляции 118 кг воды.
В работающем трансформаторе происходит постоянное перераспределение влагосодержания между твердой изоляцией и маслом вследствие изменения температуры при изменении нагрузки и атмосферных условий.
В работающем трансформаторе даже при постоянной нагрузке существует неравномерное распределение влаги в различных участках изоляции. Так витковая изоляция имеет меньшее влагосодержание, чем барьеры главной изоляции вследствие тенденции выравнивания парциального давления водяных паров под воздействием градиента температуры.
При резких изменениях условий, например, при сбросе нагрузки и быстром понижении температуры, масло может оказаться перенасыщенным и произойдет выделение свободной воды в виде эмульсии. Под воздействием электрического ноля и движения масла, пузырьки воды могут выстраиваться в цепочки, т. к. вода по своей природе полярна, и образовывать проводящие мостики или осаждаться на поверхности твердой изоляции.
В случае увеличения нагрузки, под воздействием быстрого увеличения температуры увлажненной витковой изоляции, прилегающей к меди провода, давление водяных паров в ней будет вытеснять пропитывающее изоляцию масло и микрокаппилляры могут заполнятся пузырьками водяных паров.
При окружающей температуре ниже нуля, в случае отключения трансформатора от сети его температура через некоторое время сравняется с окружающей. Если при этом произошло выделение свободной воды из масла, она перейдет в лед. Ледяные кристаллы и более крупные образования, увлекаемые током масла могут оказаться в электрически наиболее напряженных местах. Такой механизм переноса частиц льда даже более вероятен, чем в случае эмульсионной влаги, т. к. плотность льда меньше. Известны случаи, когда в зимнее время при включении трансформатора, после длительного отключения, происходило ею повреждение.

3. Снижение электрической прочности

Ранее говорилось о снижении электрической прочности изоляции в результате тепловых переходных процессов распределения влаги в изоляции.
В данной статье сообщаются сведения о снижении электрической прочности в стационарном тепловом режиме.
Трудно однозначно сказать, в какой мере качество масла влияет на электрическую прочность изоляции трансформатора в целом — это зависит от конфигурации электродов и характера воздействий, лимитирующих прочность данной конструкции. Электрическая прочность масла, не содержащего твердых частиц, относительно слабо зависит от количества растворенной в нем воды (до точки насыщения). При содержании выше 5 г/т электрическая прочность уменьшается все больше, по мере загрязнения твердыми частицами. Предполагается, что масло свежее или очень мало работавшее. Поэтому не уделено внимания влиянию кислотности масла на его способность растворять воду (кислотность не имеет существенного влияния на диэлектрические свойства масла).
Современные установки для обработки масла делают возможным уменьшить содержание влаги в масле значительно ниже насыщающего значения даже при низших температурах, которые могут быть на практике.
Снижение электрической прочности чистого трансформаторного масла в зависимости от его влагосодержания относительно невелико (около 20% при влагосодержании 35 г/т). Однако загрязнение масла механическими примесями (твердыми частицами) делает зависимость более резкой.
Прочность в стандартных электродах снизилась следующим образом (исходная прочность в обоих случаях 80 кВ):

Таким образом, вода сильно снижает электрическую прочность масла, особенно в присутствии механических частиц.
Увлажнение присутствующих в масле волокон целлюлозы превращает их в проводящие частицы, о чем было сказано ранее.
Этим также объясняются случаи повреждений трансформаторов при их включении после некоторого периода нахождения в отключенном состоянии, особенно в зимнее время.
Влияние влагосодержания на электрическую прочность целлюлозной изоляции
До влагосодержания около 1 %, или даже несколько больше, электрическая прочность практически не снижается. Однако напряжение начала частичных разрядов начинает снижаться значительно раньше.
Однако, влияние воды на электрическую прочность, как уже ранее говорилось, этим не ограничивается. В условиях эксплуатации влага и газы могут перемещаться и их содержание может достигать критических значений в наиболее напряженных местах. Поочередное нагревание и охлаждение трансформатора при определенных условиях (состояние, близкое к насыщению) опасно для его изоляции.

4. Классы влагосодержания изоляции трансформаторов

Авторы  предлагают классифицировать величины влагосодержания в изоляции по степени опасности повышения влагосодержания масла при нагревании трансформатора и последующего его охлаждения, когда относительная влажность масла значительно увеличивается или в предельном случае даже достигает 100%, т. е. насыщения.
Класс I
«Хорошее» состояние — сухой трансформатор, влагосодержание целлюлозной изоляции составляет 0,5—1,0 % или меньше. Отсутствует возможность существенного изменения влагосодержания масла с изменением температуры. Оно остается ниже 15 г/т. Относительное влагосодержание масла изменяется с температурой и составляет около 3% или меньше при температуре 60—70 °С.
Класс II
Удовлетворительное состояние — нормальное состояние трансформатора, относительное влагосодержание масла остается относительно низким — 40—50% при низких значениях рабочих температур.
При этом влагосодержание изоляции составляет 1 — 1,5%. Небольшое (менее чем в два раза) увеличение влагосодержания масла при нагревании трансформатора и его работе при нормированном значении. Относительное влагосодержание масла при температуре 60—70 °С составляет около 5%.
Класс III
Вероятно увлажненное состояние — относительное влагосодержание масла может возрасти более 50% при изменении в пределах рабочих температур.
Класс IV
Увлажненное состояние — когда изменение рабочей температуры может привести к образованию водяной эмульсии в масле.

5. Влияние на механическую прочность и скорость температурного старения

Механическая прочность обмоток трансформатора зависит от стабильности их размеров и усилий запрессовки в течение эксплуатации. При изменении взаимного расположения центров обмоток из-за изменения размеров изоляции (толщины прокладок и других участков изоляции) и, как следствие, искажения поля рассеяния, могут существенно измениться электродинамические силы, воздействующие на обмотки.
В то же время, ослабление прессовки, вследствие усадки картона прокладок, витковой и др. изоляции, приведет к снижению механической прочности обмоток. Линейная усадка картона и бумаги при уменьшении влагосодержания на 1 % составляет примерно 0,5—0,8%. Эта величина справедлива для области нормальных значений влажности этих материалов возможных в эксплуатации.
Очень важно то, что обмотки достигают стабильных форм, и их изоляция имеет динамические модули эластичности, которые предварительно установлены для окончания заводской технологической обработки. Такая обработка является условием удовлетворительной прочности по отношению к усилиям короткого замыкания в трансформаторе при эксплуатации.
Поэтому обработка обмотки состоит из ряда процессов, включая сушку под давлением. Эти операции завершаются перед окончательной сушкой, обычно перед насадкой обмоток на магнитопровод. Опыт показывает, что остаточная влажность, которая может быть после этой операции не должна быть более 1 %.
Перед сборкой трансформатора изоляция должна быть высушена и ее высота должна быть стабилизирована сушкой и давлением, значение которого желательно должно быть равно или несколько больше того, которому обмотка будет подвергаться в эксплуатации.
Несмотря на меры, принятые для устранения или замедления абсорбции влаги изоляцией, во время сборки трудно избежать повышения влаги в ней к моменту начала окончательной сушки. Однако, к тому, что уже было достигнуто в отношении механических свойств, эта операция ничего не добавляет. Все же необходимо вновь сжать обмотку перед окончательной пропиткой маслом. Для этого кроме высокой температуры и вакуума требуется время, особенно для деталей большой толщины.
Здесь уместно заметить, что пропитка изоляции маслом значительно замедляет ее увлажнение.
Значение влагосодержания оказывает влияние на механическую прочность косвенным образом, значительно ускоряя температурное старение.