Влияние твердой изоляции и конструкционных материалов на старение трансформаторного масла

При изготовлении масляных трансформаторов применяются различные виды твердых изоляционных материалов. Электротехнический картон на основе целлюлозы используется для создания в масле барьеров, повышающих электрическую прочность изоляционных промежутков. Из этого материала изготавливают такие детали, как изоляционные шайбы, прокладки и др.

Кабельная бумага — основной изоляционный материал для медного обмоточного провода и отводов высокого напряжения.

В некоторых типах трансформаторов бумага используется в качестве изоляции между обмотками с различными потенциалами. Количество целлюлозных материалов в масляных трансформаторах весьма значительно. Учитывая полную поверхность соприкосновения их с маслом, можно говорить о значениях около 0,5—1,0 см² на 1 г масла для различных типов трансформаторов.

Для усиления механической прочности изоляции отводов высокого напряжения и других токоведущих частей трансформаторов применяется лакированная ткань или же крепированная бумага. В трансформаторах высокого напряжения на 1 г масла приходится до 0,3 см² поверхности этих материалов. При изготовлении отдельных деталей и узлов трансформатора используют гетинакс, бакелит, пластмассы, дерево, хлопчатобумажную ленту.

Наконец, в качестве уплотняющего материала для разъемных узлов трансформатора находит применение маслостойкая резина в виде пластин, полос, шайб и других деталей. Для закрепления металлических токоведущих стержней в фарфоровых изоляторах используют заливочные массы, такие, как магнезиальная замазка и портландский цемент.

Стремление, с одной стороны, расширить область применения в трансформаторостроении новых синтетических материалов (пластмассы и другие полимеры), а с другой — избежать использования материалов, нестойких в нагретом минеральном масле, обусловливает интерес к этим вопросам.

Исследования показали (таблица 1), что в условиях, моделирующих герметичные трансформаторы (при отсутствии кислорода), электротехнический картон, различные виды изоляционных бумаг, хлопчатобумажная лента, бакелитовые изделия, буковая древесина, гетинакс, микалекс не оказывают влияния на масло.

Таблица 1 - Влияние твердых изоляционных и конструкционных материалов на старение трансформаторного масла из бакинских нефтей

Другие материалы довольно интенсивно воздействуют на масло. В присутствии лакоткани марки ЛХМ значительно повышается кислотное число масла (на 0,18 кг КОН на 1 г масла) вследствие частичного растворения в масле кислых соединений, содержащихся в пропитывающем ткань лаке. Непригодной для применения в масле оказалась хлорвиниловая пленка. Интересно, что при высокой кислотности масла не произошло повышения tg δ масла.

При старении масла в контакте с изделиями из обычной маслостойкой резины наблюдается увеличение кислотного числа масла до 0,45 мг КОН на 1 г масла и ухудшение диэлектрических показателей. В масле обнаруживается обильный белый осадок, содержащий окись цинка, которая входит в число ингредиентов резины.

Набухаемость резины за 1000 ч пребывания в нагретом бакинском масле не превысила 10 %. Следует напомнить, что согласно техническим условиям на резиновые изделия, применяемые в масляных трансформаторах, оценка их маслостойкости производится по степени набухаемости после 72 ч пребывания в масле при температуре +95 °С, при этом изменение массы резины не должно превышать 5—10 %. Очевидно, что такое кратковременное испытание маслостойкости резины, к тому же без учета изменения самого масла, далеко от совершенства и не гарантирует надежности и долговечности ее работы. На практике это иногда приводит к тому, что резина, получившая по стандартному методу оценку маслостойкой, после непродолжительного (обычно не более 1—2 лет) применения в качестве уплотняющего материала в масляных трансформаторах частично разрушается.

Очевидно, целесообразно нормировать показатели, лимитирующие влияние резины на масло, а также степень изменения ее механической прочности после достаточно длительного пребывания в нагретом масле.

Набухаемость резины существенно зависит от химического состава масла и, как правило, возрастает в маслах с большим содержанием ароматических углеводородов. Это подтверждается исследованиями по влиянию масла МК-8 (аналогичного трансформаторному) на различные марки маслостойких резин (таблица 2).

Таблица 2 - Влияние химического состава масла МК-8 на изменение массы резины. Опыты производились при температурах 100 и 120°С

Кремнийорганическая резина марки 5р-129, предварительно подвергнутая термообработке по специальному режиму, оказалась вполне индифферентной по отношению к маслу, причем ее набухаемость не превышает 13 %. Очевидно, на основе таких резин могут быть получены высокостойкие уплотняющие материалы для работы в масле.

Магнезиальная замазка и портландский цемент не влияют на кислотность и tg δ масла. Однако в масле происходит частичное механическое разрушение цемента.

В воздушной среде, в условиях, моделирующих условия работы трансформаторов обычного типа, изоляционные материалы на основе целлюлозы незначительно увеличивают кислотность масла. Следует отметить, что в таких условиях эксперимента картина изменения масла несколько искажается, поскольку продукты его окисления в значительной степени поглощаются изоляционными материалами. Чем большей плотностью обладает тот или иной материал из целлюлозы, тем меньше его адсорбционная способность. По этой причине, например, при более плотной конденсаторной бумаге показатели масла изменяются в большей степени, чем при кабельной бумаге, обладающей меньшей плотностью.

При оценке глубины окисления масла по количеству поглощенного кислорода удается достаточно отчетливо выявить ускоряющее действие целлюлозных материалов на процесс окисления масла.

При окислении масла в присутствии лакоткани ЛХМ увеличивается кислотность масла, а в присутствии резины наряду с этим наблюдается рост диэлектрических потерь в масле. По абсолютным значениям полученные результаты близки к данным опытов, проводившихся при отсутствии кислорода. Это позволяет считать, что резина и лакоткань не являются активными катализаторами окисления масла. Выделение из этих материалов некоторых ингредиентов в масло является основной причиной изменений последнего.

Дерево применяется в трансформаторах в основном как конструкционный и отчасти как электроизоляционный материал. Наиболее широко используется бук. По нашим данным клен и береза практически не оказывают влияния на старение масла (см. таблицу 1). Некоторая разница в степени воздействия на масло этих пород дерева, по всей вероятности, обусловлена неодинаковой пористостью их.

Деревопластики — весьма перспективный материал для замены дерева в трансформаторостроении. В последние годы в мировой практике эта тенденция проявляется все шире. Механические характеристики деревопластиков выше, чем бука, а технология изготовления деталей из них более экономична, чем из деревянных. При выборе сорта деревопластика следует обращать внимание, чтобы материал не расслаивался при нагревании в среде масла.

На диаграмме на рисунке 1, в которой в качестве критерия действия на масло данного материала принято содержание в масле водорастворимых кислот, образовавшихся при старении, приведены сводные данные по основным материалам, применяемым в трансформаторах.

Рисунок 1 - Влияние изоляционных и конструкционных материалов на появление водорастворимых кислот в трансформаторном масле