Растворимость газов в трансформаторном масле

При нормальных условиях в трансформаторном масле может раствориться значительное количество газа (таблица 1). Для характеристики растворимости данного газа в масле служат коэффициент абсорбции (или коэффициент Бунзена), который равен объему газа (при нормальных условиях) в единице объема масла, или же коэффициент растворимости, выраженный в объемных процентах.

Таблица 1 - Растворимость некоторых газов в трансформаторном масле при 25°С и 0,981 МПа (760 мм рт. ст.)

Растворимость углеводородных газов в трансформаторном масле снижается с повышением температуры тем больше, чем выше растворимость данного газа в масле. При увеличении температуры снижается также растворимость углекислого газа в масле. Растворимость азота, кислорода и углекислого газа в масле незначительно повышается при росте температуры (рисунок 1). На рисунке К — это отношение концентрации газа в масле к равновесной концентрации того же газа в пространстве над маслом (или так называемый коэффициент Оствальда). В соответствии с законом Генри масса m газа, растворенная в единице объема жидкости, при давлении р определяется уравнением m = kp, где k — коэффициент Генри:

k = KM/RT (М — молекулярная масса газа; R — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура).

1 — бутан; 2 — пропан; 3 — этан; 4 — этилен; 5 — ацетилен; 6 — метан; 7 — углекислый газ; 8 — кислород; 9 — окись углерода; 10 — азот

Рисунок 1 - Зависимость коэффициента распределения К, характеризующего растворимость данного газа в масле, от температуры

Высокая растворимость углекислого газа в масле используется для того, чтобы в максимальной степени удалить газовые включения из изоляции трансформаторов высокого напряжения.

В полулогарифмических координатах зависимость логарифма растворимости углекислого газа в масле (в состоянии насыщения) от обратного значения абсолютной температуры выражается прямой линией. Скорость насыщения масла газом зависит от высоты столба масла и размера поверхности соприкосновения газа с жидкостью.

При растворении воздуха в масле соотношение между входящими в состав воздуха газами изменяется. Так, воздух содержит по объему азота и кислорода соответственно 78 и 21%, а если он растворен в масле, то содержит по объему азота 69,8 и кислорода 30,2%. Равновесное содержание углекислого газа в масле над воздухом составляет по объему 0,01—0,03%, что соответствует обычной концентрации этого газа в воздухе. Растворимость газа в масле при данной температуре зависит от парциального давления газа (рисунок 2). Изучение динамики этого процесса позволило установить, что при данном диаметре газового включения время полного растворения его в масле тем меньше, чем меньше остаточное давление газа, растворенного в масле (рисунок 3).

Рисунок 2 - Растворимость воздуха в трансформаторном масле при различных давлениях

d₀ — начальный диаметр включения; р_ост — остаточное давление газа при дегазации масла, характеризующее степень насыщения масла газом (от 0 до 700 мм рт. ст.); t_р — время полного растворения газового включения, с

Рисунок 3 - Зависимость времени полного растворения газового включения в конденсаторном масле, дегазированном при различных остаточных давлениях

Приведенные закономерности справедливы для случая бумажно-масляной изоляции, если диаметр газового включения значительно меньше толщины масляной прослойки между слоями бумаги. Время растворения крупных газовых пузырьков, диаметр которых соизмерим с толщиной масляной прослойки, колеблется в значительных пределах.

Под влиянием электрического поля растворимость газа в трансформаторном масле может изменяться вследствие явления электрострикции. Хотя такие изменения и невелики, однако вероятность образования в связи с этим стабильного зародыша газового включения в насыщенном газом трансформаторном масле не исключена.

Генерация газовых пузырьков возможна также при вибрации в масле твердых тел. Вибрация приводит к появлению в масле локальных зон пониженного давления, в некоторых случаях — значительного размера, в которых растворенный в масле газ может выделяться в виде пузырьков. Появление разрежения обусловлено непрерывным изменением объема, вмещающего масло и ограниченного твердыми стенками, из которых одна, например, вибрирует. Учитывая практическую несжимаемость масла, изменение объема возможно только при вытеснении его или притоке. В связи с этим снижение до минимума различного рода вибраций в работающем трансформаторе позволит уменьшить вероятность возникновения газовых пузырьков и будет способствовать повышению электрической прочности изоляции.

Изучение закономерностей растворения газов в масле позволило вывести эмпирическую формулу для расчета времени, потребного для достижения заданной степени дегазации трансформаторного масла, %, в замкнутой системе:

А = 100(1-е^t/τ),

где t — продолжительность обработки, ч;

τ = V/L), ч;

V — полный объем масла, м³;

L — производительность вакуум-насоса, м³/ч.

Известен ряд методов определения количества растворенных в масле газов. Наиболее широко применяется хроматографический. Для практических целей пригодны также манометрические методы в различных модификациях. Простой и удобный метод определения содержания воздуха (или другого газа) в масле основан на глубокой дегазации масла под вакуумом при одновременном перемешивании с помощью вибратора. На основании измерений величины давления в камере прибора до и после опыта производится расчет содержания растворенного в масле газа.

Наконец, для определения малых количеств газа в масле и на небольших образцах перспективен масс-спектрометрический метод. Каждый максимум на спектре нумеруется в соответствии с его расположением на оси молекулярных масс и обозначает присутствие определенного газа.