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.)
Газ | Химичес-кая фор- мула | К, % (в объемных долях) | Газ | Химичес-кая фор- мула | К, % (в объемных долях) |
Шестифтористая сера | SF6 | 43 | Водород | H2 | 7 |
Метан | CH4 | 30 | |||
Перфторпропан | C3F8 | 39 | Этан | C2H6 | 280 |
Воздух | - | 9,4 | Этилен | С2Н4 | 280 |
Азот | N2 | 8,6 | Ацетилен | C2H2 | 400 |
Кислород | O2 | 16 | Пропилен | C3H6 | 1200 |
Аргон | Аr | 15 | Пропан | С3Н8 | 1900 |
Углекислый газ | СO2 | 120 | Бутан | С4Н10 | 2000 |
Окись углерода | СО | 9 |
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; рост — остаточное давление газа при дегазации масла, характеризующее степень насыщения масла газом (от 0 до 700 мм рт. ст.); tр — 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-еt/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.