Лабораторная работа 4 исследование физических свойств и электрической прочности трансформаторного масла

Цель работы — практическое знакомство с приемами определения физических и электрических параметров трансформаторного масла, усвоение методик снятия разрядных характеристик и статистической обработки экспериментальных данных.

Общие сведения. Важными физическими параметрами трансформаторного масла являются вязкость и температура вспышки паров. Вязкость определяет процесс теплоотдачи обмоток в трансформаторах и дугогасящую способность включателей. Для измерения условной вязкости — ВУ масла применяется вискозиметр Энглера, по которой может быть определена кинематическая вязкость ν (сСт) по соотношению ВУ °Э = 0,136 ν.

Схема вискозиметра Энглера показана на рис. 1. Латунный сосуд 2 помещен внутрь металлического сосуда 1 так, что между ними имеется пространство, заполняемое водой. Оба сосуда в центре имеют отверстия, сквозь которые пропущена платиновая трубочка 3 с диаметром внутреннего отверстия 2 ...3 мм.

Рис. 1. Вискозиметр Энглера.

Это отверстие закрывается пробкой 4. Латунный сосуд заполняется испытуемой жидкостью по указательные штифты 5. Вязкостью масла в градусах Энглера при данной температуре называется отношение времени истечения 200 см³ масла при данной температуре к водному числу прибора. Водным числом прибора Энглера называется время истечения через калиброванное отверстие 200 см³ воды при температуре 20° С.

Т емпература вспышки определяет степень опасности пользования масла в пожарном отношении. Для определения температуры вспышки паров трансформаторного масла применяется прибор, схема которого изображена на рис.2.

Рис. 2. Прибор для определения температуры вспышки

паров трансформаторного масла

Прибор состоит из латунного стакана 1, помещенного внутрь электрического нагревателя 2. Стакан заполняется испытуемым маслом до отметки на его внутренней поверхности. При повороте мешалки ее нижние крылья перемешивают масло, а верхние — пары масла. При сдвиге заслонки 3 горелка 4 автоматически наклоняется к отверстию и ее пламя соприкасается с парами масла. Температурой вспышки называют наименьшую температуру, при которой вспыхивают пары масла. При этих условиях само масло не загорается. Оно загорается при большей температуре, называемой температурой воспламенения.

Электрическим параметром масла является его электрическая прочность . Электрическая прочность масла определяется как значение пробивного напряжения, отнесенное к межэлектродному расстоянию. Среднее значение электрической прочности

где N — число пробоев масла.

Разброс отдельных значений электрической прочности относительно среднего значения характеризуется среднеквадратичным отклонением σ:

.

Пусть все значения находятся в интервале — (рис. 11). Разобьем этот диапазон на m одинаковых интервалов и для каждого интервала найдем число пробоев n_к. Вероятность того, что электрическая прочность для к-го интервала будет равна . определяется соотношением

Если отложить на графике по оси ординат р_к - то по оси абсцисс — , то можно построить гистограмму (рис. 3), а проводя через средние ее точки кривую, получить дифференциальную кривую вероятности (кривая р ). Согласно теории вероятностей, разброс опытных точек указанной кривой (поскольку на него влияет большое число независимых случайных факторов) следует нормальному закону распределения вероятностей Гаусса. Если определить для каждого интервала К число пробоев М_к, то зависимость М ( ) выразит интегральную кривую вероятности (кривая б). При определении величины электрической прочности трансформаторного масла можно оценить степень его неоднородности. Оценка производится по коэффициенту вариации:

Считается, что изоляция однородна, если .

Рис.3. Гистограмма

Сильное влияние на величину масла оказывает присутствие влаги, причем резкое снижение электрической прочности наблюдается уже при содержании влаги порядка 0,01 ... 0,015% от веса. В таком состоянии масло уже не пригодно для использования в качестве изоляционной среды в высоковольтной аппаратуре.

Оценку «качества» масла и определение электрической прочности производят на стандартном маслоиспытателе АИМ-90. Определяемая прочность с влажностью связана выражением, кВ/см

где ω — влажность масла в процентах (т. е. количество воды в масле в процентах от веса масла).

В табл. 1 .приведены нормы ПТЭ электроустановок, которым должно удовлетворять трансформаторное масло для установок соответствующего номинального рабочего напряжения.

Таблица 1

Установки	Пробивное напряжение на АИМ-90, кВ
	Свежее масло масло	Эксплуатац. масло
3-6 35 110—220	25 30 40	20 25 35

Важными электрическими параметрами, характеризующими потери энергии в жидкой изоляции, являются диэлектрическая проницаемость ε и тангенс угла диэлектрических потерь—tg δ. Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий угол φ (угол между током, протекающим через конденсатор в эквивалентной схеме замещения диэлектрика, и напряжением на нем) до 90°. Величина называется коэффициентом потерь (здесь — электрическая постоянная, равная Ф/м).

При определении диэлектрических потерь необходимо учитывать температурные зависимости ε и tg δ. Минеральное трансформаторное масло является нейтральным диэлектриком, поэтому зависимость ε (t°) выражена слабо, в то время как tg δ существенно растет с повышением температуры, что связано с увеличением тока проводимости вследствие интенсивного теплового движения заряженных частиц в масле. Согласно требованиям ГОСТ 982—68, величина tg δ нормируется в диапазоне температур +20°С ... +80°С. Значительно повысить электрическую прочность масляной изоляции можно, поместив в нее барьер из твердого диэлектрика. Особенно явно это сказывается в резконеоднородном поле (электроды «игла—плоскость»). На барьер, расположенный вблизи иглы, оседают заряженные частицы, движущиеся от этого электрода. Они распределяются на значительной площади поверхности барьера, выравнивая тем самым поле в остальной части промежутка и увеличивая . При оптимальном расположении барьера — ближе к игле на расстоянии в 15 ... 20% от величины всего межэлектронного промежутка — напряжение сквозного пробоя повышается в 2 ... 2,5 раза.

В слабонеоднородном поле барьер повышает масла (на 25 ... 50%), препятствуя образованию «мостиков» из примесей.

Программа работы

1.Определить вязкость трансформаторного масла в градусах Энглера и кинематическую вязкость в сСт

2. Определить температуру вспышки паров масла.

3. Определить электрическую прочность и качество масла путем испытания на АИМ-90.

4. Снять температурные зависимости ε (t°) и tg δ (t°).

5. Снять разрядные характеристики:

а) для электродов «игла—плоскость»;

б) то же, с применением барьера из твердого диэлектрика.

2. На основе результатов испытаний по нормам ПТЭ дать заключение в каких электроустановках можно использовать испытанное трансформаторное масло.

Указания к выполнению работы

По п. 1. Первоначально определяется «водное число» прибора Энглера. Перед заливкой испытуемого масла внутренний сосуд прибора и мерная колба должны быть промыты сухим и чистым маслом. В процессе нагрева необходимо перемешивать испытуемое масло и жидкость, налитую в баню. Когда температура масла достигнет 50°С, надо выдернуть запирающую выпускное отверстие палочку и одновременно включить секундометр. Секундометр останавливается в тот момент, когда уровень жидкости в мерной колбе достигнет контрольной риски. При этом пена в расчете не принимается. Полученный результат занести в табл. 2.

Таблица 2

Параметры масла	Епр. ср, кВ/м	ω, %
«Качество» масла
Вязкость масла	ВУ °Э	кинематическая ν
		сСт

По п. 2. Включить электрический нагреватель прибора и довести температуру масла до 115 ... 120°С. Дальнейшее нагревание надо вести так, чтобы температура масла возрастала со скоростью 3 ... 4°С в минуту. Масло следует непрерывно перемешивать мешалкой, не открывая заслонки отверстия в крышке. Через каждые 2°С необходимо производить пробу на вспышку. При этом надо, следить за тем, чтобы длина пламени горелки была не более 3 мм, а отверстие открывалось на время не более 1 с.

При достижении температуры 130°С скорость нагрева уменьшают до 2°С. в минуту, а пробу на вспышку производят через каждый градус. Полученную величину температуры вспышки занести в табл. 2.

По п. 3. Испытание масла на стандартном маслопробойнике производят следующим образом. Посредством калибра и ключа устанавливается необходимое расстояние между электродами маслопробойника —2,5 мм. Маслопробойник промывается чистым сухим маслом. Затем заполняют его испытуемым маслом и дают отстояться 5 ... 10 мин с целью удаления газа из масла. Пробой осуществляется путем плавного повышения напряжения со скоростью 1 ... 2 кВ/с. После пробоя напряжение снижается до нуля, а перед последующим пробоем выдерживается пауза в 5 мин, в течение которой масло приобретает устойчивую консистенцию. Необходимо произвести последовательно 6 пробоев масла. Результаты измерении сводятся в табл. 3. На основе полученного значения определяется влажность масла ω, и результат заносится в табл. 3.

Таблица 3

Номер пробоя	1	2	3	4	5	6	Среднее значение
Uпр, кВ
Епр, кВ/м
Среднеквадратическое отклонение σ, кВ
Коэффициент вариации υ, %

По данным таблицы 3 построить график зависимости пробивного напряжения от номера пробоя. На графике отложить среднее арифметическое значение U_пр , значения U_пр + σ и U_пр + σ, проведя через эти значения 3 горизонтальные прямые.

По п. 4. Для снятия температурных зависимостей ε и tg δ необходимо залить масло в сосуд, форма и размеры которого соответствуют стандарту. Согласно ГОСТ 10121—62, величины ε и tg δ определяются в равномерном электрическом поле с Е= 1 МВ/м. Образец поместить в термостат. Время выдержки образца при данной температуре — не менее 20 мин. С помощью моста переменного тока измерить емкость образца С_х (пФ) и tg δ. Величину ε определять по формуле

где S —толщина образца, м;

— диаметр измерительного электрода, м;

— внутренний диаметр охранного кольца, м.

Полученные данные занести в табл. 4.

Таблица 4

Температура , 0С
tg δ
Cх , пФ
έ

По п. 5. Разрядные характеристики снять для электродов:

а) «игла—плоскость» без барьера;

б) «игла—плоскость» с барьером.

Испытания произвести на АИМ-90 с образцом масла, за­литым в специальный сосуд с подвижными электродами «игла—плоскость». Расстояние между электродами а изме­нять в диапазоне 2,5 … 12,5 мм. Разрядная характеристика масла в промежутке «игла—плоскость» с барьером в виде тонкого ( = 1 мм) листа стеклотекстолита снимается при расстоянии между электродами а' = 12 мм, с последователь­ным изменением расстояния от барьера до иглы. Получен­ные данные записать в табл. 5.

Таблица 5

Форма электродов	а, мм	Uпр, кВ
		измеренное				вычисленное
		1	2	3	среднее	Uпр=29 а0,74
“Игла-плоскость”	без барьера	2,5 . . . 12,5
	с барьером	= 0 2,5 5 7,5 12,5

Содержание отчета

1. Программа работы.

2. Схемы испытаний, эскизы приспособлений.

3. Таблицы измеренных и вычисленных величин.

4. Графики дифференциальной и интегральной кривых вероятностей по п. 3, разрядные характеристики U_np = f(a), Unp =f(a'/a).

5. Дать заключение о пригодности масла для использова­ния в высоковольтном аппарате с заданным рабочим напря­жением.

6. Выводы по всем пунктам программы испытаний.