ИЭ / Лабораторные / 6 лаба / №6 Исследование оптическиз свойств жидких диэлектриков

Электроизоляционные жидкости:

исследование диэлектрических потерь и оптических характеристик

(на примере трансформаторных жидких сред)

Цель работы: получить начальные представления о роли жидких диэлектриков в высоковольтной изоляции силовых электротехнических устройств; о характере диэлектрических потерь в электроизоляционных жидкостях и факторах, влияющих на данный показатель; о

старении жидких сред в процессе эксплуатации и корреляции между диэлектрическими и оптическими характеристиками технических масел.

Электроэнергетика в современном обществе – основа развития и существования цивилизованных стран. Для качественного и бесперебойного производства, передачи и потребления электроэнергии необходимо надежное функционирование всех элементов электрических сетей, включая мощные высоковольтные устройства, к числу которых относятся силовые трансформаторы (СТ). Их отказы, основную причину которых связывают с потерей работоспособности их базовой бумажно-пропитанной изоляции (БПИ), сопровождается взрывами,

пожарами и техногенными инцидентами. Поэтому во всем мире постоянно ведутся исследования,

направленные на совершенствование свойств её компонентов, в частности – электроизоляционных жидкостей (ЭИЖ). Именно они, являясь «слабым» компонентом БПИ, наиболее подвержены разрушению под действием эксплуатационных факторов.

В электрической изоляции высоковольтной техники применяют экологически безопасные

жидкие диэлектрики, которые по химической природе можно разделить на 3 группы: нефтяные масла, растительные масла и синтетические жидкости. Требования к ним зависят от конструкции того электротехнического устройства, в изоляции которого ЭИЖ будет использоваться, а также -

от условий и режима эксплуатации. Ни один из существующих жидких диэлектриков не является идеальным, соответствуя всем требуемым показателям. Поэтому, имея четкие представления о свойствах ЭИЖ в исходном состоянии и их изменении в процессе работы, необходимо осуществлять мониторинг характеристик жидкости и корректировать состояние изоляции, в том числе – своевременно заменяя жидкий диэлектрик, как это возможно в СТ.

Диэлектрические потери электроизоляционных жидкостей

Важнейшим показателем качества ЭИЖ являются её диэлектрические потери, под которыми понимают часть энергии электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике в виде тепла, приводя к его нагреву, постепенному разрушению («старению») и отказу. Если бы существовал идеальный диэлектрик, то он накапливал бы энергию (благодаря своей основной способности - поляризоваться) без потерь. В этом случае емкостной ток (вектор Iс) опережал бы напряжение (вектор U) на угол 90º (рис. 1-1.).

Рис. 1. Векторные диаграммы для: 1 – идеального диэлектрика; 2 – диэлектрика с потерями

Однако в реальных условиях угол φ между векторами полного тока I и напряжения U

меньше 90º из-за протекания в любом диэлектрике активного тока (рис. 1-2, вектор Iа). Угол,

дополняющий до 90º угол между векторами I и U, обозначается δ, а его тангенс (tgδ) – называется тангенсом угла диэлектрических потерь. Его величина является количественной характеристикой потерь в диэлектрике. Предельно допустимой нормой для нефтяного трансформаторного масла является значение tgδ (измеренное при температуре 90ºС), не превышающее 0,5 %.

В электроизоляционной жидкости основные виды потерь обусловлены явлениями

электрической проводимости, поляризации и ионизации.

1. Потери на электрическую проводимость (tgδ пров.) в жидкости связаны с движением таких носителей заряда, как ионы и молионы. Если ЭИЖ неполярна, то электрическая проводимость (γ), в основном, возникает из-за диссоциации на ионы различных примесей, в том числе – воды. В полярных жидкостях, помимо примесей, на ионы могут частично диссоциировать молекулы ЭИЖ. В процессе эксплуатации, в результате нагрева диэлектрика под действием тепла,

выделяемого при протекании тока в проводниках («Джоулево» тепло), и диэлектрических потерь,

происходит «старение» изоляции. Чаще всего развиваются термоокислительные процессы,

приводящие к деструкции компонентов пропитанной изоляции. Продукты старения жидкости и твердого диэлектрика накапливаются в пропитывающей среде, электрическая проводимость которой растет. Соответственно, растут и диэлектрические потери, обусловленные этим явлением.

Нагрев усиливается, интенсифицируя дальнейшее старение электрической изоляции.

Кроме того, в силовых трансформаторах имеет место такое опасное явление, как шламообразование. Продукты деструкции масла и бумаги, непереработанные фракции нефти,

механические примеси и частицы металла конструктивных элементов СТ формируют, так называемый, шлам, который постепенно агрегирует в более крупные образования и оседает, в

частности, на твердой изоляции, повышая её электрическую проводимость и нарушая теплоотвод,

что в итоге может привести к отказу БПИ и трансформатора в целом.

2.Потери на поляризацию (tgδпол.). Характерны для полярных диэлектриков и обусловлены внутренним трением при ориентации диполей. Однако при промышленной частоте (50 Гц) потери за счет замедленных (дипольно-релаксационных) видов поляризации в жидкостях практически не наблюдаются, поскольку время релаксации (10-11 - 10-12 секунд) значительно меньше частоты поля.

3.Потери на ионизацию (tgδион.). При работе жидких диэлектриков в изоляции под

действием высоких электрических полей могут возникнуть частичные разряды (начальные, а

затем и критические). В этом случае развивается электрическое старение. Жидкость постепенно разрушается с образованием газообразных продуктов – водорода, водородных соединений и окислов углерода, что способствует дальнейшему развитию негативных явлений с последующим пробоем изоляции.

Для снижения интенсивности указанного процесса любой жидкий диэлектрик перед пропиткой твердой изоляции подвергают термо-вакуумной сушке (для удаления газовых включений и паров воды). В ряде случаев используют, так называемые, «газостойкие» ЭИЖ,

которые не только выделяют мало газа при разрушении, но и способны его частично поглощать: за счет растворения в жидкой среде и химического «связывания». До тех пор, пока газопоглощение

превалирует над газовыделением, электрическое старение минимально.

Таким образом, в общем виде диэлектрические потери в электроизоляционной жидкости

(tgδж) включают в себя 3 основные составляющие:

tg ж = tg пров. + tg пол. + tg ион.

Если жидкость неполярна (как, например, нефтяное масло, широко используемое в

высоковольтной бумажно-пропитанной изоляции силовых трансформаторов и кабелей), то составляющая tg отсутствует. Если жидкость в исходном состоянии не содержит газовых включений и паров воды, то tg ион. практически равен нулю, но tg пров. всегда 0, т.к. даже в

«химически чистой для анализа» жидкости содержится большое количество ионогенных примесей. То есть в рассматриваемом случае tg ж = tg пров., а носителями заряда являются ионы и молионы.

Для определения tg жидких диэлектриков необходима стандартная трехэлектродная измерительная ячейка (рис. 2). Однако ее конструкция весьма сложна и не оптимальна с точки зрения очистки после измерения. В то же время ГОСТ разрешает использование для сравнительных испытаний двухэлектродной ячейки. На кафедре «ТВН, ЭиКТ» была разработана (к.т.н. П.Н. Бондаренко) цилиндрическая электродная система, конструкция которой

(рис. 3) проста и надежна.

Определение электрических свойств жидких диэлектриков, требования к которым приведены в учебных пособиях, рекомендованных в курсе лекций по «ЭТМ» [1], не достаточно для достоверной оценки текущего состояния ЭИЖ в процессе эксплуатации. Поэтому на практике дополнительно был введен простейший визуальный контроль: ЭИЖ наливается в пробирку и анализируется ее прозрачность, что не является эффективным методом диагностики. Более того,

если отбор пробы жидкости для испытаний производится после осаждения шлама, то значения tgδж окажутся заниженными, а жидкость – визуально прозрачной, что не будут отражать реальной ситуации.

Рис. 2. Стандартные измерительные ячейки для испытания образцов жидких диэлектрических сред: а – плоская; б – цилиндрическая

Рис. 3. Двухэлектродная ячейка для измерения tgδ

жидких диэлектриков:

1 – изоляционные втулки из политетрафторэтилена;

2 – крышка; 3 – внутренний электрод; 4 – полость для заливки жидкости; 5 – внешний электрод

На рис. 4, в качестве иллюстрации, представлены фотографии измерительной ячейки (используемой в лабораторной работе при изучении пробоя ЭИЖ) с частью электроизоляционной жидкости 1 – до и 2 – после осаждения шлама.

В то же время для количественной оценки шламообразования и визиального анализа состояния компонентов БПИ оптические показатели диэлектриков

(дополняющие их электрофизические характеристики), несомненно, полезны, но при условии использования специальных технических средств.

Рис. 4. Образец трансформаторного масла в испытательной ячейке:

1 – шлам во взвешенном состоянии; 2 - шлам выпал в осадок

Исследование диэлектрических жидкостей оптическими методами

1. Определения коэффициента относительного светопропускания жидких диэлектрических

сред на основе явления экстинкции

Экстинкция (от лат. exstinctio – гашение), то есть ослабление пучка излучения за счет его поглощения и рассеяния средой (рис. 5) – сложное явление, которое характеризуется многофакторной зависимостью и не поддается простому описанию. Свет, проходящий сквозь кювету с жидкостью, будет активнее рассеиваться на механических частицах (в частности,

частицах шлама и волокнах целлюлозы в случае их появления), следовательно, жидкость в большей степени поглотит электромагнитное излучение. Таким образом, поток света, выходящий из жидкой среды, уменьшится.

Рис. 5. Схема процесса экстинкции:

1 – источник света; 2 – падающий свет;

3 – рассеянный свет;

4 – микрочастицы в жидкой среде;

5 – приемник излучения

Поэтому в качестве критериального параметра, количественно отражающего оптические свойства жидкого диэлектрика (а в нашем случае и степень его разрушения), зачастую выбирают относительную характеристику -

коэффициент относительного светопропускания (Кос, %). Суть методики заключается в сопоставлении светопропускания эталонной и исследуемой проб жидкости, в частности, при помощи микроколориметра МКМФ-1, принципиальная схема оптической системы которого представлена на рис. 6, а внешний вид – на рис. 7. Чем «чище» жидкость, тем Кос больше. Чем

интенсивнее жидкость разрушается, тем в ней больше продуктов старения и механических примесей, тем Кос меньше.

Рис. 6. Принципиальная схема оптической системы фотоэлектрического микроколориметра МКМФ-1:

1 – источник света; 2 – линзовый конденсатор; 3 – светофильтр; 4 – измерительная ячейка с «гнездом» для сменной кюветы с жидкостью и «заглушки»; 5 – фотоэлемент

Микроколориметр снабжен набором сменных светофильтров, которые позволяют измерять

Кос на длинах волн λ (425; 458; 515; 540; 578; 610) нм. Погрешность измерения Кос составляет 1 %.

Порядок выполнения работы

Внимание! При выполнении лабораторных исследований аккуратно обращаться с электродами, бюксами и кюветами, заполненными жидкими диэлектриками. Не допускать попадания электроизоляционной среды на измерительную технику, ПК и одежду. В случае попадания исследуемых (экологически безопасных) жидкостей на кожу рук – вымыть руки проточной водой с мылом.

I.Определение диэлектрических потерь электроизоляционного масла

1.Получить от преподавателя информацию о трансформаторных жидкостях,

диэлектрические потери которых будут определяться (сведения занести в таблицу 1).

Таблица 1.

2. Ознакомиться с работой измерительного прибора и произвести измерения tgδж:

-подключить измерительный прибор к цилиндрической ячейке (рис. 3) №1: к выступающей (центральной) части внутреннего электрода и винту на поверхности внешнего электрода;

-включить измерительный прибор, нажав кнопку «вкл.»;

-последовательным нажатием центральной (желтой) клавиши добиться появления на экране символа «Ср»;

-записать показания емкости (в пФ) и tgδ (строкой ниже);

-занести значение в табл.;

-провести аналогичные действия для жидкого диэлектрика в цилиндрической ячейке №2;

-повторить измерения для каждой ячейки по 3 раза;

-рассчитать средние значения характеристик;

-сделать выводы о влиянии природы жидкого диэлектрика на его диэлектрические потери.

II. Определение коэффициента относительного светопропускания жидких диэлектриков

1. Получить от преподавателя эталонную жидкость и набор образцов - кювет с жидкими диэлектриками: в исходном состоянии и после старения. Занести сведения о них в табл. 2.

Таблица 2.

3

4

5

6

7

8

2. Для жидкости №5 снять зависимость коэффициента относительного светопропускания

Занести полученные значения в табл. 3, построить зависимость Кос = f (λ), сделать вывод о чувствительности измерений на различной λ (нм) к присутствию в пробе продуктов старения.

3. Для проб всех жидких диэлектриков провести определение Кос на длинах волн 425 нм и

610 нм. Полученные значения занести в табл. 2.

Сделать выводы:

-о влиянии длительного воздействия температуры (термостарения) на состояние жидкостей;

-о влиянии природы жидких диэлектриков на интенсивность их разрушения;

-высказать мнение о том, даст ли подобное измерение достоверную оценку о степени разрушения жидкости при контрольном отборе проб из работающего трансформатора.

Порядок работы на микроколориметре МКМФ-1

1. Подняв крышку измерительной ячейки (2), установить «заглушку», препятствующую попаданию света на приемник излучения.

2. Включить прибор нажатием кнопки «сеть» (3).

3. Проверить размещение стрелки на значении «0» (как показано на рис. 7.). 4. Установить светофильтр (в гнездо 1).

5. В «гнездо» для кювет (под крышкой 2) установить кювету с эталонным образцом (прозрачной гранью в сторону фильтра); убрать «заглушку» и закрыть крышку 2.

6.Медленно вращая ручку 5, выставить на верхней шкале прибора значение «100 %».

7.Подняв крышку 2, установить «заглушку».

8. Заменить кювету с эталоном на кювету с исследуемой жидкостью.

9. «Заглушку» убрать, крышку 2 закрыть, записать показания прибора в таблицу.

10. Крышку 2 открыть и установить «заглушку».

11. Заменить кювету с образцом жидкости №1 на кювету с образцом №2.

12. «Заглушку» убрать, крышку 2 закрыть, записать показания прибора в таблицу. Аналогичным образом провести измерение всех образцов на данной длине волны.

13. Крышку 2 открыть, установить «заглушку», кювету с последним образцом извлечь из гнезда.

14. Заменить светофильтр.

15. Далее всё повторить, начиная с п.п. 5.

Аналогичным образом снять зависимость Кос = f (λ) для пробы №5.

Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Краткие сведения о роли жидких диэлектриков в высоковольтной изоляции электроэнергетических устройств.

3. Схемы электродных систем и экстинкции.

4. Таблицы с экспериментальными значениями характеристик.

5. График зависимости Кос = f (λ).

6. Микрофотографии исследуемых образцов жидких диэлектриков.

7. Выводы по работе, содержащий анализ всех полученных результатов.

[1] - Электротехническое материаловедение. Диэлектрики, проводники, сверхпроводники: учебное пособие /Ю.А. Полонский [и др.].- СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2014.- 190 с.

(с грифом Министерства образования и науки РФ)