Жидкие диэлектрики

Жидкие диэлектрики предназначаются для пропитки электри­ческой изоляции трансформаторов, конденсаторов, кабелей с це­лью повышения ее электрической прочности и отвода тепла в про­цессе конвекции, для дугогашения в масляных выключателях, заливки маслонаполненных вводов, реакторов, реостатов и других электроаппаратов.

По химической природе жидкие диэлектрики принято разделять, на нефтяные масла (трансформаторное, конденсаторное, кабельное) и синтетические жидкости (хлорированные и фторированные углеводороды, кремний или фтороорганические жидкости и некоторые другие).

Нефтяные масла. Они получаются фракционной перегонкой нефти. Выделенные фракции представляют собой сложную смесь углеводородов парафинового, нафтенового и ароматического рядов с небольшой примесью других компонентов, содержащих атомы серы, кислорода и азота. Нефтяные масла, в которых преобладают нафтеновые углеводороды, называют нафтеновыми. Среди трансформаторных масел на их долю приходится 75...80%. Необходимой составной частью электроизоляционных нефтяных масел являются также ароматические углеводороды, содержание которых ограничивается определенным оптимальным значением (обычно 10...12%), обеспечивающим наибольшее увеличение срока службы. Излишнее количество ароматических углеводородов увеличивает тангенс угла диэлектрических потерь.

Чтобы получить трансформаторное масло, пригодное для применения, необходимо очистить масляный дистиллят, который остается после отгонки от нефти легких нефтепродуктов: бензина, керосина, лигроина.

Дистиллят очищают серной кислотой, затем нейтрализуют щелочью, промывают водой и сушат при температуре 75...85°С, продувая через него воздух. Для очистки от примесей и механических загрязнений масла фильтруют через адсорбенты - вещества, имеющие сильно развитую поверхность.

Свежее трансформаторное (конденсаторное) масло имеет обычно соломенно-желтый цвет, причем чем глубже очистка, тем светлее масло. Масла, бывшие в эксплуатации, из-за накопления продуктов окисления имеют темный цвет.

Конденсаторное масло получают из высококачественной нефти или в результате дополнительной очистки адсорбентами трансформаторного масла. Операцию очистки конденсаторного масла кислотой и щелочью проводят также, как и для трансформаторного, но более длительно и тщательно.

Так как нефтяные электроизоляционные масла являются горючими жидкостями, то они представляют собой большую пожарную опасность в масляных хозяйствах энергосистем, где часто используются тысячи тонн масла. Поэтому правила пожарной безопасности при работе с маслонаполненным оборудованием должны тщательно соблюдаться. Пожарная опасность оценивается по температуре вспышки паров трансформаторного масла в смеси с воздухом, которая не должна быть ниже 135...140°С. В тех случаях, когда трансформаторное масло применяется в масляных выключателях высокого напряжения, важным параметром масла являет­ся температура застывания. Масло в этих электрических аппара­тах служит для охлаждения канала дуги и быстрого ее гашения в момент размыкания контактов.

Обычное трансформаторное масло имеет температуру застыва­ния примерно -45°С, а специальное «арктическое» масло, предназ­наченное для работы на открытых подстанциях в районах Крайне­го Севера, имеет температуру застывания -70°С (марка АТМ-65).

Наиболее важные для применения трансформаторного масла свойства нормированы стандартом. Важной характеристикой явля­ется кинематическая вязкость при температуре 20 и 50°С, так как при увеличении вязкости сверх допустимых пределов хуже отводит­ся теплота от обмоток и магнитопровода трансформатора, что мо­жет привести к сокращению срока службы электрической изоляции.

Стандартом нормировано также кислотное число. Этот показа­тель важен для учета старения масла в процессе его эксплуатации и для разных марок масла не должен превышать значений 0,03 ...0,1 г КОН на 1кг. Для расчета расширителей трансформаторов, в кото­рые переходит часть масла из бака трансформатора при повыше­нии температуры, важно также учитывать и плотность масла, ко­торая составляет 0,85...0,9 Мг/м³, и температурный коэффициент объемного расширения 0,00065 К^-1.

Способность масла отводить теплоту от магнитопровода и обмо­ток погруженного в него трансформатора зависит от удельной тепло­емкости, равной при нормальной температуре примерно 1,5 Дж/(кг·К), и коэффициента теплопроводности - примерно 1 Вт/(м·К). Обе эти характеристики при росте температуры увеличиваются.

По своим диэлектрическим характеристикам хорошо очищен­ное от примесей и влаги трансформаторное масло обладает свой­ствами неполярного диэлектрика. Значение диэлектрической про­ницаемости при температуре окружающей среды 20°С равно 2,2...2,3, tgδ при частоте 50 Гц для трансформаторного масла не должен превышать 0,003. Значение tgδ определяется приводимостью и зависит от степени очистки трансформаторного масла. Получе­ние масел с пониженными диэлектрическими потерями (значение tgδ примерно 0,002...0,0005) для кабелей и конденсаторов требует очень хорошей очистки с применением адсорбентов. Зависимость tgδ трансформаторного масла от температуры на частоте 50 Гц по­казана на рис. 4.35. Удельное электрическое сопротивление свеже­го трансформаторного масла при нормальной температуре не пре­вышает 10¹³ Ом·м.

Важной характеристикой масла является его электрическая проч­ность, которая чрезвычайно чувствительна к увлажнению. Прави­ла технической эксплуатации электростанций (ПТЭ) предусматри­вают определенные нормы электрической прочности для чистого и сухого трансформаторного масла, приготовленного для заливки в аппарат, и для масла, находившегося в эксплуатации.

Пробой масла производят в стандартном разряднике между по­груженными в масло металлическими дисковыми электродами ди­аметром 25 мм с закругленными краями при расстоянии между ними 2,5 мм. Пробивное напряжение технически чистых масел в стан­дартном разряднике составляет 50...60 кВ при частоте 50 Гц и при­мерно 120 кВ при воздействии импульсного напряжения. Примесь воды в масле снижает значение пробивного напряжения. Если вода находится в масле в виде эмульсии, т.е. в виде мельчайших капель, которые втягиваются в места, где напряженность поля велика, то в этом месте начинается развитие пробоя (рис. 4.36). Увеличение пробивного напряжения с ростом температуры объясняется пере­ходом воды из суспензии в молекулярно-растворенное состояние. Рост пробивного напряжения при уменьшении температуры ниже 0°С объясняется образованием льда и ростом вязкости масла.

Для повышения устойчивости масел к процессам старения их состав подбирают таким образом, чтобы в нем не содержалось ес­тественных катализаторов окисления и сохранялись соединения, замедляющие окисление. Такие вещества называются ингибито­рами. В масла вводят также синтетические ингибиторы - ионол, ДВРС в концентрации от 0,1 до 0,5% Введение ионола замедляет процесс старения масла в 2...3 раза.

Чтобы продлить срок службы масла в оборудовании, используют различные методы. Наиболее рас­пространенный способ - герметиза­ция оборудования, в результате которой устраняется непосредствен­ный контакт масла с кислородом воздуха. Этот прием используется в кабельной, конденсаторной техни­ке и в трансформаторостроении. В трансформаторах для замедления накопления продуктов окисления масла используется метод естествен­ной циркуляции масла через так на­зываемый термосифонный фильтр, который можно периодически заменять новым, заполненным адсорбентом. Такие фильтры постоянно соединены с трансформатором. Для трансформаторов различных размеров разработано примерно 20 типов термосифонов. Особенностью термосифонных фильтров является возможность восстановления масла в трансформаторе без его отключения. Для предотвращения оксидирования и увлажнения масла в трансформато­рах свободное пространство между поверхностью масла и крыш­кой бака или расширителя обычно заполняется азотом.

Рис.4.35. Зависимость tgδ трансформаторного масла от температуры при частоте 50 Гц: 1 - масло, полученное методом кислотной очистки; 2 - масло, очищенное в процессе обработки адсорбентом

Масла, побывавшие в эксплуатации, подвергаются регенера­ции. Влага и крупные твердые примеси удаляются на различных центрифугах (для электрических аппаратов напряжением ниже 35 кВ). Для электрических аппаратов напряжением выше 35 кВ масла очищаются от содержащихся в них влаги, газов и легких примесей термовакуумной обработкой в специальных аппаратах. Осушение масел производится искусственными цеолитами, кото­рые известны также под названием молекулярные сита. Масла с кислотным числом ниже 0,4 мг КОН на 1 г подвергаются очистке природными и синтетическими адсорбентами при температуре 50...60°С.

Основные характеристики регенерированного масла должны со­ответствовать нормам на свежие масла.

Кроме трансформаторного масла в электротехнической про­мышленности находят применение другие виды нефтяных масел. К ним относятся конденсаторные, кабельные и масла для масля­ных выключателей и контакторных устройств регулирования на­пряжения под нагрузкой.

Синтетические жидкие диэлектрики. Эти диэлектрики применя­ются в тех случаях, когда необходимо обеспечить длительную и надежную работу высоко­вольтных электрических ап­паратов при повышенных тепловых нагрузках и напря­женности электрического поля, в пожаро- или взрыво­опасной среде. Жидкие диэ­лектрики находят примене­ние для заливки герметич­ных кожухов, в которых располагаются блоки элект­ронной аппаратуры.

Наибольшее применение получили синтетические жидкости на основе хлори­рованных углеводородов, что связано с их высокой термической устойчивос­тью, электрической стабиль­ностью, негорючестью, по­вышенным значением диэ­лектрической проницае­мости и относительно невы­сокой стоимостью. Если цену нефтяного масла принять равной единице (по зарубежным дан­ным), то стоимость хлорированных углеводородов по отношению к маслу равна 4...10, кремнийорганических жидкостей - от 80 до 370, фторорганических жидкостей - до 1150. Однако в связи с ток­сичностью хлорированных углеводородов их применение сначала ограничили, а затем запретили, хотя в эксплуатации они еще имеются. Хлорированные углеводороды можно получить хлорировани­ем дифенила С6Н5 — С6Н5. При этом можно получать продукты с различной степенью хлорирования: три-, тетра-, пента- и гекса- хлордифенилы. По мере увеличения степени хлорирования растут:

Рис.4.36. Зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла от температуры (масло T=1500 K, содержащее 0,0040% воды при переменном напряжении)

молекулярная масса, плотность, вязкость, температура застывания и кипения. Возрастает и экологическая опасность, поэтому в конденсаторостроении пентахлордифенил (совол) был заменен на трихлордифенил, хотя он имеет повышенную вязкость при низких температурах.