Вопрос 2

НЕФТЯНЫЕ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАСЛА

Трансформаторное масло, которым заливают силовые трансфор­маторы, из всех жидких электроизоляционных материалов находит наибольшее применение в электротехнике. Его назначение двояко: во-первых, масло, заполняя поры в волокнистой изоляции, а также промежутки между проводами обмоток и между обмотками и баком трансформатора, значительно повышает электрическую прочность изоляции; во-вторых, оно улучшает отвод теплоты, выделяемой за счет потерь в обмотках и сердечнике трансформатора. Лишь некото­рые силовые и измерительные трансформаторы выполняются без заливки маслом («сухие» трансформаторы). Еще одна важная об­ласть применения трансформаторного масла — масляные выключа­тели высокого напряжения. В этих аппаратах разрыв электрической дуги между расходящимися контактами выключателя происходит в масле или в находящихся под повышенным давлением газах, вы­деляемых маслом под действием высокой температуры дуги; это способствует охлаждению канала дуги и быстрому ее гашению. Транс­форматорное масло применяется также для заливки маслонапол-ненных вводов, некоторых типов реакторов, реостатов и других элект-трических аппаратов.

Трансформаторные, а также другие нефтяные («минеральные») электроизоляционные масла получают из нефти посредством ее сту­пенчатой перегонки с выделением на каждой ступени определен­ной (по температуре кипения) фракции и последующей тщательной очистки от химически нестойких примесей в результате обработки серной кислотой, затем щелочью, промывки водой и сушки. Часто электроизоляционные масла дополнительно обрабатываются ад­сорбентами, т. е. веществами (особые типы глин или же получаемые искусственным путем материалы), которые обладают сильно разви­той поверхностью и при соприкосновении с маслом поглощают воду и различные полярные примеси. Такая обработка производится или перемешиванием нагретого масла с измельченным адсорбентом с по­следующим отстаиванием, или же фильтрованием масла сквозь слой адсорбента (перколяцня). Применяются и другие способы очистки масла.

Трансформаторное масло — это жидкость от почти бесцветной до темно-желтого цвета, по химическому составу представляющая собой смесь различных углеводородов. Вефти разных месторождений отличаются па своим параметрам и зависимостям этих параметров от температуры.

Практически важные свойства трансформаторного масла норми­руются стандартом ГОСТ 982—80. По средним фактическим данным (при различных способах очистки) кинематическая вязкость этого масла составляет 17—18,5 мм2/с при 20 °С и 6,5—6,7 мм^/с при 50 °С; кислотное число 0,03—0,1 г КОН/кг; температура вспышки паров 135—140°С; температура застывания около минус 45 СС. Типичная температурная зависимость кинематической вязкости тран­сформаторного масла показана на рис. 6-4, кривая 1). Ограничение вязкости весьма важно, так как слишком вязкое масло хуже отводит теплоту потерь от обмоток и магнитопровода трансформатора.

Трансформаторное масло — горючая жидкость; большие коли­чества (часто тысячи тонн) масла, находящиеся в масляных хозяй-ствах энергосистем, представляют собой большую пожарную опас­ность. Поэтому в масляных хозяйствах необходимо тщательно соб­людать все требования, предписываемые правилами пожарной без­опасности. Пожарная опасность масла оценивается по температуре вспышки (см. § 5-3).

Температура застывания масла — параметр, особенно важный для масла, заливаемого в масляные выключатели, устанавливаемые на открытых подстанциях в районах с суровой зимой. Специальное «арктическое» масло (марки АТМ-65) имеет температуру застывания минус 70 °С.

Помимо температуры застывания, для работающих при низких температурах окружающей среды электроизоляционных жидкостей, имеющих плотность менее 1 Мг/м3, важна критическая температура плавучести льда. Ниже этой температуры кристаллики льда, образу­ющегося при замерзании примесей воды, плавают в электроизоля­ционной жидкости и таким образом снижают ее электрическую проч­ность (иными словами, в этом интервале температур плотность

Еще более резко понижается электрическая прочность масла, если в нем, кроме воды, содержатся волокнистые примеси. Волокна бумаги, хлопчатобумажной пряжи легко впитывают в себя влагу из масла, причем значительно возрастает их ег. Под действием сил поля увлажненные волокна не только втягиваются в места, где поле силь­нее, но и располагаются по направлению силозых линий, что весьма облегчает пробой масла.

Вода легко может попасть в масло при его перевозке, хранении, переливке в недостаточно просушенную тару и т. п. Для сушки масла имеется несколько способов: пропускание под давлением сквозь фильтровальную бумагу в специальных установках — фильтро-прессах; воздействие на масло центробежной силы в центрифуге, причем вода, имеющая плотность, большую, чем у масла, отжима­ется к периферии сосуда и отделяется от масла; уже упоминавшаяся обработка адсорбентами; распыление нагретого масла в камере, за­полненной азотом, и т. п. При сушке электрическая прочность увлаж­ненного масла восстанавливается.

Зависимости tg б трансформаторных масел оттемпературы имеют вид, характерный для неполярных диэлектриков (рис. 6-7).

Плотность трансформаторного масла 0,85—0,90 Мг/м3. Его тем­пературный коэффициент объемного расширения около 0,00065 К"* (эта величина важна для расчета расширителей трансформаторов, ю'1 в которые выдавливается из бака часть масла при повышении тем-

пературы). При нормальной температуре удельная теплоемкость масла примерно 1,5 Дж/(кг-К), а коэффициент теплопроводности — около 1 Вт/(м- К); при росте температуры как удельная теплоемкость, так и коэффициент теплопроводности масла увеличивается. Масло отводит теплоту потерь от погруженных в него обмоток и магнито-провода трансформатора в 25—30 раз интенсивнее, чем воздух (при свободной конвекции).

При работе в трансформаторе или ином маслозаполненном электрическом ап­парате масло постепенно стареет. При старении оно становится более темным, в нем образуются загрязняющие его продукты — кислоты, смолы, которые частично рас­творимы в масле, а частично оказываются нерастворимыми; последние, как более тяжелые, осаждаются на дне бака и на погруженных в масло деталях в виде слоя «нла», значительно ухудшающего теплоотвод от нагревающихся деталей. Образу­ющиеся в масле низкомолекулярные кислоты разрушают изоляцию обмоток и вы­зывают коррозию соприкасающихся с маслом металлов. При старении увеличиваются вязкость и кислотное число масла, ухудшаются его электроизоляционные свойства. Обычно температура вспышки паров масла в эксплуатации постепенно повышается вследствие испарения углеводородов с малой молекулярной массой, однако при местных перегревах масла в трансформаторах (а также после разрыва электриче­ской дуги в масляном выключателе) может произойти крекинг (разрыв молекул с образованием углеводородов пониженной молекулярной массы), что приводит к понижению температуры вспышки.

Скорость старения масла возрастает: а) при доступе воздуха, так как старение масла в значительной степени связано с его окислением кислородом воздуха; осо­бенно интенсивно идет старение при соприкосновении масла с озоном; б) при по­вышении температуры (обычно наивысшей рабочей температурой масла считают 95СС); в) при соприкосновении масла с некоторыми металлами (медь, железо, сви­нец) и другими веществами — катализаторами старения; г) при воздействии света; д) при воздействии электрического поля.

При старении в электрическом поле некоторые сорта масел выделяют газы; это очень вредно, так как пузырьки газов могут стать очагами ионизации. Способ­ность не выделять газов при старении в электрическом поле или даже поглощать ранее выделившиеся газы называется газостойкостыо масла.

Масло различного происхождения обладает различной стойкостью к старению, поэтому перед введением в эксплуатацию трансформаторное масло подвергают испытанию на ускоренное старение в особо жестких условиях.

Регенерация начавшего стареть масла, т. е. удаление из него продуктов старения и восстановление исходных свойств, достигается обработкой масла адсорбентами (как говорилось выше, адсорбенты поглощают не только воду, но и другие поляр­ные вещества; продукты старения масла являются полярными примесями в не­полярном масле).

Помимо регенерации определенного количества масла с последующей заливкой его в трансформатор возможно вести непрерывный процесс регенерации масла в ра­ботающем трансформаторе. Для этой цели трансформатор снабжают термосифонным фильтром (рис. 6-8). Масло, нагреваясь во время работы трансформатора и умень­шая при этом свою плотность, поднимается в верхнюю часть бака, попадает в трубо­провод термосифона, проходит сверху вниз сквозь фильтр со слоем адсорбента и поступает в нижнюю часть бака трансформатора. Фильтр при помощи вентилей можно отключать для смены адсорбента.

Применяки и другие мероприятия для замедления старения масла. Так, воздух над уровнем масла в трансформаторах (а также в баках, в которых хранится запас масла) сообщается с наружным воздухом через воздухоочистительные фильтры; эти .фильтры заполняются силикагелем, хлористым кальцием и тому подобными веще­ствами и поглощают из воздуха влагу, пыль и химически активные загрязнения. Часто заполняют промежуток над маслом в герметичном баке трансформатора вме­сто воздуха азотом, чтобы исключить доступ кислорода к маслу (азотная защита). Рекомендуется добавление к трансформаторному маслу ингибиторов (анти­окислительных присадок), которые в противоположность катализаторам замедляют старение масла; таковы ионол, амидопирин и некоторые другие вешестЕа. Для 98

каждого типа масла необходим подбор соответ­ствующего ингибитора. Применение правильно выбранных ингибиторов позволяет увеличить срок эксплуатации масла и дает большой эко­номический эффект.

В стеклянных консерваторах маслонапол-ненных вводов рекомендуется покрывать на­ружную поверхность стекла темной краской, чтобы предохранить масло от действия света.

Помимо трансформаторного масла в элек­тротехнической промышленности широко при­меняются и Другие виды нефтяных электроизоляционных масел.

Конденсаторное масло служит для пропитки бумажных конденсаторов, в осо­бенности силовых, предназначенных для компенсации индуктивного фазового сдвига. При пропитке бумажного диэлектрика повышаются как его еп так и £пр; то и дру­гое дает возможность уменьшить габаритные размеры, массу и стоимость конден­сатора при заданном рабочем напряжении, частоте и емкости.

Нефтяное конденсаторное мясло имеет плотность 0,86—0,89 Мг/м3, темпера­туру застывания минус 45 °С, ег = 2,1-^2,3 и tg б 0,002 (при частоте 1 кГц).

Вазелиновое конденсаторное масло по плотности и электрическим свойствам близко к нефтяному, но имеет более высокую температуру застывания (минус 5 °С). Электрическая прочность конденсаторных масел не менее 20 МВ/м.

Кабельные масла используются в производстве силовых электрических кабе­лей; пропитывая бумажную изоляцию этих кабелей, они повышают ее электриче­скую прочность, а также способствуют отводу теплоты потерь. Кабельные масла бывают различных типов. Для пропитки изоляции силовых кабелей на рабочие напряжения до 35 кВ в свинцовых или алюминиевых оболочках (кабели с вязкой пропиткой) применяется масло марки К.М-25 с кинематической вязкостью не менее 23 мма/с при 100 °С, температурой застывания не выше минус 10 °С и температурой вспышки не ниже —1-220 °С. Для увеличения вязкости к этому маслу дополнительно добавляется канифоль (стр. 125) или же синтетический загуститель.

В маслонаполненных кабелях используются менее вязкие масла. Так, масла марки МН-4 применяется для маслонаполненных кабелей на напряжения 110— 220 кВ, в которых во время эксплуатации с помощью подпитывающих устройств поддерживается избыточное давление 0,3—0,4 МПа. Кинематическая вязкость этого масла при 100 °С не более 3,5 мма/с, при 50 °С не более 10 мм2/с, при 20 °С не более 40 мм2/с и при 0 °С не более 110 мм2/с; температура застывания не выше минус 45 °С и температура вспышки не ниже+135 °С.

Для маслонаполненных кабелей высокого давления (до 1,5 МПа) на напряже­ния от 110 до 500 кВ, прокладываемых в стальных трубах, применяется особо тща­тельно очищенное масло марки С-200; оно имеет кинематическую вязкость при 100 °С не более 11 мм2/с, при 50 °С не более 50 мм2/с, при 20 "С не более 800 мм2/с и при 0 °С не более 5000 мм2/с. Температура застывания масла С-200 не выше минус 30 С; температура вспышки не ниже плюс 200 °С; tg 6 (при 50 Гц и 100 °С) не более 0,003; электрическая прочность (при 50 Гц и 20 °С) не менее 20 МВ/м.