Электрическая прочность трансформаторных масел

Одним из основных показателей, характеризующих изоляционные свойства трансформаторных масел в практике их применения, является их электрическая прочность :

где U пр — пробивное напряжение; h — расстояние между электродами.

Пробивное напряжение прямо не связано с удельной проводимостью , но, так же как и она, весьма чувствительно к присутствию примесей . При малейшем изменении влажности жидкого диэлектрика и наличии в нем примесей (так же как и для проводимости) резко уменьшается электрическая прочность. Изменения давления, формы и материала электродов и расстояния между ними влияют на электрическую прочность. В то же время эти факторы на электропроводность жидкости не оказывают влияния.

Чистое трансформаторное масло , свободное от воды и других примесей, независимо от его химического состава обладает высоким, достаточным для практики пробивным напряжением (более 60 кВ) , определяемым в плоских медных электродах с закругленными краями и расстоянием между ними 2,5 мм. Электрическая прочность не является константой материала.

При ударных напряжениях присутствие примесей почти совсем не сказывается на электрической прочности. Принято думать, что механизм пробоя при ударных (импульсных) напряжениях и длительной экспозиции различен. При импульсном напряжении электрическая прочность значительно выше, чем при относительно длительной экспозиции напряжения частотой 50 Гц. В результате этого опасность от коммутационных перенапряжений и грозовых разрядов относительно невелика.

Повышение прочности с повышением температуры от 0 до 70 °С связывают с удалением из трансформаторного масла влаги, переходом ее из эмульсионного состояния в растворенное и уменьшением вязкости масла.

Растворенные газы играют большую роль в процессе пробоя. Еще при напряженности электрического поля, более низкой, чем пробивная, отмечается образование на электродах пузырьков. С понижением давления для недегазированного трансформаторного масла прочность его падает.

Пробивное напряжение не зависит от давления в случаях:

а) тщательно дегазированных жидкостей;

б) ударных напряжений (каковы бы ни были загрязнение и газосодержание жидкости);

в) больших давлений [около 10 МПа (80—100 ат)].

Пробивное напряжение трансформаторного масла определяется не общим содержанием воды, а концентрацией ее в эмульсионном состоянии.

Образование эмульсионной воды и снижение электрической прочности имеют место в трансформаторном масле, содержащем растворенную воду, при резком снижении температуры или относительной влажности воздуха, а также при перемешивании масла за счет десорбции воды, адсорбированной на поверхности сосуда.

При замене стекла в сосуде полиэтиленом снижается количество эмульсионной воды, десорбированной при перемешивании масла с поверхности, и соответственно повышается прочность его. Трансформаторное масло, осторожно слитое из стеклянного сосуда (без перемешивания), обладает высокой электрической прочностью.

Полярные вещества низко и высококипящие, образуя в трансформаторном масле истинные растворы, практически не оказывают влияния на удельную проводимость и электрическую прочность. Вещества, образующие в трансформаторном масле коллоидные растворы или эмульсии с очень малым размером капель (являющиеся причиной электрофоретической электропроводности), если они имеют низкую температуру кипения, снижают, а в случае если их температура кипения высока, практически не влияют на прочность.

Несмотря на огромный экспериментальный материал, следует констатировать, что до сих пор нет единой общепризнанной теории пробоя жидких диэлектриков применительно даже к условиям длительной экспозиции напряжения.

Пробой в жидких диэлектриках, загрязненных примесями при длительной экспозиции напряжения, представляет собой по существу завуалированный газовый пробой.

Имеются три группы теорий:

1) тепловые, объясняющие образование газового канала как результат кипения самого диэлектрика в местах локальной повышенной неоднородности поля (пузырьки воздуха и пр.)

2) газовые, по которым источником пробоя являются пузыри газа, адсорбированные на электродах или растворенные в масле;

3) химические, объясняющие пробой как результат химических реакций, протекающих в диэлектрике под действием электрического разряда в пузыре газа. Общим в этих теориях является то, что пробой масла происходит в паровом канале, образованном за счет испарения самого жидкого диэлектрика.

Существует гипотеза, согласно которой паровой канал образуют низкокипящие примеси, в случае если они вызывают повышенную проводимость.

Под воздействием электрического поля примеси, содержащиеся в масле и образующие в нем коллоидный раствор или микроэмульсию, втягиваются в зону между электродами и дрейфуют в направлении поля. Значительное количество теплоты, выделяющейся при этом вследствие низкой теплопроводности диэлектрика, расходуется на нагрев самих частиц примеси. Если эти примеси являются причиной высокой удельной проводимости масла, то при низкой температуре кипения примесей они испаряются, образуя при достаточном содержании их «газовый канал», в котором и происходит пробой.

Центрами парообразования могут служить пузыри газа или пара, образующиеся под воздействием поля (в результате явления электрострикции) за счет растворенных в масле примесей (воздух и другие газы, а также возможно, низкокипящие продукты окисления жидкого диэлектрика).

Пробивное напряжение масел зависит от наличия в них связанной воды. В процессе вакуумной сушки масла и наблюдаются три этапа: I — резкого повышения пробивного напряжения, соответствующий удалению эмульсионной воды, II — в котором мало изменяется пробивное напряжение и остается на уровне около 60 кВ в стандартном пробойнике, в это время удаляется растворенная и слабо связанная вода, и III — медленного повышения пробивного напряжения масла за счет удаления связанной воды.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Онлайн журнал электрика

Статьи по электроремонту и электромонтажу

Электрическая прочность трансформаторных масел

Одним из главных характеристик, характеризующих изоляционные характеристики трансформаторных масел в практике их внедрения, является их электронная крепкость :

где U пр — пробивное напряжение; h — расстояние меж электродами.

Пробивное напряжение прямо не связано с удельной проводимостью , но, так же как и она, очень чувствительно к присутствию примесей . При мельчайшем изменении влажности водянистого диэлектрика и наличии в нем примесей (так же как и для проводимости) резко миниатюризируется электронная крепкость. Конфигурации давления, формы и материала электродов и расстояния меж ними оказывают влияние на электронную крепкость. В то же время эти причины на электропроводность воды не оказывают воздействия.

Незапятнанное трансформаторное масло , свободное от воды и других примесей, независимо от его хим состава обладает высочайшим, достаточным для практики пробивным напряжением (более 60 кВ) , определяемым в плоских медных электродах с округленными краями и расстоянием меж ними 2,5 мм. Электронная крепкость не является константой материала.

При ударных напряжениях присутствие примесей практически совершенно не сказывается на электронной прочности. Принято мыслить, что механизм пробоя при ударных (импульсных) напряжениях и долговременной экспозиции различен. При импульсном напряжении электронная крепкость существенно выше, чем при относительно долговременной экспозиции напряжения частотой 50 Гц. В итоге этого опасность от коммутационных перенапряжений и грозовых разрядов относительно невелика.

Увеличение прочности с увеличением температуры от 0 до 70 °С связывают с удалением из трансформаторного масла воды, переходом ее из эмульсионного состояния в растворенное и уменьшением вязкости масла.

Растворенные газы играют огромную роль в процессе пробоя. Еще при напряженности электронного поля, более низкой, чем пробивная, отмечается образование на электродах пузырьков. С снижением давления для недегазированного трансформаторного масла крепкость его падает.

Пробивное напряжение не находится в зависимости от давления в случаях:

а) кропотливо дегазированных жидкостей;

б) ударных напряжений (каковы бы ни были загрязнение и газосодержание воды);

в) огромных давлений [около 10 МПа (80—100 ат)].

Пробивное напряжение трансформаторного масла определяется не общим содержанием воды, а концентрацией ее в эмульсионном состоянии.

Образование эмульсионной воды и понижение электронной прочности имеют место в трансформаторном масле, содержащем растворенную воду, при резком понижении температуры либо относительной влажности воздуха, также при смешивании масла за счет десорбции воды, адсорбированной на поверхности сосуда.

При подмене стекла в сосуде полиэтиленом понижается количество эмульсионной воды, десорбированной
при смешивании масла с поверхности, и соответственно увеличивается крепкость
его. Трансформаторное масло, осторожно слитое из стеклянного сосуда (без смешивания), обладает
высочайшей электронной прочностью.

Полярные вещества низковато и высококипящие, образуя в трансформаторном масле настоящие смеси, фактически не оказывают воздействия на удельную проводимость и электронную крепкость.
Вещества, образующие в трансформаторном масле коллоидные смеси либо эмульсии с очень малым размером капель (являющиеся предпосылкой электрофоретической электропроводности), если они имеют низкую температуру кипения, понижают, а в случае если их температура кипения высока, фактически не оказывают влияние на крепкость.

Невзирая на большой экспериментальный материал, следует констатировать, что до сего времени нет единой общепризнанной теории пробоя водянистых диэлектриков применительно даже к условиям долговременной экспозиции напряжения.

Пробой в водянистых диэлектриках, грязных примесями при долговременной экспозиции напряжения, представляет собой по существу завуалированный газовый пробой.

Имеются три группы теорий:

1) термические, объясняющие образование газового канала как
итог кипения самого диэлектрика в местах локальной завышенной
неоднородности поля (пузырьки воздуха и пр.)

2) газовые, по которым источником пробоя являются пузыри газа, адсорбированные на электродах либо растворенные в масле;

3) хим, объясняющие пробой как итог хим реакций, протекающих в диэлектрике под действием электронного разряда в пузыре газа. Общим в этих теориях будет то, что пробой масла происходит в паровом канале, образованном за счет испарения самого водянистого диэлектрика.

Существует догадка, согласно которой паровой канал образуют низкокипящие примеси, в случае если они вызывают завышенную проводимость.

Под воздействием электронного поля примеси, находящиеся в масле и образующие в нем коллоидный раствор либо микроэмульсию, втягиваются в зону меж электродами и дрейфуют в направлении поля. Существенное количество теплоты, выделяющейся при всем этом вследствие низкой теплопроводимости диэлектрика, расходуется на нагрев самих частиц примеси. Если эти примеси являются предпосылкой высочайшей удельной проводимости масла, то при низкой температуре кипения примесей они испаряются, образуя при достаточном содержании их «газовый канал», в каком и происходит пробой.

Центрами парообразования могут служить пузыри газа либо пара, образующиеся под воздействием поля (в итоге явления электрострикции) за счет растворенных в масле примесей (воздух и другие газы, также может быть, низкокипящие продукты окисления водянистого диэлектрика).

Пробивное напряжение масел находится в зависимости от наличия в их связанной
воды. В процессе вакуумной сушки масла и наблюдаются три шага:
I — резкого увеличения пробивного напряжения,
соответственный удалению эмульсионной воды, II — в
котором не достаточно меняется пробивное напряжение и остается на уровне около 60 кВ в
стандартном пробойнике, в это время удаляется растворенная и слабо связанная
вода, и III — неспешного увеличения пробивного
напряжения масла за счет удаления связанной воды.

Источник

Определение электрической прочности трансформаторного масла

Государственное образовательное учреждение

«Ростовский государственный университет путей сообщения»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРНОГО МАСЛА

УДК 621.3.027.3 : 537.5(07) + 06

Определение электрической прочности трансформаторного масла : учебно-методическое пособие / , , ; Рост. гос. ун-т путей сообщения. – Ростов н/Д, 2008. – 12с. : Библиогр. : 5 назв.

Учебно-методическое пособие к лабораторной работе «Определение электрической прочности трансформаторного масла» содержит сведения о жидких диэлектриках, описание установки для испытания трансформаторного масла на пробой, порядок выполнения работы, задание для самостоятельной работы, рекомендуемую литературу.

Пособие составлено в соответствии с программой курса «Электрофизика и техника высоких напряжений» и одобрено к изданию кафедрой ТОЭ РГУПС.

Предназначено для студентов электротехнических специальностей.

Рецензент: канд. техн. наук, доц. (РГУПС)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРНОГО МАСЛА

Техническое редактирование и корректура

Подписано в печать 23.06.2008. Формат 60×84/16.

Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 0,7.

Уч.-изд. л. 0,66. Тираж 60 экз. Изд. № 66. Заказ №

Ростовский государственный университет путей сообщения.

Адрес университета: 344038, г. Ростов н/Д, пл. им. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2.

© Ростовский государственный университет путей сообщения, 2008

2 Жидкие диэлектрики

3 Общие сведения

4 Описание установки

5 Порядок выполнения работы

Определить электрическую прочность трансформаторного масла и дать заключение о его пригодности для применения в высоковольтных электроустановках.

2 ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

В качестве жидких диэлектриков в электротехнических устройствах применяются минеральные и нефтяные масла и различные жидкости. Однако наибольшее применение получили минеральные нефтяные масла различного назначения.

По характеру использования в качестве жидких диэлектриков нефтяные масла можно подразделять на три основные группы:

1 Масла для силовых трансформаторов и высоковольтных выключателей.

2 Кабельные масла, применяемые в силовых высоковольтных кабелях.

3 Конденсаторные масла, применяемые для пропитки бумажной изоляции конденсаторов.

По химическому составу жидкие диэлектрики являются низкомолекулярными веществами, основное назначение которых – это повышение изоляционных свойств соответствующих элементов электротехнических устройств и эффективный отвод тепла. Жидкие диэлектрики могут иметь нейтральное или полярное строение молекул вещества, и в зависимости от строения молекул изменяются их основные свойства. Диэлектрики с нейтральным строением молекул, как правило, имеют небольшую диэлектрическую проницаемость (обычно ≈ 1,7–2) и чем больше полярный момент молекул, тем значительнее диэлектрическая проницаемость.

Некоторые жидкие диэлектрики имеют ничтожно малые значения диэлектрических потерь, что выгодно их отличает от других диэлектрических жидкостей. Электрическая прочность чистых неполярных жидких диэлектриков очень высока, однако даже доли процента таких примесей как влага, газы и твердые микровзвешенные частицы могут резко снижать диэлектрические свойства. Следует отметить, что изоляционные свойства чистых жидких неполярных диэлектриков, до 80°С, почти не изменяются, а при температуре выше 80°С, ухудшаются. Эксплуатационное трансформаторное масло имеет достаточно сложную тем­пературную зависимость (рис. 1). Кроме этого, при использовании жидких диэлектриков в электротехнических устройствах, работающих на высоких частотах, их изоляционные свойства снижаются.

Наибольшее применение в качестве жидкого диэлектрика в различных электротехнических устройствах получило трансформаторное масло – продукт ступенчатой перегонки нефти.

Трансформаторное масло – светло-желтая, слабовязкая, практически нейтральная жидкость. Температура застывания масла не выше -45°С, температура вспышки паров масла в смеси с воздухом – не ниже +135°С. Трансформаторное масло очень гигроскопично и очень активно поглощает влагу из окружающей среды, при этом влага в масле может быть в молекулярно растворенном состоянии и в виде эмуль­сии, что резко снижает диэлектрические свойства масла (рис. 2).

Железо, медь, свинец и некоторые другие металлы при непосредственном контакте с трансформаторным маслом значительно ускоряют процесс его старения.

Основное применение трансформаторного масла – это высоковольтные трансформаторы и высоковольтные аппараты.

3 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В реальных диэлектриках имеется некоторое количество свободных носителей зарядов. При повышении напряжения, приложенного к диэлектрику, концентрация их возрастает пропорционально напряженности поля, что сопро­вождается увеличением местной проводимости и величины тока. При достижении некоторого критического значения величины напряженно­сти диэлектрик в каком-то месте становится проводником.

Явление, при котором диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства под дей­ствием приложенного электрического поля, называется пробоем. Пробой фиксируется в тот момент, когда в диэлектрике при постепенном увеличении напряжения наблюдается резкое увеличение тока (рис. 3). Отмеченное при этом напряжение носит название пробивного на­пряжения и используется для оценки элек­трической прочности диэлектрика.

,

где Eпр – пробивная напряженность или электрическая прочность;

d – толщина диэлектрика в месте пробоя.

В зависимости от причины возрастания проводимости различают несколько видов пробоя жидких диэлектриков.

Тепловой пробой применим к жидкостям, имеющим значительную электропроводимость. В этом случае при наложении электрического поля жидкий диэлектрик разогревается за счет диэлектрических потерь. Вследствие роста температуры уменьшается удельное объемное сопротивление ρ, что приводит к дальнейшему возрастанию сквозного тока Iск. Так создается условие для непрерывного увеличения температуры до вскипания жидкости. При этом резко снижается электрическая прочность и происходит пробой.

Ионизационный пробой возможен для жидкостей, максимально очищен­ных от примесей. Повышенную прочность жидкого диэлектрика (по сравнению с газообразным) объясняют значительным уменьшением длины свободного пробега электронов.

Электрический пробой жидких диэлектриков происходит за счет вырыва­ния электронов из металлических электродов или за счет разрушения самих молекул жидкости.

Трансформаторное масло – это маловязкое, прозрачное, хорошо очищен­ное нефтяное изоляционное масло. Применяется для заливки силовых транс­форматоров, масляных выключателей высокого напряжения, маслонапол­ненных вводов, некоторых типов реакторов, реостатов и т. д.

Электрическая прочность изоляционных масел зависит от температуры, давления, частоты и формы кривой напряжения, формы и материала электродов, а также от примесей. Жидкие диэлектрики очень легко загрязняются. Самым распространенным загрязнителем является вода, особенно в форме эмульсии. Отрицательное действие влаги еще более увеличивается при наличии гигроскопичных волокнистых примесей.

Трансформаторные масла различают в зависимости от состояния:

1 Свежее сырое масло (поступившее с завода-поставщика).

2 Регенерированное масло (бывшее в употреблении, но подвергнутое регенерации).

3 Чистое сухое масло (полученное после просушки свежего сырого или генерированного масла).

4 Эксплуатационное масло (находящееся в эксплуатации и отвечающее соответствующим нормам).

5 Отработанное масло (у которого хотя бы один из показателей не соответствует эксплуатационным нормам).

В соответствии с правилами технической эксплуатации оценка электрических свойств чистого сухого и эксплуатационного масел производится главным образом по пробивному напряжению Епр.

Епр жидких электроизоляционных материалов исследуют на образцах (пробах), отбираемых от каждой партии испытуемой жидкости. Напряжение Uпр определяют в специальной ячейке (рис. 4), представляющей собой сосуд, в стенки которого вмонтированы электроды. Сосуд должен быть изготовлен из материала, не растворяющегося в жидких изоляционных материалах и не влияющего на испытуемую жидкость. Для этой цели пригодны стекло, фарфор, кварц. Электроды выполняют из латуни в виде плоских дисков диаметром 25мм. Края электродов закруглены, расположены электроды так, чтобы их оси находились на одной прямой, параллельной нижней поверхности испытательной ячейки. Зазор между электродами составляет 2,5 ± 0,05 мм.

Перед испытанием чистую и сухую ячейку тщательно ополаскивают испытуемой жидкостью. После этого заполняют ячейку жидкостью, чтобы в ней не осталось пузырьков воздуха. Для жидкостей с вязкостью более 50·10-6 м2/с все измерения выполняют при одном заполнении ячейки после каждого измерения ячейку следует заполнять новой порцией испытуемой жидкости.

Поскольку электрическая прочность жидкого диэлектрика зависит от большого количества факторов, возникает значительный разброс пробивных напряжений относительно средних значений. Это приводит к необходимости использования большого количества опытных данных.

Согласно правилам технической эксплуатации (ПТЭ) трансформаторное масло пробивается шесть раз с пятиминутными интервалами между пробоями. Напряжение, полученное при первом пробое, в расчет не принимается, а из напряжений остальных пяти пробоев надо взять среднее арифметическое значение, которое следует принять за пробивное напряжение для данного масла.

4 ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Схема стандартной установки для испытания масла на пробой представлена на рис. 5, где

1 – испытательный высоковольтный трансформатор, средняя точка высоковольтной обмотки которого заземлена;

2 – вольтметр, включенный на стороне низкого напряжения (шкала градуирована непосредственно в киловольтах с учетом коэффициента трансформации);

3 – фарфоровый сосуд (испытательная ячейка);

4 – латунные электроды;

5 – испытуемый жидкий диэлектрик, объем которого должен быть не менее 100 см3 , а уровень не менее чем на 15мм выше верхнего края электродов 4;

6 – блокировочные контакты, которые устанавливаются на крышке со смотровым окошком;

7 – автомат максимального тока.

Для обеспечения безопасности работы корпус установки заземляется.

5 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1 Ознакомиться с установкой и ее схемой, предварительно убедившись в том, что аппарат отключен от сети, а его корпус надежно заземлен.

2 Налить масло в фарфоровый сосуд так, чтобы его уровень был на 15 мм выше верхнего края электродов.

3 Установить сосуд с маслом в аппарат, закрыть крышку и дать маслу отстояться в течение 10 мин.

4 Включить аппарат в сеть (при этом загорается зеленая контрольная лампочка).

5 Включить магнитный пускатель (при этом загорается красная сигнальная лампочка) и рукояткой регулировочного трансформатора медленно со скоростью 1…2 кВ в секунду повышать напряжение до тех пор, пока масло между электродами не будет пробито. Пробой отмечается по образованию между электродами дуги в виде яркой сплошной толстой искры. Отдельные случайные искры во внимание не принимаются. Отключение аппарата при пробое производится автоматом максимального тока.

6 После пробоя напряжение снять и перемешать масло стеклянной палочкой в промежутке между электродами, чтобы удалить из этого пространства пузырьки воздуха и продукты разложения масла.

7 Таким образом произвести 6 отсчетов, причем между каждыми пробоями выдержать 5 мин. для того, чтобы масло отстоялось.

Произвести стандартное испытание трансформаторного масла на пробой согласно ПТЭ (5 пробоев при расстоянии между плоскими электродами в 2,5 мм).

Сделать в отсчете письменное заключение о пригодности испытанного масла по электрической прочности, рассматривая его как чистое сухое и как эксплуатационное (см. примечание).

Построить в отсчете график разброса значений пробивных напряжений (зависимость пробивного напряжения от порядкового номера опыта – от 1 до 5) и дать его краткое описание. При построении графика соседние точки соединять отрезками прямой.

Нормы электрической прочности трансформаторного масла

Источник