Способы регулирования коэффициента вязкости жидких диэлектриков

8. Антиокислительная присадка (ионол)

Каждый из компонентов масла играет определенную роль при эксплуатации. Парафины и циклопарафины обеспечивают низкую электропроводность и высокую электрическую прочность. Ароматические углеводороды уменьшают старение масла и увеличивают стойкость к частичным разрядам в объеме масла. Асфальто-смолистые, сернистые, азотистые соединения и нафтеновые кислоты являются примесями и не играют положительной роли. Асфальто-смолистые соединения ответственны за возникновение осадка в масле и за его цвет. Сернистые, азотистые соединения и нафтеновые кислоты ответственны за процессы коррозии металлов в трансформаторном масле.

Углеводороды парафинового ряда, кроме высокой химической устойчивости, обладают высокой температурой вспышки и рядом других положительных качеств, но теряют текучесть (застывают) уже при комнатной температуре. Поэтому большого содержания парафинов в масле не допускается. Более того, нефти с их большим содержанием (грозненская, сураханская) для приготовления масел не применяются.

Нафтеновые углеводороды менее устойчивы, чем парафины, и легко окисляются. Типичной нафтеновой нефтью является доссорская нефть, из которой готовится лучшее трансформаторное масло.

Ароматические углеводороды разделяются на углеводороды симметричного строения (бензол, нафталин, антрацен) и ароматики с длинными боковыми цепями (толуол). Первые являются одними из наиболее трудно окисляемых веществ. Эти ароматики являются ценной составной частью масла, так как защищают его от окисления. Вторые весьма легко соединяются с кислородом, причем их способность к самоокислению растет с увеличением числа и длины боковых цепей.

Первой операцией приготовления трансформаторного масла из нефти является фракционная перегонка под вакуумом. При перегонке нефть путем испарения разделяется на ряд фракций, каждая из которых содержит близкие по температуре кипения и сходные по свойствам углеводороды. На первом этапе от нефти отделяются наиболее легкие углеводороды: бензин, лигроин, керосин; затем перегоняются более тяжелые фракции, так называемый соляровый дистиллят, из которого и готовится масло. Перегонка не обеспечивает однородного состава масла, так как в дистиллят попадает целый ряд смежных фракций. Кроме того, в нем имеются вредные примеси, ухудшающие свойства масла и сокращающие срок службы. Для получения полноценного продукта погон нефти подвергается очистке от нефтяных кислот, смол, серы и ненасыщенных соединений. Эта операция называется рафинированием. Дистиллят в течение определенного времени обрабатывается крепкой серной кислотой, которая окисляет все непредельные соединения и смолы и превращает их в нерастворимый кислый гудрон, который выпадает в осадок. Кислый гудрон, находясь в контакте с маслом, разрушает основные углеводороды. Поэтому для уменьшения причиняемого им вреда обработка кислотой производится при возможно более низкой температуре и гудрон удаляется из масла как можно скорее. Общее количество кислоты достигает 12-14% от веса дистиллята. Для нейтрализации избытка серной кислоты, оставшейся в масле, и для удаления нафтеновых кислот масло обрабатывается водным раствором щелочи (едкого натра); образовавшиеся при этом соли, мыла и эмульсии отделяются отстаиванием. Оставшееся в масле незначительное количество солей и мыл ведет к его окислению, поэтому после отстоя масло должно быть тщательно промыто водой. Для полного удаления влаги промытое масло подвергается сушке продувкой воздуха. Окончательная очистка масла производится обработкой его при температуре 70-80°С отбеливающей землей (адсорбент). Отбеливающие земли или глины удаляют последние остатки смол и кислот, и масло получает свой приятный соломенный цвет.

Из основных характеристик масла необходимо отметить, что оно горючее, биоразлагаемое, практически не токсичное, не нарушающее озоновый слой. Плотность масла обычно находится в диапазоне (0,84 — 0,89)×10 3 кг/м 3 .

Одним из важнейших свойств масла является вязкость. С позиций высокой электрической прочности желательно иметь масло более высокой вязкости. С другой стороны, чтобы хорошо выполнять свои дополнительные функции в трансформаторах (как охлаждающая среда) и выключателях (как среда, где движутся элементы привода), масло должно обладать невысокой вязкостью, в противном случае трансформаторы не будут надлежащим образом охлаждаться, а выключатели – разрывать электрическую дугу в установленное для них время. Поэтому выбирают компромиссное значение вязкости для различных масел. Кинематическая вязкость для большинства масел при температуре 20 °С составляет (28 — 30)×10 -6 м 2 /с.

Температурой застывания называется температура, при которой масло густеет настолько, что при наклонении пробирки с охлажденным маслом под углом 45° его уровень останется неизменным в течение 1 мин. В масляных выключателях температура застывания имеет решающее значение. Свежее масло не должно застывать при температуре минус 45°С; в южных районах страны разрешается применять масло с температурой застывания минус 35°С. Для эксплуатационных масел допускается ряд отступлений от нормированной температуры застывания в зависимости от того, находится ли масло в трансформаторе или выключателе, работает в закрытом помещении или же на открытом воздухе. Для специальных арктических сортов масла температура застывания уменьшается до минус (60 — 65)°С, однако при этом понижается и температура вспышки – до (90 — 100)°С.

Температурой вспышки называется температура нагреваемого в тигле масла, при котором его пары образуют с воздухом смесь, воспламеняющуюся при поднесении к ней пламени. Вспышка происходит настолько быстро, что масло не успевает прогреться и загореться. Температура вспышки трансформаторного масла не должна быть ниже 135°С. Если нагреть масло выше температуры вспышки, то наступает такой момент, когда при поднесении пламени к маслу оно загорается. Температура, при которой масло загорается и горит не менее 5 секунд, называется температурой воспламенения масла. Температура, при которой происходит возгорание в закрытом тигле, в присутствии воздуха, без поднесения пламени, называется температурой самовоспламенения. Для трансформаторного масла она составляет (350 — 400)°С.

Из других теплофизических характеристик можно отметить сравнительно небольшую теплопроводность (от 0,09 до 0,14 Вт/(м·К)), уменьшающуюся с ростом температуры. Теплоемкость, наоборот, увеличивается с ростом температуры от 1,5 до 2,5 кДж/(кГ·К). Коэффициент теплового расширения масла определяет требования к размерам расширительного бака трансформатора и составляет примерно 6,5·10 -4 1/К.

Удельное сопротивление масла нормируется при температуре 90°С и напряженности поля
0,5 МВ/м, и оно не должно превышать 5·10 10 Ом·м для любых сортов масел. Удельное сопротивление, как и вязкость, сильно падает с ростом температуры (более чем на порядок при уменьшении температуры на 50 °С). Диэлектрическая проницаемость масла невелика и колеблется в пределах
2,1-2,4. Тангенс угла диэлектрических потерь определяется наличием примесей в масле. В чистом масле он не должен превышать 2·10 -2 при температуре 90 °С и рабочей частоте 50 Гц. В окисленном, загрязненном и увлажненном масле tgδ возрастает и может достигать значений более чем 0,2. Электрическая прочность масла определяется в стандартном разряднике с полусферическими электродами диаметром 25,4 мм и межэлектродным расстоянием 2,5 мм. Пробивное напряжение должно составлять не менее 70 кВ, при этом в разряднике электрическая прочность масла будет не менее 280 кВ/см.

Масло способно поглощать и растворять весьма значительные количества воздуха и других газов. При этом кислород не только растворяется, но и химически соединяется с маслом, образуя продукты окисления. Выделение газов из масла очень часто является признаком зарождающегося дефекта в обмотке трансформатора. В настоящее время разработан и используется способ определения дефектов в трансформаторе по наличию растворенных в масле газов, так называемый хроматографический анализ.

Существует большой разрыв между сроком службы трансформатора и сроком службы масла. Трансформатор может работать без ремонта 10-15 лет, в то время как масло уже через год требует очистки, а через 4-5 лет – регенерации. Мерами, позволяющими продлить срок эксплуатации масла, являются:

защита масла от соприкосновения с наружным воздухом путем установки расширителей с фильтрами, поглощающими кислород и воду, а также вытеснение из масла воздуха;
снижение перегрева масла в условиях эксплуатации;
регулярные очистки от воды и шлама;
применение для снижения кислотности непрерывной фильтрации масла;
повышение стабильности масла путем введения антиокислителей.

Антиокислительная присадка специально вводится в масло для предотвращения его окисления под действием локальных высоких температур и реакций с проводниковыми и диэлектрическими материалами.

Из родственных трансформаторному маслу по свойствам и применению жидких диэлектриков стоит отметить конденсаторные и кабельные масла.

Конденсаторные масла. Под этим термином объединена группа различных диэлектриков, применяемая для пропитки бумажно-масляной и бумажно-пленочной изоляции конденсаторов. Наиболее распространенное конденсаторное масло по ГОСТ 5775-68 производят из трансформаторного масла путем более глубокой очистки. Оно отличается от обычных масел большей прозрачностью, меньшим значением tgδ (более чем на порядок). Используется также касторовое масло растительного происхождения, оно получается из семян клещевины. Основная область использования — пропитка бумажных конденсаторов для работы в импульсных условиях. Плотность касторового масла 950-970 кг/м 3 , температура застывания от минус 10 до минус 18 °С. Его диэлектрическая проницаемость при 20°С составляет 4,0-4,5, а при 90°С – уменьшается до 3,5-4,0; tgδ при 20°С равен 0,01-0,03, а при 100°С — 0,2-0,8; электрическая прочность Е_пр при 20°С составляет 15-20 МВ/м. Касторовое масло не растворяется в бензине, но растворяется в этиловом спирте. В отличие от нефтяных масел, касторовое не вызывает набухания обычной резины. Этот диэлектрик относится к слабополярным жидким диэлектрикам, его удельное сопротивление при нормальных условиях составляет 10 8 -10 10 Oм·м.

Кабельные масла предназначены для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей. Основой их также являются нефтяные масла. От трансформаторного кабельные масла отличаются повышенной вязкостью, увеличенной температурой вспышки и уменьшенными диэлектрическими потерями. В качестве примера можно привести марки масел МН-4 (маловязкое, для заполнения кабелей низкого давления), С-220 (высоковязкое для заполнения кабелей высокого давления), КМ-25 (наиболее вязкое).

Второй тип жидких диэлектриков – трудногорючие и негорючие жидкости. Жидких диэлектриков с такими свойствами достаточно много. Наибольшее распространение в энергетике и электротехнике получили хлордифенилы (хлорбифенилы). Это вещества, имеющие в своем составе двойное бензольное (или ди(би)фенильное) кольцо и присоединенные к нему один или несколько атомов хлора. В России применяются диэлектрики этой группы в виде смесей, в основном смеси пентахлордифенила с трихлордифенилом. Коммерческие названия некоторых из них: «Совол», «Совтол», «Калория-2».

Хлордифенилы являются хорошими диэлектриками. У них повышена диэлектрическая проницаемость (ε = 5 – 6) по сравнению с трансформаторным маслом из-за полярности связи электроотрицательного хлора с дифенильным кольцом. Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ немного выше, чем у масла, электрическая прочность также высока. Применение этих диэлектриков было обусловлено как этими свойствами, так и, главным образом, их негорючестью. Поэтому в пожароопасных условиях (шахты, химические производства и т.п.) широко использовались трансформаторы и другие электрические аппараты, заполненные хлордифенильными диэлектриками.

Однако у всего класса этих веществ имеются два очень существенных недостатка – высокая токсичность и сильное влияние на озоновый слой. Хотя токсичность является очевидным недостатком, но наибольшее негативное влияние на применение хлордифенилов оказал второй его недостаток. В соответствии с Монреальским Протоколом хлордифенилы были ограничены сначала в производстве, а затем и в эксплуатации.

Возникшая после запрета хлордифенилов проблема поиска подходящего пожаробезопасного жидкого диэлектрика до сих пор не решена. В каждой стране ее пытаются решать по-своему. В Великобритании пытаются внедрять диэлектрики на основе эфиров пентаэритрита (фирменное название Мидель 7221, Мидель 7131), в Германии – диэлектрики на основе эфиров фталевой кислоты (Bayelectrol, диоктилфталат). В России и некоторых других странах наиболее перспективными для применения считаются силиконы (силоксаны), или кремнийорганические жидкости. Это громадный класс жидкостей с различными электро- и теплофизическими характеристиками. Хорошо очищенные жидкости обладают диэлектрической проницаемостью 2,5 – 3,5, tgδ -3 , удельным сопротивлением более 10 12 Ом·м. Обычно у этих соединений повышенная, по сравнению с маслом, температура вспышки. Некоторые жидкости на основе модифицированных полиметилэтилсилоксанов имеют температуру вспышки около 300 °С. К недостаткам силоксанов относится то, что исследованные кремнийорганические жидкости не могут обеспечить пожаробезопасность и, следовательно, не могут полностью заменить хлордифенилы. Кроме того, они в несколько раз дороже трансформаторного масла.

Очень интересен класс фторорганических жидкостей (перфторуглеродов). По сути, это эквивалент обычных органических жидкостей, только вместо атома водорода везде находится атом фтора. Например, есть аналоги органическим соединениям, таким как пентан С₅H₁₂ — перфторпентан С₅F₁₂, гексан С₆H₁₄— перфторгексан С₆F₁₄ и т.п. Существует даже перфтортрансформаторное масло. Правда, в отличие от настоящего трансформаторного масла перфтортрансформаторное масло при нормальных условиях является твердым веществом и используется в качестве морозостойкой смазки. Наличие фтора на месте водорода означает, что вещество полностью окислилось, ведь фтор является самым сильным окислителем, более сильным, чем кислород. Поэтому фторуглеродные жидкости инертны по отношению к любым воздействиям, в т.ч. стабильны под действием электрического поля и температуры. Поскольку они ни с чем не взаимодействуют, они не растворяют масла, резину, воду и т.п. Высокие характеристики фторуглеродных жидкостей важны для их практического применения. Замена атома H на атом F приводит к новым свойствам и новым возможностям, таким как:

негорючесть;
высокая термическая и химическая стабильность;
инертность по отношению к металлам, твердым диэлектрикам и резинам;
нетоксичность, отсутствие цвета и запаха;
возможность подбора жидкостей с различными точками кипения и замерзания;
низкая растворимость воды и высокая растворимость газов;
отсутствие растворимости любых нефторированных материалов;
высокий коэффициент температурного расширения.

По электрофизическим параметрам (диэлектрическая проницаемость 1,8-2, удельное сопротивление более 10 12 -10 15 Ом·м, tgδ менее 10 -4 , электрическая прочность до 500 кВ/см) они значительно превосходят аналогичные показатели любых других жидкостей, включая минеральные масла. Они нетоксичны, неокисляемы, имеют низкую вязкость, в т.ч. в низкотемпературной области. Ряд жидкостей имеют точку замерзания минус 70°С и ниже.

Важной особенностью является достаточно высокая электрическая прочность в газообразном (парообразном) состоянии – до 200-300 кВ/cм, т.к. фторуглеродные молекулы имеют высокое сродство к электрону, т.е. они являются электроотрицательными веществами. Эти жидкости не только негорючи, но и термостабильны до температуры более 400°С. Хотя теплопроводность фторуглеродов в два-три раза ниже, чем у трансформаторного масла, исключительно высокий коэффициент температурного расширения приводит к возникновению мощных конвективных потоков. При этом конвективный теплоотвод оказывается в 3-4 раза выше, чем у трансформаторного масла.

Главный недостаток и основное препятствие к более широкому использованию – очень высокая цена, они дороже трансформаторного масла в несколько десятков раз.

К настоящему времени в энергетике эти жидкости не нашли широкого применения. За рубежом применяются для охлаждения мощных выпрямителей и инверторов, преобразующих переменный ток в постоянный ток, для СВЧ-устройств. Предполагаемое создание компактных пожаробезопасных испарительных трансформаторов для электротранспорта и компактных ЗРУ возможно только на основе перфторуглеродных жидкостей.

© ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Редакционно-издательский центр
Отдел допечатной подготовки и программно-методического обеспечения
Уфа 2014

Источник