Газостойкость и термостабильность трансформаторных масел в электрическом поле

Нефтяные трансформаторные масла марок ВГ, ГК и другие применяются в качестве теплоотводящей и изолирующей среды в силовых трансформаторах высших классов напряжения и определяют электрическую прочность всей системы. Если в трансформаторах основной изолирующей средой является твердая компонента, например, целлюлозные материалы, то в этом случае масло используется для пропитки твердой составляющей изоляции [1].

Масло в трансформаторах работает в условиях высокой напряженности электрического поля, повышенных рабочих температур, при наличии кислорода воздуха, растворенного в его объеме, и в присутствии гетерогенных катализаторов, представленных металлическими конструкциями трансформатора. Поэтому, работая в таких жестких условиях трансформаторное масло подвержено быстрому старению с образованием газообразных, жидких и твердых продуктов окисления [2–7]. В этой связи к основным требованиям, предъявляемым к маслу, относятся термическая стабильность его углеводородов к окислению и газостойкость в электрическом поле высокой напряженности [8–13].

Экспериментальная часть

Цель работы – исследование газостойкости и термической стабильности трансформаторных масел различного структурно-группового состава в электрическом поле высокой напряженности.

В качестве объектов исследования были использованы трансформаторные масла следующих марок:

ВГ (МЭС 60296–2003) – трансформаторное масло из парафинистых малосернистых нефтей с использованием гидрокаталитических процессов; применяется как в трансформаторах, так и в выпрямителях, выключателях и распределительных устройствах высших классов напряжения (до 1150 кВ). По нормативным эксплуатационным параметрам трансформаторное масло марки ВГ относится к IIА классу и удовлетворяет требованиям стандарта МЭК 296.

ГК (ТУ 38.101.890–81) – трансформаторное масло гидрокрекинга; применяется в силовых трансформаторах и реакторах напряжением до 1150 кВ включительно и полностью удовлетворяет требованиям стандарта МЭК 296 к маслам класса IIА.

ТАп (ТУ 38.101.0281–80) – трансформаторное масло адсорбционной очистки из анастасиевской нефти; применяется в силовых трансформаторах напряжением до 500 кВ включительно, можно использовать для доливок измерительных трансформаторов тока и напряжения, маслонаполненных вводов напряжением до 500 кВ включительно.

Газостойкость трансформаторных масел определяли в приборе, описанном в литературе [10]. Оценку газостойкости масел осуществляли по количеству поглотившегося или выделившегося газа. В качестве газовой среды над испытуемыми маслами использовали водород в соответствии с МЭК 606 28 А при напряжении электрического поля, равного 10 кВ в течение 2 ч.

В исследуемых маслах с использованием метода атомно-эмиссионной спектроскопии (ГОСТ 27566–87) был определен углеводородный состав масел (табл. 1).

Полученные экспериментальные результаты по газостойкости масел ВГ, ГК и ТАп представлены в табл. 2.

Из табл. 2 следует, что из испытуемых масел газопоглощающим является масло ТАп. Масло ВГ и ГК в атмосфере водорода в электрическом поле напряжением 10 кВ относятся к газовыделяющим маслам.

Сравнительный анализ экспериментальных данных, приведенных в табл. 1 и 2, показал, что трансформаторные масла марок ВГ и ГК, пребывая в электрическом поле, выделяют газы, т. е. данные масла относятся к газовыделяющим маслам. Данное явление подтверждается структурногрупповым составом масел. Масла марок ВГ и ГК содержат соответственно 4,3 и 3,2 % ароматических углеводородов, что в 3,3 и 4,4 раза меньше по сравнению с содержанием их в масле марки ТАп. Сравнительное содержание общей серы в трансформаторных маслах ВГ, ГК и ТАп показало, что масла ВГ и ГК содержат соответственно в 1,42 и в 1,9 раза общей серы меньше, чем масло ТАп.

Проведенные экспериментальные исследования позволили установить, что масло марки ТАп в своем составе содержит наибольшее количество ароматических углеводородов и общей серы по сравнению с маслами ВГ и ГК. Поэтому масло марки ТАп относится к газопоглощающим маслам, поскольку ароматические углеводороды и сераор-ганические соединения относятся к газопоглощающим элементам масла. Таким образом, увеличение доли ароматических соединений в сочета- нии с повышенной концентрацией общей серы переводит трансформаторные масла в разряд газопоглощающих масел в электрическом поле высокой напряженности. Склонность трансформаторных масел к газовыделению в процессе эксплуатации не подчиняется линейной зависимости от соотношения атомов углерода в нафтеновых циклах и парафиновых цепях.

Следующая серия опытов была поставлена с целью установления термической стабильности масел ВГ, ГК и ТАп в электрическом поле напряженностью 49 кВ/см. Термическую стабильность испытуемых трансформаторных масел определяли по ГОСТ 982–80 при температуре 155 °С в течение 14 ч в установке, описанной в работе [10].

Экспериментальные данные приведены в табл. 3.

Под воздействием электрических разрядов в трансформаторных маслах выделяется, в основном, водород [14–18], и масло претерпевает необратимые превращения, проявляющиеся в увеличении диэлектрических потерь (tgδ), доли осадка и кислых соединений (см. табл. 3). Водород, в свою очередь, способствует созданию аварийной ситуации, связанной с повреждением электрооборудования, быстрому развитию дефектов трансформаторов, пробою прокладок и выводу из строя электронасосов [11].

В соответствии с табл. 3 лучшими характеристиками по термостабильности против окислительного превращения углеводородов в электрическом поле обладают трансформаторные масла ма-

Таблица 1

Структурно-групповой состав масел ВГ, ГК и ТАп

Элементы, входящие в состав масел	Транс форматорное масло
	ВГ	ГК	ТАп
Парафино-нафтеновые углеводороды	95,58	96,71	85,63
Ароматические углеводороды	4,3	3,2	14,2
Общая сера	0,12	0,09	0,17

Таблица 2

Газостойкость трансформаторных масел в электрическом поле в среде водорода

Марка трансформаторного масла	Величина газостойкости, мкл/мин
ВГ	23,8
ГК	24,6
ТА	–7,9

Таблица 3

Термическая стабильность трансформаторных масел в электрическом поле напряженностью 49 кВ/см

Показатели Трансформаторное масло ВГ ГК ТАп Выход летучих кислот, мг КОН на 1 г масла 0,03 0,025 0,098 Кислотное число, мг КОН на 1 г масла 0,097 0,096 0,17 Массовая доля осада, % 0,006 0,00 0,01 Тангенс угла диэлектрических потерь при 90 °С 0,11 0,10 0,47 рок ВГ и ГК, поскольку в своем составе содержат оптимальное количество ароматических соединений при минимальной концентрации общей серы.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования показали, что высокое содержание ароматических углеводородов и сераорганиче-ских соединений в маслах сопровождается снижением их термической стабильности против окисления. Ароматические углеводороды интенсифицируют процессы уплотнения углеводородов, содержащихся в объеме масла, ухудшая их эксплуатационные свойства. Поэтому основным показателем, обеспечивающим длительную, стабильную и безаварийную работу маслонаполненных силовых трансформаторов, является термостабильность масла в электрическом поле высокой напряженности.

Для современного трансформаторного оборудования очевидна тенденция к ограничению их массы и габаритных размеров, что способствует уменьшению масляных (изоляционных) промежутков и связано с сужением масляных каналов, приводящих к росту в них напряженности электрического поля. В связи с нарастанием напряженности электрического поля до 50 кВ/см и 75 кВ/см в трансформаторном оборудовании наблюдается воздействие электрического поля на масло, которое сопровождается интенсивным образованием газа и уменьшением электрической прочности изоляции трансформатора. Образовавшиеся в масле газовые включения способствуют развитию в последних ионизационных процессов, вызывающих активное старение жидкой изоляции, разрушение твердой целлюлозной изоляции, и в целом быстрому старению масла в процессе его эксплуатации.

Полученные результаты экспериментальных исследований показали, что процессы газовыделе-ния или газопоглощения масел следует рассматривать совместно с их термической стабильностью при эксплуатации в электрооборудовании с высоким рабочим напряжением.

Таким образом, проведенные исследования показали, что лучшими маслами являются масла ВГ и ГК, которые характеризуются низким содержанием кислот, массовой доли осадка и минимальными диэлектрическими потерями в трансформаторном масле.

Выводы

• 1.    Изучены газостойкость и термическая стабильность трансформаторных масел марок ВГ, ГК и ТАп, отличающихся структурно-групповым составом, в электрическом поле напряженностью 49 кВ/см.

• 2.    Наибольшей газопоглощающей способностью обладает масло ТАп, имеющее в своем составе наиболее высокое содержание ароматических углеводородов и общей серы по сравнению с маслами ВГ и ГК.

• 3.    Установлена взаимосвязь газообразования и термической стабильности исследованных трансформаторных масел с их структурно-групповым составом и концентрацией общей серы.

• 4.    Проведенные экспериментальные исследования показали, что наибольшей термической стабильностью обладают масла марок ВГ и ГК, относящиеся к газовыделяющим маслам. Вместе с тем масло ТАп, обладающее меньшей термической стабильностью, относится к газопоглощающим маслам. Поэтому их газостойкость и термическую стабильность в электрическом поле высокой напряженности следует рассматривать совместно.