Окисление трансформаторных масел в присутствии электрического поля (стр. 5 )

Рис. 14-11. Схема передвижной установки для очистки трансформаторного масла, выпускаемой фирмой Aktiengesellshaft А. Hering, Нюренберг [Л. 14-19].1 — вход загрязненного масла; 2 — фильтр грубой очистки с постоянным магнитом; 3 — насос для грязного масла; 4 — трубчатый нагреватель для масла; 5 — центрифуга; 6 — насос; 7 — вакуумный осушитель; 8 — насос для чистого масла; 9 — расходомер; 10 — выход чистого масла; 11 — конденсатор для воды; 12 — мерник для сконденсированной влаги; 13 — вакуумный насос; 14 — выброс вакуумного насоса; 15 — вакуумная линия к трансформатору.

В заключение следует отметить, что одной из актуальных задач отечественного машиностроения является обеспечение организаций, занимающихся монтажом и эксплуатацией трансформаторов, типовыми передвижными установками для подготовки трансформаторного масла. С помощью таких установок должны осуществляться процессы сушки, фильтрации и дегазации масла, а при необходимости и насыщение масла инертным газом, а также производиться сушка изоляции трансформаторов при монтажных и ремонтных работах. Примерная производительность установки 5— 10 м3/ч масла, пригодного для заливки в трансформатор. В комплект установки должна входить лаборатория для контроля качества готового масла, в том числе для определения его электрофизических показателей.

Рис. 14-12. Схема передвижной установки для очистки свежих и регенерации кислых (отработанных) трансформаторных масел, выпускаемых фирмой Mikafil (Швейцария) [Л. 14-3].1 — питающий насос; 2 — регулятор расхода; 3 — фильтр-пресс; 4 — охладитель; 5 — колонка для дегазации масла, 1-ая ступень; 6 — циркуляционные насосы; 7 — нагреватель для масла; 8 — колонки с отбеливающей (фуллеровой) землей; 9 —колонка для дегазации масла, 2-ая ступень; 10 — фильтр-пресс; 11 — колонка для дегазации масла, 3-я ступень; 12 — главный нагреватель для масла; 13 — вакуумный насос (ротационный); 14 — вакуумный насос двухроторный (насос Рутса); 15 — конденсатор для воды; 16 — узел для смешивания масла с ингибиторами; 17 — вакуумный насос для сушки трансформаторов; 18 — вход грязного масла; 19 — выход чистого масла.

Установки для очистки трансформаторного масла выпускаются в ряде стран. В качестве примера можно привести схему передвижной установки, изготовленной в ЧССР народным предприятием Chotebor (рис. 14-10). Установка позволяет осуществлять процессы фильтрации, центрифугирования и вакуумной обработки масла. На рис. 14-11 изображена схема установки для подготовки трансформаторного масла, выпускаемой в ГДР. Интересно, что в установке имеется фильтр грубой очистки с магнитом для удаления частиц железа. Фирмa Micafil (Швейцария) производит передвижные и стационарные установки для сушки, фильтрации и дегазации масла [Л. 14-3]. В таких установках предусмотрена также возможность осуществления цикла регенерации кислых трансформаторных масел путем контактирования их с фуллеровой землей, а также сушки увлажненных обмоток трансформаторов с помощью сухого масла (рис. 14-12 и 14-13).

Рис. 14-13. Внешний вид установки фирмы Micafil.

Передвижной вариант установки фирмы Micafil типа HVAR позволяет осуществлять сушку и фильтрацию 4 500 л масла в час.

В случае необходимости быстрый нагрев масла осуществляется при циркуляции через трубчатый нагревамощностью 120 квт. Шестеренчатый насос 1 производительностью 9 000 л/ч подает масло в регулятор расхода 2, поддерживающий требуемую интенсивность циркуляции масла. При сушке трансформатора маслом большая часть масла через маслонагревавозвращается в кожух трансформатора. Количество масла, подвергаемое собственно очистке, регулируется в пределах 100—4000 л/ч. Процесс очистки масла начинается с фильтрации его через фильтр-пресс 3. Холодильник 4 позволяет снизить температуру горячего масла, используемого для сушки трансформатора, до 40—60° С, поскольку при более высокой температуре может отогнатьсязначительное количество масла. В первой колонке для дегазации 5 при давлении 1—5 мм рт. ст. из масла удаляется большая часть воды.

Предварительно высушенное масло подается затем в три параллельно включенные колонки 8 с отбеливающей глиной. Во второй и третьей колонках для дегазации, работающих при остаточном давлении 0,15 мм рт. ст., количество влаги в масле снижается до 0,0001%. Для улавливания частиц отбеливающей глины между второй и третьей колонками дегазации установлен фильтр-пресс 10. Для введения в масло ингибирующих добавок служит узел 16. На первой ступени установлен вакуумный насос ротационного типа производительностью 100 м3\ч. На второй ступени имеются однороторный производительностью 80 м3\ч и двухроторный (типа Рутса) производительностью 1 600 м3/ч вакуумные насосы. На третьей ступени смонтирован еще один вакуумный насос типа Рутса, который включен последовательно с насосами второй ступени. Для защиты вакуумных насосов установлены конденсаторы. Собранное в них отогнанное масло снова добавляется к очищенному.

Рис. 14-14. Установка для сушки, фильтрации и дегазации трансформаторного масла фирмы Stream-line Filters, Ltd [Л. 14-33]. 1 — вход грязного масла; 2 — фильтр грубой очистки; 3 — нагреватель; 4 — теплообменник; 5 — насос для грязного масла; б—корпус фильтра; 7 — фильтрующие элементы; 8 — вентиль для выпуска воздуха из фильтра; 9 — регулятор давления; 10 — отфильтрованное масло; 11 — распылитель масла; 12 — вакуумный бак; 13 — поплавок магнитного выключателя регулятора уровня; 14 — чистое, сухое масло; 15 — насос для чистого масла; 16 — выход готового масла; 17 — регулятор температуры;18 — пропорциональный регулятор; 19 — спуск осадка; 20 — воздушный компрессор; 21 — ресивер для воздуха; 22 — вакуумный насос; 23 — ловушка для влаги.

Для контроля качества получаемого масла до и после фильтров с отбеливающей глиной включены ячейки для измерения сопротивления масла в потоке. Работа установки отличается высокой экономичностью и стоимость ее полностью окупается в течение 2—3 лет. Стоимость регенерации (с последующим ингибированием) составляет около 50% стоимости свежего масла, причем качество регенерированного масла со стабилизирующей присадкой не уступает качеству свежего.

Весьма интересна конструкция установки для сушки и фильтрации трансформаторного масла, выпускаемой фирмой Stream-line Filters, Ltd (рис. 14-14). Эта установка обеспечивает, по данным фирмы, отделение от масла частиц размером более 10 мк. Остаточное содержание влаги в масле не более 0,001% вес. Остаточное газосодержание не более 1% объема [Л. 14-33].

14-3. РЕГЕНЕРАЦИЯ ОТРАБОТАННЫХ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ

МАСЕЛ

В процессе эксплуатации трансформаторное масло увлажняется, происходит засорение его механическими примесями, в масле накапливаются продукты окисления. Часть этих соединений, находящихся в масле и ухудшающих его электроизоляционные свойства, поглощается твердыми изоляционными материалами; в результате снижается сопротивление изоляции трансформатора.

Известно, после 20-летней эксплуатации трансформатора мощностью 23 Мва на напряжение 150/50 кв кислотное число масла повысилось до 0,22 мг КОН, а значение tg при +90° С превысило 100%; при этом величина tg главной изоляции трансформатора при +60° С возросла до 44%. Для другого трансформатора после 17 лет эксплуатации tgd главной изоляции при +60° С составил 11,5% |[Л. 14-20]. В связи с этим одновременно с восстановлением отработанного масла из трансформатора следует производить обработку всей изоляции трансформатора с целью улучшения ее электроизоляционных свойств. Такие работы рекомендуется [Л. 14-20, 14-21] производить в следующей последовательности. Масло, слитое из работавшего продолжительное время трансформатора, в отдельной емкости подвергается регенерации, в процессе которой из него удаляются продукты окисления. Затем нагретое до температуры 50—80° С свежерегенерированное масло используется для промывки твердой изоляции трансформатора.

В этом случае масло с возможно большей скоростью неоднократно прокачивают через бак трансформатора. В процессе такой промывки часть продуктов окисления, адсорбированных твердой изоляцией, выделяется в масло (кислотное число и tg масла возрастают). Такое масло вновь подвергается регенерации. Естественно, что стабильность регенерированного масла значительно ниже, чем свежего, поскольку в процессе эксплуатации, а также при регенерации масло теряет значительную часть естественных ингибиторов окисления из числа тех, которые содержались в свежем масле. С целью улучшения окислительной стабильности регенерированного масла в него вводят искусственные ингибиторы окисления (см. гл. 4). Таким ингибированным маслом вновь заполняют трансформатор. Наблюдения показывают, что после подобной обработки масла и изоляции трансформатора tg последней заметно снижается в первые месяцы эксплуатации, принимая в дальнейшем устойчивое значение (рис. 14-15).

На практике обычно регенерируют эксплуатационные трансформаторные масла с кислотным числом порядка 0,2 мг КОН/г. Масла с большим кислотным числом (0,4—0,6 мг КОН/г) встречаются сравнительно редко. Это объясняется тем, что согласно действующим правилам эксплуатации [Л. 14-22] трансформаторные масла подлежат замене при появлении кислой реакции водной вытяжки масла, что обычно соответствует относительно низким значениям кислотного числа масла (не более 0,10—0,15 мг КОН/г). В связи с этим при регенерации таких трансформаторных масел не требуется применение сложного оборудования и высокоактивных химических реагентов, подобных тем, которые используются при очистке масляных дистиллятов в процессе их производства. По этим же соображениям, очевидно, наиболее целесообразно осуществлять регенерацию трансформаторных масел на местах их потребления в энергосистемах, не создавая централизованных регенерационных станций, поскольку затраты, связанные с транспортировкой масла к месту регенерации и обратно, будут больше, чем стоимость его восстановления. Для проведения работ по регенерации масла необходимо располагать передвижными регенерационными установками, с помощью которых можно на местах осуществлять необходимый цикл восстановления масла.

Рис. 14-15. Снижение tg главной изоляции трансформаторов после осуществления цикла регенерация масла—промывка изоляции — регенерация масла — ингибирование масла — заполнение трансформатора. 1 — трансформатор мощностью 23 Мва, 150/50 кв, который эксплуатировался 20 лет [Л. 14-20]; 2 — трансформатор мощностью 35 Мва, 220 кв, который эксплуатировался 15 лет [Л. 14-21]; 3 — трансформатор мощностью 23 Мва, 150/50 кв, который эксплуатировался 17 лет [Л. 14-20].

Задача создания типовых передвижных установок для регенерации трансформаторных масел в энергосистемах является весьма актуальной, поскольку отсутствие такого оборудования затрудняет в ряде случаев восстановление отработанных трансформаторных масел. В то же время эксплуатационный опыт свидетельствует, что в энергосистемах в течение года накапливается значительное количество трансформаторных масел, подлежащих регенерации в связи с высоким кислотным числом или наличием низкомолекулярных кислот. Это количество может быть оценено примерно в 10% общего объема масла, залитого в эксплуатируемое оборудование. Существующие методы и технология регенерации кислых трансформаторных масел подробно описаны в работах [Л. 14-1, 14-23, 14-24], в связи, с чем ниже приводятся лишь краткие сведения по этим вопросам.

Для восстановления глубоко окисленных трансформаторных масел (с кислотным числом 0,4—0,6 мг КОН/г) в ряде случаев используют сернокислотную обработку. Масло, предварительно очищенное от воды и механических примесей, в специальной мешалке обрабатывают серной кислотой (удельный вес кислоты 1,84), которая добавляется порциями.

В каждом конкретном случае оптимальное количество кислоты подбирается опытным путем. Из данных, приведенных в табл. 14-2, следует, что для снижения кислотного числа масла с 0,16 до 0,01 мг КОН/г достаточно обработать масло 3% вес. серной кислоты. При регенерации более глубоко окисленного масла (с кислотным числом 0,6 мг КОН/г) расход серной кислоты возрастает до 7% вес. Заметим, что, по нашим данным, стабильность восстановленного таким способом масла значительно ниже, чем свежего (оценка по ГОСТ 981-55).

В производственных условиях продолжительность контактирования составляет обычно около 1 ч. После этого масло отстаивается до тех пор, пока не закончится осаждение кислого гудрона (продуктов взаимодействия серной кислоты со смолистыми соединениями масла), на что уходит 2—4 ч. Кислый гудрон выпускают из мешалки, а к маслу добавляют отбеливающую землю в количестве 2—3% вес. и перемешивают их в течение получаса. При этом происходит нейтрализация остатков кислого гудрона. После отстаивания чистое масло перекачивают из мешалки в отдельный бак, предварительно пропустив его через фильтр-пресс для удаления остатков земли. В баке масло контактирует при +30° С в течение часа с 6—10% отбеливающей земли. После отстоя глины масло фильтруют. Как видно из описания, кислотный способ очистки довольно сложен.

Для восстановления трансформаторных масел с кислотным числом до 0,2—0,4 мг КОН/г обычно применяются значительно более простые способы. Наибольшее распространение получил метод, основанный на использовании различного рода адсорбентов.

Последние обладают способностью поглощать продукты окисления, содержащиеся в эксплуатационных маслах. Адсорбенты различаются по величине удельной поверхности, а также по размерам пор. Эффективность адсорбции в значительной степени зависит от соотношения между размерами пор и средним диаметром молекул адсорбируемых соединений. Если размеры последних превышают размеры пор адсорбента, то процесс адсорбции затруднен. Поскольку молекулы большинства соединений, содержащихся среди продуктов окисления масла, характеризуются относительно большими размерами, естественно, что при восстановлении масел используют лишь крупнопористые адсорбенты.

Регенерация трансформаторного масла сернокислотным способом (в лабораторных условиях) [Л. 14-25]

Таблица 14-2

Наименования показателей масла	Значения показателей масла после контактирования с серной кислотой (плотность 1.83) в течение 15 мин при +50° С с последующей нейтрализацией 5% зикеевской земли при расходе кислоты, % вес.
	0	1	3	5	7
а) Масло с кислотным числом 0,16 мг КОН/г
Кислотное число, мг КОН/г	0,16	0,02	0,01	0,01	—
Натровая проба, баллы	4	2	2	2	—
Цвет, единицы оптической плотности	0,80	0,19	0,08	0,05	—
Смолы, поглощаемые силикагелем, %	2,10	0,75	0,37	0,34	—
Коэффициент преломления	1,4866	1,4862	1,4853	1,4851	—
Окислительная стабильность по ГОСТ 981-55:а) Кислотное число после окисления, мг КОН/г	—	1,2	0,97	0,74	—
б) Осадок, %	—	0,22	0,14	0,09	—
б) Масло с кислотным числом 0,59 мг КОН/г
Кислотное число, мг КОН/г	0,59	0,27	0,26	0,30	0,015*
Цвет, единицы оптической плотности	1,13	1,06	1,08	1,07	0,16*
Натровая проба, баллы	4	4	4	4	3*

*Нейтрализация масла производилась 10% зикеевской земли.

К сожалению, до сих пор мало изучено, какие именно продукты окисления масла (кислоты, перекиси и т. д.) поглощаются теми или иными адсорбентами. Можно сослаться лишь на работу [Л. 14-26], в которой приводятся данные о том, что алюмогель не поглощает перекись бензоила, хотя некоторые другие перекиси адсорбируются на нем. В [Л. 14-1] указывается, что окись алюминия лучше поглощает из масла соединения кислого характера и хуже высокомолекулярные смолистые соединения, а силикагель — наоборот. Замечено, что коллоидные частицы мыл в маслах, присутствие которых обусловливает высокие диэлектрические потери, лучше всего адсорбируются естественными отбеливающими землями, например зикеевского месторождения [Л. 14-27, 14-28]. Следует отметить, что подбор адсорбентов осуществляется в большинстве случаев эмпирическим путем, тогда как изучение закономерностей поглощения различных продуктов окисления адсорбентами позволило бы обоснованно выбирать тип адсорбента или сочетание различных адсорбентов.

Для регенерации трансформаторных масел могут использоваться как естественные, так и искусственные адсорбенты. Первые обычно отличаются меньшей эффективностью, но более дешевы, чем вторые.

Наиболее распространенными искусственными адсорбентами являются силикагель и окись алюминия. Отечественной промышленностью выпускается несколько сортов силикагеля; из них пригодны для регенерации масел только крупнопористые сорта: КСК—крупный силикагель крупнопористый, ШСК — шихта, силикагель крупнопористый, МСК—мелкий силикагель крупнопористый, АСК — активированный силикагель крупнопористый. Окись алюминия выпускается под марками «активная окись алюминия» сорта А-1 и А-2 (стержни или зерна с высокой механической прочностью) и окиси алюминия «носитель» (стержни с малой механической прочностью).

Известно много разновидностей естественных адсорбентов. Наиболее распространенным из них в отечественной практике является «зикеевская опока». По своему химическому составу опока представляет собой сочетание различных окислов, в основном окиси кремния (до 80%) с небольшим количеством окиси алюминия, железа, кальция, магния и пр. Для регенерации трансформаторных масел могут применяться и другие местные отбеливающие земли. Пригодность их для этих целей определяется опытным путем на основании сравнительных испытаний эффективности данной земли и, например, силикагеля, который может служить эталоном (табл. 14-3).

В случае тонкоразмолотых адсорбентов регенерацию масла осуществляют методом непосредственного контактирования с последующей фильтрацией смеси масла с отбеливающей землей через фильтр-пресс. При наличии зернистого адсорбента регенерацию масла можно производить способом перколяции, т. е. фильтрацией его через слой зерен адсорбента.

Регенерация трансформаторного масла с кислотным числом 0,16 мг КОН/г с использованием естественных адсорбентов [Л. 14-25]

Таблица 14-3

Наименование адсорбента	Расход на обработку,% вес.	Показатели восстановлениямасла после
Кислотное число, мг КОН/г	Цвет, единицы оптической плотности
Зикеевская опока	7	0,05	0,60
Крымский кил	7	0,06	0,67
Уфимский адсорбент	7	0,05	0,60
Инзерская темная земля	7	0,07	0,62
Вулканический пепел камчатский	5	0,08	—
Зикеевская земля Чистопольского района	7	0,06	0,57
Вольская мука	7	0,05	0,45
Владимирский туф	5	0,10	—
Силикагель „КСК"	3	0,01	0,39

Для этих целей служат специальные аппараты — адсорберы. Адсорбер представляет собой цилиндр со съемным дном и крышкой (рис. 14-16). Для лучшего распределения масла по всему сечению адсорбера в его нижней части смонтирована цилиндрическая коробка с отверстиями по периферии. Зерна адсорбента удерживаются на перфорированном дне адсорбера. В верхней части адсорбера укреплено фильтрующее устройство, предназначенное для очистки масла от частиц адсорбента, а также имеется трубка для выпуска воздуха. При сливе масла из адсорбера, а также при выгрузке из него адсорбента он может легко опрокидываться. Это обеспечивается наличием двух шкворней, приваренных перпендикулярно обечайке адсорбера, которые вращаются в подшипниках опорной рамы станины.