О регенерации целлюлозной изоляции обмоток силовых трансформаторов
с длительным сроком эксплуатации
, канд. хим. наук, , канд. техн. наук, , доктор техн. наук, , доктор хим. наук, , инженеры
Институт физической химии РАН - РАО "ЕЭС России" -
-исследовательский институт электроэнергетики» (ВНИИЭ) -
В настоящее время при ремонтах силовых трансформаторов известны единичные случаи проведения работ по отмывке целлюлозной изоляции органическими моющими составами с целью продления ее срока эксплуатации [1 -3]. Однако опубликованные данные по технологии процесса весьма отрывочны и противоречивы. Не раскрывается механизм физико-химических превращений при проведении подобных работ, нет также ответа на вопрос, при какой степени деградации изоляции процедура отмывки может быть целесообразной и давать положительный долгосрочный эффект, когда она бесполезна или даже нецелесообразна.
Настоящая статья посвящена анализу физико-химического состояния изоляции обмоток длительно эксплуатируемых силовых трансформаторов для установления критериев возможности продления срока службы посредством отмывки изоляции с применением поверхностно-активных веществ или бесперспективности указанной операции.
Известно, что при промывке трансформатора с длительным сроком службы обычным трансформаторным маслом, как правило, происходит улучшение изоляционных характеристик. Положительный эффект проведения такой операции объясняется снятием зашламленности изоляционных промежутков и уменьшении влагосодержания изоляции. В последнее время некоторые российские организации при проведении подобных работ стали предлагать использовать органические жидкости с высокими растворяющими свойствами и водо-поглощающей способностью, содержащие также различные моющие присадки, в том числе, на основе сложных эфиров органических кислот, например, пентаэритритовой [2].
Отмывка целлюлозы от шлама и низкомолекулярных фракций полисахаридов - технологический прием, широко используемый в производстве и переработке целлюлозы. При получении целлюлозы и ее эфиров эта операция приводит, в общем случае, к сужению молекулярно-массового распределения полимера вследствие уноса низкомолекулярных его фракций и, как следствие, к некоторому повышению степени полимеризации и прочности [4-6]. По-видимому, указанные процессы в той или иной мере имеют место при отмывке твердой целлюлозной изоляции моющими органическими составами.
Однако использование в моющих органических составах поверхностно-активных веществ (ПАВ) может приводить не только к более полному снятию зашламленности изоляционных промежутков в трансформаторе. Окисленные группы, на% содержащиеся в низкомолекулярной фракции деградировавшего целлюлозного материала, проявляют при этом солюбилизационный эффект, вызванный взаимодействием их с полярными молекулами растворителя. Это приводит к сольватации и удалению значительной части короткоцепных окисленных молекул целлюлозы при ее отмывке, что может сопровождаться некоторым повышением степени полимеризации бумажной изоляции, и изменениям в надмолекулярной структуре, связанным с рекристаллизацией [7, 8].
Подобные явления, несомненно, могут рассматриваться как положительные при достаточно высокой степени полимеризации целлюлозной изоляции (ед. ангидроглюкопиранозных мономерных фрагментов). Однако при значениях степени полимеризации, близких к предельному износу (350 ед. и ниже), в процессе отмывки применение ПАВ может вызывать разрушение материала изоляции в результате его сольватации и образования агрегатов окисленных макромолекул целлюлозы с молекулами активной части моющего раствора. Подобные взаимодействия растворителя и материала приводят к удалению окисленной части последнего в раствор. Кроме того, имеет место и обратный процесс - включения (сорбции) части активных компонентов моющего раствора в целлюлозную изоляцию [7]. Новые химически активные компоненты могут интенсифицировать деградацию "отмытой" изоляции при ее дальнейшей эксплуатации.
Относительно повышенное внимание к технологиям промывки изоляции трансформаторов в последние годы уделяется в ряде зарубежных компаний, где при ремонтах силовых трансформаторов применяются специальные регенерационные масла. При этом необходимо особо отметить, что силовые трансформаторы зарубежного производства в своей массе не оборудованы системой термосифонных фильтров. Поэтому состояние наружных слоев изоляции, омываемых маслом в процессе длительной эксплуатации, в них в ряде случаев хуже, чем внутренних слоев, контактирующих с медными токоведущими частями [1]. Последнее, определенно, связано со значительным влиянием окисленных и кислых продуктов старения целлюлозной изоляции и масла на общий процесс деградации изоляции [9]. По этой причине в зарубежной практике довольно активно применяются периодические очистки трансформаторного масла от кислых и окисленных продуктов старения бумажно-масляной изоляции, а также используются специальные регенерационные масла для очистки изоляции от продуктов старения, ускоряющих шламообразование и дегидратацию целлюлозной изоляции обмоток [1, 10, 11]. Подобные операции, по сути, являются альтернативой процессу отмывки бумажно-масляной изоляции с использованием органических моющих составов.
В длительно работающих силовых трансформаторах отечественного производства, оборудованных системой постоянно действующих термосифонных фильтров, для наружных и внутренних слоев катушек обмотки наблюдается несколько иная картина деградации. В табл. 1 приведены данные по степени полимеризации наружных и внутренних (прилегающих к меди) слоев изоляции верхних катушек обмотки силовых трансформаторов различных типов и с различными сроками эксплуатации и степенью износа изоляции. Из приведенных в табл. 1 данных видно, что степень полимеризации наружных слоев витковой изоляции обмоток выше, чем внутренних.
Известно, что для трансформаторов отечественного производства в реальных условиях эксплуатации кинетика деградации наружного слоя изоляции обмоток хорошо описывается уравнением первого порядка [10]. Существование такой кинетической зависимости наряду с приведенными ранее результатами по деградации наружных и внутренних слоев изоляции обмоток с определенностью указывает на то, что динамика деградации изоляции определяется, в первую очередь, режимом нагрузки трансформатора, который определяет рабочую температуру изоляции.
При этом значение концентрации кислых и окисленных продуктов старения бумажно-масляной изоляции, а равно и коллоидных продуктов коррозии конструкционных материалов в трансформаторном масле, каталитически ускоряющих деструкцию изоляции, ее дегидратацию и шламообразование, определяется состоянием трансформаторного масла и, очевидно, наличием и эффективностью работы термосифонных фильтров. Последний вывод подтверждается табл. 2, в которой приведены примеры динамики изменения кислотного числа масла в силовых трансформаторах, оснащенных термосифонными фильтрами.
Приведенные в табл. 2 данные показывают, что порядок кислотного числа, определяющего концентрацию в масле кислых и ряда окисленных продуктов, достаточно стабилен и составляетмг КОН/г, а при плановой замене силикаге-ля значение кислотного числа несколько снижается, т. е., концентрация кислых и окисленных продуктов деградации бумажно-масляной изоляции в масле, омывающем обмотки при регламентной работе термосифонных фильтров и плановой замене в них силикагеля, достаточно мала. Отметим, что в данном случае именно порядок концентрации играет определяющую роль в кинетике процессов шламообразования при деградации целлюлозной изоляции. При этом, при регламентной эксплуатации трансформаторов, оборудованных системой термосифонных фильтров, кислотное число масла, характеризующее, в целом, концентрацию в нем продуктов деградации изоляционной композиции, являющихся катализаторами шламообразования, остается постоянно низким вплоть до исчерпания ресурса твердой целлюлозной изоляции.
В длительно работающих трансформаторах зарубежного производства, не оснащенных термосифонными фильтрами, для получения указанного порядка кислотного числа и подобного его снижения часто применяется периодическая регенерация масла посредством сорбентов, поглощающих из масла полярные молекулы [10, 11], что, по сути, является аналогом работы термосифонных фильтров и альтернативой процессу отмывки.
Таким образом, при оптимальной работе термосифонных фильтров, поддерживающих в трансформаторном масле достаточно низкую концентрацию катализаторов дегидратации и шламообразования, процедура отмывки твердой целлюлозной изоляции от продуктов старения, в принципе, является излишней вплоть до полного исчерпания ее ресурса.
В ряде публикаций, например в [1, 2], указываются сведения о "восстановлении" механических свойств изоляции длительно работающих трансформаторов, в том числе, и с полностью исчерпанным ресурсом изоляции после ремонтных работ путем отмывки изоляции органическими моющими составами. При этом отмечается, что в результате проведенных работ возрастает значение степени полимеризации, сопровождающееся увеличением индекса кристалличности целлюлозной изоляции на%. В этой связи следует отметить следующее. Изоляция с исчерпанным ресурсом, как правило, дегидратирована и окислена [9, 13]. Поэтому некоторое увеличение ее степени полимеризации при отмывке с применением ПАВ с определенностью можно связать с сольватацией и удалением моющей жидкостью вместе со шламом части окисленной низкомолекулярной фракции целлюлозной изоляции, т. е. в процессе отмывки изоляции с предельным и близким к предельному износом происходят разрушение и унос части материала изоляции. Это, собственно, и приводит к некоторому "кажущемуся" повышению степени полимеризации и увеличению индекса кристалличности. Последнее, однако, при низких значениях степени полимеризации в дегидратированном материале ведет к повышению его хрупкости [13].
Как показано в [14], при достижении предельно допустимых показателей износа бумажной изоляции обмоток трансформатора, т. е. снижении степени полимеризации изоляции до 250 ед., резко возрастает риск повреждения трансформатора из-за возможности возникновения витковых замыканий вследствие снижения механической прочности бумаги и местного увеличения концентрации влаги из-за развития процесса дегидратации целлюлозной изоляции. Анализ повреждаемости за последние 5 лет блочных трансформаторов мощностью 63 MB-А и более, напряжением 110-500 кВ, со сроком эксплуатации более 25 лет показывает, что примерно 45% общего числа их повреждений (без учета повреждений высоковольтных вводов и устройств РПН), сопровождавшихся внутренними короткими замыканиями, связано с возникновением витковых замыканий при значительном износе изоляции.
Очевидно, что одной из основных прочностных характеристик целлюлозной изоляции обмоток является излом, определяемый числом двойных перегибов изоляционной бумаги [15].
Нами была изучена взаимосвязь степени полимеризации и числа двойных перегибов при g - облучении электроизоляционной бумаги К-120 (с исходной степенью полимеризации Р0 = 890 ед.) 60°С в среде трансформаторного масла марки ГК при температуре 90°С. При этом, в интервале степени полимеризации от 450 до 85 ед., верхняя граница которого соответствует согласно приведенным данным в ряде работ, в частности в [16], началу зоны риска, а нижняя граница заведомо меньше значения, соответствующего предельному износу изоляции, зависимость числа перегибов п от степени средневязкостной полимеризации Pv с коэффициентом корреляции больше 0,99 описывается следующим уравнением:
In п = (-5,1 ± 0,4) + (0,047 ± 0,002) Pv, (1),
т. е. представляет собой прямую линию.
При экспериментально определенном снижении степени полимеризации бумаги от 890 до 280 ед., т. е. значения, близкого к полному исчерпанию ресурса изоляции, число двойных перегибов падает примерно с, что соответствует стандартной характеристике излома исходных электроизоляционных бумаг, до 3300, т. е., примерно, в 4 раза. Это полностью совпадает с известным из опыта эксплуатации взаимным изменением прочности и степени полимеризации бумажно-масляной изоляции силовых трансформаторов [9, 17]. До достижения внешними слоями изоляции обмоток нормированного значения степени полимеризации, соответствующего согласно [18] предельному износу 250 ед., изоляция внутренних слоев согласно зависимости (1) должна выдерживать не менее четырех двойных перегибов. При дальнейшем снижении резко возрастает вероятность ее повреждения.
Поскольку "текущее" значение степени полимеризации изоляции при ее эксплуатации, в первую очередь, зависит от режима нагрузки трансформатора, то при одинаковом уровне пластификации электроизоляционной бумаги маслом различие в степенях деструкции внешних и внутренних слоев обмотки будет определяться количеством теплоты, полученным ими за срок эксплуатации. При этом в условиях регламентной нагрузки трансформатора флюэнс теплового потока от внутренних слоев изоляции к внешним достаточно постоянен, поскольку зависит, главным образом, от теплоемкости и теплопроводности бумажно-масляной композиции, не изменяющихся существенно за период эксплуатации. В этих условиях при сохранении одного и того же порядка концентраций кислых и окисленных продуктов углеводородных композиций масел, определяемого регламентом работы термосифонных фильтров, с учетом монотонности деструктивного процесса для внутренних и наружных витков деградирующей изоляции справедливо следующее тождество:
(2)
где a1 и a2 - степени деградации внутренних и наружных слоев витковой изоляции; 
- степени полимеризации исходной витковой изоляции и ее внутренних и наружных слоев соответственно. Для высоких степеней деградации изоляции при предельном и близком к предельному ее износе 
можно принять, что
(3)
Таблица 1
Трансформатор | Срок эксплуатации, лет | Средневязкостная степень полимеризации витковой изоляции Рv | |
наружные слои | внутренние слои | ||
ТДЦ 400000/500, зав. № 000 | 19 | 368 | 237 |
ТРДЦН 80000/110, зав. № 000 | 26 | 244 | 140 |
АОЦГ 138000/220, зав. № 000 | 16 | 1046 | 741 |
Для изученных нами силовых трансформаторов (табл. 1) значения отношения Рv2 /Pv1 достаточно близки и составляют 1,55 и 1,74 соответственно. Это указывает на то, что при низких "текущих" значениях Pv соотношение (3) достаточно хорошо выполняется, и значение его лежит в пределах 1,60 ± 0,05. Этот вывод позволяет определить границу зоны риска для внешних слоев верхних катушек обмотки из условия, что Pv1 = 250 ед., равным Pv2 = 400 ± 15 ед. Полученный результат находится в хорошем согласии с данными других подобных исследований.
Очевидно, что регенерация изоляции силовых трансформаторов путем отмывки органическими моющими составами при степени полимеризации ниже границы зоны риска несет с собой возможность ее разрушения как в процессе отмывки за счет сольватации и уноса части материала, так и при дальнейшей эксплуатации. Положительный эффект при регенерации изоляции обмоток путем отмывки органическими моющими составами, связанный со снятием зашламленности изоляционных промежутков и уменьшением влагосодержания без риска разрушения материала в процессе отмывки и последующей длительной эксплуатации изоляции, может достигаться при степени полимеризации больше 450 ед., как указано ранее. При этом для принятия решения о проведении отмывки необходимо руководствоваться средневязкостной степенью полимеризации изоляции верхних катушек обмотки, измеренной с применением кадмийэтилендиаминового комплекса (кадоксен) [19].
Выводы
Проанализированы механизмы физико-химических процессов в целлюлозной изоляции обмоток силовых трансформаторов при проведении регенерации с использованием органических мою - щих составов.
При эксплуатации силовых трансформаторов с регламентной работой термосифонных фильтров вследствие постоянно низкой концентрации катализаторов шламообразования и дегидратации значение степени полимеризации внешних слоев целлюлозной изоляции обмоток выше, чем внут - ренних слоев, непосредственно прилегающих к меди.
Регенерация бумажной изоляции обмоток силовых трансформаторов с использованием поверхностно-активных веществ при достижениях значений степени полимеризации изоляции, близких к предельному, нецелесообразна вследствие возможности разрушения и уноса части материала изоляции, а также повышения ее хрупкости в процессе регенерации и возрастания риска механиче - ских повреждений при дальнейшей эксплуатации.
Проведение работ по отмывке изоляции с применением поверхностно-активных веществ может быть целесообразным при значениях степени полимеризации внешних слоев верхних кату - шек обмотки 500 ед. и более в случае ее зашламления. Критерием для принятия решения о возмож - ности и целесообразности регенерации изоляции обмоток с применением поверхностно-активных веществ является значение степени полимеризации внешнего слоя витковой изоляции обмоток, отобранного из верхних катушек и измеренного с применением кадмийэтилендиаминового комплекса (кадоксен).
Таблица 2
Трансформатор | Дата выполнения анализа | Кислотное число масла, мг КОН/г |
ТДНГУ 63000/110, зав. № 000 | 18/ IV 1996 г. | 0,021 |
06/III 1997 г. | 0,032 | |
05/VIII 1998 г. | 0,037 | |
04/VIII 1999 г. | 0,043 | |
ТРДЦН 80000/110, зав. № 000 | 30/V 1996 г. | 0,014 |
20/III 1998 г. | 0,015 | |
15/VII 1998 г. | 0,012 | |
19/IV 1999 г. | 0,006* |
* После замены силикагеля.
Список литературы
1. Продление срока службы силовых трансформаторов. Новые виды трансформаторного оборудования. СИГРЭ 2002. - Электрические станции, 2003, № 7.
2. Повреждаемость, оценка состояния и ремонт силовых трансформаторов / , , Смекалов В. В., - Энергетик, 2001, № 7.
3. , Восстановление электроизоляционных характеристик загрязненной изоляции маслонаполненного оборудования "моющими" составами. - В сб.: Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования. С.-Пб.: ПЭИПК, 2000, вып. 11.
4. Роговин 3. А. Основы химии и технологии химических волокон. М.: Химия, 1974.
5. Получение нитроэфиров из облученной целлюлозы / Комаров В. Б., , и др. - Журнал прикладной химии, 1993, т. 66, вып. 2.
6. Влияние у - облучения на качество сульфитных высокомолекулярных целлюлоз / , , Сизова Т. Ю. и др. - Химические волокна, ] 988, № 1.
7. СегалЛ. Целлюлоза и ее производные. М.: Мир, 1974.
8. , , Определение плотности и других свойств целлюлозных волокон. - Журнал прикладной химии, 1963, т. 36, вып. 1.
Rated indices for evaluating the winding insulation wear of power transformers / LvovM. Yu., Chichinskii M. I., Lvov Yu. N. a. o. - Power technology and engineering, 2002, vol. 36, № 5.10. Experiences from on - site transformers oil reclaiming / Berg, O., Herdlevar K., Dahlund M., a. o. - Session 2002 CIGRE.
11. Pantic V. A., Pantic D. V., Mirosavljcvic B. Extension of the lifetime and increase of the transformer operation safety on the grid. Session 2002 CIGRE.
12. О ресурсе изоляции силовых трансформаторов / , , - Новое в Российской электроэнергетике, 2003, № 4.
13. , , Элементо-содержащие угольные волокнистые материалы. Минск: Наука и техника, 1982.
14. Эксплуатация силовых трансформаторов при достижении предельно-допустимых показателей износа изоляции обмоток / , , - Электрические станции, 2004, № 2.
15. Целлюлоза и другие полуфабрикаты бумажного производства. Сборник стандартов. М.: Издательство комитета стандартов, мер и измерительных приборов, 1969.
16. Improvement in maintenance and inspection and pursuit of economical effectiveness of transformers in Japan / Kawamura Т., Fushimi Y, Shimato T. a. o. Session 2002 CIGRE.
17. , Трансформаторное масло. M.: Энергоатомиздат, 1983.
18. РД 34.45 - 51.300-97. Объем и нормы испытаний электрооборудования. М.: Энас, 1998.
19. МамиконянцЛ. Г. О нормировании показателей для оценки износа изоляции обмоток силовых трансформаторов. - Энергетик, 2003, № 7.
