Конспект лекцій (стр. 5 )

Подвійний електричний шар - утворення у рідині, на границі з іншими тілами (електродами, діелектриками), заряджених шарів з підвищеною електропровідністю, причому поверхню розділу і об'єм рідини набувають заряди різного знаку.

Утворення подвійних шарів актуально для технічних рідких діелектриків, наприклад для транспорту по трубах горючих діелектричних середовищ типу нафти, конденсату і т. д. Усунення подвійних шарів може бути здійснене тільки при ретельнім очищенні діелектричних рідин від, що іонізуються домішок.

Очищення діелектричних рідин може здійснюватися дистиляцією, в. т.ч. під вакуумом, частковою кристалізацією, адсорбцією, іонним обміном. При цьому, як правило, зменшується електропровідність, діелектричні втрати, зростає електрична міцність.

Основною домішкою, що дає провідність рідких діелектриків є вода, а основними домішками, що зменшують електричну міцність є мікрочастинки, мікропухирці й вода. Тому в практиці енергосистем для регенерації трансформаторного масла його фільтрують, дегазують вакуумуванням, осушують за допомогою пропущення через обсяг, заповнений адсорбентами (цеолітами, або силікагелем).

Цеоліти - тверді речовини природнього або штучного походження, що володіють великою питомою поверхнею за рахунок пор молекулярних розмірів і можливістю адсорбції домішок у цих порах. Силікагель - пористий адсорбент для поглинання вологи й полярних домішок. Він має меншу вибірковість стосовно різних домішок і меншою питомою поверхнею в порівнянні із цеолітами.

Електропровідність рідин найбільше радикально ( до 6 порядків величини в порівнянні з даними з довідників) зростає після застосування нового способу очищення - електродіалізу.

Електродіаліз - спосіб видалення іонів із проміжку за рахунок пропущення постійного струму при використанні іонообмінних мембран, провідність яких здійснюється тільки одним видом іонів: у катіонообмінній носії заряду - катіони, її розташовують у катода, в аніонообмінній носії заряду - аніони, її розташовують в анода.

За рахунок різних способів очищення рідин у дослідженнях вдавалося одержати електропровідність не вище електропровідності кращих твердих діелектриків, а саме до 10-19 См/м.

Електрична міцність - також, як і електропровідність, у значній мірі є технологічною характеристикою рідкого діелектрика й електродів, способів готування й експлуатації ізоляційного проміжку. На неї впливають не тільки ті домішки, які визначають електропровідність, але й форма й матеріал електродів, тривалість імпульсу, наявність пухирців. Є трохи найбільш загальних і очевидних приймань збільшення електричної міцності: дегазація рідини, пропущення через адсорбент, пропущення через фільтр із субмікронними розмірами пор. Деякі із цих способів використовуються в енергосистемах для осушки й регенерації масла.

3.3. Використовувані й перспективні рідкі діелектрики.

3.3.1. Трансформаторне масло.

Найпоширеніший в енергетиці рідкий діелектрик - це трансформаторне масло.

Трансформаторне масло, - очищена фракція нафти, одержувана при перегонці, що кипить при температурі від 300 °С до 400 °С. Залежно від походження нафти мають різні властивості й ці відмітні властивості вихідної сировини відбиваються на властивостях масла. Воно має складний вуглеводний склад із середньою вагою молекул 220-340 а. е., і містить наступні основні компоненти.

Табл.3.2. Типовий склад нафтового трансформаторного масла.

1. Парафіни	10-15%
2. Нафтени або циклопарафіни	60-70%
3. Ароматичні вуглеводні	15-20%
4.Асфальто-Смолисті речовини	1-2 %
5. Сірчані з'єднання	< 1%
6. Азотисті з'єднання	< 0.8%
7. Нафтенові кислоти	<0.02%
8. Антиокислювальна присадка (іонол)	0.2-0.5%

Кожний з компонентів масла відіграє певну роль при експлуатації. Парафіни й циклопарафіни забезпечують низьку електропровідність і високу електричну міцність. Ароматичні вуглеводні зменшують старіння масла й збільшують стійкість до часткових розрядів в обсязі масла. Асфальто-смолисті, сірчисті, азотисті з'єднання й нафтенові кислоти є домішками й не відіграють позитивної ролі. Асфальто - смолисті з'єднання відповідальні за виникнення осаду в маслі й за його колір. Сірчисті, азотисті з'єднання й нафтенові кислоти відповідальні за процеси корозії металів у трансформаторнім маслі.

Вуглеводні парафінового ряду, крім високої хімічної стійкості мають високу температуру спалаху й поруч інших позитивних якостей, але втрачають плинність (застигають) уже при кімнатній температурі й тому не допускається великого змісту парафінів. Більше того, нафти з їхнім більшим змістом (грозненська, суруханська) для готування масел не застосовуються.

Нафтенові вуглеводні менш стійкі, чому парафіни й легко окисляться. Типовою нафтеновою нафтою є доссорська нафта, з якої готується краще трансформаторне масло.

Ароматичні вуглеводні розділяються на вуглеводні симетричної будови (бензол, нафталін, антрацен) і ароматики з довгими бічними ланцюгами(толуол). Перші є одним з найбільше важко окиснюваних речовин. Ці ароматики є коштовною складовою частиною масла, тому що захищають його від окиснення. Другі досить легко з'єднуються з киснем, причому їх здатність до самоокиснення росте зі збільшенням числа й довжини бічних ланцюгів.

Першою операцією готування трансформаторного масла з нафти є фракційна перегонка під вакуумом. При перегонці нафта шляхом випару розділяється на ряд фракцій, кожна з яких містить близькі по температурі кипіння й подібні по властивостях вуглеводні. Спочатку від нафти відділяються найбільш легкі вуглеводні: бензин, лігроїн, гас; потім переганяються більш важкі фракції, так званий соляровий дистилят, з якого й готується масло. Перегонка не забезпечує однорідного состава масла, тому що в дистилят попадає цілий ряд суміжних фракцій. Крім того, у ньому є шкідливі домішки, що погіршують властивості масла, що й скорочують термін служби. Для одержання повноцінного продукту погон нафти зазнає очищенню від нафтових кислот, смол, сірки й ненасичених з'єднань. Ця операція називається рафінуванням. Дистилят протягом певного часу обробляється міцною сірчаною кислотою, яка окислить усі неграничні з'єднання й смоли й перетворює їх у нерозчинний кислий гудрон, який випадає в осад. Кислий гудрон, перебуваючи в контакті з маслом, руйнує основні вуглеводні. Тому для зменшення заподіюваного їм шкоди обробка кислотою проводиться при можливо більш низькій температурі й гудрон віддаляється з масла якомога швидше. Загальна кількість кислоти досягає 12-14% від ваги дистиляту. Для нейтралізації надлишку сірчаної кислоти, що залишився в маслі, і для видалення нафтенових кислот масло обробляється водяним розчином лугу (їдкого натру);, що утворювалися при цьому солі, мила й емульсії відділяються відстоюванням. незначна кількість, Що залишилася в маслі, солей і мил веде до його окиснення, тому після відстою масло повинне бути ретельно промите водою. Для повного видалення вологи промите масло зазнає сушінню продувкою повітря. Остаточне очищення масла проводиться обробкою його при температурі 70-80°С відбілюючою землею (адсорбент). Відбілюючі землі або глини видаляють останні залишки смол і кислот, і масло одержує свій приємний солом'яний колір.

3.3.2. Основні фізико-хімічні властивості трансформаторного масла.

З основних характеристик масла відзначимо, що воно пальне, біорозкладуване, практично не токсичне, що не порушує озоновий шар. Щільність масла звичайно перебуває в діапазоні (0.84-0.89)×103 кг/м3. В'язкість є одним з найважливіших властивостей масла. З позицій високої електричної міцності бажане мати масло більш високої в'язкості. Для того, щоб добре виконувати свої додаткові функції в трансформаторах ( як охолодне середовище) і вимикачах ( як середовище, де рухаються елементи привода), масло повинне мати невисоку в'язкість, а якщо ні, то трансформатори не будуть належним чином прохолоджуватися, а вимикачі - розривати електричну дугу у встановлене для них час.

Тому вибирають компромісне значення в'язкості для різних масел. Кінематична в'язкість для більшості масел при температурі 20 °С становить 28-30×10-6 м2/с.

Температурою застигання називається температура, при якій масло загущується настільки, що при нахиленні пробірки з охолодженим маслом під кутом 45° його рівень залишиться незмінним протягом 1 хв. У масляних вимикачах температура застигання має вирішальне значення. Свіже масло не повинне застигати при температурі -45°С; у південних районах країни дозволяється застосовувати масло з температурою застигання -35°С. Для експлуатаційних масел допускається ряд відступів від нормованої температури застигання залежно від того, чи перебуває масло в трансформаторі або вимикачі, працює в закритім приміщенні або ж на відкритім повітрі. Для спеціальних арктичних сортів масла температура застигання зменшується до -(60-65) °С, однак при цьому знижується й температура спалаху до 90-100°С.

Температурою спалаху називається температура масла, що нагрівається в тиглі, при якім його пари утворюють із повітрям суміш, що запалюється при піднесенні до неї полум'я. Спалах відбувається настільки швидко, що масло не встигає прогрітися й загорітися. Температура спалаху трансформаторного масла не повинна бути нижче 135°С. Якщо нагріти масло вище температури спалаху, то наступає такий момент, коли при піднесенні полум'я до масла воно загоряється.

Температура, при якій масло загоряється й горить не менш 5 сек., називається температурою запалення масла.

Температура, при якій відбувається загоряння в закритому тиглі, у присутності повітря, без піднесення полум'я, називається температурою самозапалювання. Для трансформаторного масла вона становить 350-400 °С.

З інших теплофізичних характеристик відзначимо порівняно невелику теплопровідність l від 0.09 до 0.14 Вт/(м×к), що зменшується залежно від температури. Теплоємність, навпаки, збільшується з ростом температури від 1.5 кДж/(кг×к) до 2.5 кДж/(кг×к). Коефіцієнт теплового розширення масла визначає вимоги до розмірів розширювального бака трансформатора й становить приблизно 6.5×10-4 1/К.