Материаловедение и технология конструкционных материалов (стр. 14 )

6.3 Нефтяные электроизоляционные масла

Трансформаторное масло, которым заливают силовые трансформаторы, из всех жидких электроизоляционных материалов находит наибольшее применение в электротехнике.

Его назначение двояко: во-первых, масло, заполняя поры в волокнистой изоляции, а также промежутки между проводами обмоток и между обмотками и баком трансформатора, значительно повышает электрическую прочность изоляции; во-вторых, оно улучшает отвод тепла, выделяемого за счет потерь в обмотках и сердечнике трансформатора. Лишь некоторые силовые и измерительные трансформаторы выполняются без заливки маслом («сухие» трансформаторы). Еще одна важная область применения трансформаторного масла - масляные выключатели высокого напряжения. В этих аппаратах разрыв электрической дуги между расходящимися контактами выключателя происходит в масле или в находящихся под повышенным давлением газах, выделяемых маслом под действием высокой температуры дуги, что способствует охлаждению канала дуги и быстрому ее гашению. Трансформаторное масло применяется также для заливки маслонаполняемых вводов, некоторых типов реакторов, реостатов и других электрических аппаратов.

Трансформаторные, а также другие нефтяные («минеральные») электроизоляционные масла получают из нефти посредством ее ступенчатой перегонки с выделением на каждой ступени определенной (по температуре кипения) фракции и последующей тщательной очистки от химически нестойких примесей путем обработки серной кислотой, а затем щелочью, промывки водой и сушки. Часто электроизоляционные масла дополнительно обрабатываются адсорбентами, т. е. веществами (особые типы глин или же получаемые искусственным путем материалы), которые обладают сильно развитой поверхностью и при соприкосновении с маслом поглощают воду и различные полярные примеси. Такая обработка производится или перемешиванием нагретого масла с измельченным адсорбентом с последующим отстаиванием, или же фильтрованием масла сквозь слой адсорбента (перколяция). Применяются и другие способы очистки масла.

Трансформаторное масло - это жидкость от почти бесцветной до темно-желтого цвета, по химическому составу представляющая собой смесь различных углеводородов.

Трансформаторное масло - горючая жидкость; большие количества (часто тысячи тонн) масла, находящиеся в масляных хозяйствах энергосистем, представляют большую пожарную опасность. Поэтому в масляных хозяйствах необходимо тщательно соблюдать все требования, предписываемые правилами пожарной безопасности. Пожарная опасность масла оценивается по его температуре вспышки.

Температура застывания масла - параметр, особенно важный для масла, заливаемого в масляные выключатели, устанавливаемые на открытых подстанциях в районах с суровой зимой. Специальное «арктическое» масло (марки АТМ-65) имеет температуру застывания минус 70°С.

Помимо температуры застывания, для работающих при низких температурах окружающей среды электроизоляционных жидкостей, имеющих плотность менее 1Мг/м3, важна критическая температура плавучести льда. Ниже этой температуры кристаллики льда, образующегося при замерзании примесей воды, плавают в электроизоляционной жидкости и таким образом снижают ее электрическую прочность (иными словами, в этом интервале температур плотность электроизоляционной жидкости больше плотности льда).

Электрическая прочность масла - величина, чрезвычайно чувствительная к его увлажнению. Весьма малая примесь воды в масле резко снижает его электрическую прочность. Это объясняется тем, что диэлектрическая проницаемость ε воды (около 80) значительно выше, чем масла (диэлектрическая проницаемость чистого масла около 2,2). Под действием сил электрического поля капельки эмульгированной в масле воды втягиваются в места, где напряженность поля особенно велика и где, собственно, и начинается развитие пробоя.

Еще более резко понижается электрическая прочность масла, если в нем, кроме воды, содержатся волокнистые примеси. Волокна бумаги, хлопчатобумажной пряжи легко впитывают в себя влагу из масла, причем значительно возрастает их диэлектрическая проницаемость. Под действием сил поля увлажненные волокна не только втягиваются в места, где поле сильнее, но и располагаются по направлению силовых линий, что весьма облегчает пробой масла.

Вода легко может попасть в масло при его перевозке, хранении, переливке в недостаточно просушенную тару и т. п. Для сушки масла используются несколько способов: пропускание под давлением сквозь фильтровальную бумагу в специальных установках; воздействие на масло центробежной силы в центрифуге, причем вода, имеющая плотность, большую, чем у масла, отжимается к периферии сосуда и отделяется от масла; уже упоминавшаяся обработка адсорбентами; распыление нагретого масла в камере, заполненной азотом, и т. п.

Плотность трансформаторного масла от 0,87 до 0,90 Мг/м3. Его температурный коэффициент объемного расширения от 0,00065 до 0,00066 К-1 (эта величина важна для расчета расширителей трансформаторов, в которые выдавливается из бака часть масла при повышении температуры). При нормальной температуре удельная теплоем - кость масла примерно равна 1,5 кДж/(кг×К), а теплопроводность - порядка 1Вт/(м×К); при росте температуры как удельная теплоемкость, так и теплопроводность масла увеличиваются. Масло отводит энергию тепловых потерь от погруженных в него обмоток и магнитопровода трансформатора в 25-30 раз интенсивнее, чем воздух (при свободной конвекции).

При работе в трансформаторе или ином маслозаполненном электрическом аппарате масло постепенно стареет. При старении оно становится более темным, в нем образуются загрязняющие его продукты - кислоты, смолы, которые частично растворимы в масле, а частично, оказываются нерастворимыми; последние, как более тяжелые, осаждаются на дне бака и на погруженных в масло деталях в виде слоя «ила», значительно ухудшающего теплоотвод от нагревающихся деталей. Образующиеся в масле низкомолекулярные кислоты разрушают изоляцию обмоток и вызывают коррозию соприкасающихся с маслом металлов. При старении увеличиваются вязкость и кислотное число масла, ухудшаются его электроизоляционные свойства. Обычно температура вспышки паров масла в эксплуатации постепенно повышается вследствие испарения углеводородов с малой молекулярной массой, однако при местных перегревах масла в трансформаторах (а также после разрыва электрической дуги в масляном выключателе) может произойти крекинг (разрыв молекул с образованием углеводородов пониженной молекулярной массы), что приводит к понижению температуры вспышки.

Скорость старения масла возрастает:

а) при доступе воздуха, так как старение масла в значительной степени связано с его окислением кислородом воздуха, особенно интенсивно идет старение при соприкосновении масла с озоном;

б) при повышении температуры (обычно наивысшей рабочей температурой масла считают 95°С);

в) при соприкосновении масла с некоторыми металлами (медь, железо, свинец и т. п.) и другими веществами - катализаторами старения;

г) при воздействии света;

д) при воздействии электрического поля.

При старении в электрическом поле некоторые сорта масел выделяют газы, что очень вредно, так как пузырьки газов могут стать очагами ионизации. Способность не выделять газов при старении в электрическом поле или даже поглощать ранее выделившиеся газы называется газостойкостью масла.

Конденсаторное масло служит для пропитки бумажных конденсаторов, в особенности силовых, предназначенных для компенсации индуктивного сдвига фаз. При пропитке бумажного диэлектрика повышается как его диэлектрическая проницаемость, так и электрическая прочность; то и другое дает возможность уменьшить габариты, массу и стоимость конденсатора при заданных рабочем напряжении, частоте и емкости.

Конденсаторное масло сходно с трансформаторным, но требует особо тщательной очистки адсорбентами.

Кабельные масла используются в производстве силовых электрических кабелей; пропитывая бумажную изоляцию этих кабелей, они повышают ее электрическую прочность, а также способствуют отводу тепла потерь. Кабельные масла бывают различных типов.

Для пропитки бумажной изоляции обычных силовых кабелей на рабочие напряжения до 35 кВ в свинцовых или алюминиевых оболочках (кабели с вязкой пропиткой) чаще всего применяется масло марки МН-4 относительно малой вязкости, в которое для повышения вязкости добавляется канифоль или синтетический загуститель. Масло той же марки, но без увеличивающих вязкость добавок применяется для маслонаполненных кабелей на напряжение 110 кВ и выше, в которых с помощью специальных подпитывающих устройств во время эксплуатации поддерживается избыточное давление от 0,3 до 0,4 МПа.

6.4 Синтетические жидкие диэлектрики

Трансформаторное и другие рассмотренные ранее электроизоляционные масла нефтяного происхождении обладают рядом преимуществ, которые и обеспечили им весьма широкое применение: они сравнительно дешевы и могут производиться заводами нефтеперерабатывающей промышленности в весьма больших количествах; при хорошей очистке их тангенс угла диэлектрических потерь, как это и свойственно чистым неполярным диэлектрикам, мал, а электрическая прочность достаточно высока. Однако в некоторых случаях качество этих масел оказывается недостаточно высоким. Например, когда требуется полная пожарная безопасность и взрывобезопасность, маслонаполненные трансформаторы и другие подобные аппараты применяться не могут.

Интервал рабочих температур нефтяных масел, ограничиваемый, с одной стороны, температурой застывания или чрезмерного повышения вязкости и, с другой стороны, температурой начала быстрого теплового старения в данных условиях эксплуатации, сравнительно узок. Нефтяные масла склонны и к электрическому старению, т. е. они могут ухудшать свои свойства под действием электрического поля высокой напряженности. Для пропитки конденсаторов с целью получения повышенной емкости в данных габаритных размерах конденсатора желательно иметь полярный жидкий диэлектрик с более высоким, чем у неполярных нефтяных масел, значением диэлектрической проницаемости.

Имеется ряд синтетических жидких диэлектриков, по тем или иным свойствам превосходящих нефтяные электроизоляционные масла. Рассмотрим некоторые из них.