Трансформаторное масло (стр. 20 )

Таблица 5-3

Характеристика осадка, образовавшегося при окислении трансформаторного масла

Фракции осадка	Содержание отдельных фракций в осадке, % (вес.) при напряженности электрического поля,, кв/см
0	49
Оксикислоты	54,0	37,0
Асфальтены	27,0	41,0
Карбены и карбоиды	28,0	30,0
Минеральная часть	3,6	1,3

Характерно накопление осадка в зоне максимальной напряженности поля (рис. 5-7). При этом осадок не располагается равномерным слоем, а образует отдельные участки продолговатой формы, которые близко отстоят друг от друга и ориентированы в направлении силовых линий поля. При окислении без электрического поля этого не наблюдалось.*

Это объясняется наличием определенных видов механического движения в жидких диэлектриках при воздействии неоднородного электрического поля [Л. 5-9, 5-15—5-17, 5-18, 5-19].

Укрупнение частиц осадка можно связать с тем, что они, будучи заряженными, как и всякие коллоидные частицы, под действием поля приобретают индуцированный дипольный момент. Другие подобные им частицы, а также дипольные молекулы поворачиваются к частице осадка полюсом обратного с ней знака, постепенно образуя вокруг нее оболочку. Таким образом, возникают сравнительно крупные сольватированные комплексы.

Явления, подобные описанным, наблюдаются при эксплуатации трансформаторов [Л. 5-20] и являются нежелательными. Так, например, осадок, накопившийся на поверхности обмоток, отводах, шинах, в масляных каналах трансформатора, ухудшает процессы теплоотдачи и, соприкасаясь с целлюлозной изоляцией, интенсифицирует ее старение. Вполне реальна опасность образования из частиц осадка проводящих мостиков в изоляции трансформаторов, что связано с уменьшением ее электрической прочности.

Заслуживает внимания то обстоятельство, что в газообразных продуктах окисления были обнаружены в относительно значительных количествах водород и метан (табл. 5-4).

Рис. 5-6. Микрофотография трансформаторного масла из бакинских нефтей 1954 г. после его окисления (в поле зрения видны частицы осадка).

а —в электрическом поле напряженностью 49 кв/см; б — без электрического поля.

До настоящего времени считалось, что выделение водорода и легких углеводородов типа C1—С4 из трансформаторных масел возможно лишь под влиянием дуги [Л. 5-21] сильных полей с напряженностью в масле порядка 150—200 кв/см [Л. 5-22] или же в случаях воздействия на масло ионизированного газа [Л. 5-23]. Конечно, при номинальных значениях напряженности поля в трансформаторе процессы газообразования в масле протекают менее интенсивно, чем в описанных в [Л. 5-21—5-23] случаях; тем не менее игнорировать их нельзя. Вообще говоря, образование газа в масле при определенных неблагоприятных условиях приводит к снижению электрической прочности всей изоляции трансформатора, а наличие газовых включений в среде масла создает благоприятные условия для развития в них ионизационных процессов [Л. 5-24—5-25], которые активно воздействуют на старение твердой и жидкой изоляции. 104

Рис. 5-7. Внешний вид приборов после окисления в них трансформаторного масла из бакинских нефтей 1954 г. (масло из приборов слито).

а — в электрическом поле напряженностью 49 кв/см; б — без электрического поля.

Таблица 5-4

Состав газа, взятого из прибора после окисления в нем трансформаторного масла

Газы	Содержание газа в смеси,(% объемн.) при напряженности электрического поля, кв/см
0	49
Водород	0	0,38
Метан	0	0,22
Непредельные углеводороды	Не обнаружены
Окись углерода	0,80	1,06
Углекислый газ и летучие продукты окисления	0,57	1,13

В качестве одного из вероятных объяснений газовыделения можно предложить следующее. В масле трансформатора всегда содержится некоторое количество растворенного воздуха, который при наложении поля (явление электрострикции) переходит в нерастворимое состояние и находится в масле в виде микроскопических пузырьков ионизированного газа. В результате бомбардировки ионами молекул углеводородов на границе поверхности пузырек—масло может происходить разрыв связей С-Н и С-С с образованием водородного и алкильного свободных радикалов. Расчеты [Л. 5-26] свидетельствуют об энергетической возможности подобных реакций при наличии электрического поля напряженностью 40 кв/см. Образовавшиеся при разложении углеводородов свободные радикалы в свою очередь интенсифицируют окислительный процесс.

Молекулярный водород и углеводородные газы, образующиеся в результате рекомбинации радикалов водорода между собой и с углеводородными радикалами, в дальнейшем можно рассматривать как вторичный источник образования микроскопических пузырьков газа, в которых протекают описанные процессы ионизации и разложения масла.

Данные (Л. 5-27, 5-28], относящиеся к исследованию кавитации жидкостей и образованию в них газовых пузырьков, свидетельствуют, что частицы газа в качестве первичных центров развития ионизационных процессов могут находиться в масле еще до того, как в нем обнаруживаются явления газовыделения. Могут быть и другие центры, стимулирующие газообразование, например пузырьки воды [Л. 5-29].

В трансформаторах, где, кроме жидкого диэлектрика, используются твердые изоляционные материалы на основе целлюлозы, первичное образование газа под воздействием высокого напряжения может происходить также за счет воды, содержащейся в целлюлозе [Л. 5-29].

К числу характерных особенностей процесса окисления трансформаторных масел в присутствии электрического поля относится более быстрый рост tgb масла по сравнению с аналогичными условиями, но без поля (см. табл. 5-2). В наибольшей степени это выявилось при окислении высокоароматизированных масел (увеличение tgb в 2 раза и более). Это явление связано с увеличением концентрации в масле продуктов окисления, носящих коллоидный характер, которые ответственны за рост tgb масла. Методика подготовки пробы масла перед измерением tgb исключала влияние на эту величину влаги и нерастворимого осадка.

Увеличение tgb трансформаторных масел после испытаний в условиях воздействия электрического поля отмечается и другими авторами [Л. 5-30]. Это позволяет заключить, что оценка склонности масел к увеличению tgb в процессе окисления без учета воздействия электрического поля не может быть признана достаточно полной и надежной.

Сказанное свидетельствует, что электрическое поле напряженностью, характерной для трансформаторов (до 49 кв/см), ускоряет окисление трансформаторных масел. При этом изменяется соотношение конечных продуктов окисления: образуется много воды и в заметных количествах выделяются водород и метан. Одновременно происходит коагуляция осадка и накопление его в зоне максимальной напряженности поля, что ухудшает условия охлаждения трансформатора и снижает электрическую (и механическую) прочность изоляции. Эти особенности окисления масла в присутствии электрического поля заставляют принимать во внимание действие его при проведении лабораторных испытаний масел с целью более близкого моделирования основных условий их работы в трансформаторе. В последнее время такая точка зрения поддерживается рядом исследователей, которые считают, что при оценке срока службы изоляционных материалов и конструкций следует учитывать эффект длительного воздействия напряжения [Л. 5-31—5-33].

5-2. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ОКИСЛЯЕМОСТЬ ТРАНСФОРМАТОРНОГО МАСЛА ПРИ НАЛИЧИИ В НЕМ ИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Волокнистые материалы на основе целлюлозы (электротехнический картон, кабельная и телефонная бумаги) в комплексе с маслом образуют в трансформаторе единую изоляционную систему. В связи с этим важно оценить влияние целлюлозной изоляции на процесс окисления масла при одновременном воздействии на них электрического поля. К сожалению, известные литературные данные по этому вопросу весьма скудны. Эксперименты, проведенные в приборе, описанном выше (см. рис. 5-3), свидетельствуют, что окисление масла в контакте с целлюлозными материалами протекает более интенсивно, чем без них (табл. 5-5). Электрическое поле заметно ускоряет этот процесс. Особенно четко это можно проследить по кривым поглощения кислорода маслом. Обращает на себя внимание несоответствие между количеством поглощенного кислорода и содержанием в масле продуктов окисления, которое проявляется в большей степени, чем в аналогичных условиях без изоляции. Последнее связано с адсорбцией ряда продуктов окисления бумагой и картоном.

Таблица 5-5

Окисляемость трансформаторного масла в электрическом поле в присутствии электроизоляционных материалов

Наименование показателей	Показатели масла после
Окисления без поля	Окисления в электрическом поле 49 кв/см
Масло	Масло + бумага	Масло + картон	масло	Масло + бумага	Масло + картон
Количество кислорода, поглощенного маслом, мл/100 г масла	28,5	33,2	54,3	48,5	54,0	64,0
Кислотное число масла, мг/КОН	0,10	0,11	0,13	0,13	0,13	0,16
Содержание водорастворимых кислот, мг КОН/г	0,032	0,027	0,015	0,049	0,030	0,024
Содержание воды в масле, г	0,008	0,008	0,008	0,045	0,012	0,012
Содержание воды в твердой изоляции, г		0,024	0,075		0,028	0,100
Суммарное содержание воды в масле и в твердой изоляции, г	0,008	0,032	0,083	0,045	0,040	0,112
Теоретическое количество воды, которое могло образоваться при окислении масла за счет избыточного (по сравнению с опытами без изоляции) количества поглощенного им кислорода, г		0,008	0,037		0,008	0,040

Примечания: 1 Перед началом опытов влага в изоляции отсутствовала. 2. Температура масла при окислении 100° С; продолжительность окисления 44 ч.