Трансформаторное масло (стр. 31 )

Способность диэлектрика проводить электрический ток под действием постоянного напряжения называется проводимостью а. Величина, обратная проводимости называется удельным объемным сопротивлением pv и определяется как сопротивление кубика жидкости со стороной 1 см, через противоположные грани которого протекает ток.

В технических изоляционных маслах проводимость, как правило, прямо пропорциональна текучести и, следовательно, увеличивается с повышением температуры жидкости.

Дрейф электрических зарядов соответственно направлению электрического поля проявляется как проводимость, а локальные смещения зарядов и повороты диполей— как поляризация. Во всех случаях заряды и диполи накопленную в электрическом поле энергию передают частично молекулам жидкости, расходуя ее на диэлектрические потери [Л. 6-3].

Обычно диэлектрические потери представляют следующим образом [Л. 6-4].

Ток I, проходящий через конденсатор с испытуемым жидким диэлектриком, можно разложить на следующие составляющие (рис. 6-1):

— зарядный ток, обусловленный емкостью конденсатора,— чисто реактивный ток;

—ток проводимости — активный ток — одинаков как при постоянном, так и при переменном напряжении;

— ток абсорбции, обусловленный поляризацией и смещением диполей, проявляющийся только в переменном поле.

Ток I, являющийся векторной суммой всех трех токов, измеряется приборами, но он не определяет диэлектрические потери.

В конденсаторе с идеальным диэлектриком, когда проводимость и дипольные потери отсутствуют, а ток образует с напряжением угол 90° потери и активная мощность W равны нулю:

при j=90° W=0.

В технике обычно потери измеряют величиной тангенса угла d, дополняющего угол j до 90°.

Физический (смысл диэлектрических потерь поляризации сводится к следующему [Л. 6-2].

В силу теплового движения диполи расположены в беспорядке. При наложении же внешнего постоянного поля они ориентируются.

При снятии поля ориентировка нарушается по закону , где t — так называемое время релаксации — время, в течение которого упорядоченность уменьшается до первоначального значения, a t — данный момент времени.

Теория Дебая приводит к формуле

где υ — вязкость;

r — эффективный радиус;

k—(постоянная Больцмана;

Т — температура.

Таким образом, время релаксации уменьшается с уменьшением вязкости и радиуса молекулы и с увеличением энергии молекулы.

Диэлектрические потери в переменном электрическом поле, связанные с поляризацией, проявляются в максимальной степени, когда , где ω— угловая частота. Если , потери минимальны. По данным [Л. 6-1] дипольные потери не имеют места у трансформаторного масла при частоте, меньшей, чем 106 гц, в связи с относительно малой вязкостью его и, следовательно, малым временем релаксации.

Общие диэлектрические потери определяются проводимостью и дипольными потерями.

При технической частоте 50 гц (используемой обычно в трансформаторах) диэлектрические потери в жидких изоляционных маслах определяются практически только проводимостью; дипольные потери в этих жидкостях не имеют места, так как время релаксации (порядка 10~11—10~12 сек) намного меньше частоты.

Экспериментальные данные по определению зависимости между тангенсом угла диэлектрических потерь tg d и удельной проводимостью s при частоте 50 гц подтверждают отсутствие дипольных потерь в масле при температурах от 20 до 100° С (Л. 6-5, 6-10].

Таким образом, при рассмотрении причин диэлектрических потерь в трансформаторном масле при 50 гц потери, связанные с поляризацией, т. е. локальным смещением зарядов и поворотом диполей, можно не принимать во внимание.

Тангенс угла диэлектрических потерь tg d для трансформаторных и других не очень вязких изоляционных масел при температуре выше 20° при 50 гц можно с достаточной для практики точностью рассчитывать по удельной проводимости а [Л. 6-5]:

.

С повышением частоты тока проявляются дипольные потери [Л. 6-1, 6-2].

Полярными компонентами масла, повышающими tg d масла при высокой частоте, кроме кислородных, сернистых и азотистых соединений, являются ароматические углеводороды [Л. 6-6].

Поскольку трансформаторное масло работает при частоте 50 гц, при которой tg d определяется практически только проводимостью, рассмотрим подробнее источники и причины проводимости в свежих и эксплуатационных маслах. Диэлектрические потери в этих условиях обычно объясняют ионной и электрофоретической проводимостью. Основной причиной потерь принято считать ионную проводимость отчасти самого масла, а главным образом его примесей.

Полагают, что продукты окисления масла — вода, низкомолекулярные кислоты, перекиси, спирты и др. — легко диссоциируют на свободные ионы, что проявляется в росте проводимости [Л. 6-1, 6-7—6-9]. Имеется мнение [Л. 6-10], что проводимость обусловливают продукты, образующие водородную связь. В работе [Л. 6-11] выявлена зависимость между потерями и числом омыления окисляющихся масел.

С другой стороны, в практике эксплуатации масел в трансформаторах не раз обращали внимание на отсутствие связи между их кислотностью и проводимостью [Л. 6-12, 6-13, 6-14]. Это положение подтверждается результатами испытания большого числа масел в трансформаторах в стендовых условиях [Л. 6-15]. В связи с этим интересно выяснить роль каждого вида проводимости в жидких диэлектриках и влияние кислород-содержащих соединений, образующихся при старении масла на его tg d.

Влияние влаги на диэлектрические потери в масле явилось предметом многочисленных исследований. В работе [Л. 6-1] указывается, что вода может находиться в масле как в растворенном, так и в эмульгированном состоянии. В первом случае вода вызывает ионную проводимость, во втором — электрофоретическую. Это утверждение основано на предположении, что вода в растворе углеводородов диссоциирует на ионы. В работах [Л. 6-16, 6-17] это предположение не подтвердилось. Экспериментально показано, что наличие в маслах растворенной воды даже в большом количестве (при высокой температуре) не влечет за собой в пределах ошибки опыта повышения tgd.

Эмульсионная вода в противоположность растворенной повышает tgd за счет роста электрофоретической проводимости.

При наличии в масле некоторых полярных веществ (например, нафтената натрия) оно приобретает способность самоэмульгироваться, поглощая влагу из воздуха; при этом резко растет tgd(табл. 6-2).

Таким образом, диэлектрические потери, обусловленные присутствием воды, определяются не общим ее содержанием, а состоянием. Вода, образуя в масле истинный раствор, не оказывает влияния на потери в масле, а, будучи, нерастворенной в виде эмульсии с очень малым размером частиц, вызывает резкий их рост. Существует порог концентрации воды в данном масле для заданных температуры и отно­сительной влажности воздуха, выше которого tgd сильно возрастает. Сказанное иллюстрируется данными, приведенными на рис. 6-2 [Л. 6-16].

Влияние соединений, образующихся при окислении масел на tgd при частоте 50 гц изучено в работах [Л. 6-16, 6-17].

Высушенные или специально перегнанные химически чистые продукты в количестве 0,5% вес. растворялись в хорошо очищенном трансформаторном масле, и в растворе определялся tgd при 20, 50 и 75° С (табл. 6-3). Наличие в масле перечисленных в табл. 6-3 кислот, спиртов, фенолов и перекисей в количестве, намного превышающем возможное содержание их в эксплуатационных маслах, не оказывает в пределах ошибки опыта воздействия на диэлектрические потери в масле.

При достижении концентрации кислородсодержащих соединений в масле выше предела растворимости (образование второй фазы в виде микроэмульсии или коллоида) tgd его резко возрастает. Сказанное иллюстрируется изменением диэлектрических потерь в масле в зависимости от концентрации в нем уксусной кислоты (рис. 6-3).

Если масло и кислородсодержащее соединение взаимно растворимы в любых соотношениях, диэлектрические потери в смеси определяются значением tgd у смешиваемых компонентов.

Рис. 6-2. Зависимость tgd трансформаторного масла из эмбенских нефтей от наличия влаги в нем.

Таблица 6-2

Зависимость tgd масел с полярными веществами от содержания воды (условия опыта: температура 20° С; относительная влажность воздуха 90%)

Наименование масла	tgd и содержание воды после выдерживания при комнатной температуре и 90 % влажности воздухав течение
Исходное состояние	1 суток	2 суток	3 суток	4 суток
tgd%	воды, %	tgd%	tgd, %	tgd%	tgd%	воды,%
Трансформаторное масло с добавкой:
0,5°/о уксусной кислоты	0,028	0,000	0,030	0,035	0,030	0,027	0,012
0,5% нафтената свинца	1,74	0,000	1,76	—	—	—	—
0,05% нафтената бария	0,48	0,000	0,49	—	—	—	—
0,05% нафтената натрия	0,69	0,000	0,79	1,40	_	7,00	0,010
Эксплуатационное масло из трансформатора	0,32	0,000	—	0,43	0,38	—	—

Таким образом, результаты экспериментов [Л. 6-5, 6-16, 6-17] позволяют полагать, что вода, кислоты и другие испытанные кислородсодержащие соединения в растворе углеводородных масел не диссоциированы нa ионы и в связи с этим диэлектрические потери, связанные с ионной проводимостью этих продуктов, в жидких диэлектриках практически не наблюдаются.