Трансформаторное масло (стр. 36 )

(рис. 7-1) диапазон значений электрической прочности масла может быть довольно широким, особенно по мере увлажнения масла [Л. 7-3]. Эти обстоятельства обусловливают большой интерес к вопросам гигроскопичности масел и закономерностям растворения в них различных газов. Кроме того, такие сведения крайне необходимы при выборе рациональных технологических режимов обработки трансформаторного масла, а также при расчетах герметичных трансформаторов.

Рис. 7-1. Диапазон значений электрической прочности трансформаторного масла различной увлажнённости при наличии сопутствующих загрязнений. [Л. 7-3].

7-1. ГИГРОСКОПИЧНОСТЬ МАСЕЛ

Растворимость воды в трансформаторном масле, вообще говоря, весьма ничтожна.

С точки зрения молекулярной теории незначительная растворимость воды в нефтяных продуктах объясняется громадным различием в размерах молекул углеводородов, из которых состоит масло, и молекул воды. Суммарное поле межмолекулярных сил, создаваемое при взаимодействии этих двух типов молекул, препятствует смешению обеих жидкостей.

Концентрация воды в трансформаторных маслах, как и в других углеводородных жидкостях, при данной температуре в равновесном состоянии пропорциональна относительной влажности воздуха [Л. 7-1, 7-2, 7-10] (рис. 7-2).

Рис. 7-2. Растворимость воды в трансформаторных маслах при различных значениях относительной влажности воздуха [Л. 7-1].

Эта зависимость достаточно точно описывается уравнением Генри [Л. 7-4]

,

где х — концентрация воды, мол. %;хmax — максимально возможная концентрация растворимой воды при данной температуре, мол. % ;ψ—относительная влажность воздуха; РВ — замеренная упругость паров воды в воздухе. Коэффициент

где РВ. НАС—упругость насыщенных паров воды.

По данным исследователей [Л. 7-1, 7-4—7-9], при постоянной влажности воздуха существует экспоненциальная зависимость максимальной растворимости воды в трансформаторном масле от величины, обратной величине значения абсолютной температуры (рис. 7-3). Это позволяет вычислять растворимость воды в масле при любой температуре, если известна растворимость при двух температурах.

Рис. 7-3. Растворимость воды в трансформаторных маслах при различных температурах [Л. 7-1]. 1 — ароматизированное масло; 2 — обычное трансформаторное масло.

Нагрев масла при неизменных температуре и влажности окружающего воздуха сопровождается осушкой масла. Физический смысл этого процесса становится ясным при рассмотрении графика (рис. 7-4). Нагрев масла не может вызвать изменения парциального давления паров воды над поверхностью масла, так как количество влаги в единице объема воздуха определяется общей относительной влажностью его. Равновесное содержание влаги в масле при парциальном давлении паров воды над поверхностью масла, равном P1, в случае нагрева последовательно определяется точками А1, А2, А3 , А4, т. е. содержание влаги в масле уменьшается.

При охлаждении масла, например, от температуры + 40 (рис. 7-4) до +20° С в масле появляется избыток влаги и образуется эмульсия. Количество влаги, выделившейся в виде второй фазы, на графике характеризуется отрезком хэ=хв—хм, где хв и хм — предельные концентрации воды в масле соответственно при температурах + 40 и +20° С.

Рис. 7-4. Зависимость растворимости воды в масле от давления водяного пара при различных температурах [Л. 7-10].

Сухая твердая изоляция в масле будет увлажняться за счет воды, растворенной в масле до наступления равновесия. При соответствующих условиях возможен обратный переход влаги из изоляции в масло. Эти обстоятельства следует принимать во внимание при сушке трансформаторов, работавших с увлажненным маслом, о чем нами уже говорилось выше.

При прочих равных условиях гигроскопичность трансформаторных масел зависит от их химического состава и возрастает с повышением содержания ароматических углеводородов в масле (рис. 7-5).

Наличие в трансформаторных маслах полярных компонентов (спиртов, кислот, мыл и др.) ведет к повышению гигроскопичности масел (табл. 7-1) и нарушению линейной зависимости поглощающей способности от влажности воздуха (рис. 7-6). Этим объясняются трудности, которые наблюдаются на практике при обезвоживании эксплуатационных или недостаточно очищенных свежих масел.

Насыщение масла водой, так же как и обратный процесс — испарение влаги из масла, происходит с определенной скоростью. Скорость этих процессов, по-видимому одинакова, зависит от действия ряда факторов: толщины слоя масла, величины свободной поверхности соприкосновения с влажной средой (воздух и др.), соотношения между упругостями паров воды в масле и окружающем воздухе, температуры масла. Изучение количественной стороны этого вопроса показало, что наличие масляного затвора на маслонаполненных вводах 110 кв лишь в 2,5 раза замедляет увлажнение его изоляции за счет влаги из окружающего воздуха [Л. 7-10].

Попутно заметим, что масляный затвор воздухоосушителя трансформатора также не предохраняет находящийся в осушителе адсорбент от увлажнения за счет атмосферного воздуха.

Рис. 7-5. Растворимость воды в углеводородах и трансформаторных маслах. 1 — бензол; 2 — толуол; 3 — циклогексан; 4 — масло из артемовской нефти; 5 — масло из эмбенских нефтей.

Рис. 7-6. Увлажнение свежих и окисленных трансформаторных масел в атмосфере воздуха различной относительной влажности [Л. 7-33]. 1 — свежее масло, кислотное число 0,02 мг КОН; 2, 3 — масла с кислотным числом —0,17— 0,21 мг КОН/г.

Таким образом, представление о том, что масло полностью защищает твердую изоляцию трансформаторов и других аппаратов от увлажнения или что вода, находящаяся под слоем масла, не испаряется, неправильно. Очевидно, такое мнение сложилось в связи со значительной разницей в скоростях поглощения влаги, пропитанной маслом, и сухой бумагой (картоном). Если в первом случае время для достижения определенной степени увлажнения определяется неделями, то во втором случае для этого достаточно нескольких часов.

Очевидно, что вполне надежная защита трансформаторной изоляции от увлажнения может быть обеспечена лишь при полной герметизации.

Таблица 7-1. Влияние полярных добавок в концентрации 0,5% вес. на гигроскопичность трансформаторного масла [Л. 7-2]

Добавка	Содержание воды в масле после 20 ч увлажнения при + 20° С в атмосфере воздуха 100%-ной влажности, % вес.
Масло чистое	0,0034
То же + уксусная кислота	0,0402
То же + нафтенат меди	0,0065
То же + нафтенат свинца	0,0300
То же + фенол	0,0088
То же + пальмитиновая кислота	0,0054
То же + смесь нафтеновых кислот	0,0050

Известно большое число методов определения наличия воды, в органических жидкостях [Л. 7-4, 7-5, 7-7, 7-8, 7-11—7-14], из которых наиболее приемлемыми для трансформаторных масел являются методы гидридкальциевый и Фишера. Эти методы отличаются высокой чувствительностью и точностью и позволяют определить присутствие ничтожных количеств влаги в масле.

В СССР стандартизован гидридкальциевый метод [Л. 7-15], основанный на реакции

.

По количеству выделившегося газообразного водорода рассчитывают содержание влаги. На рис. 7-7 показан прибор для определения воды в трансформаторном масле с помощью этого метода. Чувствительность метода составляет 0,0002% вес.

Рис. 7-7. Прибор для количественного определения воды в трансформаторном масле гидридкальциевым методом. 1 — реакционный сосуд с испытуемым маслом; 2 — реторта с гидридом кальция; 3— счетчик пузырьков газа; 4 — бюретка для отсчета количества выделившегося при реакции водорода; 5— уравнительная склянка; 6 — магнитная мешалка.

Метод Фишера получил распространение за рубежом [Л. 7-11, 7-14].

На рис. 7-8 изображена схема прибора для определения воды в трансформаторном масле по - методу К. Фишера.

Чувствительность метода 0,00002% вес. воды в масле [Л.- 7-13], что превосходит чувствительность гидридкальциевого метода; расхождения между параллельными определениями ±2%. Аппаратурное оформление метода Фишера более сложно, чем гидридкальциевого. Кроме того, он неприменим для окислившихся масел, поскольку реактив Фишера взаимодействует с продуктами окисления, содержащими группу ОН.

Рис. 7-8. Прибор для количественного определения воды в трансформаторном масле по методу К. Фишера [Л. 7-13]. 1— реакционный стеклянный четырех-горловый сосуд; 2, 3 — шлифы для автоматических бюреток емкостью 5 и 10 мл с реактивом Фишера; 4 — шлиф для специальной пробки, через которую в реакционный сосуд вносят пробу испытуемого масла; 5 — привод мешалки; 6 — платиновые электроды, связанные с электрической схемой для потенциометрического титрования; 7 — кран для опорожнения реакционного сосуда.

Представляет несомненный интерес манометрический метод [Л. 7-16], который позволяет одновременно в одной пробе масла объемом 2,5 мл определить содержание растворенных газов, в том числе отдельно кислорода, а также количество влаги (растворенной и диспергированной).