Трансформаторное масло (стр. 46 )

Быстрое снижение механической прочности кабельной бумаги в масле наблюдается, начиная от 105 до 110° С. Такую температуру считают предельно допустимой для нестабилизированных целлюлозных материалов. Если условно принять, что срок службы трансформатора (на основании данных по износу кабельной бумаги) при 95° С равен 20 годам, то при 120° С он составит только 2,2 года, а при 145° С — всего 3 мес. [Л. 11-1].

В тех случаях, когда старение изоляционной бумаги в масле протекает без доступа кислорода, разложение ее при сравнимых температурах замедляется (рис. 11-2). Для таких условий установлена определенная зависимость (рис. 11-3) приращения температуры Δθ от величины относительной степени полимеризации бумаги, оценивающей ее старение. Эта зависимость носит экспоненциальный характер

[Л. 11-3].

Рис. 11-2. Старение крафт-бумаги в масле в случаях наличия над его поверхностью кислорода и без него при различных температуpax [Л. 11-5]. 1 — опыты без кислорода; 2—опыты в присутствии кислорода.

Рис. 11-3. Изменение приращения температуры Δθ, обусловливающее удвоение скорости старения бумаги в зависимости от достигаемой при этом степени старения (оценивается но достигнутой относительной степени полимеризации) [Л. 11-3].

Ускоренное старение целлюлозной изоляции в масле в присутствии кислорода обусловлено главным образом воздействием продуктов окисления 1масла. О справедливости этого убедительно свидетельствуют данные, приведенные на рис. 11-4, взятом из [Л. 11-5].

Заметного действия молекулярного кислорода как непосредственного окислителя целлюлозы не удалось обнаружить (табл. 11-1), хотя мнение о возможности такого действия существует [Л. 11-61. По-видимому, совершенно игнорировать его нельзя [Л. 11-7], однако этот фактор старения следует все же считать второстепенным.

Таблица 11-1. Старение целлюлозной изоляции (без масла) в атмосфере азота и кислорода

Газовая среда	Относительное уменьшение разрывного усилия, %
кабельной бумаги	киперной ленты
Азот	1	4
Кислород	2	14,5

Следует заметить, что разложение бумаги происходит также при длительном нагревании ее в вакууме. Установлено, что количество воды, выделяющейся в таких условиях, составляет (мг/г • ч • 103): при температуре 80° С 0,00012, при 100° С 0,0025, при 150° С 1,24, при 180° С 27,5, при 200° С 170 [Л. 11-8]. Одновременно происходит выделение газов: углекислого и окиси углерода (рис. 11-5).

До настоящего времени нет общепринятой точки зрения по вопросу о том, какие именно продукты окисления являются наиболее агрессивными по отношению к целлюлозной изоляции [Л. 11-5, 11-9, 11-11, 11-12, 11-13, 11-14].

Для того чтобы составить себе первоначальное представление о воздействии на изоляцию тех или иных продуктов окисления масла, важно располагать данными о способности изоляции адсорбировать такие продукты1.

Рис. 11-4. Старение крафт-бумаги в маслах. 1 — предварительно окисленном (в вакууме); 2 — соприкасающемся с кислородом [Л. 11-5].

Рис. 11-5. Количество газа, выделяющегося при термическом разложении крафт-бумаги в вакууме при различных температурах [Л. 11-10].

________________________

1 В связи с пористым строением изоляционные бумаги и картоны можно отнести к разряду адсорбентов.

Такие сведения необходимы и для расчетов сложной композиционной изоляции, которую образуют пропитанные маслом целлюлозные материалы. Известные аналитические формулы, характеризующие электрические свойства бумажно-масляной изоляции, справедливы лишь для исходного состояния. [Л. 11-15]. Вследствие адсорбции бумагой полярных продуктов из окисляющегося масла эти соотношения могут существенно изменяться. Еще в старых работах

[Л. 11-16] отмечался факт адсорбции бумажной изоляцией некоторых полярных соединений из масла.

Авторами получены данные, характеризующие количественно процесс поглощения кабельной бумагой и электротехническим картоном химически чистых органических кислот [Л. 11-17]1.

Опыты, проводившиеся в запаянных сосудах с маслом (рис. 11-6), позволили установить, что бумага и картон обладают явно выраженной избирательной адсорбционной способностью по отношению к различным органическим кислотам. С увеличением молекулярного веса кислот адсорбция их бумагой и картоном уменьшается (рис. 11-7).

а) б)

Рис. 11-6. Запаянные сосуды с изоляционными материалами, применяющиеся для изучения адсорбции. а — кабельная бумага; б — электротехнический картон.

Наиболее интенсивно низкомолекулярные кислоты адсорбируются целлюлозной изоляцией в начальный период (рис. 11-7); в дальнейшем скорость этого процесса замедляется. Кинетические кривые имеют экспоненциальный вид.

Кабельная бумага обладает способностью адсорбировать довольно значительные количества низкомолекулярных кислот из раствора их в масле. По нашим данным, в присутствии 60 г такой бумаги концентрация уксусной кислоты в 160 г масла за 1000 ч уменьшилась (по кислотному числу) на 7,5 мг КОН/г. Такую особенность целлюлозных материалов следует принимать во внимание при интерпретации результатов окисления масла в их присутствии.

Рассматривая адсорбцию мыл (рис. 11-7), следует отметить, что нафтенат меди адсорбируется бумагой и картоном более интенсивно, чем нафтенат железа. Нафтенаты в свою очередь адсорбируются изоляцией значительно сильнее, чем нафтеновые кислоты, из которых они получены. Кинетические кривые адсорбции нафтенов имеют такой же экспоненциальный вид, как и кривые адсорбции кислот.

Адсорбция изоляцией мыл сопровождается снижением диэлектрических потерь масла при одновременном росте потерь в твердой изоляции. Очевидно, с подобного рода явлениями связаны наблюдаемые в эксплуатации случаи повышения tgδ изоляции трансформаторов (и соответственно снижения ее сопротивления) при работе последних с маслами, имеющими больший tgδ [Л. 11-19]. Более поздние исследования [Л. 11-20] экспериментально подтвердили такое предположение. Установлено, что коллоидные частицы, находящиеся в свободном масляном слое, обусловливают повышение tgδ пропитанной этим маслом бумаги. В то же время не найдено строгой зависимости между величинами tgδ масла и tgδ пропитанной этим маслом целлюлозной изоляции. Для этих случаев удалось установить связь между tgδ маслопропитанной бумаги и (при определении на постоянном токе) масла (рис. 11-8).

_____________

1 Нафтеновые кислоты очищались по методу, описанному в [Л. 11-18]. Средний молекулярный вес их 282.

Рис. 11-7. Адсорбция кабельной бумагой и электро - картоном растворенных в трансформаторном масле кислот и мыл.

Примечания: 1. С нафтенатом меди адсорбция за период, равный 254 ч. Со — начальная концентрация кислот и мыл в масле (м • моль/л); Сх — концентрация кислот и мыл в масле (м • моль/л) спустя 10 суток с начала опыта. Цифры над колонками показывают изменения концентрации кислот и мыл (м • моль/л) Со—Сх.

Рис. 11-8. а — величины tgδ масел, содержащих различные примеси, и tgδ бумаги, пропитанной этими маслами [Л. 1-20]. б — зависимость между pv масел, содержащих различные примеси, и tgδ бумаги, пропитанной этими маслами [Л. 11-20]. Условные обозначения: V —битум; О — эластомеры; Н жирные кислоты

Механизм адсорбции бумагой и картоном кислот и мыл из их растворов в масле можно представить следующим образом.

Как известно, бумагу и картон составляют волокна из природных полимеров целлюлозы, основу которых составляют глюкозные единицы. Последним приписывают следующее строение [Л. 11-21]:

Гидроксильные группы глюкозных колец целлюлозы можно рассматривать как центры, вокруг которых осуществляется закрепление посредством водородных связей различных полярных молекул: кислот, спиртов, воды и др.

Рассмотрим влияние на старение целлюлозных материалов отдельных соединений из числа тех, которые обычно содержатся в составе продуктов окисления масла.

Действие продуктов окисления на твердую изоляцию легче всего проследить на примере кабельной бумаги и хлопчатобумажной ленты. Эти материалы отличаются относительно невысокой механической прочностью (по сравнению, например, с электротехническим картоном), в силу чего изменения их прочности могут быть легче обнаружены. Опыты проводились в запаянных сосудах с атмосферой азота над маслом, а также в открытых сосудах при свободном доступе кислорода воздуха к поверхности масла в течение 720 ч при температуре 95° С [Л. 11-22].

При большей продолжительности опытов разрушение изоляции оказывается настолько значительным, что снижается воспроизводимость определения ее механических характеристик.

Концентрация кислот в масле соответствовала кислотному числу 1,0 мг КОН/г; остальные соединения были взяты в виде растворов такой же молярной концентрации (для некоторых соединений указанные концентрации значительно больше, чем те, которые имеют место в эксплуатационных условиях). Такой прием оправдан необходимостью наиболее четко выявить действие отдельных компонентов на изоляцию.

Механизм старения целлюлозы сложен и недостаточно изучен. Предполагают, что процесс начинается с гидролиза; в дальнейшем происходит окисление с разрывом молекулярных цепей и размыканием глюкозных колец, выделением воды, углекислого газа, окиси углерода, образованием кислых соединений. Чем больше глубина старения целлюлозы, тем больше степень расщепления глюкозных цепей [Л. 11-5]. Этот процесс в известной мере оценивается по изменению таких химических показателей, как степень полимеризации целлюлозы, медное и кислотное числа, а также снижением механической прочности материалов из целлюлозы.