Вода растворяется в масле в очень небольших количествах.
Растворимость увеличивается с повышением температуры (рис. 2) и изменяется в зависимости от химического состава масла. Увеличение содержания ароматических углеводородов значительно увеличивает растворимость воды (рис. 3).
Ниже приведены данные о растворимости воды в масле в зависимости от содержания ароматических углеводородов.
Экстраполяцией данных рис. 3 и получены аналогичные значения для некоторых отечественных масел.
При снижении температуры, при которой в масле находится предельное (насыщающее) значение влаги, часть влаги выделится в масле в виде эмульсии, т. е. в форме очень мелких капель. Эти капли имеют тенденцию осаждаться на твердых включениях, имеющихся в масле.
Увлажнение твердой изоляции при эксплуатации трансформатора происходит путем миграции влаги из масла. Масло в свою очередь увлажняется при соприкосновении с воздухом, когда защита от увлажнения несовершенна.
Таблица 1
Мас- ло | Содержание ароматических, | Растворимость воды, г/т | ||
20 °С | 40 °С | 70 °С | ||
1 | 5 | 42,8 | 97,5 | 279 |
2 | 8 | 46,8 | 108 | 316 |
3 | 16 | 56,2 | 128,3 | 369,2 |
4 | 21 | 75 | 162 | 436 |
5 | Кремний-органическое масло | 174 | 314,7 | 675,4 |
Скорость миграции влаги из воздуха в масло и из масла в твердую изоляцию мала и зависит от многих условий.
Насыщающее значение влагосодержания целлюлозной изоляции, в отличие от масла, практически не зависит от температуры и составляет около 17% по массе.
Распределение воды в изоляции подчиняется закону равновесия: при равенстве температур относительные влажности соприкасающихся сред: воздуха, масла и твердой изоляции равны.
Равновесие может быть достигнуто в течение относительно длительного времени, но тенденция к достижению равновесия постоянна.
На рис. 4 приведены кривые равновесного влагосодержания в системе масло-целлюлозная изоляция.
При равновесном состоянии парциальные давления водяных паров во всех трех средах равны.
Рис. 3. Насыщающее влагосодержание масла, WH при различном содержании ароматических углеводородов при атмосферном давлении и плотность насыщенных водяных паров в зависимости от температуры: 1 — трансформаторное масло, содержащее около 6 % ароматических углеводородов; 2 — масло, содержащее около 30 % ароматических углеводородов; 3 — бензол; 4 — плотность насыщенных водяных паров (1 г/м соответствует массе волы 1 г/м3).
В случае повышения температуры твердой изоляции парциальное давление водяных паров в ней повышается и под действием градиента парциального давления влага переходит из твердой изоляции в масло. Это объясняет тот факт, что витковая изоляция в работающем трансформаторе имеет меньшее влагосодержание, чем это следует из равновесных кривых, предполагающих равенство температур.
Качественно такое же положение имеет место если температура масла превышает температуру соприкасающегося с ним воздуха.
На рис. 5 приведены кривые равновесного содержания в системе воздух-масло-целлюлозная изоляция. Из этого рисунка видно, что когда бумага находится в масле, соприкасающемся с воздухом, имеющим температуру +20°С и относительную влажность 50 % (или 10 °С и влажность 100 %), содержание влаги в бумаге составит примерно 2% при температуре масла 60°С и снизится до значения менее 1 % при температуре масла 80 °С. С другой стороны, когда масло находится при температуре 20 °С, содержание влаги в бумаге достигает 9%.
Из рис. 5 следует, что при превышении температуры изоляции (масла и твердой изоляции) над температурой окружающего воздуха, влагосодержание изоляции будет низким. И наоборот, при равенстве температуры всех трех компонентов изоляция будет сильно увлажнена.
Так, при температуре окружающего воздуха 20 °С с влажностью 100% и при температуре изоляции равной 90 °С, влагосодержание масла составит около 19 г/т, твердой изоляции — около 1 %, тогда как при одинаковой температуре изоляции и воздуха (20 °С), даже при вдвое сниженной его влажности равной 50%, влагосодержание масла — около 26 г/т, а твердой изоляции — около 9 %.
Наличие масла не предохраняет твердую изоляцию от увлажнения. Оно просто замедляет достижение момента равновесия.
В равновесном состоянии основное количество воды содержится в твердой изоляции (свыше 90 %).
Так, например, в автотрансформаторе мощностью 125 MB-А напряжением 220/ 110/11 кВ количество масла 47 т, а масса целлюлозной изоляции — 5,9 т.
При температуре 70 °С и влагосодержании масла 20 г/т, согласно рис. 4, влажность твердой изоляции составляет 2 %. Т. е. в масле содержится 0,94 кг, а в твердой изоляции 118 кг воды.
Рис. 4. Равновесное содержание влаги в системе масло-бумага (Щ — влагосодержание бумаги, %; WM — влагосодержание масла, г/т): а — кривые Ооммена (на полях даны насыщающие значения масла при данной температуре), г/т; б — кривые EHV Weidmann.
В работающем трансформаторе происходит постоянное перераспределение влагосодержания между твердой изоляцией и маслом вследствие изменения температуры при изменении нагрузки и атмосферных условий.
В работающем трансформаторе даже при постоянной нагрузке существует неравномерное распределение влаги в различных участках изоляции. Так витковая изоляция имеет меньшее влагосодержание, чем барьеры главной изоляции вследствие тенденции выравнивания парциального давления водяных паров под воздействием градиента температуры.
При резких изменениях условий, например, при сбросе нагрузки и быстром понижении температуры, масло может оказаться перенасыщенным и произойдет выделение свободной воды в виде эмульсии. Под воздействием электрического ноля и движения масла, пузырьки воды могут выстраиваться в цепочки, т. к. вода по своей природе полярна, и образовывать проводящие мостики или осаждаться на поверхности твердой изоляции.
В случае увеличения нагрузки, под воздействием быстрого увеличения температуры увлажненной витковой изоляции, прилегающей к меди провода, давление водяных
Рис. 5. Кривые Фабра и Пичона (Fabre-Pichon) для равновесного состояния влаги в системе воздух-масло-бумага: W§ — влагосодержание бумаги, %; WM — влагосодержание масла, г/т: О, — температура масла; 0 — температура воздуха; т — влажность воздуха.
паров в ней будет вытеснять пропитывающее изоляцию масло и микрокаппилляры могут заполнятся пузырьками водяных паров.
При окружающей температуре ниже нуля, в случае отключения трансформатора от сети его температура через некоторое время сравняется с окружающей. Если при этом произошло выделение свободной воды из масла, она перейдет в лед. Ледяные кристаллы и более крупные образования, увлекаемые током масла могут оказаться в электрически наиболее напряженных местах. Такой механизм переноса частиц льда даже более вероятен, чем в случае эмульсионной влаги, т. к. плотность льда меньше. Известны случаи, когда в зимнее время при включении трансформатора, после длительного отключения, происходило ею повреждение.