При испытаниях могут быть измерены только средние значения температур обмотки; они ниже, чем температура наиболее нагретой точки обмотки, которая фактически определяет срок службы бумажной изоляции провода и должна приниматься в расчет при оценке продолжительности жизни изоляции.
Температурный градиент между маслом и окружающим воздухом устанавливается опытным путем. Можно рассчитать среднюю разность между температурой обмотки и температурой воздуха. Средний температурный градиент между поверхностью бака трансформатора и окружающим воздухом зависит от электрических потерь в обмотке и магнитопроводе.
При установившемся режиме и естественном охлаждении трансформатора температура масла в каждой горизонтальной плоскости имеет неизменное значение (рисунок 1). При этом следует заметить, что только в граничных слоях масла (толщиной около 3 мм), непосредственно омывающих поверхность катушек и бака, происходят колебания температуры. Для того чтобы обеспечить достаточную продолжительность жизни изоляции трансформатора, важно быстрее снижать температуру, т. е. более интенсивно отводить теплоту от нагретого провода.
Рисунок 1 - Температура масла по высоте бака трансформатора
Теплоемкость и теплопроводность
Теплоемкость и теплопроводность трансформаторных масел зависят от температуры и связаны с плотностью масла.На рисунках 2 и 3 приведены соответствующие соотношения.
Рисунок 2 - Коэффициент теплопроводности трансформаторных масел различной плотности в зависимости от температуры ρ415 = ρ420 + 0,0006 (20— 15)
Рисунок 3 - Удельная теплоемкость трансформаторных масел различной плотности в зависимости от температуры
Для определения коэффициента теплопроводности трансформаторных масел в интервале температур от 0 до 120 °С можно пользоваться номограммами; в необходимых случаях этот параметр определяют экспериментально.
Следует отметить, что коэффициент теплопроводности пропитанной маслом бумажной изоляции (0,2 Вт/(м·К)) в 3—4 раза меньше, чем коэффициент теплопроводности масла, и в 2000 раз меньше, чем коэффициент теплопроводности меди. В связи с этим кривая распределения температур внутри обмотки трансформатора имеет ступенчатый вид.
Зависимость коэффициента теплоотдачи от вязкости жидкости приведена на рисунке 4. Таким образом, уменьшение вязкости способствует лучшему отводу теплоты. В связи с этим в мировой практике наметилась тенденция в сторону снижения вязкости товарных трансформаторных масел по крайней мере до 20 мм2/с (сСт) при температуре 20°С при условии сохранения принятого значения температуры вспышки или даже некоторого снижения ее. Это достигается путем сужения температурных пределов кипения масляной фракции, а также подбора сырья.
1 — 1,2 м/с; 2 — 0,3 м/с
Рисунок 4 - Практические коэффициенты теплоотдачи теплообменных аппаратов в зависимости от скорости потока и вязкости теплоносителя
Вязкость
Вязкость чистых углеводородов изменяется в широких пределах в зависимости от размера и структуры молекулы.Опубликованные исследования позволяют сделать следующие заключения о связи между вязкостно-температурными характеристиками нефтяных фракций и отдельных углеводородов и их структурой.
Увеличение молекулярной массы парафиновых углеводородов приводит к повышению вязкости. Для ароматических углеводородов с повышением длины боковой цепи вязкость увеличивается примерно по параболическому закону (относительно числа атомов углерода в боковых цепях) (рисунок 5).
0 4 8 12 16 20
Число атомов углерода в боковой цепи
Рисунок 5 - Зависимости между вязкостью и длиной боковой сети для алкибензолов (пунктирная линия) и β-алкилнафталинов (сплошная линия)
Наличие циклов в молекулах углеводородов приводит к повышению их вязкости. Чем сложнее строение кольца, тем больше вязкость при данной молекулярной массе. Вязкость алкилзамещенных ароматических углеводородов возрастает с увеличением числа боковых цепей.
Установлена функциональная зависимость между параметрами, определяющими вязкостные свойства масла, и его углеводородным составом, которая подтверждена экспериментально на примере большого числа образцов масла. Указывается, что, используя такую зависимость, можно на основании данных структурно-группового анализа масла вычислить значения его вязкости при любой температуре, превышающей температуру застывания масла.
Исследования, проведенные с различными масляными дистиллятами отечественных нефтей, показывает, что наилучшими вязкостно-температурными характеристиками обладают фракции масел, содержащие моноциклические нафтеновые с длинными боковыми цепями и парафиновые углеводороды. Удаление парафиновой части из таких фракций приводит обычно к возрастанию уровня вязкости.
Для ароматической части масла характерно улучшение вязкостно-температурных свойств при увеличении содержания углеводородов с большим количеством атомов углерода в цепях.
Приведенные данные свидетельствуют, что структура углеводородов определяет не только абсолютное значение вязкости их, но также и характер температурной зависимости вязкости. Эта характеристика имеет большое значение при применении масел в трансформаторах, устройствах для переключения под нагрузкой, а также в масляных выключателях.
Весьма важно, чтобы в условиях низких температур вязкость трансформаторного масла была как можно меньше; иными словами, кривая, характеризующая температурную зависимость вязкости масла, должна быть достаточно пологой. В противном случае при высокой вязкости масла в охлажденном трансформаторе будет затруднен отвод теплоты от его обмоток в начальный период после включения, что приведет к их перегреву. В переключающих устройствах трансформаторов и масляных выключателях увеличение вязкости масла создает препятствие для перемещения подвижных частей аппаратуры, что влечет за собой нарушение нормальной работы. В связи с этим в некоторых стандартах на трансформаторное масло нормируется вязкость при температуре —30 °С.
Изменение вязкости трансформаторного масла в зависимости от температуры хорошо описывается уравнением Вальтера:
lg lg(νK + 0,6) = p + m lgТ,
где νK —кинетическая вязкость, мм2/с (сСт);
Т — температура, К;
р и m — постоянные коэффициенты.
На основании этой формулы построена специальная номограмма, с помощью которой, зная вязкость масла при двух определенных температурах, можно приближенно установить вязкость его при любой заданной температуре. В области высоких значений вязкости (т. е. при низких отрицательных температурах) номограммой можно пользоваться лишь до тех пор, пока масло остается ньютоновской жидкостью и не имеет места аномалия вязкости. При температуре ниже —20 °С иногда наблюдаются отклонения значений вязкости от прямой на номограмме. Для большинства трансформаторных масел предел пользования номограммой соответствует вязкости примерно 1000— 1500 мм2/с (сСт).
В некоторых случаях используют так называемую шкалу Ф. При построении этой шкалы на ось абсцисс наносят температуру в равномерном масштабе. На ось ординат наносят шкалу вязкости таким образом, чтобы для данного трансформаторного масла, принятого за эталон, температурная зависимость вязкости характеризовалась прямой линией. Тогда для других трансформаторных масел зависимость вязкости от температуры также будет изображаться прямой линией. Это позволяет производить интерполяцию и экстраполяцию значений вязкости любого трансформаторного масла по двум опытным точкам (рисунок 6).
Рисунок 6 - Шкала Ф для интерполяции и экстраполяции вязкости трансформаторных масел при различных температурах по двум опытным точкам; при построении шкалы в качестве эталона использована опытная зависимость νK = f(t) для товарного масла из бакинских нефтей
Значение вязкости масел различного происхождения изменяется при положительных рабочих температурах (от 50 до 90 °С) в довольно широких пределах: примерно в 2 раза. Лучшие условия отвода теплоты от активных частей трансформатора будут иметь место при использовании масел, обладающих наименьшей вязкостью при рабочей температуре. Температурный градиент вязкости для различных масел при положительных температурах не превышает 1 мм2/с на 1°С.
При отрицательной температуре значения вязкости различных масел возрастают весьма неравномерно. Так, температурный градиент вязкости составляет: в интервале от —20 до —30 °С 60—70, в интервале от —30 до —40 °С 90—370, в интервале от —40 до —50 °С 800—6000, а в интервале от —50 до —60°С достигает 50000 мм2/с на 1°С и выше. При изменении вязкости трансформаторных масел в области очень низких температур следует принимать во внимание явление аномалии вязкости.
Высокие значения вязкости масла надо учитывать при вводе в эксплуатацию мощных трансформаторов с формированным (циркуляционным) охлаждением, в которых масло продолжительное время находилось под воздействием низких температур.
В масляных выключателях и контакторах устройств для регулирования напряжения под нагрузкой трансформаторов вязкость при низких температурах прямо определяет их работоспособность. На рисунке 7 показано, что при температурах масла ниже —30 °С нарушается работа высоковольтного масляного контактора. В связи с этим, например, в масляных выключателях предусматривается устройство для подогрева масла, которое включается в работу при понижении окружающей температуры до —25°С. Отсюда ясна важность показателя прокачиваемости масла при низкой температуре (рисунок 8).
1 — кривая зависимости времени перехода контактов из одного положения в другое от температуры масла при механических испытаниях контактора; 2 — то же при испытаниях на коммутационную способность; 3 — кривая зависимости вязкости масла, залитого в контактор, от температуры
Рисунок 7 - Характеристики работы масляного контактора высокого напряжения с пружинным приводом при различных температурах
Рисунок 8 - Прокачиваемость трансформаторного масла из балаханской масляной нефти на моделирующей лабораторной установке в зависимости от температуры
Температура застывания масла не определяет его работоспособность в высоковольтной аппаратуре. Только вязкость масла и связанная с ней прокачиваемость характеризуют эксплуатационные свойства масла при низких температурах. Температура застывания является весьма условным показателем, имеет чисто ориентировочное значение, и сохранение его в стандартах на трансформаторное масло обусловлено в известной степени отсутствием надежного и простого метода оценки низкотемпературных свойств трансформаторного масла.
Считают, что потеря подвижности нефтяного масла в подавляющем большинстве случаев связана с кристаллизацией парафиновых углеводородов, образующих кристаллическую сетку, внутри которой удерживаются жидкие углеводороды масла. Присутствие в трансформаторном масле даже небольшого количества твердого парафина резко повышается температура его застывания и увеличивается вязкость при отрицательных температурах.
Низкая температура застывания трансформаторных масел достигается путем применения для их производства беспарафинистых нефтей или глубокой депарафиннзации сырья. Однако процесс депарафиннзации относится к числу наиболее сложных и дорогостоящих и внедрен еще не на всех нефтеперерабатывающих заводах. В связи с этим при производстве трансформаторных масел из парафинистого сырья предлагали для обеспечения стандартной температуры застывания масла —45 °С пользоваться присадками, понижающими температуру застывания масла, так называемыми депрессорами.
К таким присадкам относятся депрессоры парафлоу, сантопур, вольтоли, полиметакрилат-Д.
Механизм действия депрессоров до сих пор еще окончательно не изучен. Мнения различных исследований по этому вопросу не совпадают. Тем не менее, большинство их сходятся в одном: депрессорные присадки, добавленные в масло, препятствуют образованию кристаллической решетки и вызывают уменьшение размеров кристаллов парафинов и церезинов масла.
Депрессоры заметно снижают температуру застывания парафинистых масел, а также масел, из которых часть парафиновых углеводородов удалена, — так называемых частично депарафинированных масел.
Понижение температуры застывания масел при добавлении депрессора может составить от 5 до 30 °С и более и зависит от концентрации присадки, количества парафина в масле, химической природе и структуры кристаллов парафина, вязкости масла.
Применение депрессоров в трансформаторных маслах следует считать вынужденной мерой.
Прежде всего, депрессоры, изменяя коллоидное состояние масла, вызывают коагуляцию и выпадение в осадок парафинов, что может служить причиной повышенных диэлектрических потерь в масле при его хранении, а также в масле трансформаторов, находящихся в резерве. Из масла, содержащего депрессор, при длительном воздействии низких температур возможно выпадение в осадок твердых парафинов, что может привести к засорению масляных каналов и ухудшению условий отвода теплоты. Наконец, из практики применения смазочных масел с депрессорами известны случаи повышения их температуры застывания на 10—15°С при длительном хранении зимой, при резких переменах температуры. Все это убедительно свидетельствует о нецелесообразности применения депрессоров в трансформаторных маслах. Необходимая температура застывания этих масел должна достигаться глубокой депарафинизацией сырья.
В заключение следует отметить, что в последнее время находят применение для некоторых типов масляных выключателей специального маловязкого масла с температурой застывания —65 °С и температурой вспышки около 90—115°С. Использование такого рода масел, отличающихся низкой вязкостью при отрицательных температурах, позволяет значительно сократить расход электроэнергии на подогрев масляных выключателей и другой аппаратуры в зимнее время.
Наконец, заметим, что во избежание попадания кристаллов льда (последние могут образовываться при охлаждении увлажненного масла) в зоны воздействия электрического поля, что может служить причиной развития пробоя в масле, весьма важно, чтобы такие кристаллы не плавали в масле, а тонули и скапливались на дне трансформатора, где их присутствие не представляет опасности. Для осуществления этого в первую очередь требуется, чтобы плотность льда при данной температуре превосходила плотность масла при той же температуре.