Влияние металлов на старение трансформаторного масла

Металлы находят широкое применение в трансформаторостроении. Для обмоток, шин используют медь или алюминий. Из сталей изготавливают баки, опорные и крепежные детали и другие узлы трансформатора. Магнитопровод набирают из листов специальной кремнистой стали. Многие цветные металлы находят применение как антикоррозионные покрытия для черных металлов. В качестве примера приведены удельные поверхности (по отношению к массе масла) меди в трансформаторах различной мощности.

Таблица 1 - Удельная поверхность меди по отношению к массе масла в трансформаторах различной мощности

Известно, что интенсивность каталитического действия металла в процессах окисления масел при прочих равных условиях зависит от размера поверхности металла.

Окисление нефтяных масел, в числе трансформаторных, в присутствии металлов изучено довольно подробно.

Наиболее активным катализатором окисления трансформаторного масла является медь. В отношении степени активности железа, алюминия, никеля, цинка, олова мнения отдельных исследователей расходятся. Это можно объяснить, с одной стороны, различием условий окисления масла, с другой — неодинаковой чувствительностью масел различного углеводородного состава к влиянию тех или иных металлов.

Весьма активно ускоряет окисление масла также медно-фосфористый припой (таблица 1). Другие металлы, применяемые в трансформаторостроении, — алюминий, сталь, олово, сплав олова со свинцом, кадмий, никель,— мало влияют на окисляемость масла.

Таблица 2 - Влияние металлов на окисление трансформаторного масла

Хромированные стали и сплавы на основе титана индеферентны как катализаторы окисления масла.

Следует заметить, что tg δ масла является наиболее чувствительным параметром, позволяющим оценить влияние металлов на окисляемость масла; кислотные числа масел после окисления в присутствии каталитически малоактивных металлов практически не различаются, в то время как tg δ масел разнятся заметно.

В присутствии медного провода, плотно обмотанного несколькими слоями кабельной бумаги, наблюдаются меньшие изменения показателей масла, чем при таком же проводе, но без бумажной изоляции (рисунок 1). Это связано с ухудшением условий диффузии масла к поверхности меди через слой бумаги, а также с влиянием процессов адсорбции продуктов окисления масла бумагой.

1 — масло + медный провод без изоляции; 2— масло + медный провод с бумажной изоляцией; 3 — масло без медного провода

Рисунок 1 - Окисление трансформаторного масла из бакинских нефтей в присутствии медного провода, покрытого бумажной изоляцией, и такого же провода без изоляции (окисление в статических условиях при температуре 95 °С)

Активность меди в качестве катализатора окисления зависит от состояния ее поверхности.

Таким образом, при оценке воздействия металлов на процесс окисления трансформаторного масла следует принимать во внимание конкретные условия его работы в аппаратуре.

Не только металлы в чистом виде, но и их производные: окислы и соли органических кислот — мыла — способны ускорять окисление трансформаторных масел, при этом в ряде случаев повышается tg δ масла (таблица 3).

Таблица 3 - Влияние добавки мыл различных кислот на окисляемость трансформаторного масла из эмбенских нефтей (массовая концентрация мыл 0,001% по металлу)

Долгое время существовало мнение, что медь и железо, взятые при определенных соотношениях их поверхностей, так же как и смеси мыл этих металлов, в большей степени ускоряют окисление масла, чем каждый из этих металлов или мыл в отдельности. Однако исследования показали, что это справедливо лишь для малоочищенных масел. В случае окисления масел глубокой или даже средней степени очистки синергизм действия медных и железных мыл менее значителен (таблица 4). В случае металлов (не мыл), это, очевидно, объясняется тем, что каталитическая активность меди в процессе окисления масла велика и одновременно присутствие железа практически не оказывает влияния на скорость и глубину окисления.

Таблица 4 - Влияние добавки смеси нафтенатов металлов на окисляемость трансформаторных масел

Примечание: О — массовое содержание осадка, %; К — кислотное число масла, мг КОН на 1 г масла.

При 110°С различные мыла в процессе окисления углеводородов различного строения обладают неодинаковой активностью.

Таблица 5 - Активность катализаторов в различных углеводородах

Вопрос о причинах различной каталитической активности металлов в процессе окисления масла нельзя считать полностью ясным. Наиболее изучен механизм каталитического действия металлов с переменной валентностью.

Последние в зависимости от их валентного состояния могут либо присоединять, либо отдавать один электрон какой-либо валентно насыщенной частице. Это приводит к образованию свободных радикалов, которые инициируют возникновение цепной реакции окисления.

Более высокая каталитическая активность меди по сравнению с железом связана с большей термолабильностью первой, благодаря чему медь скорее переходит в растворимое в масле состояние. В результате ускоряется взаимодействие меди с перекисными соединениями и происходит дальнейшее развитие окислительного процесса.

Приведенные выше данные показывают, что из всех металлов, применяемых в трансформаторостроении, наиболее активными катализаторами окисления масла следует считать медь и ее сплавы. Алюминий, сталь, цинк, олово и его сплавы, кадмий, никель, хром незначительно ускоряют окисление трансформаторного масла. Производные металлов — окислы и соли органических кислот — мыла — в большинстве случаев является более активными инициаторами окисления масла, чем сами металлы.

В условиях, моделирующих работу масла в герметичных трансформаторах (при отсутствии кислорода над поверхностью масла), металлы, как этого и следовало ожидать, практически не оказывают влияния на изменения качества масла (таблица 6). Некоторое увеличение tg δ масла происходит за счет образования мыл при реакции металла с кислородсодержащими соединениями масла.

Таблица 6 - Влияние металлов на старение трансформаторного масла в отсутствие кислорода (температура 95°С)