Фурановые производные как показатели старения изоляции
Фурановые производные являются продуктом деградации целлюлозы и, будучи растворимыми в масле, могут быть измерены и служить мерой деградации изоляции. Обычно измеряют следующие фурановые производные:
• Фурфуральдегид или фурфурол (2FAL).
• Гидроксиметилфуран (5MEF).
• Фуриловый спирт (2FAL).
• Ацетилфуран (2FAL).
• Метил этил фуран (5MEF). Измерения обычно выполняются с точностью 10 мкг/кг. Фураны неустойчивы и быстро разлагаются под действием температуры. Наиболее устойчивым производным является фурфуральдегид (2FAL), значения которого в основном используются для оценки состояния изоляции.
Исследования СИГРЭ показали, что количество продуктов деградации функционально связано с числом разрывов молекулы целлюлозы.
Значительная часть 2FAL мигрирует и растворяется в масле. Практически измеряется концентрация 5 фурановых производных в мг на кг масла (в некоторых случаях на л масла). Очевидно, что количество продуктов деградации зависит от массы состаренной изоляции. Масса изоляции, подвергающаяся наибольшему нагреву, составляет 2— 5 % от общей массы изоляции. Простые расчеты показывают, что 200 кг целлюлозы при предельном износе (л. = 5) может образовать 161 600 мг 2 FAL. Полагая, что 70% растворится в масле и, приняв массу масла 60 т, получим, что концентрация 2 FAL составит около 1,9 мг/кг (1,9 ррт).
Данные СИГРЭ показывают, что количество образующегося 2FAL увеличивается в несколько раз при увлажнении изоляции, а также при ускоренном окислении масла.
Скорость образования фурановых производных весьма мала на начальных стадиях старения (СП х 600, см. рис. 8) и значительно увеличивается при достижении предельного износа (рис. 9).
Рис. 8. Зависимость образования 2 FAL от степени старения изоляции.
Рис. 9. Скорость образования 2 FAL на стадии сильного износа изоляции.
Рис. 10. Зависимость содержания 2 FAL в масле от СП целлюлозы.
Определение значений СП через концентрацию фурановых производных
Поскольку степень полимеризации изоляции и количество продуктов деградации функционально связаны с числом разрывов молекулы целлюлозы, для изоляции, изготовленной по Крафт-процессу без присадок, повышающих ее термостойкость, отмечается корреляционная зависимость между значениями СП и 2FAL.
Количественные соотношения 2FAL и СП в трансформаторах зависят от массы нагретой изоляции и массы масла, но для усредненной оценки применяют корреляционные зависимости, из которых нашла наибольшее распространение аппроксимация Чендонга.
Предельный износ (СП = 200) по данной формуле соответствует значению 2FAL = = 6,3 мг/кг.
Комитет клиентов фирмы Doble, объединяющих значительное число энергосистем мира, предлагает следующую методику оценки состояния трансформаторов, имеющих изоляцию обмоток без термостабилизирующих присадок.
Нормальное старение: скорость выделения фурфуральдегида (2FAL) меньше 50 мкг/л в год. Большая скорость может быть вызвана плохим охлаждением, перегрузками, развивающимся дефектом.
Уравнение Чендонга может быть использовано для оценки среднего значения СП на основе концентрации фурфуральдегида. Однако желательно иметь данные о фактических значениях СП изоляции трансформаторов данного типа, работающих в одинаковых условиях, для подтверждения результатов, полученных оценкой по 2FAL.
Предлагается следующая интерпретация состояния оборудования посредством оценки СП согласно аппроксимации Чендонга:
• Рассчитанное
СП > 800 — хорошее,
• 800 < СП > 400 — проработана половина срока службы,
• СП < 400 — последняя треть жизни (возможно окончание срока службы),
• Значения 2FAL >
> 1000 мкг/л — указывают на необходимость дополнительного обследования оборудования.
Последние исследования СИГРЭ показывают, что предельному износу (СП = = 200) соответствует примерно 3,3 мг/кг 2FAL (рис. 10). Общей является рекомендация уделять специальное внимание оборудованию, в котором обнаружено свыше 1 мг/кг фурфуральдегида.
Руководство по эксплуатации трансформаторов энергосистем Японии использует корреляционную зависимость содержания 2FAL в масле и СП, приведенную на рис. 11. Концентрация фурфуральдегида на уровне 1,5 мг/кг рассматривается как сигнал о возможной деструкции изоляции до СП = 450. Концентрация 2FAL — 15 мг/кг считается критической, и трансформатор должен быть выведен из работы. Предполагается, что наибольшему нагреву подвергается около 2 % изоляции.
Рис. 11. Зависимость содержания 2FAL в масле от СП целлюлозы.
Подавляющее большинство трансформаторного оборудования в СНГ снабжено силикагелевыми абсорбными или термосифонными фильтрами, которые могут поглощать фураны. Для оценки старения по данным 2FAL фильтры должны быть перекрыты на несколько недель. Пробу масла для измерения фурановых производных желательно отбирать при наибольшей температуре и наибольшей нагрузке.
Выявление повышенного нагрева и старения изоляции
Воздействие на изоляцию повышенной температуры вызывает интенсивное образование фурановых производных (рис. 12), а также окиси и двуокиси углерода (рис. 13.). Соответственно повышенные значения 2FAL, СО и С02 могут служить критериями сильного перегрева изоляции.
Количество продуктов деградации следует соизмерять с массой нагретой изоляции.
Руководство по эксплуатации трансформаторов энергосистем Японии рекомендует:
• контролировать сумму окиси и двуокиси углерода, как критерий старения;
• выделение (СО + С02) более 0,2 мл/г изоляции рассматривается, как сигнал о возможном дефектном состоянии;
• выделение (СО + С02) более 2 мл/г считается сигналом критического состояния.
Рис. 12. Выделение 2FAL в зависимости от температуры старения маслопропитанной изоляции (результаты измерений на двух образцах и среднее значение).
Рис. 13. Соотношение концентрации в масле фурановых компонентов и окиси углерода в масле при старении бумажно-масляной изоляции при повышенной температуре .
Рис. 14. Зависимость окиси углерода при длительном нагреве проб масла и бумажномасляной изоляции от температуры.
Рис. 15. Зависимость образования двуокиси углерода при длительном нагреве проб масла и бумажномасляной изоляции.
Следует отметить, что источником образования СО и С02 является также масло, принимая во внимание наличие целлюлозных волокон в масле.
Из материалов СИГРЭ следует, что количество газов и их отношение при повышенном нагреве масла могут создавать впечатление перегрева изоляции.
На рис. 14 и 15 приведены результаты измерения значений СО и С02 в опытах с длительным нагревом модели обмоточного провода (масло + бумага) и параллельных проб масла (масло), показывающие, что выделение газов при участии изоляции происходит более интенсивно, однако количество СО при старении масла может превышать 1000 мл/г, а отношение С02/СО составлять при этом менее 3. Подтверждением перегрева изоляции должно быть заметное образование фурановых производных.