Основные технические требования
В последнее время качество отечественных товарных трансформаторных масел заметно улучшилось.
Основной причиной недостаточно хорошего качества масел, в том числе низкой восприимчивости к антиокислительному действию присадки ионол, является использование трудного для выработки трансформаторных масел сырья — высокоароматизированного дистиллята анастасиевской нефти, а в некоторых случаях устаревшей несовершенной технологии их получения.
В настоящее время за рубежом выпускаются как ингибированные, так и неингибированные масла. В России все товарные трансформаторные масла содержат антиокислительную присадку 2,6-дитретичный бутил-4-метилфенол (ионол, ДБПК) в массовой концентрации 0,2— 0,5%.
Известно, что в эксплуатационных условиях эффективность действия антиокислительных присадок, в том числе ионола, намного ниже, чем при испытаниях в лабораторных условиях, поскольку старение масла в трансформаторах происходит при относительно низкой температуре, кислородном голодании, отсутствии перемешивания и воздействия электрического поля, наличии большой поверхности твердых материалов, на которой обрываются окислительные цепи.
Однако более 20-летний опыт эксплуатации масел, ингибированных ионолом, показывает, что его эффективность все же достаточно высока, особенно для масел глубокой очистки, содержащих относительно мало ароматических углеводородов. Никакого отрицательного воздействия ДБПК на электрические и другие характеристики трансформаторов в процессе эксплуатации не обнаружено.
Таким образом, широкое применение присадки ионол (ДБПК) к трансформаторным маслам оправдано.
Известно также, что при смешении неингибированного и ингибированного ионолом масел при концентрации в смеси присадки ниже 0,05 % она проявляет себя как проокислитель. В практике масла смешиваются, поэтому следует рекомендовать выпускать все отечественные масла, ингибированные присадкой ионол.
При применении других антиокислительных присадок требуется тщательная проверка их влияния на качество масел как в лабораторных, так и эксплуатационных условиях, особенно при воздействии на оборудование постоянного тока.
Поскольку показатели, указанные в отечественных ГОСТ и зарубежных стандартах, недостаточно характеризуют поведение масел при эксплуатации и подготовке перед заливкой в электрооборудование, представляется целесообразным иметь два типа технических требований:
- первый, основной, по которому составляется ГОСТ на соответствующий сорт масла; по этим показателям осуществляется контроль качества товарной продукции;
- второй, назначение которого — всестороннее исследование и испытание масла по дополнительным методам, в том числе стендовым. Такие всесторонние исследования необходимо проводить при изменении сырья, технологии изготовления, применении новых присадок и т. д.
Приводимые ниже технические требования рассматриваются как ориентировочные и как соображения авторов по этому вопросу.
Плотность, вязкость масел.
Плотность целесообразно определять, исходя из следующих соображений:
- она необходима для расчета массы прибывшего масла;
- в какой-то степени характеризует содержание ароматических углеводородов в масле;
- в практике наблюдались случаи выделения капелек воды и образующихся из них кристаллов льда при охлаждении масла, насыщенного растворенной водой; если плотность кристаллов льда больше плотности охлажденного масла, то они опускаются на дно; если же плотность кристаллов близка к плотности охлажденного масла, они находятся во взвешенном состоянии и могут вызвать электрический пробой.
Международная электротехническая комиссия (МЭК) рекомендует:
- плотность масел при 20 °С не более 0,895;
- вязкость для обычных масел при 40 °С не более 11 мм2/с (сСт), при —30°С не более 1500 мм2/с (сСт); при температуре застывания не выше —45 °С;
- для масляных выключателей вязкость при 40 °С не более 3,5 мм2/с (сСт); при — 40°С не более 150 мм2/с (сСт); при температуре застывания не выше —65°С и температуре вспышки в закрытом тигле не ниже 100 °С.
Для определения вязкости при повышенной температуре принята в соответствии с рекомендацией МЭК температура 40 °С.
Температура вспышки в закрытом тигле
Нижний предел температуры вспышки регламентируется в основном не противопожарными соображениями, а возможностью получения масел с достаточно низкой упругостью паров, позволяющей эффективно дегазировать и осушать их.
Учитывая, что метод определения упругости паров довольно сложен, в основных требованиях ГОСТ регламентируется температура вспышки, в дополнительных — упругость насыщенных паров.
Предлагается установить для обычных масел норму по температуре вспышки не ниже 140 °С, а для арктического масла не ниже 100 °С.
Такая низкая температура вспышки для арктического масла, предназначенного для баковых масляных выключателей (где масло не дегазируется) и работающего при низких температурах, определяется необходимостью получения нефтяного жидкого диэлектрика с вязкостью при —40°С не более 150 мм2/с (сСт). Такая вязкость обеспечивает надежную работу выключателей при этой температуре без предварительного подогрева масла в баковых выключателях, на что расходуется большое количество энергии.
Положительный зарубежный опыт применения подобного масла с температурой вспышки около 100°С и низкой вязкостью при —40 °С подтверждает целесообразность указанных норм.
Температура застывания масла
МЭК рекомендует для масел I класса норму по температуре застывания не выше —30 °С, а для арктического масла — не выше —60 °С. Исходя из климатических условий России для обычных товарных масел нормируется не выше — 45 °С, а для арктического — не выше —65 °С.
Показатель преломления
Регламентируется с целью ограничения содержания в масле ароматических и нафтено-ароматических углеводородов.
Тангенс угла диэлектрических потерь
Тg δ масла характеризует его электроизоляционные свойства. У лучших отечественных и зарубежных масел tg δ при 90 °С менее 0,5 %.
Пробивное напряжение
Не регламентируется в отечественных ГОСТ на масла, выпускаемые промышленностью. В зарубежных спецификациях и рекомендациях МЭК установлена норма не менее 30 кВ в свежих необработанных маслах в состоянии поставки (в стандартном разряднике).
Масло с таким пробивным напряжением (30 кВ) может быть залито в ряд трансформаторов без специальной подготовки. При необходимости повышения пробивного напряжения условия его осушки облегчаются по сравнению с условиями осушки товарных масел, выпускаемых в настоящее время.
Реализация этого решения потребует осушки масла на нефтеперерабатывающих заводах и транспортировки его р герметичной таре, в том числе цистернах.
Стабильность против окисления
Этот показатель является одним из основных и характеризует стабильность химических и электрофизических показателей в процессе эксплуатации. Методы определения стабильности против окисления подразделяются на методы испытания, предназначенные для контроля качества товарной продукции (включаемые в ГОСТ), и методы испытания, предназначенные для оценки качества новых масел.
Рассмотрим методы и нормы для оценки товарных масел, вырабатываемых по установившейся технологии изготовления. Этот метод должен быть непродолжительным. Принятые в настоящих ГОСТ на масла условия окисления по ГОСТ 981-80 (120°С, расход кислорода 12 л/ч, 14 ч) оказались недостаточно жесткими и не позволяют дифференцировать масла по их стабильности против окисления.
При повышении температуры испытания до 130 °С и увеличении продолжительности испытания до 30 ч удается дифференцировать выпускаемые в настоящее время масла по стабильности.
В этих условиях хорошие масла не должны образовывать осадка, кислотное число и выход летучих кислот не должны превышать 0,05 мг КОН на 1 г масла.
При проверке расхода ионола при окислении масел в указанных условиях показано, что индукционный период окисления (НПО), установленный по моменту полного израсходования ионола или перелому в кривой выхода летучих кислот, колеблется от 6 до 30 ч. Масло на уровне лучших зарубежных образцов должно характеризоваться ИПО в указанных условиях не менее 25 ч.
Дополнительные технические требования на трансформаторные масла, изготовляемые по новой технологии или из нового сырья
Поверхностное натяжение на границе с водой
Характеризует тщательность удаления из масла поверхностно-активных полярных веществ, способных к образованию связанной воды. Для отечественных товарных масел поверхностное натяжение на границе с водой составляет (30—43) ·10-3 н/м (30—43 дин/см), для зарубежных масел — более 40 · 10-3 н/м (40 дин/см); МЭК рекомендует не менее 40 · 10-3 н/м (40 дин/см).
Упругость насыщенных паров
Характеризует возможную степень дегазации масла. Рекомендуется установить норму по этому показателю не более 5,3 Па (4 · 10-2 мм рт. ст.) при 60 °С.
Содержание ароматических углеводородов
Определяет гигроскопичность масел и их восприимчивость к антиокислительному действию присадок, в том числе ионола. В первом приближении восприимчивость масла к ионолу обратно пропорциональна концентрации ароматических углеводородов.
Оптимальное содержание ароматических углеводородов в зависимости от их состава колеблется в пределах 8— 20 %. Указанное относится к ароматическим и нафтено-ароматическим углеводородам, содержащимся в нефтяных маслах. Некоторые синтетические ароматические углеводороды, например алкилбензолы с неразветвленной алкильной цепью, обладают высокой восприимчивостью к антиокислительному действию ионола.
Чрезмерное содержание ароматических углеводородов в некоторых образцах отечественных масел (адсорбционной очистки из анастасиевской нефти) приводит к тому, что они обладают недостаточной стабильностью даже при наличии 0,3 % ионола (в массовых долях) и высокой гигроскопичностью.
Содержание ароматических углеводородов в маслах в массовых долях должно быть в пределах от 8 до 20%. Оптимальное содержание ароматических углеводородов определяется экспериментально и зависит от состава перерабатываемого сырья и принятой технологии очистки.
Стабильность против окисления статическим методом по ГОСТ 11257-65
Условия окисления: температура 120 °С, продолжительность испытания 300 ч и более без барботажа кислорода, перемешивание — за счет термодиффузии.
Этот метод в большей степени, чем метод по ГОСТ 981-80, моделирует окислительное старение масла в реальных условиях эксплуатации. Однако в нем в отличие от эксплуатационных условий в трансформаторах отсутствуют электрическое поле и твердые изоляционные материалы, на которых обрываются окислительные цепи и адсорбируются низкомолекулярные продукты окисления. Кроме того, в условиях метода используется относительно большое количество меди, изменяющей условия окисления, особенно в присутствии деактивирующих и пассивирующих антиокислительных присадок.
Предлагаются следующие нормы после 300 ч окисления: кислотное число не более 0,03 мг КОН, содержание водорастворимых кислот не более 0,02 мг КОН, отсутствие осадка, расход ионола не более 50 % в случае, если в свежем масле 0,25 % ионола.
Стабильность против окисления по методу МЭК для ингибированных масел
Условия окисления: 120 °С, 230 ч, 600 мл/ч кислорода (барботаж), определение продолжительности индукционного периода окисления при выходе летучих кислот в количестве 0,028 кг КОН на 1 г масла.
Этот метод рекомендован МЭК как международный и включен в ГОСТ 982-80 для сравнительной оценки качества отечественных и зарубежных масел.
Стабильность против окисления в стендовых условиях в трансформаторах
Известно, что возможности эксплуатационных испытаний весьма ограничены, поскольку хорошие масла в нормальных условиях эксплуатации работают 20—25 лет.
В то же время лабораторные исследования стабильности масел различными методами не могут быть полностью обоснованными, так как условия их старения далеки от реальных. Поэтому предлагается вести испытания в реальных небольших трансформаторах в стендовых условиях по специальному методу.