Влияние перекисей, кислот и влаги на старение твердых изоляционных материалов трансформаторов

При отсутствии кислорода (таблица 1) гидроперекись изопропилбензола (гипериз) не оказывает значительного влияния на механическую прочность изоляции.

Таблица 1 - Влияние некоторых продуктов окисления трансформаторного масла на прочность целлюлозной изоляции при отсутствии кислорода (условия опытов: температура 95°С, продолжительность 720 ч)

* Выделены из осадка, полученного при окислении бакинского масла при 95°С в присутствии меди.

** Выделены из осадка, полученного при окислении того же масла при 150°С.

На примере одной из наиболее активных низкомолекулярных органических кислот — уксусной — было установлено, что в концентрации, соответствующей кислотному числу масла 0,1 мг КОН на 1 г масла, последняя практически не оказала влияния на разрушение изоляции. При содержании уксусной кислоты в масле, отвечающем его кислотности 1 мг КОН на 1 г масла, удается обнаружить неглубокое старение целлюлозных материалов.

Наличие в масле высокомолекулярных кислот — стеариновой и смеси нафтеновых (при кислотном числе масла 1 мг КОН 1 на г масла) — не влияет на механические характеристики изоляции. В пропитанной маслом бумажной изоляции силовых трансформаторов содержится 0,8—4,7% влаги; нижний предел относится к новым трансформаторам, верхний — к находящимся в эксплуатации. В изоляции измерительных трансформаторов, работающих при небольшом превышении температуры масла над температурой окружающего воздуха, содержание воды значительно выше — в среднем 7,4%.

Увлажнение изоляции трансформаторов происходит в силу ряда естественных процессов — термического разложения самой бумаги (рисунок 1), окисления масла, «дыхания» трансформатора, которое происходит при изменении температурного равновесия между маслом и окружающей средой, несовершенства уплотнений и т. п. В новом, хорошо высушенном трансформаторе содержание влаги в изоляции не превышает 0,8%.

Рисунок 1 - Образование влаги при термическом разложении крафт-бумаги

Установлен приближенный закон, справедливый для концентрации влаги в бумажной изоляции в пределах 0,3 — 7%, согласно которому скорость разложения бумаги пропорциональна количеству содержащейся в ней воды (рисунок 2). Соответствующие испытания проводились в герметически закрытых сосудах.

Рисунок 2 - Влияние содержания влаги h в бумаге на ее термическое старение для различных значений достигнутой степени старения (х— относительное снижение степени полимеризации целлюлозы)

t(0,3)/t(h) — отношение времени, потребного для достижения определенной степени старения бумаги, содержащей 0,3% влаги, ко времени, необходимому для такого же разрушения бумаги при содержании влаги h, в процентах

При содержании в масле 0,027% растворенной воды и температуре 95 °С отмечается заметное ухудшение механических характеристик изоляции (см. таблицу 1). Такое значительное увлажнение масла встречается лишь в исключительных условиях (высокая температура окружающего воздуха и 100%-ная относительная влажность). В обычных условиях работы трансформаторов содержание влаги в масле находится в пределах 0,003—0,010%.

При атмосферном давлении по прошествии определенного промежутка времени, длительность которого зависит от температуры, достигается состояние динамического равновесия между влагой, находящейся в воздушной среде над маслом, влагой, растворенной в масле, и влагой содержащейся в бумаге.

Для количественной оценки содержания воды в отдельных составляющих системы воздух — бумага — масло можно пользоваться графиком на рисунке 3. Получаемые при этом данные близки к наблюдаемым на практике.

Θ₁ — температура масла; Θ — температура воздуха; τ — относительная влажность воздуха

Рисунок 3 - Равновесное распределение влаги в системе воздух — масло — бумага в зависимости от содержания ее в масле и воздухе, окружающем бумагу

Оценивая опасность увлажнения масла, следует принимать во внимание, что, когда трансформатор постоянно находится под нагрузкой и температура масла (и меди) существенно превосходит температуру окружающего воздуха, возможность значительного увлажнения масла и твердой изоляции исключается.

Более того, в трансформаторах обычного типа (негерметичных) может происходит некоторая подсушка изоляции. В герметичных трансформаторах течение такого естественного процесса затруднено, в связи с чем при изготовлении трансформаторов такого типа следует добиваться наиболее полного удаления влаги из твердой и жидкой изоляции.

При снижении температуры масла до величин ниже температуры окружающей среды (что часто бывает на практике в условиях резкого падения нагрузки, отключения трансформатора) в негерметичных трансформаторах на поверхности масла может конденсироваться влага, которая в последующем растворяется в масле и проникает в твердую изоляцию.

Следует подчеркнуть, что увлажнение бумажной изоляции трансформаторов связано не только с потерей механической прочности, но и со значительным снижением ее электрической прочности (таблица 2). Это явление связано с газовыделением из пропитанной маслом бумаги под воздействием высокого напряжения.

Таблица 2 - Изменение пробивного напряжения сухой изоляционной бумаги во влажном трансформаторном масле

Примечание. Пробивное напряжение определялось: а) масла в ячейке со сферическими электродами при расстоянии между последними 5 мм; б) бумаги — между такими же электродами в среде масла, расстояние между электродами 0,25 мм.

Установлена квадратичная зависимость tg δ пропитанной маслом бумаги от процентного содержания влаги m в бумаге: 100 tg δ = р + bm², где р=0,21 при 80 °С; b=0,83 при 80°С (рисунок 4).

Рисунок 4 - Зависимость tg δ пропитанной маслом кабельной бумаги от температуры при различном содержании влаги

Относительная диэлектрическая проницаемость пропитанной маслом бумаги ε_r линейно изменяется в зависимости от концентрации влаги: ε_r = 3,8 + 0,41m.

Хорошо высушенное масло способно поглощать воду из более влажной целлюлозной изоляции. На этом принципе основан метод сушки увлажненных трансформаторов, так называемая «последовательная обработка масла». Последняя заключается в заполнении трансформатора маслом с высоким значением электрической прочности (сухим). По истечении некоторого времени вследствие перераспределения влаги между бумагой и маслом происходит снижение электрической прочности последнего. Масло в трансформаторе вновь подвергается сушке до получения прежнего значения электрической прочности. Такие циклы повторяются до тех пор, пока электрическая прочность масла перестанет падать. Этот момент свидетельствует об установлении динамического равновесия между количествами влаги в масле и бумаге, т. е. о минимально возможном при данных условиях содержания влаги. Так, например, согласно данным номограммы на рисунке 3 при температурах масла 50 и воздуха 20 °С и относительной влажности окружающего воздуха 50% массовая концентрация воды в масле составит 0,0010—0,0013%, что будет соответствовать массовому содержанию воды в бумаге порядка 2%.