Влияние переменного электрического поля невысокой напряженности на окисление трансформаторных масел

Электрическое поле относительно невысокой напряженности (до 5 МВ/м), воздействие которого длительное время проявляется в жидкой фазе, т. е. непосредственно в среде масла, особым образом направляет процесс окисления масла при рабочих температурах трансформатора.

При работе трансформаторов поле такой напряженности создается в горизонтальных масляных каналах обмоток, в масляных промежутках главной изоляции, а также в пространстве между токоведущими частями (обмотки, шины, вводы высокого напряжения) и баком трансформатора (рисунок 1 и 2). В момент испытаний напряженность поля в масляном канале у обмотки высшего напряжения в некоторых трансформаторах достигает 7 МВ/м. При эксплуатации трансформаторных маслонаполпенных вводов, которые применяются в аппаратах на классы напряжения 35 кВ и выше, масляных выключателей и устройств для переключения трансформаторов под нагрузкой, жидкий диэлектрик также находится в зоне действия электрического поля.

а — при многослойной цилиндрической обмотке; б — при дисковой петлевой обмотке; 1 — магнитопровод; 2 — обмотка регулировочная; 3 — обмотка 220 кВ; 4 — обмотка 380 кВ; 5 — охладитель
Рисунок 1 - Схема расположения масляных каналов в обмотке и магнитопроводе трансформатора

1 — межвитковые напряжения; 2 — напряжения между катушками; 3 — градиенты напряжения вдоль обмотки (воздействия на главную изоляцию); 4 — воздействия на концевую изоляцию; 5 — на изоляцию в каналах рассеяния; 6 — на изоляцию относительно соседних обмоток, отводов, бака и т. д.; h — диаметр обмотки; L — высота обмотки; U — напряжение
Рисунок 2 - Схема распределения напряженностей электрического поля в изоляции (напряженности в изоляции дисковой обмотки)

Долгое время существовало мнение, что электрическое поле не является фактором, оказывающим влияние на окисляемость трансформаторных масел. Исследования, выполненные в этой области в более поздний период, позволяют сделать иные выводы.

На основании анализа большого статистического материала доказано, что при окислении трансформаторного масла в поле напряженностью 1 МВ/м в лабораторном приборе (рисунок 3) количество образовавшегося осадка оказалось на 18—20%, а кислотное число на 6—10% больше, чем в опытах без поля.

1 — стеклянный сосуд; 2 — уровень испытуемого масла; 3 — электрод высокого напряжения; 4 — заземленный электрод (из меди и малоуглеродистой стали); 5 — уровень теплоносителя в термостате, 6 — крышка прибора
Рисунок 3 - Прибор для окисления трансформаторного масла в электрическом поле (ASEA-Anderson)

Для изучения характера воздействия переменного поля на окисление нефтяного трансформаторного масла были разработаны лабораторный метод и соответствующая аппаратура. Форма прибора для окисления (рисунок 4) и размещение его в термостате обеспечивают перемешивание масла в процессе окисления за счет конвекции, как это имеет место в трансформаторах. Объем прибора позволяет размещать в нем металлические катализаторы, твердые изоляционные материалы и масло (300 мл) в количествах, достаточных для анализа их обычными методами. Метод позволяет оценить кинетику поглощения маслом кислорода, а также изменения основных — химических и электрофизических — показателей масла (количества кислот, осадка, воды, tgd и др.).

1 — нижняя рабочая часть прибора (стекло); 2 — верхняя часть прибора (стекло); 3 — крышка термостата; 4 — уровень теплоносителя в термостате; 5 — наружный электрод (медь); 6 — внутренний электрод (медь); 7 — уровень испытуемого масла при окислении его в электрическом поле; 8 — уровень испытуемого масла в случае опытов по оценке воздействии на масло ионизированной газовой среды; 9 — место размещения катализатора
Рисунок 4 - Прибор для окисления трансформаторного масла в электрическом поле

Окисление осуществляется непрерывно в течение 44 ч в присутствии катализаторов — листовой электролитической меди (0,2 см² на 1 г масла) и спирали из низкоуглеродистой стальной проволоки (0,3 см² на 1 г масла). Температура окисления равна 100 °С; она поддерживается в результате погружения прибора до уровня его расширенной части в жидкостный термостат с постоянной температурой теплоносителя, несколько превышающей 100°С. При применении этого метода учитывается улучшение теплопроводящих свойств трансформаторного масла в электрическом поле. Температура теплоносителя регулируется таким образом, чтобы после подачи высокого напряжения на электроды температура верхнего слоя масла в приборе составляла точно 100°С.

Электрическое поле в приборе создается парой медных электродов, которые не соприкасаются с испытуемым маслом и имеют закругленные края, что позволяет избегать местных перенапряжений. Максимальная напряженность электрического поля в слое масла у стенки, смежной с высоковольтным электродом, составляет 4,9 МВ/м при условии приложения к электродам действующего напряжения, равного 4,0 МВ/м. Во избежание ионизации газа, находящегося над поверхностью масла в приборе, на крышке термостата установлен круговой заземленный экран.

В первом приближении можно считать, что прибор представляет собой модель высоковольтной обмотки трансформатора, окруженную масляной изоляцией.

Сравнительное изучение характера окислительных процессов при наличии, электрического поля и без него, проведенное по описанному выше методу на образцах типичных товарных трансформаторных масел, позволило обнаружить ряд интересных особенностей. Основные параметры этих масел приводятся в таблице 1.

Таблица 1 - Физико-химические показатели трансформаторных масел

При воздействии на окисляющееся масло электрического поля наблюдается не только ускорение этого процесса, но и изменение характера и соотношения конечных продуктов окисления (рисунок 5, таблица 2). В частности, обнаружено более интенсивное образование воды в масле, превышающее в 4—5 раз соответствующие значения, полученные в опытах без поля.

1 — масло из эмбенских нефтей (окисление в электрическом поле); 2 — то же, но без поля; 3 — импортное масло (окисление в электрическом поле); 4 — то же, без поля; 5 — масло из смеси бакинских нефтей, образец 1 (окисление в электрическом поле); 6 — то же без поля; 7—масло из смеси бакинских нефтей, образец 2 (окисление в электрическом поле); 8 — то же без поля
Рисунок 5 - Влияние электрического поля на окисляемость трансформаторных масел различного происхождения

Таблица 2 - Окисляемость трансформаторных масел в электрическом поле

По современным представлениям образование воды может происходить, с одной стороны, при превращениях первоначально образующихся одно- и двухосновных гидроперекисей, а также при их распаде, а с другой — при реакциях конденсации и окислительной полимеризации ряда продуктов окисления. По-видимому, оба названных направления реакций интенсифицируются электрическим полем, однако какие из них приобретают в этих условиях превалирующее значение, пока не выяснено.

Образование воды в результате окисления углеводородов масла, ускоряемое при наличии электрического поля, является одной из причин увлажнения масла при эксплуатации трансформаторов. Это, конечно, не исключает других источников увлажнения масла, находящегося в работающем трансформаторе, — из окружающего воздуха при соответствующих колебаниях температуры, из целлюлозной изоляции за счет ее подсушки или же в результате глубокого старения целлюлозы. При окислении масла в электрическом поле заметна тенденция к изменению состава осадка в сторону уменьшения относительного содержания оксикислот и увеличения количества асфальтенов.

Таблица 3 - Характеристика осадка, образовавшегося при окислении трансформаторного масла

Анализ показывает, что при окислении в контакте с медью в составе осадка появляются кристаллические компоненты, образующиеся параллельно с аморфной частью. Кристаллическая часть состоит из карбонатов меди и медных (солей) карбоновых кислот. Можно представить, что образование карбонатов происходит за счет взаимодействия меди с углекислым газом и водой, а солей карбоновых кислот — при взаимодействии окислов меди с гидроперекисями и карбоновыми кислотами.

В масле, которое подвергалось взаимодействию поля, видимые частицы осадка имеют значительно большие размеры.

Характерно накопление осадка в зоне максимальной напряженности поля (рисунок 6), при этом осадок не располагается равномерным слоем, а образует отдельные участки продолговатой формы, которые близко отстоят друг от друга и ориентированы в направлении силовых линий поля. При окислении без электрического поля этого не наблюдалось. Локализация осадка на электродах прибора обусловлена движением частиц осадка под воздействием электрического поля.

а — в электрическом поле напряженностью 4,9 МВ/м; б — без электрического поля
Рисунок 6 - Внешний вид приборов после окисления в них трансформаторного масла из бакинских беспарафинистых нефтей (К) (масло из приборов слито)

Основным источником образования осадков при окислении нефтяных трансформаторных масел являются ароматические углеводороды. Таким образом, можно полагать, что продукты окисления алканов и цикланов в образовании твердой фазы не участвуют, а если участвуют, то в очень незначительной степени. Однако алканы и цикланы, при окислении которых образуются свободные радикалы, инициируют окисление ароматических углеводородов.

Укрупнение частиц осадка, очевидно, можно связать с тем, что поскольку частицы заряжены, как и всякие коллоидные частицы, то под действием поля они приобретают индуцированный дипольный момент. Другие подобные им частицы, а также дипольные молекулы поворачиваются к первой частице полюсом обратного с ней знака, постепенно образуя вокруг нее оболочку. Таким образом, возникают сравнительно крупные сольватированные комплексы.

Явления, подобные описанным, наблюдаются при эксплуатации трансформаторов и являются нежелательными. Так, например, осадок, накопившийся на поверхности обмоток, отводах, шинах, в масляных каналах трансформатора, ухудшает процессы теплоотдачи и, соприкасаясь с целлюлозной изоляцией, интенсифицирует ее старение. Вполне реальна опасность образования из частиц осадка проводящих мостиков в изоляции трансформаторов, что связано с уменьшением ее электрической прочности.

Заслуживает внимания и такое обстоятельство, что среди газообразных продуктов окисления были обнаружены в относительно значительных количествах водород и метан.

Таблица 4 - Состав газа, взятого из прибора после окисления в нем трансформаторного масла

До последнего времени считалось, что выделение водорода и легких углеводородов с числом углеродных атомов C1—С4 из трансформаторных масел, находящихся в электрических аппаратах, возможно лишь под влиянием дуги, сильных полей с напряженностью в масле около 15,0— 20,0 МВ/м, при воздействии на масло ионизированного газа или же при термическом разложении масла под действием локальных перегревов. Конечно, при номинальных значениях напряженности поля в трансформаторе процессы газообразования в масле протекают менее интенсивно, чем в описанных случаях, тем не менее, игнорировать их нельзя. Опубликованные в последние годы данные о составе газа в масле из нормально работающих трансформаторов подтверждают это.

Образование газа в масле при определенных неблагоприятных условиях приводит к снижению электрической прочности всей изоляции трансформатора, вдобавок наличие газовых включений в среде масла создает благоприятные условия для развития в них ионизационных процессов, которые активно воздействуют на старение твердой и жидкой изоляции.

Возможные причины ускоренного окисления нефтяных трансформаторных масел в электрическом поле. Первичный механизм воздействия энергии поля на углеводородные жидкости, содержащие растворенный кислород, можно в общих чертах представить следующим образом. Элементарная частица (электрон, ионизированная газовая частица) с достаточно высокой энергией, определяемой напряженностью воздействующего электрического поля, при столкновении с углеводородными молекулами вызывает образование положительно заряженных ионов RH+ и электронов е. Часть электронов при этом захватывается молекулами кислорода с образованием ионов О₂. Положительно заряженные ионы соединяются с электронами или отрицательно заряженными ионами, образуя возбужденные молекулы. Последние могут диссоциировать на свободные радикалы. Таким образом, влияние достаточно сильного электрического поля сводится к инициированию образования свободных радикалов и возбужденных молекул.

Под воздействием частичных электрических разрядов (ЧР) может происходить конверсия растворенного кислорода в озон. В настоящее время полагают, что к образованию озона в разряде ведут три процесса:

а) связывание кислородных атомов и молекул

О + О₂ + М ü> О₃ + М(М - О₂);

б) реакция ударной дезактивации

О₂* + О₂ ü> О + О₃,
где * символ возбужденной молекулы;

в) диссоциативная рекомбинация ионов

О₂ + О₂+ ü> О + О₃.

Известно, что при атмосферном давлении атомарный кислород может совершить 106 взаимодействий в секунду и конверсия О₂ в О₃ завершится за 10-4 с.

Таким образом, весьма быстро осуществляется замена О₂ на О₃ в масле. Благоприятным фактором является более высокая (в 103 раз) по сравнению с О₂ растворимость О₃ в углеводородах. Озон весьма активно взаимодействует с углеводородом.

Наконец, возможны реакции атомарного ионизированного кислорода с углеводородами масла, что также ускоряет окисление. Можно представить, что эти процессы протекают в основном в локальных областях вдоль пути ионизированных частиц и в газовых микропузырьках. В зависимости от напряженности поля локальные области вдоль пути частиц могут располагаться на меньших и больших расстояниях друг от друга. В совокупности характер рассмотренных процессов определяет влияние электрического поля на скорость и глубину окисления. Опыты подтвердили факт весьма интенсивного окисления трансформаторного масла в атмосфере ионизированного кислорода (рисунок 7). Характерно, что за 30 ч окисления в приборе (см. рисунок 4), в котором уровень масла соответствовал метке 8, а напряженность поля в масле и кислороде составляла 15,6 и 16,8 МВ/м (при этом в кислороде наблюдалось голубое свечение — признак ионизации), испытанные масла поглотили в 25—30 раз больше кислорода, чем в аналогичных условиях, но без поля, при этом кислотные числа масел достигали 4,3—5,4 мг КОН на 1 г (без поля не более 0,15 мг КОН на 1 г масла), 25% всех кислот приходилось на долю низкомолекулярных.

а — в среде ионизированного кислорода при 100°С без медного катализатора (в приборе по рисунку 4); б — то же, но без воздействия электрического поля; 1 — масло из эмбенских нефтей; 2 — масло импортное; 3 — масло из смеси эмбенских и арчединской нефтей; 4 — масло из смеси бакинских беспарафинистых нефтей
Рисунок 7 - Окисляемость трансформаторных масел различного происхождения

За время опыта в маслах образовалось 0,13—0,21% воды и 0,29—0,39% осадка (без ноля соответственно не более 0,03 и 0,07% в массовых долях). Осадок располагался в виде мостиков между цилиндрическими стенками прибора.

В соответствии с предложенной концепцией можно ожидать, что чем больше напряженность поля и, следовательно, выше энергия, которую поле сообщает различным частицам (ионам, ион-радикалам, электронам), тем интенсивнее воздействие поля на нейтральные молекулы (углеводородные и др.). В наших опытах по окислению ингибированного ионолом трансформаторного масла при температуре 95°С в условиях отсутствия ионизации газа над маслом (в приборе по рисунку 8) выявлена явная тенденция к ускорению окисления по мере роста напряженности действующего электрического поля (рисунок 9).

а — ячейка для длительного окисления трансформаторного масла в электрическом поле: 1 — стеклянный сосуд; 2 — крышка из фторопласта-4; 3 — отверстие для взятия проб масла в процессе окисления, 4 — ввод высокого напряжения; 5 — угловой канал для сообщения воздушного пространства ячейки с атмосферой; 6 — уровень испытуемого масла; 7 — высоковольтный электрод; 8 — заземленный электрод; 9 — молибденовый стержень для соединения заземленного электрода с землей; 10 — термостат; 11 — изоляционная прокладка из фторопласта-4; б — картина распределения напряженности электрического поля между электродами испытательной ячейки по рисунку 8,а (снята с помощью полупроводящей бумаги). Цифры на кривых характеризуют распределение напряженностей поля (МВ/м) по эквипотенциалам
Рисунок 8 - Прибор для окисления в электрическом поле

1 — Е = 2,5 МВ/м (опыт в герметичном сосуде без воздуха); 2 — Е = 0; 3 – Е = 2,5 МВ/м; 4 – Е = 3,5 МВ/м, 5 — Е = 5,0 МВ/м; 6 — содержание ионола в масле после 720 ч окисления
Рисунок 9 - Влияние напряженности электрического поля Е на скорость окисления трансформаторного масла из смеси бакинских парафинистых нефтей (марки T-1500) при 95 °С в приборе по рисунку 8

Сказанное свидетельствует, что переменное электрическое поле напряженностью, характерной для трансформаторов (до 4,9 МВ/м), ускоряет окисление трансформаторных масел, при этом изменяется соотношение конечных продуктов окисления: образуется много воды и в заметных количествах выделяются водород и метан. Одновременно происходят коагуляция осадка и накопление его в зоне максимальной напряженности поля, что способствует ухудшению условий охлаждения трансформатора и снижению электрической (и механической) прочности изоляции.

Эти особенности окисления масла в присутствии электрического поля заставляют принимать во внимание его действие при проведении лабораторных испытаний масел с целью более близкого моделирования основных условий их работы в трансформаторе. Такая точка зрения поддерживается рядом исследователей, которые считают, что при оценке срока службы изоляционных материалов и конструкций следует учитывать эффект длительного воздействия напряжения при старении.