В некоторых случаях, например в оборудовании ЛЭП постоянного тока, изоляция трансформаторов испытывает одновременное воздействие переменного напряжения и постоянной составляющей. Отсутствие известных данных об особенностях поведения масла при продолжительном воздействии такого рода обусловливает интерес к этому вопросу.
Для изучения характера окислительного старения трансформаторного масла при длительном воздействии постоянного тока была разработана лабораторная установка, включающая источники питания высокого напряжения и прибор для окисления масла.
Прибор представляет собой цилиндрическую ячейку из стекла марки 3С-5, вмещающую 140 мл испытуемого масла. Размеры ячейки выбраны такими, что соотношение между размером свободной поверхности масла и высотой его столба примерно такое, как в реальных трансформаторах. Извилистая форма канала на крышке прибора (при его диаметре 3 мм) позволяет снизить скорость поступления воздуха к поверхности масла, а также затрудняет выход летучих продуктов окисления из реакционной зоны. Электрическое поле в ячейке создается двумя цилиндрическими электродами, выполненными из медного провода в виде спирали с плотно прилегающими друг к другу витками. Расстояние между электродами составляет 2 мм. Установлено, что в средней части масляного канала электрическое поле носит равномерный характер, в областях, прилегающих к концам электродов, наблюдается концентрация силовых линий поля. Такая картина поля, в общем, характерна для области первого масляного канала главной изоляции трансформатора. Медь электродов служит также катализатором окисления масла. Удельная поверхность медных электродов (по отношению к массе масла) выбрана близкой к реальным условиям и составляет 0,15 м2/кг.
Расположение вводов высокого напряжения и заземленного в приборе позволяет избежать ионизации воздушной фазы над поверхностью масла в приборе (максимальная напряженность поля в воздухе у поверхности ввода не превышает 0,3 МВ/м). Таким образом, в первом приближении прибор можно рассматривать как модель масляного канала главной изоляции трансформатора.
Геометрические размеры электродов, определяющие электрическую емкость ячейки, наличие изоляционных деталей, выполненных из материала, удельное сопротивление которого на два порядка выше, чем технически чистого масла, позволяют определять tg d масла непосредственно в ячейке, используя обычный (стандартный) мост переменного тока.
Окисление масла осуществлялось при 95 °С. Средняя напряженность электрического поля в ячейке составляла 2,5, максимальная 3,1 МВ/м. Периодически (через 120, 240, 480 и 720 ч) определялись основные показатели масла: цвет, кислотное число, а также tg d масла непосредственно в ячейке. После 720 ч окисления оценивалась масса осадка на электродах ячейки.
Используя такой метод, на примере масел из различного нефтяного сырья (таблица 1) удалось выявить некоторые закономерности, характерные для окисления масел при воздействии электрического поля постоянного тока. Так, например, при воздействии постоянного поля (в отличие от переменного) осадок распределяется только на внутренней поверхности электрода с положительной полярностью. Это позволяет считать, что коллоидные частицы осадка являются носителями отрицательных зарядов. В сравнимых условиях в постоянном поле наблюдается большее количество осадка на электродах, чем в переменном (рисунок 1).
Таблица 1 - Физико-химические параметры трансформаторных масел, результаты окисления которых приведены на рисунках 2 и 3
Масло | Характеристика образцов | Структурно-групповой анализ в массовых долях, % | |||||||
Услов- | Способ очистки | Глубина очистки | r420 | nD20 | tg d при 70 °С, | Са | Сн+Сп | Ка | |
Из малосернистых нефтей | |||||||||
Из анастасиевской | А-1 | Серно- | Углубленная | 0,897 | 1,494 | 0,30 | 10,2 | 89,8 | 0,30 |
А-2 | Адсорб- | Обычная | 2 0,8923 | 3 1,4930 | 0,80 | 14,5 | 85,5 | 0,40 | |
Из бакинских парафинистых нефтей | Б-1 | Серно- | Углубленная | 0,8739 | 1,4823 | 0,25 | 9,6 | 90,4 | 0,31 |
Б-2 | Адсорб- | Углубленная | 0,8538 | 1,4780 | 0,25 | 7,2 | 92,8 | 0,28 | |
Из бакинских бес- | Б-3 | Серно- | Обычная | 0,8840 | 1,4894 | 1,31 | 12,6 | 87,4 | 0,39 |
| Адсорб- | Углубленная | 0,8827 | 1,4878 | 0,13 | 11,6 | 88,4 | 0 | |
Из смеси сернистых нефтей | |||||||||
Из сернистык нефтей | С-1 | Фенольная | Обычная | 0,8532 | 1,4750 | 1,00 | 4.1 | 95,9 | 0,10 |
Примечания:
1. Вязкость масел при 20 °С находится в пределах 17—30 мм2/с (сСт).
2. Содержание серы в образцах с индексами А и Б менее 0,1%, в образце С-1 — 0,5%.
3. Масла Б-2, Б-3, Б-4 не содержат антиокислительной присадки, остальные содержат 0,2% присадки ионол.
= — постоянное; ~ — переменное (значения индексов масел указаны в таблице 1)
Рисунок 1 - Осадок на электродах ячейки после 720 ч окисления трансформаторных масел в электрическом поле
Рисунок 2 - Влияние электрического поля постоянного (-----) и переменного (– – –) на изменение кислотных чисел трансформаторных масел в процессе их окисления в ячейке (значения индексов масел указаны в таблице 1)
Рисунок 3 - Влияние электрического поля постоянного (------) и переменного (– – –) на tg d масел в процессе их окисления в ячейке при 70 °С (значения индексов масел указаны в таблице1)
Объяснить это можно, рассматривая частицы осадка в масле как диполи, время релаксации τ которых зависит от размера частиц. Средняя энергия взаимодействия UAB между двумя диполями А и В определяется соотношением
UAB == Аτ2Е2/(1 + v2τ2),
где А — постоянная;
v — частота изменения электрического поля;
Е — напряженность поля.
Исследование этой функции показывает, что максимум энергии, при котором наиболее вероятно образование мостика из диполей, имеет место при v = 0, т. е. в поле постоянного тока.
Существенных различий в составе компонентов осадка при окислении в переменном и постоянном полях не обнаружено.
Характерно, что кислотные числа масел, окислившихся под воздействием постоянного электрического поля, возрастают медленнее, чем в аналогичных условиях при переменном поле (рисунок 2). Это можно объяснить тем, что в постоянном поле процесс электроочистки масла в ячейке от коллоидных частиц осадка, которые характеризуются высокой кислотностью, протекает более направленно, чем в переменном. По этой же причине при окислении в постоянном поле значения tg d масел оказались ниже, чем в опытах при переменном напряжении (рисунок 3).
Заслуживает внимания факт, наблюдаемый при окислении трансформаторного масла (при 95 °С, в течение 24 ч), в которое искусственно вводились добавки органических жирных кислот: а) валериановой — СН3(СН2)7СООН или б) пеларгоновой — СН3(СН2)7СООН (температура кипения этих кислот соответственно 186 и 254 °С). С целью торможения окисления в маслах была растворена антиокислительная присадка: 2,6-дитретичный бутил 4-метил-фенил (ионол). При наличии постоянного поля первоначальная концентрация кислот снижается быстрее, чем в опытах в переменном поле или без поля. Такие результаты свидетельствуют, что при воздействии постоянного поля в среде масла возможен процесс электролиза некоторых органических кислот.
Отмеченные особенности воздействия постоянного электрического поля следует принимать во внимание при разработке требований на трансформаторные масла для таких условий работы.