Трансформаторное масло

Диэлектрические материалы. Строение и свойства.

ЛЕКЦИЯ №6

Жидкие диэлектрики. Нефтяные электроизоляционные масла. Нефтяное

трансформаторное масло. Нефтяное конденсаторное масло. Нефтяное кабельное масло.

Синтетические жидкие диэлектрики. Растительные масла. Получение, свойства и

использование в энергетике

 

 

Изоляционные масла, являясь жидкими диэлектриками, должны обеспечивать изоляцию токонесущих частей электрооборудования (трансформаторов, конденсаторов, кабелей и др.), служить теплоотводящей средой, а также способствовать быстрому гашению электрической дуги в выключателях. К этой группе масел относят трансформаторные, конденсаторные и кабельные масла и масло для выключателей.

Трансформаторные масла применяют для заливки силовых и измерительных трансформаторов, реакторного оборудования, а также масляных выключателей. В последних аппаратах масла выполняют функции дугогасящей среды.

Трансформаторное масло, - очищенная фракция нефти, получаемая при перегонке, кипящая при температуре от 300 °С до 400 °С. В зависимости от происхождения нефти обладают различными свойствами и эти отличительные свойства исходного сырья отражаются на свойствах масла. Оно имеет сложный углеводородный состав со средним весом молекул 220-340 а.е., и содержит следующие основные компоненты.

1. Парафины	10-15%
2. Нафтены или циклопарафины	60-70%
3. Ароматические углеводороды	15-20%
4. Асфальто-смолистые вещества	1-2 %
5. Сернистые соединения	<1%
6. Азотистые соединения	<0.8%
7. Нафтеновые кислоты	<0.02%
8. Антиокислительная присадка (ионол)	0.2-0.5%

 

Основные физико-химические свойства масла.

Из основных характеристик масла отметим, что оно горючее, биоразлагаемое, практически не токсичное, не нарушающее озоновый слой. Плотность масла обычно находится в диапазоне (0.84-0.89)×103 кг/м3. Электроизоляционные свойства масел определяются в основном тангенсом угла диэлектрических потерь. Диэлектрическая прочность трансформаторных масел в основном определяется наличием волокон и воды, поэтому механические примеси и вода в маслах должны полностью отсутствовать. Низкая температура застывания масел (-45 °С и ниже) необходима для сохранения их подвижности в условиях низких температур. Вязкость является одним из важнейших свойств масла. С позиций высокой электрической прочности желательно иметь масло более высокой вязкости. Для того, чтобы хорошо выполнять свои дополнительные функции в трансформаторах (как охлаждающая среда) и выключателях (как среда, где движутся элементы привода), масло должно обладать невысокой вязкостью, в противном случае трансформаторы не будут надлежащим образом охлаждаться, а выключатели- разрывать электрическую дугу в установленное для них время.

Температурой застывания называется температура, при которой масло загустевает настолько, что при наклонении пробирки с охлажденным маслом под углом 45° его уровень останется неизменным в течение 1 мин. В масляных выключателях температура застывания имеет решающее значение. Свежее масло не должно застывать при температуре -45°С; в южных районах страны разрешается применять масло с температурой застывания -35°С. Для эксплуатационных масел допускается ряд отступлений от нормированной температуры застывания в зависимости от того, находится ли масло в трансформаторе или выключателе, работает в закрытом помещении или же на открытом воздухе. Для специальных арктических сортов масла температура застывания уменьшается до -(60-65) °С, однако при этом понижается и температура вспышки до 90-100°С.

Температурой вспышки называется температура нагреваемого в тигле масла, при котором его пары образуют с воздухом смесь, воспламеняющуюся при поднесении к ней пламени. Вспышка происходит настолько быстро, что масло не успевает прогреться и загореться. Температура вспышки трансформаторного масла не должна быть ниже 135°С. Если нагреть масло выше температуры вспышки, то наступает такой момент, когда при поднесении пламени к маслу оно загорается.

Масло способно поглощать и растворять весьма значительные количества воздуха и других газов. При этом кислород, не только растворяется, но и химически соединяется с маслом, образуя продукты окисления. Выделение газов из масла очень часто является признаком зарождающегося дефекта в обмотке трансформатора. В настоящее время разработан и используется способ определения дефектов в трансформаторе по наличию растворенных в масле газов, хроматографический анализ.

Очисткой масла называется такая операция, с помощью которой загрязненное или окисленное масло приводится в пригодное для эксплуатации состояние. После хорошей очистки масло должно полностью восстановить свои начальные свойства, т.е. должно быть совершенно прозрачно, не должно содержать кислот, осадков, воды, угля и других загрязнений.

Из родственных трансформаторному маслу по свойствам и применению жидких диэлектриков стоит отметить конденсаторные и кабельные масла. Кабельные масла предназначены для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей. Основой их также является нефтяные масла. От трансформаторного масла отличаются повышенной вязкостью, увеличенной температурой вспышки и уменьшенными диэлектрическими потерями. Из марок масел отметим МН-4 (маловязкое, для заполнения кабелей низкого давления), С-220 (высоковязкое для заполнения кабелей высокого давления), КМ-25 (наиболее вязкое).

Второй тип жидких диэлектриков -трудногорючие и негорючиежидкости. Жидких диэлектриков с такими свойствами достаточно много. Наибольшее распространение в энергетике и электротехнике получили хлордифенилы. В зарубежной литературе они называются хлорбифенилами. Это вещества, имеющие в своем составе двойное бензольное кольцо, т.н. ди(би)фенильное кольцо и присоединенные к нему один или несколько атомов хлора. В России применяются диэлектрики этой группы в виде смесей, в основном смеси пентахлордифенила с трихлордифенилом. Коммерческие названия некоторых из них - «совол», «совтол», «калория-2».

Хлордифенилы являются хорошими диэлектриками. У них повышена диэлектрическая проницаемость e= 5-6 по сравнению с трансформаторным маслом из-за полярности связи электроотрицательного хлора с дифенильным кольцом. Тангенс угла диэлектрических потерь tgdненамного выше, чем у масла, электрическая прочность также высока. Применение этих диэлектриков было обусловлено как этими свойствами, так и, главным образом, их негорючестью. Поэтому в пожароопасных условиях (шахты, химические производства и т.п.) использовали трансформаторы и другие электрические аппараты, заполненные хлордифенильными диэлектриками.

Хлорированные углеводороды получаются из различных углеводородов путем замены в их молекул некоторых (или даже всех) атомов водорода атомами хлора. Наиболее широкое применение имеют полярные продукты хлорирования дифенила [молекула которого С₁₂Н₁₀ (или Н₅С₆-С₆Н₅) состоит из двух фенильных остатков], имеющие общий состав С₁₂Н_10-nCl_n. Чаще всего применяются смеси различных изомеров хлорированных дифенилов со средней степенью хлорирования n от 3 до 6 – полихлорбифенилов (ПХБ).

Из числа применяемых хлорированных дифенилов отметим совол, по составу близкий к пентахлордифенилу С₁₂Н₅Cl₅. Замена соловом нефтяного масла в производстве силовых бумажных конденсаторов позволяет снизить объем конденсатора при равной реактивной мощности примерно в два раза. Это дает большой экономический выигрыш, хотя совол и дороже масла. Совол более стабилен при работе в электрическом поле, чем масло. Недостатком конденсаторов, пропитанных соволом, является сильное уменьшение емкости при падении температуры ниже 0 °С. Совол - прозрачная бесцветная жидкость с плотностью около 1,5 Мг/м³. Благодаря высокой температуре застывания (+5°С) и значительной вязкости в области рабочих температур совол в чистом виде не может использоваться для заливки трансформаторов. Для этой цели совол должен разбавляться менее вязкими жидкостями, например гексахлорбутадиеном Cl₂C=CCl-CCl=CCl₂. Так, гексол - смесь 20% совола и 80% C₄Cl₆ - имеет около 3 и температуру застывания ниже минус 60°С.

Благоприятными свойствами обладает и смеси хлорированных дифенилов с другими хлорированными соединениями, применяемые для пропитки конденсаторов. Эти смеси, обозначаемые КЖ-30, КЖ-40 и КЖ-50, имеют соответственно значения , равные 6,0; 5,9 и 5,8 и температуры застывания минус 30, минус 45 и минус 50 °С. Хлорированные дифенилы не горючи.

Хлорированные углеводороды относят к стойким органическим загрязнителям (СОЗ). Их недостатком является высокая токсичность как самих жидкостей и их паров, так и – в еще большей степени - газов, которые образуются при воздействии электрической дуги на хлорированные дифенилы. Поэтому, во многих странах применение хлорированных дифенилов запрещено законом.

Производство совола и совтола в СССР (в г. Дзержинске на предприятии «Оргстекло») начато в 1939 году, а трихлорбифенила (ТХБ) - в 1968 году. Производство совтола было закрыто в 1987 году, трихлорбифенила – в 1990 году, совола – в 1990 году. Суммарный выпуск совола и совтола за весь период составил, ориентировочно, 75000 тонн, ТХБ - 70000 тонн.

В последние годы в России стоит проблема утилизации и уничтожения супертоксикантов - совтола и совола, широко применявшихся в электротехническом оборудовании 60-х годов. Разработанная специалистами ОАО "Новолипецкий металлургический комбинат" и НПП "Экоспектр" технология по безопасному обезвреживанию совола и совтола позволяет без ущерба для окружающей среды уничтожать 99,99995% вредного вещества. Процесс происходит в фурменной зоне доменной печи, что позволяет внедрить его и на других металлургических комбинатах.

Однако у всего класса этих веществ имеются два очень существенных недостатка - высокая токсичность и сильное влияние на озоновый слой. Хотя токсичность является очевидным недостатком, но наибольшее негативное влияние на применение хлордифенилов оказал второй его недостаток.

Очень интересен класс фторорганических жидкостей. В зарубежной литературе они называются перфторуглероды. По сути, это эквивалент обычным органическим жидкостям, только вместо атома водорода везде находится атом фтора. Например есть аналоги органическим соединениям, таким как пентан С5H12 – перфторпентан С5F12, гексан С6H14- перфторгексанС6F14, триэтил (пропил, бутил)амин – перфтортриэтил (пропил, бутил)амин и т.п. Существует даже перфтортрансформаторное масло. (В отличие от настоящего трансформаторного масла перфтортрансформаторное масло при нормальных условиях является твердым веществом и используется в качестве морозостойкой смазки). Наличие фтора на месте водорода означает, что вещество полностью окислилось. Поэтому фторуглеродные жидкости инертны по отношению к любым воздействиям, в.т.ч. стабильны под действием электрического поля и температуры. Замена атома H на атом F приводит к новым свойствам и новым возможностям: негорючесть, высокая термическая и химическая стабильность, инертность по отношению к металлам, твердым диэлектрикам и резинам, нетоксичность, отсутствие цвета и запаха, возможность подбора жидкостей с различными точками кипения и замерзания,низкая растворимость воды и высокая растворимость газов, отсутствие растворимости любых нефторированных материалов и т.д.

Прочие синтетические жидкости. Прочие синтетические жидкости представляют интерес и некоторые другие полярные синтетические электроизоляционные жидкости. Нитробензол Н₅С₆-NO₂, этиленгликоль НО-СН₂-СН₂-ОН и цианоэтилсахароза С₃₈Н₄₆N₈O₁₁ имеют весьма высокую диэлектрическую проницаемость.

Для использования в электрической изоляции сильнополярные жидкости должны быть чрезвычайно тщательно очищены, так как даже малейшие примеси существенно снижают их  и повышают tg . Интересной проблемой является важность использования в качестве диэлектрика конденсаторов сверхчистой воды (пока еще практически не полученoй), имеющий  =80.

Нитробензол характеризуется сильно выраженным эффектом Керра, почему может быть применен в устройствах, использующих этот эффект. Сравнительно слабо полярная жидкость – лектронил (эфир себациновой кислоты и бутилового спирта; строение молекулы Н₉С₄-СОО-(СН₂)₈–СОО–С₄Н₉); имеет весьма низкий tg  (менее 0,0001 в диапазоне частот до 10⁵-10⁶ Гц); её  - около 4,3.

Помимо синтетических электроизоляционных жидкостей, отличающихся по химическому составу и свойствам от нефтяных масел, существуют и синтетические жидкости углеводородного состава. Эти неполярные жидкости в ряде случаев обладают более ценными свойствами (лучшие электроизоляционные свойства, стойкость к тепловому старению, газостойкостью) по сравнению с маслами, получаемыми из нефти.

Так пропитка бумажных конденсаторов полиизобутиленом с низкой (10-20) степенью полимеризацией приводит к повышению постоянной времени саморазряда конденсатора примерно на порядок по сравнению с пропиткой нефтяным конденсаторным маслом или вазелином.

Сравнительно дешевый отечественный материал под названием октол представляет собой смесь полимеров изобутилена и его изомеров, имеющих общий состав С₄Н₈ и получаемых из газообразных продуктов крекинга нефти. Октол имеет молекулярную массу от 400 до 1500 и плотность 0,850-0,875 Мг/м³; его вязкость при 70°C составляет 1,3-3,0 мПа·с. Значение  октола около 2,3; tg  около 0,001. Октол с успехом применяется для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей на напряжения до10 кВ.

Жидкие синтетические углеводороды (додецилбензол, тридецилбензол) используются в кабелях на сверхвысоких рабочих напряжениях (275кВ и выше).