Elektrická pevnost transformátorových olejů

Jusupov, D. T. Vliv různých typů nečistot na výkonové charakteristiky olejů pro výkonové transformátory / D. T. Jusupov, T. A. Jusupov, F. T. Jusupova. – Text: direct // Technologie. Technologie. Strojírenství. – 2020. – č. 1 (15). – s. 34-37. – URL: https://moluch.ru/th/8/archive/152/4733/.

V této práci jsou studovány a stanoveny hlavní nečistoty ovlivňující výkonnostní charakteristiky transformátorového oleje. Analýza ukázala, že hlavními faktory jsou zvlhčené (voda), mechanické a rozpustné nečistoty.

Klíčová slova: transformátorový olej, výkonnostní charakteristiky, mechanické nečistoty, rozpustné nečistoty, vlhké nečistoty.

Spolehlivý a dlouhodobý provoz olejových transformátorů do značné míry závisí na kvalitě oleje. Kvalita oleje určuje i dobu trvání bezporuchového provozu olejových transformátorů [1].

Nejdůležitějším faktorem ovlivňujícím výkonnostní charakteristiky transformátorového oleje jsou mechanické (pevné) nečistoty.

Mechanické nečistoty jsou nerozpuštěné látky obsažené v oleji ve formě sedimentu nebo suspenze. Jedná se o vlákna, prach, kovové částice a další druhy nečistot.

Mechanické nečistoty, které mají významný vliv na výkonové charakteristiky (zejména elektrickou pevnost a barvu) transformátorového oleje, určují jeho kvalitu. Mohou se objevit při provozu transformátorového oleje v důsledku rozpouštění barev, laků a izolace. Mechanické nečistoty mají nepříznivý vliv na činnost výkonových transformátorů. Mohou způsobit přeskočení mezi izolovanými prvky a také snížit dielektrickou pevnost oleje. Je třeba poznamenat, že kontaminace a stárnutí transformátorového oleje během jeho provozu vede ke zvýšení dielektrických ztrát v oleji [2].

Podívejme se na hlavní typy mechanických nečistot v transformátorovém oleji.

Jedním z nebezpečných typů mechanických nečistot v transformátorovém oleji je uhlí. Elektrickým obloukem hořícím v blízkosti povrchu oleje vzniká uhlí, které má dobrou vodivost, což snižuje jeho průrazné napětí [2, 3].

Dalšími nejčastějšími nečistotami jsou vlákna, která se do oleje dostávají z izolačních materiálů (celulózová izolace) a odnímatelné části transformátoru [2, 5]. Celulózová izolační vlákna mají škodlivý vliv na dielektrickou pevnost transformátorového oleje.

Jednou z nečistot, které kontaminují transformátorový olej, je prach. Prach se do transformátorového oleje dostává z okolního prostředí a výrazně ovlivňuje jeho barvu. Velké množství prachu zpomaluje pohyb oleje v transformátoru [2, 4].

Dalším kontaminantem transformátorového oleje jsou kovy, které jsou široce používány při výrobě transformátorů. Pro vinutí a přípojnice se používá měď a hliník. Měď nejaktivněji urychluje oxidaci transformátorového oleje.

Stárnutím oleje se hromadí kal, který usazený na izolaci výkonového transformátoru zhoršuje jeho dielektrické vlastnosti. Kal nahromaděný na povrchu vinutí, odboček, přípojnic a v olejových kanálcích transformátoru zhoršuje procesy přenosu tepla a ve styku s celulózovou izolací urychluje její stárnutí.

Dalším hlavním faktorem ovlivňujícím výkonnostní charakteristiky transformátorového oleje jsou rozpustné nečistoty. Rozpustné nečistoty jsou produkty oxidačního stárnutí oleje.

Podívejme se na hlavní typy rozpustných nečistot v transformátorovém oleji.

Při dlouhodobém provozu transformátorového oleje se koloidní částice přítomné v továrním oleji zvětšují [3]. Koloidní částice, které se hromadí v oleji, jsou kyselé produkty, které neobsahují kovy, například pryskyřice, lakové složky a další oxidační produkty [3]. Vzhled koloidních částic zvyšuje číslo kyselosti a dielektrické ztráty transformátorového oleje. Například přítomnost 0,5 % pryskyřic zvyšuje tgφ 20krát [3].

Kyseliny, které přecházejí do kapalného dielektrika z lakových filmů, urychlují oxidační proces transformátorového oleje [3, 4].

Nečistoty rozpustné v asfaltové pryskyřici jsou tmavě hnědý nebo hnědý prášek, který vzniká oxidací naftenických pryskyřic. Jejich hlavní škodlivostí je, že usazené na vinutí zhoršují proces chlazení transformátoru [3, 4].

Usazeniny mýdla mají světle až tmavě hnědou barvu a vznikají vzájemným působením kovů a kyselin. Tyto usazeniny při interakci s vodou představují velké nebezpečí, protože mohou způsobit přeskočení nebo poruchu uvnitř transformátorů. Tento typ nečistot velmi ovlivňuje ztrátovou tangentu transformátorového oleje [3, 5].

Posledním významným faktorem ovlivňujícím výkonové charakteristiky transformátorového oleje jsou smáčené nečistoty (voda).

Voda vstupuje do transformátorového oleje z atmosféry nebo se může vyvinout jako produkt chemických reakcí v samotném transformátoru. Hlavním ukazatelem transformátorového oleje je elektrická pevnost – hodnota, která je extrémně citlivá na jeho vlhkost. V závislosti na obsahu vlhkosti v transformátorovém oleji může být voda ve třech skupenstvích [4, 5].

Volná voda je ve srovnání s jinými typy větší složkou. Lze jej snadno oddělit od kapalné izolace výkonového transformátoru a bývá umístěn ve spodní části tohoto elektrického zařízení.

Emulzní voda se skládá z malých kapiček kapaliny. Je obtížné ho oddělit od transformátorového oleje a je součástí jeho chemického složení. Kapky této vody se pod vlivem elektrického pole mohou seřadit do řetězců a vytvořit vodivé můstky [5] a v důsledku toho může tento typ vody ovlivnit průrazné napětí transformátorového oleje. Voda, nerozpuštěná ve formě emulze s velmi malou velikostí částic, způsobuje prudké zvýšení dielektrických ztrát.

Vázaná voda je objemově velmi jemná. Jeho chemické složení úzce souvisí s chemickým složením transformátorového oleje. A proto je velmi těžké se ho zbavit. Nachází se také v čerstvém oleji. A na druhé straně vázaná voda nemá významný škodlivý vliv na výkonové charakteristiky kapalné izolace výkonového transformátoru.

Proces stárnutí transformátorového oleje je ovlivněn směsí různých nečistot (zejména částicemi mědi a jiných kovů, celulózovými vlákny, koloidními částicemi) a jejich kombinovaný vliv na výkonnostní vlastnosti transformátorového oleje je mnohem silnější než vliv jednoho z tyto faktory samostatně.

1. Vysogorets S.P., Vasiliev A.P. Metoda pro hodnocení účinnosti obnovy životnosti transformátorových olejů při provozu výkonových transformátorů // Elektrotechnické komplexy a řídicí systémy, č. 2, 2011. S.59–65.
2. Lipshtein R. A., Shakhnovich M. I. Transformer oil. -M.: Energoatomizdat, 1983 – 296 s.
3. Manevich L. O. Zpracování transformátorového oleje. 2. vyd., revidováno. A. přidat. -M.: Energoatomizdat, 1985. – 104 s.
4. Yusupov D. T. Analýza vlivu vody a mechanických nečistot na některé provozní charakteristiky kapalné izolace výkonového transformátoru // Scientific and Technical Journal of FerPI, 2017 č. 1. S.86–89.
5. Yusupov D. T., Yusupov Sh., Markaev N. M. Vliv mechanických nečistot na výkonnostní charakteristiky transformátorového oleje // Mladý vědec. -2019. -č. 22. s. 144–146.

Svůj vědecký článek můžete rychle a snadno publikovat v časopise „Mladý vědec“. Obratem vám poskytneme preprint a certifikát o publikaci.

Jedním z hlavních ukazatelů charakterizujících izolační vlastnosti transformátorových olejů v praxi jejich použití je jejich elektrická pevnost:

kde Upr je průrazné napětí; h je vzdálenost mezi elektrodami.

Průrazné napětí přímo nesouvisí s měrnou vodivostí, ale stejně jako ona je velmi citlivé na přítomnost nečistot. Při sebemenší změně vlhkosti kapalného dielektrika a přítomnosti nečistot v něm (stejně jako u vodivosti) elektrická pevnost prudce klesá. Změny tlaku, tvaru a materiálu elektrod a vzdálenosti mezi nimi ovlivňují elektrickou pevnost. Zároveň tyto faktory neovlivňují elektrickou vodivost kapaliny.

Čistý transformátorový olej, zbavený vody a dalších nečistot, bez ohledu na jeho chemické složení, má vysoké, pro praktické účely dostatečné průrazné napětí (více než 60 kV), které se stanoví v plochých měděných elektrodách se zaoblenými hranami a vzdáleností mezi nimi 2,5 mm. Elektrická pevnost není konstantní hodnotou materiálu.

Při rázovém napětí nemá přítomnost nečistot téměř žádný vliv na elektrickou pevnost. Obecně se uznává, že mechanismus průrazu při rázovém (pulzním) napětí a dlouhé expozici je odlišný. Při pulzním napětí je elektrická pevnost výrazně vyšší než při relativně dlouhé expozici napětí s frekvencí 50 Hz. V důsledku toho je nebezpečí spínacích přepětí a bleskových výbojů relativně malé.

Zvýšení pevnosti se zvyšující se teplotou od 0 do 70 °C je spojeno s odstraněním vlhkosti z transformátorového oleje, jeho přechodem z emulzního stavu do rozpuštěného stavu a snížením viskozity oleje.

Rozpuštěné plyny hrají v procesu průrazu hlavní roli. I při intenzitě elektrického pole nižší, než je intenzita průrazu, se na elektrodách tvoří bubliny. S klesajícím tlakem u neodplyněného transformátorového oleje klesá jeho pevnost.

Průrazné napětí nezávisí na tlaku v následujících případech:

a) pečlivě odplyněné kapaliny;

b) rázová namáhání (bez ohledu na kontaminaci a obsah plynu v kapalině);

c) vysoké tlaky [asi 10 MPa (80–100 atm)].

Průrazné napětí transformátorového oleje není určeno celkovým obsahem vody, ale její koncentrací v emulzním stavu.

K tvorbě emulzní vody a poklesu elektrické pevnosti dochází v transformátorovém oleji obsahujícím rozpuštěnou vodu, a to při prudkém poklesu teploty nebo relativní vlhkosti vzduchu, a také při míchání oleje v důsledku desorpce vody adsorbované na povrchu nádoby.

Při nahrazení skla v nádobě polyethylenem se snižuje množství emulzní vody desorbované z povrchu během míchání oleje a odpovídajícím způsobem se zvyšuje jeho pevnost. Transformátorový olej, opatrně slitý ze skleněné nádoby (bez míchání), má vysokou elektrickou pevnost.

Polární látky s nízkým a vysokým bodem varu, tvořící v transformátorovém oleji skutečné roztoky, nemají prakticky žádný vliv na specifickou vodivost a elektrickou pevnost. Látky, které tvoří v transformátorovém oleji koloidní roztoky nebo emulze s velmi malou velikostí kapiček (které jsou příčinou elektroforetické elektrické vodivosti), pokud mají nízký bod varu, redukují, a pokud je jejich bod varu vysoký, nemají prakticky žádný vliv na pevnost.

Navzdory obrovskému množství experimentálního materiálu je třeba poznamenat, že stále neexistuje jediná, obecně přijímaná teorie průrazu kapalných dielektrik, a to ani v kontextu dlouhodobého vystavení napětí.

Průraz v kapalných dielektrikách kontaminovaných nečistotami během delšího vystavení napětí je v podstatě skrytý průraz plynu.

Existují tři skupiny teorií:

1) tepelné, vysvětlující vznik plynového kanálu v důsledku varu samotného dielektrika v místech lokální zvýšené heterogenity pole (vzduchové bubliny atd.)

2) plyn, u kterého zdrojem průrazu jsou bubliny plynu adsorbované na elektrodách nebo rozpuštěné v oleji;

3) chemická, vysvětlující rozpad jako výsledek chemických reakcí probíhajících v dielektriku pod vlivem elektrického výboje v plynové bublině. Tyto teorie mají společné to, že k rozpadu oleje dochází v parním kanálu vytvořeném odpařováním samotného kapalného dielektrika.

Existuje hypotéza, že parní kanál je tvořen nízkovroucími nečistotami, pokud způsobují zvýšenou vodivost.

Pod vlivem elektrického pole jsou nečistoty obsažené v oleji a tvořící v něm koloidní roztok nebo mikroemulzi vtahovány do zóny mezi elektrodami a driftují ve směru pole. Významné množství tepla, v tomto případě uvolněného v důsledku nízké tepelné vodivosti dielektrika, se vynakládá na ohřev samotných částic nečistot. Pokud jsou tyto nečistoty příčinou vysoké měrné vodivosti oleje, pak se při nízkém bodu varu nečistot odpařují a při dostatečném obsahu tvoří „plynový kanál“, ve kterém dochází k průrazu.

Centra odpařování mohou být bubliny plynu nebo páry vytvořené pod vlivem pole (v důsledku elektrostrikčního jevu) v důsledku nečistot rozpuštěných v oleji (vzduch a další plyny a také případně nízkovroucí produkty oxidace kapalného dielektrika).

Průrazné napětí olejů závisí na přítomnosti vázané vody v nich. V procesu vakuového sušení oleje se pozorují tři fáze: I – prudký nárůst průrazného napětí, odpovídající odstranění emulzní vody, II – při kterém se průrazné napětí mění jen málo a zůstává na úrovni asi 60 kV ve standardním děrovači, kdy se odstraňuje rozpuštěná a slabě vázaná voda, a III – pomalý nárůst průrazného napětí oleje v důsledku odstranění vázané vody.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Zjednodušte si výpočty elektrických obvodů, parametrů zařízení a dalších elektrotechnických úkolů s touto praktickou aplikací: Online kalkulačka elektrotechniky

Rozvíjejte své profesní dovednosti s katalogem specializovaných kurzů pro technické profesionály – vyberte si vhodný formát a témata.

Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!

Nenechte si ujít aktualizace, přihlaste se k odběru našich sociálních sítí: