Характеристики трансформаторного масла в значительной степени зависят от примесей. Так, содержание всего 0,01...0,02% влаги в масле приводит к снижению пробивного напряжения в 4...5 раз. Это объясняется тем, что полярная жидкость — вода (е = 80), находясь в неполярной жидкости — масле (е = 2,2), способна ориентироваться в виде цепочек, вытянутых между электродами в направлении поля. По этим цепочкам и происходит пробой увлажненного масла. Для создания цепочек достаточно небольшого количества влаги, дальнейшее повышение ее содержания в масле поведет только к нарастанию числа параллельных цепей, что не изменит значения пробивного напряжения В неравномерных полях, в местах с повышенной напряженностью высокая концентрация влаги может привести к образованию крупных капель, оседающих на дно сосуда за пределы межэлектродного пространства. Поэтому влияние влажности менее заметно при пробое масла в неравномерном электрическом поле.
При эксплуатации трансформатора влага может поступать в масло из окружающей среды и образовываться в масле в результате происходящих в нем окислительных процессов.
Отрицательно влияют на масло некоторые примеси.
Парафин, растворяясь в масле, увеличивает его вязкость. Его присутствие особенно недопустимо в масле выключателей.
Уголь безвреден для масла, но действует как стабилизирующий фактор для эмульсии воды и способствует увеличению количества воды в масле.
Осадки и шлам — продукты старения масла — гигроскопичны и накапливают в себе значительное количество влаги. Являясь полярными диэлектриками, они могут образовывать проводящие мостики между электродами, по которым может происходить пробой масла. К перекрытиям и разрушениям приводят и отложения осадков и шлама на поверхности твердой изоляции, находящейся в масле; кроме того, осадки закупоривают каналы между обмотками трансформатора и ухудшают его охлаждение.
Окисление масла происходит под воздействием кислорода воздуха, повышенной температуры и примесей. Порознь эти факторы воздействуют на масло значительно слабее.
Примеси из масла удаляют сушкой или очисткой, а химический состав восстанавливают регенерацией.
В энергетических системах масло сушат двумя способами: а) просасыванием через него сухого азота или углекислого газа при комнатной температуре; над маслом создают вакуум 20... 30 кПа; б) распылением масла при комнатной температуре и остаточном давлении 2,5...5,5 кПа, для ускорения сушки масло подогревают до 40...50°С (313...323K) при остаточном давлении 8.., 13 кПа.
В условиях небольших ремонтных предприятий масло сушат путем подогрева или отстоя его при температуре 25...35°С (298... 308К). Отстой — крайне простой, дешевый и безвредный для масла способ сушки. Недостаток его — большая длительность операции.
Сушка масла при помощи подогрева также несложна, причем масло можно подогревать самыми различными методами, в том числе в собственном баке трансформатора. Но длительный нагрев масла может привести к его порче.
В условиях эксплуатации масло не только увлажняется, но и загрязняется. От воды и механических примесей масло очищают центрифугированием и фильтрованием.
Центрифугирование позволяет отделить воду и примеси, которые тяжелее масла. Температура масла должна быть 45...55°С (318...328К). При пониженной температуре высокая вязкость масла препятствует отделению воды и примесей, а при повышении температуры выше 70°С (343К) воду трудно отделить из-за начинающегося парообразования и повышенной растворимости воды в масле. Кроме того, при повышенной температуре происходит интенсивное старение масла.
Фильтрование — продавливание масла через пористую среду (картон, бумага, материя, слой отбеливающей земли или силикагеля) осуществляют при помощи фильтр-прессов. Фильтровальная бумага и картон не только задерживают примеси, но и впитывают воду.
Наибольшей гигроскопичностью обладает мягкий и рыхлый картон, однако он плохо задерживает шлам и уголь и сам выделяет много волокон. Чередование в фильтр-прессе листов мягкого и твердого картона позволяет получить хорошо очищенное масло.
Фильтровать масло желательно при температуре 40...50°С (313... 323К), так как при большей температуре падает гигроскопичность картона и возрастает растворимость воды в масле. Загрязненный картон можно прополоскать в чистом масле высушить и вновь пустить в работу. Для очистки 1 т масла требуется около 1 кг картона.
Фильтр-пресс включают обычно после центрифуги для удаления остатков шлама и воды. Он обеспечивает почти предельную очистку масла от воды и наиболее высокую электрическую прочность масла. К достоинствам фильтр-пресса относятся его способность работать при нормальной температуре, отсутствие смешивания масла с воздухом и возможность очистки масла от мельчайших частиц угля. Однако центрифуги способны очистить масло, содержащее эмульсии, тогда как фильтр-пресс для очистки таких масел непригоден.
Центрифуги и фильтр-прессы можно применять для очистки масел, находящихся в баках трансформаторов, в том числе и работающих, но при строгом соблюдении техники безопасности н особых условий. Использование в фильтр-прессах в качестве дополнительной фильтрующей среды силикагеля или отбеливающих глин заметно снижает кислотное число масла.
В результате эксплуатации масло окисляется («стареет»), при этом изменяется его химический состав, образуются кислоты и смолы и одновременно разрушаются те естественные антиокислители, которые содержатся в свежем масле. Вследствие старения масла ускоряется разрушение изоляции трансформаторов. Особенно разрушается изоляция органического происхождения. Однако старение масла затрагивает 3...5% основных углеводородов масла, остальная их часть остается неизменной и хорошего качества. Поэтому масло можно восстанавливать — регенерировать. Регенерация масла позволяет удалять из него продукты окисления и таким образом дать ему вторую жизнь. Периодичность регенераций должна составлять 5...7 лет. Анализ причин повреждаемости трансформаторов показывает, что примерно у 30% вышедших из строя трансформаторов изоляция повреждена вследствие ускоренного старения масла.
Технология регенерации масел может быть различной. Так, на крупных предприятиях масла регенерируют по схеме «кислота — щелочь — промывка — земля» или «щелочь — кислота — промывка— земля». Для несильно окисленных масел применяют сокращенный метод регенерации «кислота— земля» или «щелочь—земля». В условиях эксплуатации наибольшее распространение получила регенерация масел при помощи адсорбентов (особые типы глин или получаемые искусственным путем материалы), которые обладают сильно пористой поверхностью и при соприкосновении с маслом поглощают из него воду и различные полярные примеси. Так, адсорбент — окись алюминия — хорошо удаляет из масла органические и низкомолекулярные кислоты, поэтому применяется чаще всего для непрерывной регенерации масла при помощи термосифонных фильтров. Силикагель хорошо извлекает из масла смолы и в меньшей степени кислоты и применяется для регенерации более окисленных масел. Отбеливающие земли менее активны, чем искусственные адсорбенты, и применяются для доочистки масел после кислотной регенерации.
Масла регенерируют двумя способами: контактным и фильтрованием (перколяцией). При первом способе окисленное масло перемешивают с мелкоразмолотым адсорбентом (обычно природные глины и земли) при температуре 80...90°С (353...363К) в течение 20...30 мин, после чего фильтруют.
Следует иметь в виду, что переочистка масла снижает его стабильность.
Для продления срока службы масла в трансформаторах и, следовательно, срока службы самого трансформатора в эксплуатации принимают следующие меры.
Полностью или частично защищают масло от соприкосновения с наружным воздухом. Так, за рубежом, особенно в Скандинавских странах, небольшие хутора снабжают электроэнергией от полностью герметизированных трансформаторов.
Ряд французских фирм производит крупные трансформаторы с. азотной защитой масла, у которых воздух из пространства между крышкой бака и маслом выкачан и заменен азотом. На крышке бака укреплена емкость (эластичный мешок), объем которой изменяется в зависимости от температуры нагрева трансформатора. Некоторые из фирм устанавливают на крышку бака трансформатора клапанное устройство, которое при нагреве трансформатора излишек азота, находящегося в пространстве под крышкой, выпускает в атмосферу, а при охлаждении трансформатора герметизирует его.
Трансформаторы отечественного производства снабжены расширителями, установленными на крышке бака, это резко сокращает поверхность соприкосновения масла с окружающей средой. На крупных трансформаторах устанавливают фильтры, поглощающие кислород и влагу из воздуха, поступающего в трансформатор при его работе.
Снижают температуру нагрева масла при эксплуатации. Согласно рекомендациям ПТЭ, окрашивают баки трансформаторов в светлые тона, а также обеспечивают соответствующую вентиляцию работающих трансформаторов.
Рис. 57. Вид трансформатора с термосифонным (I) и воздухоочистительным (II) фильтрами:
1 — соединительная трубка; 2 — корпус; 3 — проволочная сетка; 4—адсорбент; 5 — соединительная трубка; 6 — вентиль; 7 — сливное отверстие.
В масло вводят специальные присадки — стабилизаторы, или ингибиторы (ионол, амидопирин и др.), являющиеся антиокислителями масла и заметно повышающие его стабильность. Присадки не только удлиняют начальный (индуктивный) период окисления масла, но и защищают масло от каталитического действия металлов и предохраняют металлы от коррозии кислыми продуктами старения масла.
Необходимо иметь в виду, что в зависимости от исходного сырья (нефти) составы масел могут быть неодинаковыми. Поэтому перед доливкой масел в аппараты необходимо обязательно провести анализ проб масла, убедиться в их идентичности и выбрать соответствующий ингибитор.
Применяют термосифонные фильтры для непрерывной регенерации масла (предусмотрено ПТЭ для трансформаторов мощностью 160 кВ-A и выше). Это наиболее совершенные методы продления срока службы трансформаторных масел.
Термосифон представляет собой цилиндр, заполненный адсорбентом и присоединенный патрубками к верхней и нижней частям бака трансформатора (рис. 57). Благодаря разности температур масло, циркулируя в термосифоне, очищается от воды, кислот, смол и шлама.
Количество силикагеля в фильтре должно составлять 0,25...1,5% массы масла. Чем больше силикагеля, тем выше эффективность его воздействия на масло. От количества силикагеля зависит продолжительность работы фильтра. Его можно включать и выключать по мере необходимости и даже переносить с одного трансформатора на другой.
Рис. 58. Поглотительный патрон:
1 — корпус; 2 -адсорбент.
Небольшие по мощности трансформаторы сельских распределительных сетей, к сожалению, не снабжаются термосифонными фильтрами.
В условиях эксплуатации при ревизиях и ремонтах трансформаторов целесообразно на крышках их баков устанавливать так называемые поглотительные патроны (рис. 58). Поглотительными патронами или термосифонными фильтрами различной конструкции можно обеспечивать при ремонтах все трансформаторы устаревших серий.
При прокаливании крупных частиц отработанного адсорбента при температуре 600...700°С (873...973К) выгорают все органические вещества в их порах и активная поверхность частиц адсорбента восстанавливается.
Заслуживает внимания опыт использования в термосифонных фильтрах добавки к силикагелю более активного влагопоглотителя — цеолита.
Авторы исследовали изменение электрической прочности масла двух трансформаторов, один из которых был снабжен термосифонным фильтром, заполненным комбинированным адсорбентом с соотношением цеолита и силикагеля 1:5, другой не имел фильтра. Электрическая прочность трансформаторного масла без фильтра изменялась в зависимости от изменения относительной влажности окружающей среды.
Пробивное напряжение масла трансформатора с фильтром сначала возрастало даже при повышении влажности окружающей среды (77...84%) и достигло 46,8 кВ против 36 кВ на день включения, затем пробивное напряжение масла снизилось и к шестому месяцу эксплуатации достигло 25,5 кВ, в то время как относительная влажность окружающей среды снизилась и достигла 60...70%. Такое явление объясняется тем, что количество цеолита, обладающего высокой аккумулирующей способностью, оказалось недостаточным, его возможности были исчерпаны за 2 месяца. В то время когда в трансформаторе должен был происходить естественный процесс самоосушения изоляции масла за счет снижения относительной влажности окружающей среды, масло постепенно увлажнилось за счет десорбции влаги, накопленной цеолитом. Последнее подтвердилось контрольными взвешиваниями цеолита: по отношению к своей массе он поглотил 56% влаги.
Таким образом, цеолит может оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на масло. После повышения соотношения цеолита и силикагеля в трансформаторе до 1: 2,5 продолжительность адсорбционной способности фильтра возросла до 8 месяцев. Этого рабочего цикла вполне достаточно для регулирования влагосодержания масла в допустимых пределах в наиболее тяжелые периоды работы трансформаторов в условиях сельского хозяйства.
Контрольные взвешивания цеолита показали, что за 8 месяцев он поглотил влаги 35% своей массы. Среднее пробивное напряжение масла составило 45 кВ при низшем пределе 38 кВ в момент включения.
5. Регулярно по плану проверяют состояние масла и при необходимости очищают его.
Находящееся в эксплуатации изоляционное масло, согласно ПТЭ, должно подвергаться лабораторным испытаниям в следующие сроки:
один раз в год для трансформаторов, работающих без термосифонных фильтров, — сокращенный анализ;
не реже одного раза в 3 года для трансформаторов, работающих с термосифонными фильтрами, — сокращенный анализ;
после капитальных ремонтов трансформаторов и аппаратов.
При повышенных значениях tgδ и С2/С50 обмоток и вводов трансформаторов измеряют tgδ масла.
Внеочередную пробу масла для определения температуры вспышки нужно отбирать из трансформатора при обнаружении горючего газа в газовом реле трансформатора.
В измерительных трансформаторах напряжением до 20 кВ и силовых трансформаторах мощностью до 63 кВ-А, напряжением до 10 кВ включительно пробы масла не отбирают и масло заменяют при браковочных показателях по результатам профилактических испытаний изоляции.
