Метод сверхглубокой очистки трансформаторного масла

А. С. Курочкин, С. А. Курочкин, ООО «Микроинтер» Е. В. Львов, МЗС Сибири В. Л. Осадчий, ООО «Центр молекулярных технологий»
Высокий класс чистоты используемого масла - обычное требование современных гидравлических и смазочных систем. Однако не всегда поставщики масла обеспечивают должный уровень его чистоты, а это приводит к необходимости производить дополнительную очистку перед началом использования. Ниже приведены средние классы чистоты масел из разных источников (рис. 1).

Рис. 1. Содержание механических примесей в масле при разном классе частоты: а - свежее масло из автоцистерны: 16 кн. по ГОСТ 17216-2001; ISO 23/21/18;
а - свежее масло из герметичной канистры: 11 кл. по ГОСТ 17216-2001; ISO 18/16/13; в - свежее масло из стандартной бочки: 13 кл. по ГОСТ 17216-2001; ISO 20/18/15; г - требование к современным системам: 8-9 кн. по ГОСТ 17216-2001; ISO 16/14/11

На сегодняшний день в российской энергетике сложилась сложная ситуация, обусловленная несколькими факторами: сильным износом основных мощностей, моральным устареванием основной части оборудования, недостаточным финансированием инвестиционных планов предприятий, направленных на поддержание и обновление производственных мощностей. Это, на наш взгляд, основные факторы большой ресурсоемкости и, как следствие, низкой эффективности производства как тепловой, так и электрической энергии на территории РФ. Целью данной работы является способствование выходу российской энергетики на более эффективный способ управления активами и процессом генерации энергии. Одним из инструментов повышения эффективности генерации и использования энергии, на наш взгляд, является уменьшение количества ресурсов, затрачиваемое на ее производство, при одновременном сохранении и даже увеличении объемов генерации. Очевидно также, что необходимо внедрять новые технологии для поддержания технической конкурентоспособности российской энергетики. Одновременно необходимо обеспечивать надежность энергоснабжения потребителей. Для этого следует контролировать бесперебойность функционирования объектов энергетики. Бесперебойность же обеспечивается поддержанием основного оборудования в хорошем состоянии и постоянным контролем его работы.
Одним из ресурсов, используемых в процессе генерации и распределения, является масло. Очевидно, что масло не является непосредственным средством производства, однако оно выполняет функции, без осуществления которых работа основного оборудования, такого, как трансформаторы, не представляется возможной. Само масло выполняет различные функции - теплоотводную, изоляционную. Квалифицированна масла как ресурса обусловлено необходимостью периодического его обновления в силу объективного процесса загрязнения. Действительно, в процессе эксплуатации маслу свойственно наполняться загрязнителями различного размера и состава. Обусловлено это естественным износом подвижных частей оборудования, процессом окисления масла и сложными химическими реакциями, происходящими внутри трансформаторного оборудования. Последние факторы приводят к образованию и накоплению влаги в толще масла; изоляционные обмотки трансформаторов имеют тенденцию к разрушению, в результате чего продукты их распада остаются в масле, в конце концов само масло имеет тенденцию к старению, это означает в том числе, что добавки и присадки, содержащиеся в масле, выполнив свои функции, выпадают также в виде штамма. Как результат, мы видим разнообразные группы загрязнителей: продукты старения масла (разложившиеся добавки), вода, продукты коррозии, силикаты, бумажные волокна изоляции обмоток, продукты окисления, газы, кислоты и т. п. Представляется очевидным, что упомянутые выше загрязнители негативно влияют на условия работы основного оборудования в силу неполноценности выполнения маслом его функций и не просто снижают эффективность процесса генерации, но и приводят к отказам. Таким образом, значимость масла для эффективного и бесперебойного функционирования генерирующего и распределяющего оборудования в известной степени определена.
Именно частицы, имеющие размер менее 5 мкм, являются наиболее опасными для функционирования трансформатора, так как они представляют примерно 95 % от общего числа загрязнителей в масле и в основном являются продуктами окисления масла. Эти загрязнители полярны и имеют свойство притягиваться и налипать на внутренние поверхности трансформатора по достижению маслом определенного уровня загрязненности, что препятствует выходу воды, образующейся внутри бумажной изоляции обмоток и тем самым ускоряет процесс разрушения изоляции. Загрязнители, кроме того, препятствуют теплообмену между обмотками трансформатора и маслом, а ровно и между маслом и охладителями, что увеличивает рабочую температуру трансформатора, как следствие, снижает допустимую нагрузку на трансформатор, ускоряет процессы окисления в толще. С осознанием факта пагубного влияния загрязнителей на надежность оборудования стала очевидной потребность в очистке и регенерации используемого масла, так как оно само по себе сравнительно дорогой продукт, а потребность в его замене неизменно существовала и существует по сей день. В то же время встала проблема регламентации порядка поддержания чистоты промышленных жидкостей, результатом чего явилось появление ГОСТ 17216-2001 «Чистота промышленная. Классы чистоты жидкостей». Необходимо заметить, что проблема эта была осознана во всем мире, поэтому существуют аналогичные международные стандарты по чистоте, например ISO и NAS. С появлением потребности в очистки стало необходимым появление установок, осуществляющих ее.
Поскольку очистка масел от частиц размером 5 мкм и выше не обеспечивает должного уровня чистоты, невозможно таким способом очистки довести масло до состояния ниже уровня насыщения загрязнителями. Соответственно налицо еще одна проблема: без останова оборудования невозможно очистить внутренние поверхности маслонаполненного оборудования (рис. 2).

Рис. 2. Налипание продуктов окисления на внутренние поверхности оборудования, в том числе на обмотки
К сожалению, в данный момент проблема загрязнителей размером менее 5 мкм не получила должного освещения и, как следствие, практически не осознается отечественными предприятиями. Опыт нашей работы с главными инженерами станций показал, что лишь немногие понимают, что есть такая проблема, а многие и после объяснения не признают опасность использования неочищенного масла, не говоря уже о размерах загрязнителей. Тем временем качественная глубинная очистка масла (до размеров загрязнителей менее 5 мкм) позволит избежать активного потребления данного продукта и даст станциям, как и всем предприятиям, имеющим маслохозяйство, возможность высвобождать средства на модернизацию путем экономии на затратах по покупке данного продукта, ровно как и путем продления срока службы основного оборудования, при сохранении объемов амортизационных отчислений.
Необходимо более подробно остановиться на проблеме загрязнителей размером менее 5 мкм.
Мелкие частицы, имеющие размер менее 5 мкм, в большинстве своем являются продуктами окисления. В то же время они поляризованы. И в силу своей заряженности эти частицы имеют свойство притягиваться к стенкам внутренней поверхности оборудования, налипать на них и со временем образовывать изолирующий слой, который мешает отводу тепла из масла, что лишь катализирует процесс образования продуктов окисления, так как с повышением температуры норма окисления растет по экспоненте. На трансформаторах, этот слой облепляет в том числе и обмотки и препятствует выходу воды из бумажной изоляции обмоток, которая со временем там образуется. Кроме того, поскольку в результате такого налипания зазоры между обмотками уменьшаются, возможно возникновение короткого замыкания между обмотками, что приводит к еще большему темпу образования загрязнителей в результате разламывания молекул масла и потере мощности.
Как становится понятно, игнорировать такую проблему нельзя, необходимо искать пути ее решения. Одним из таких путей может стать метод электростатической очистки.
Следует заметить, что этот метод существует уже в настоящее время. Проводились разработки этой технологии на территории СССР, однако до конца, по-видимому, доведены не были. Идея этого метода заключается в пропускании масла через электрическое поле, при котором полярные частицы осаждаются на электроды (рис. 3).

Рис. 3. Изображение процесса осаждения частиц загрязнений в ячейках-накопителях
Поскольку этот метод не задействует никаких фильтров, то скорость потока масла не падает и соответственно не создается повышенного давления. Очевидно, что заряженные мелкие частицы (продукты окисления) таким образом удаляются, чего невозможно добиться с помощью фильтрации. А коль скоро масло очищается до уровня частиц размерами приблизительно 0,1 мкм, это позволяет достигнуть уровня частоты, который далек от уровня насыщенности. Соответственно масло, уже очищенное, будет впитывать в себя отложения с внутренних поверхностей оборудования (за счет процесса диффузии), что позволит очищать и их, вот почему процесс очистки должен быть циклическим. Здесь, однако, возникает проблема с содержанием воды в масле, так как вода является проводником. Поэтому такой метод применим только к маслам с содержанием воды не более 500 ррт.
Если подходить к процессу очистки ответственно, то нельзя не признавать несостоятельность методов очистки, обеспечивающих класс очистки от загрязнителей размером более 5 мкм. Конечно же, такая очистка не лишена смысла, но она не решает проблемы, возникающие в оборудовании из-за грязного масла, она их лишь отсрочивает. Ведь таким образом внутренние полости маслосистемы не очистить, а между тем специалисты отмечают, что внутри системы загрязнителей и шлама в 3-5 раз больше, чем в толще масла .
Если уж мы затронули такую категорию, как нечто «лишенное смысла», то к ней можно отнести одноразовую очистку. Как уже было отмечено, очищенное масло склонно впитывать в себя отложения с внутренних поверхностей оборудования. Поэтому, очистив масло лишь один раз, проблему не решить, так как это самое масло сразу же станет снова загрязненным.

Рис. 4. Сравнительный анализ чистоты масла, проведенный на мембране с размером пор 0,8 мкм: а - масло, очищенное до 0,8 мкм; 6 - масло, очищенное до 5 мкм
Важно отметить, что при наложении внешнего поля на масло происходит процесс поляризации, так как положительные заряды будут стремиться по направлению вектора напряженности, а отрицательные - в обратном направлении. В результате молекулы базового масла приобретают дипольный момент и оно поляризуется.
Таким образом использование оборудования по сверхглубокой очистке масел на энергообъектах представляется крайне необходимым, особенно после проведения ремонтных работ, а увеличение срока эксплуатации масел в 3 4 раза позволяет получить значительный экономический эффект.
Экспертное заключение о применении технологии сверхглубокой очистки для трансформаторных масел и внутренних поверхностей трансформатора
В период с 29.09.2009 по 22.10.2009 на АТ-2-240 ПС 220 кВ «Кемеровская» выполнялся капитальный ремонт с применением оборудования и технологии обработки трансформаторных масел, регламентированных СО 34.46.605. В период с 27.10.2009 по 02.11.2009 были выполнены работы по экспериментальной сверхглубокой очистке трансформаторного масла и внутренних поверхностей трансформатора ООО «Центр молекулярных технологий». Для проведения работ по сверхглубокой очистке было использовано оборудование «Комплекс фильтров очистки диэлектрических жидкостей», производительность составила 1900 л/ч. Работы по нагреву трансформаторного масла, его осушке и дегазации были выполнены специалистами Кузбасского ПМЭС на собственной установке УВМ-5.

Влияние сверхглубокой очистки на показатели качества трансформаторного масла

Для оценки качества сверхглубокой очистки были отобраны пробы масла до и после проведения работ. Результаты анализов оформлены соответствующими протоколами.

Основные функции трансформаторного масла, методы контроля качества масел.

Трансформаторное масло является одновременно и изоляционной, и охлаждающей средой, имеет контакт с токоведущими конструкциями, магнитопроводом и твердой изоляцией.
Основными способами сохранения эксплуатационных свойств масла являются:

1. непрерывная регенерация адсорбентами масла с использованием адсорбционных и термосифонных фильтров;
2. обеспечение герметичности оборудования и правильная эксплуатация воздухоосушительных фильтров;
3. применение специальных средств защиты масла от окисления и загрязнения (пленочная или азотная защита) или полная герметизация электрооборудования;
4. поддержание необходимой концентрации антиокислительной присадки Агидол-1 (ионол);
5. эффективное охлаждение масла.

Процесс старения происходит при повышенных температурах за счет совместного воздействия молекулярного кислорода воздуха, воды и электрического поля.
Чтобы эффективно выполнять функции диэлектрика и теплоотводящей среды, а также для продления срока службы трансформаторного масла (при правильной эксплуатации срок службы масла должен быть не менее срока службы оборудования, в которое оно залито), необходимо контролировать его состояние.

Сравнение результатов анализов масла до и после очистки.

Сравнительный анализ результатов испытания трансформаторных масел показал следующее влияние сверхглубокой очистки на показатели качества трансформаторного масла:

1. увеличилась электрическая прочность масла с 50 до 56 кВ;
2. класс промышленной чистоты снизился с 6 до 2;
3. содержание растворимого шлама уменьшилось с 0,00014 до 0,00001 %;
4. увеличилось влагосодержание с 18,7 до 23 гт;
5. остальные параметры трансформаторного масла существенно не изменились.

Показатели качества масла, полученные после сверхглубокой очистки.

Пробивное напряжение масла. Электрическая прочность является основной изоляционной характеристикой масла, определяющей его работоспособность. Электрическая прочность снижается при значительном увлажнении масла (вода в виде эмульсии) и загрязнении его механическими примесями.

Содержание механических примесей. Появление механических примесей в масле свидетельствует о грубых дефектах при производстве изоляции либо о наличии истирания и расслоения материалов в процессе эксплуатации. Механические примеси приводят к снижению электрической прочности масла.
Анализ механических примесей проводился двумя лабораториями. Результаты лабораторий различны (лаборатория ИАЦ Кузбасстехэнерго определила снижение класса чистоты с 9 до 5, лаборатория Хакасского ПМЭС - с 6 до 2 класса). Но обе лаборатории определили снижение показателя на четыре пункта. В сравнительной таблице приведены результаты лаборатории Хакасского ПМЭС, так как они содержат информацию о фракционном составе механических примесей.

Как видно из таблицы, произошло существенное снижение класса чистоты. Можно сделать вывод: технология сверхглубокой очистки диэлектрических жидкостей позволяет получать масла с любым заданным классом чистоты.
Содержание растворенного шлама. Наличие осадков пли растворенного шлама в масле является основным критерием необходимости его замены или регенерации.
Растворенный шлам в дальнейшем выпадает в виде осадка на активных частях электрооборудования. Обладая высокой агрессивностью и плохой теплопроводностью, продукты старения в первую очередь ускоряют процессы старения целлюлозной изоляции, увеличивают диэлектрические потери.

Как видно из таблицы, произошло существенное снижение количества растворимого шлама, но и до очистки его количество было на порядок ниже допустимых значений.
Тангенс угла диэлектрических потерь. Значение tg дельта электроизоляционных материалов является основным критерием оценки их диэлектрических свойств и совместимости масел при смешении, а также служит дня определения степени старения и наличия в жидких диэлектриках различных химических загрязнений (продуктов разложения и старения конструкционных материалов и др.).

Кислотное число. Значение кислотного числа масла является критерием степени его старения и служит для оценки предполагаемого срока службы, а также является основным критерием для замены адсорбента в термосифонных фильтрах трансформатора или эффективности регенерации масла с помощью специального оборудования. Анализ значения кислотного числа масла проводился двумя лабораториями. Результаты лабораторий различны (лаборатория ИАЦ Кузбасстехэнерго определила снижение кислотного числа с 0,0044 до 0,002, лаборатория Хакасского ПМЭС с 0,0044 до 0,004).

Определение температуры вспышки в закрытом тигле. Значение температуры вспышки является критерием фракционного состава масла, а также служит для обнаружения в оборудовании процессов разложения масла (термического жди электрического). Анализ значения температуры вспышки в закрытом тигле проводился двумя лабораториями. Результаты лабораторий различны (лаборатория ИАЦ Кузбасстехэнерго определила повышение температуры вспышки в закрытом тигле с 139 до 145, лаборатория Хакасского ПМЭС с 139 до 140).

Определение влагосодержания. Значение влагосодержания диэлектрика является критерием подготовленности его к заливу в электрооборудование, а также служит для определения причин ухудшения диэлектрических свойств эксплуатационных масел и (пли) характеристик твердой изоляции электрооборудования.
Существует несколько методик по определению влагосодержания. Согласно СО 34.45-51.300-97 «Объем и нормы испытания электрооборудования» допускается:

1. количественное определение влагосодержания электроизоляционных жидкостей в соответствии с требованиями ГОСТ 7822-75 (гидрид-кальциевый метод);
2. количественное определение влагосодержания по п. 3.2 РД 34.43.107-95 «Методические указания по определению содержания воды и воздуха в трансформаторном масле» (методика Карла Фишера соответствует Публикации МЭК 814).

Влагосодержание масла определялось тремя лабораториями с применением различных методик. Сравнительный анализ проведен на основании результатов лаборатории Хакасского ПМЭС, так как метод определения влагосодержания по К. Фишеру является арбитражным.

Как видно из таблицы, по окончании сверхглубокой очистки масла произошло увеличение показателя влажности, но он находится в допустимых пределах.

Оценка технологии сверхглубокой очистки.

Технология сверхглубокой очистки диэлектрических жидкостей действительно позволяет существенно очистить трансформаторное масло от механических загрязнений и растворенного штама.
Таким образом можно сделать вывод, что данная технология позволяет значительно улучшить показатели качества масла и срок его службы.

Общие выводы по экспертному заключению

Учитывая ресурсосберегающее и экологическое значение применения данной технологии, системы, следует сказать, что:

1. применение установки сверхглубокой очистки трансформаторного масла целесообразно в качестве дополнительного технологического оборудования для очистки и обработки трансформаторного масла при условии ее экономической целесообразности и в случаях невозможности использования других методов;
2. применение данной технологии целесообразно для маслонаполненного оборудования, высвобождаемого при комплексной реконструкции на объектах ОАО «ФСК ЕЭС»;
3. возможно представление ОАО «Кузбасский технопарк» объемов трансформаторного масла для его восстановления с целью повторного использования на объектах ОАО «ФСК ЕЭС».