Монтаж, эксплуатация и ремонт сельскохозяйственного электрооборудования - Тепло- и влагообмен в трансформаторах

Диэлектрические свойства масловолокнистой изоляции трансформаторов зависят в основном от влажности, температуры и влияния электрического поля. Электрическое поле в определенных условиях может вызывать самоосушение изоляции, что впервые было обнаружено В. В. Пучковским.
Между изоляцией трансформатора и средой всегда существует тепловлагообмен. При увеличении нагрузки и нагрева даже при значительной влажности окружающего воздуха влага переходит из трансформатора в окружающую среду и трансформатор осушается, при снижении нагрузки происходит обратный процесс и трансформатор увлажняется. Влага из окружающей среды через масло адсорбируется твердой изоляцией трансформатора. Но увлажнение и осушение трансформатора ведут к изменению его диэлектрических характеристик, в частности таких, как сопротивление изоляции, угол потерь и др.
Сопротивление изоляции трансформаторов не нормируется, его значение указывает завод-изготовитель в паспорте трансформатора. В эксплуатации допускается снижение сопротивления не более чем на 30%, при дальнейшем его снижении требуется выключать трансформатор из работы и сушить его. В процессе эксплуатации допускается повышение tgδ трансформатора в 1,5 раза, при дальнейшем его увеличении трансформатор необходимо сушить. 
Исследования, проведенные на реальных трансформаторах в режимах, полностью имитирующих график нагрузки в сельских сетях, показали, что изменения диэлектрических характеристик работающих трансформаторов значительно превышают нормы (табл. 22) и зависят от температуры окружающей среды.
Интересно отметить, что интервалы и кратности изменения характеристик значительны при всех температурах. Большие значения кратностей установлены по трансформатору с лучшими первоначальными характеристиками, а меньшие —- по более увлажненному.
Сопоставлять между собой измеряемые диэлектрические характеристики трансформаторов необходимо при строгом соблюдении температуры нагрева трансформатора. Желательно делать эти измерения в периоды, наименьшей влажности окружающей среды.
Таблица 22

Чтобы охарактеризовать трансформатор, недостаточно знать характеристики R60 и tgδ. Для этого проводят физико-химические и электрические испытания масла; определяют серию характеристик трансформатора, отключенного от сети: R60, R60/R15, tgδ, С2/С50, С70/С20, ДС/С и др. При необходимости трансформатор вскрывают, берут и исследуют образцы главной и витковой изоляции (при этом разрушается изоляция трансформатора).
Состарившаяся запекшаяся изоляция может иметь высокое электрическое сопротивление и механическую прочность, и трансформатор по этим данным может быть включенным в сеть. Но его изоляция мгновенно разрушится от динамических усилий, возникших при первом сквозном коротком замыкании, трансформатор выйдет из строя и потребует капитального ремонта. В другом же случае трансформатор не может быть включен в работу, хотя и имеет свежую изоляцию, но по неизвестной причине сопротивление его изоляции низкое (действие увлажнения, наличие местного дефекта, плохое состояние масла и т. п.).
Не случайно поэтому аварийность трансформаторов после ревизии значительна и составляет в среднем 7,6 на 100 единиц трансформаторов в год. Периодичность и объем испытаний трансформаторов устанавливают но увлажнению, однако, как было показано выше, увлажнение не может быть основой для прогнозирования состояния трансформатора. Внутри объема трансформатора всегда происходит массообмен, о тепловлагообмене мы уже говорили выше. Продукты окисления масла проникают в твердую изоляцию, а после замены окислившегося масла свежим эти продукты окисления, сохранившиеся в твердой изоляции, будут возвращаться в масло. Продукты старения твердой изоляции также проникают в масло.
Л. М. Рыбаков проанализировал корреляционные зависимости, определил наиболее значимые факторы и провел многофакторную обработку характеристик трансформаторов. Проанализированы следующие факторы для твердой изоляции: степень полимеризации и механическая прочность, содержание влаги, электрическая прочность, tgδ, удельное объемное сопротивление и срок эксплуатации; для масла проанализированы: содержание водорастворимых кислот, кислотное число, содержание влаги, вязкость, удельное объемное сопротивление, tgδ при 20°С (293 К) и 70°С (343 К), срок эксплуатации.
Анализ показал высокую корреляционную связь между tgδ масла и степенью старения твердой изоляции, между tgδ масла и содержанием водорастворимых кислот, между tgδ масла и влагой в масле.
Таким образом, на значение tgδ оказывают влияние влага, количество водорастворимых кислот и количество продуктов старения твердой изоляции.
Начальное значение tgδo свежезалитого в трансформатор масла весьма мало, в процессе эксплуатации под влиянием названных трех факторов tgδ растет до значения tgδt. Имея соотношение tgδ% /tgδo=fes, можно судить о состоянии изоляционной системы трансформатора.
Эксперименты по старению изоляционной системы бумага - масло с применением современных методов исследования показали, что по мере деструкции бумаги на основе целлюлозы в масло диссоциируют продукты окисления, которые влияют на рост tgδ; таким образом, tgδ масла — достаточно хороший показатель старения не только масла, но и твердой изоляции на основе целлюлозы.
Исследованиями Л. М. Рыбакова также доказано, что наиболее точно состояние масла отражает количественное содержание в нем водорастворимых кислот, которое можно использовать в качестве единственного отбраковочного показателя кислотности масла, исключив из объема сокращенного химического анализа масла определение кислотного числа. На рисунке 56 показаны изменения степени полимеризации образцов твердой изоляции и tgδ масла в зависимости от длительности старения.
Рис. 56. Изменение степени поляризации твердой изоляции и tgδ масла в зависимости от длительности старения:

1, 2, 3 —степень поляризации образцов соответственно электрокартона, кабельной бумаги и витковой изоляции; 4 — трансформаторного масла; 5 — k масла, старившегося без твердой изоляции трансформатора.
Доказано, что значение kb и количество водорастворимых кислот в масле могут служить критериями состояния трансформатора. Установлено, что при = 12...14 можно говорить об увлажнении трансформатора, при кb —16...18 — об окислении масла и при kb — = 22...26 — о старении изоляционной системы трансформатора и необходимости вывода его в ремонт, при хорошей изоляционной системе = 3...4.
Опробованный на большом числе трансформаторов I и II габаритов, этот метод прогнозирования состояния трансформаторов уже нашел широкое применение в Горьковской энергосистеме и безусловно является очень перспективным.