Обработка трансформаторного масла - Трансформаторное масло

Старение трансформаторного масла в первую очередь проявляется как окисление, что влечет увеличение кислотного числа, появление кислой реакции водной вытяжки и на последней стадии выпадение осадка. Поэтому стабильность масла определяется как способность масла противостоять воздействию кислорода воздуха.
Трансформаторное масло изготовляется из нефти. Нефти различных месторождений довольно значительно различаются между собой по химическому составу. Характеристика некоторых нефтей СССР приведена в табл. 1 [Л. 10].
Таблица 1
Физико-химическая характеристика некоторых нефтей СССР

Химический состав сырья и способ изготовления масла определяют его химический состав и эксплуатационные свойства.
Трансформаторное масло изготовляется из фракции нефти, которые выкипают при 300—400° С при атмосферном давлении. Оно состоит в основном из нафтеновых, парафиновых и ароматических углеводородов. Кроме того, масло содержит небольшие количества серы, кислорода, азота, органических кислот и их солей. Содержание углерода в нефтях колеблется от 82 до 87%, водорода от 11 до 14%, содержание азота и кислорода обычно не превышает десятых долей процента.
По содержанию серы нефти делятся на три класса: 1-й — малосернистые (не более 0,5% серы); 2-й — сернистые (от 0,51 до 2%) серы и 3-й — высокосернистые (более 2,0%).
Основной составной частью трансформаторного масла являются нафтеновые углеводороды, которые являются хорошими диэлектриками, но в химическом отношении неустойчивы. Они легко вступают в реакцию с кислородом воздуха, особенно под воздействием электрического поля и повышенной температуры в присутствии металлов.
Наибольшей химической стабильностью обладают ароматические углеводороды, которые придают маслу это свойство. Однако тяжелая ароматика ухудшает диэлектрические свойства трансформаторного масла (повышает tgδ), увеличивает его гигроскопичность и в процессе эксплуатации вызывает старение масла и выпадение обильных осадков.
Парафины являются хорошими диэлектриками и характеризуются малой химической активностью, но если в нефтях содержится более 1,5% парафина, то для получения трансформаторного масла с достаточно низкой температурой застывания парафины приходится удалять (депарафинизация). Чтобы придать маслу необходимые эксплуатационные свойства, при изготовлении его из масляных дистиллятов удаляют непредельные углеводороды, азотистые соединения, тяжелую ароматику, твердые парафины и ряд смолистых и сернистых соединений.
Трансформаторные масла из маслосернистых нефтей изготовляются различными способами:
Кислотно-щелочная очистка — масляный дистиллят обрабатывается крепкой (92—98%-ной) серной кислотой. Расход кислоты в зависимости от химического состава сырья колеблется от 5 до 20%. Кислота подается в несколько приемов без обогрева. После отстоя и слива кислого гудрона производят нейтрализацию натровой щелочью крепостью 2—2,5% при температуре 65—68°С. После отстоя и слива щелочных вод масло промывают слабым раствором щелочи (1,2—1,5%) и затем водой до получения требуемой техническими условиями величины натровой пробы. Готовое масло сушат горячим воздухом (75—85° С). Выход готового масла в среднем равен 85%- Для улучшения электрофизических показателей введена контактная обработка масла отбеливающей глиной. Расход глины 0,5 % (может быть увеличен до 3—5%), температура обработки 85° С.
Если масло изготовляется из парафинистых нефтей, то перед второй кислотной обработкой для снижения температуры застывания вводится депрессатор АзНИИ (не более 0,2%)- Депрессатор (присадка, снижающая температуру застывания масла) эффективно снижает температуру застывания при содержании парафина в масле от 1 до 2,5%- При содержании в масле 4—6% твердых углеводородов депрессатор практически не снижает температуру застывания. Присутствие в трансформаторном масле ароматических углеводородов почти полностью парализует его действие. Депрессатор, введенный в готовое масло, ухудшает его диэлектрические свойства, а именно увеличивает tgδ. В депрессаторе после его очистки остается около 7% смол, которые и вызывают повышение tgδ. Эти смолы легко адсорбируются силикагелем. Поэтому, обработав масло силикагелем, можно снизить величину tgδ до требуемой техническими условиями нормы..
Влияние депрессатора на вязкость масла проявляется только при достаточно низкой температуре. При хранении масла, содержащего депрессатор, температура застывания масла может повыситься, а депрессатор выпасть в осадок.
Более эффективным способом снижения температуры застывания является депарафинизация — удаление из масла твердых и части жидких при плюсовой температуре углеводородов, которые при понижении температуры образуют кристаллы, в результате чего масло теряет подвижность. Процесс депарафинизации  заключается в следующем: масло обрабатывается растворителем, состоящим из 35% ацетона и 65% толуола при температуре 50—70° С. Затем смесь охлаждают до —50-=            60° С и выделившиеся при этом твердые углеводороды отделяют на вакуум-фильтрах или центрифугах, после чего от масла отгоняют растворитель.
Расход растворителя составляет 100—150% массы сырья. Выход деиарафинизированного масла равен в среднем 70% рафината или 50% дистиллята.
Примененный для депарафинизации растворитель должен обладать следующими свойствами: не растворять при низкой температуре парафины, но при этом хорошо растворять остальные компоненты масла; иметь невысокую температуру кипения и легко отгоняться; не вызывать коррозии аппаратуры и не образовывать соединений с углеводородами депарафинизируемого масла; должен быть дешевым.
Придать растворителю все эти качества удалось, только изготовив смесь из нескольких растворителей. Например, ацетон при низкой температуре не растворяет парафиновые углеводороды, но плохо растворяет и остальные компоненты, в смеси он играет роль осадителя. Толуол хорошо растворяет нафтеновые и ароматические углеводороды, но он с некоторой степени растворяет и парафин. Смесь из 35% ацетона и 65% толуола имеет хорошие избирательные свойства. Однако депарафинизация с помощью растворителей связана с необходимостью создавать искусственное охлаждение, что значительно усложняет и удорожает процесс.
Еще в 1940 г. было установлено, что карбамиды (карбамид — мочевина) с нормальными парафинами образуют комплекс (нормальные парафины в структуре молекул не имеют колец).
Чтобы уменьшить вязкость и легче преодолеть силы молекулярного сцепления парафинов с другими углеводородами масла, обработка карбамидом ведется в присутствии растворителей, кроме того, используются специальные активаторы процесса. Депарафинизируемое масло и карбамид интенсивно перемешивают в течение определенного времени. Наличие смол (около 2%), соединений серы, кислорода и мыла, которое образуется органическими кислотами и аммиаком (аммиак получается в результате гидролиза карбамида), отрицательно влияет на процесс карбамидной депарафинизации. С помощью карбамидной депарафинизации не всегда удается получить масло с требуемой температурой застывания, поэтому допускается добавка присадки полиметакрилата Д не более 0,04% (100%-ной концентрации).
В настоящее время нет специальных технических условий на масло карбамидиой депарафинизации. Все масла кислотно-щелочной очистки из малосериистых нефтей должны отвечать требованиям ГОСТ 982-68.
В последнее время промышленное распространение получил адсорбционный метод изготовления трансформаторного масла из малосернистых нефтей. Нежелательные компоненты удаляются из масляных дистиллятов путем адсорбции их на соответствующем адсорбенте.
Адсорбцией называется процесс поглощения какого- либо вещества поверхностью твердого тела. Вещества, обладающие адсорбционными свойствами, называются адсорбентами. Молекулы адсорбируемого вещества (адсорбата) испытывают со стороны поверхности адсорбента притяжение и оседают на ней. При этом химической реакции не происходит и адсорбированные молекулы сохраняют свою индивидуальность. При постоянной температуре с ростом давления или концентрации раствора адсорбция увеличивается. С повышением температуры адсорбция уменьшается, так как вследствие возрастания энергии теплового движения все большая часть молекул адсорбата преодолевает силу притяжения поверхности адсорбента.
В качестве адсорбента промышленное применение получил алюмосиликатный катализатор (ТУ 27-850-65). Величина гранул от 2 до 1 мм, диаметр пор 0,25—0,3 нм (25—30 А).
Свойства алюмосиликатного катализатора следующие:
Гранулометрический состав, мм:
выше 1,0      Не более 5,0%
0,2—1            Не менее 85,0%
ниже 0,2        Не более 10,0%
Насыпная масса    0,6—0,7 г/мл
Адсорбционная активность, не ниже, %:
по толуолу               100
по маслу . .               100
Углеводороды по своей способности адсорбироваться на алюмосиликатном катализаторе располагаются в следующем убывающем ряду: смолистые соединения, полициклические соединения, ароматические углеводо-
роды, нафтены, парафины. Наиболее высокой обеспечивающей способностью (лучше поглощает смолы) обладает алюмосиликатный катализатор, содержащий от 8 до 12% окиси алюминия.
Вязкость обрабатываемого дистиллята при рабочей температуре должна быть не более (2-^-2,5) • 10-4 м²/с. Поэтому дистиллят разводят растворителем. Исходное сырье подается вниз адсорбционной колонны: поднимаясь вверх," сырье контактирует со спускающимся вниз потоком адсорбента. Процесс идет при температуре 35—45° С и давлении 1 кгс/см². Отношение количества адсорбента к сырью должно быть не менее 0,25 : 1. Увеличение рабочего слоя адсорбента улучшает качество получаемого масла. Оптимальная температура регенерации адсорбента 620—660° С. При недостаточно полном выжигании смол может произойти частичное или даже полное блокирование поверхности адсорбента коксом. Это повлечет за собой частичную или полную потерю активности адсорбента.
Трансформаторное масло методом адсорбционной очистки можно получить как из малосернистых, так и из сернистых нефтей. В последнем случае в технологию изготовления масла вводится процесс глубокой депарафинизации при температуре —50° С. Средний выход низкозастывающих масел составляет 78—80%. Пока в промышленности трансформаторные масла методом адсорбционной очистки получают только из малосернистых нефтей.
Особенностью трансформаторного масла адсорбционной очистки является низкое содержание смолистых соединений (не более 0,6% при неглубокой очистке) и практическое отсутствие при применении большего количества адсорбента.
Серная кислота при изготовлении трансформаторного масла мало извлекает сернистых соединений из дистиллятов нефтей, поэтому получить качественное трансформаторное масло из сернистых нефтей методом кислотно-щелочной очистки не удалось. Удовлетворительные результаты дал метод очистки масляных дистиллятов селективными (избирательными) растворителями. В качестве селективного растворителя промышленное применение получил фенол. Селективная очистка заключается в том, что нежелательные компоненты извлекаются не дистиллятов растворителем. Примененный для этой цели растворитель должен обладать высокой избирательностью (растворять только определенные заданные компоненты) и иметь высокую растворяющую способность.
Компоненты трансформаторного масла по убывающей растворимости в феноле располагаются в следующем порядке: смолы, сернистые и азотистые соединения, нафтеновые и парафиновые углеводороды.
Очистка масляных дистиллятов фенолом производится, в колоннах методом противотока. Температура вверху колонны 50—55° С, внизу 31—42° С. Температура плавления фенола равна 40,97° С, поэтому, чтобы предупредить кристаллизацию, в фенол добавляют до 10% водф:
В результате очистки в рафинаде снижаются вязкость до 7-10"4 м²/с при 50°С, плотность до 0,84—0,85, содержание серы до 0,4—0,6%; для нефти эти величины соответственно будут 7,2-10"4 м²/с, 0,87—0,88, 1,4—1,7%. Однако твердые парафины остаются в масле и количество их в процентном отношении даже увеличивается за счет удаления нежелательных компонентов. Рафинад трансформаторного масла после фенольной очистки  имеет температуру застывания +20°С (шарма —45°С). Добавлением депрессаторов не удается снизить температуру застывания до требуемой величины. Поэтому парафин удаляют при помощи глубокой депарафинизации. После депарафинизации производят доочистку масла отбеливающей землей (5%). В результате этой операции улучшаются диэлектрические свойства масла за счет удаления следов растворителя и полярных соединений, какими являются смолы и органические кислоты. Доочистка несколько снижает выход готового масла, но зато значительно повышает его качество. В среднем выход масла при фенольной очистке равен 70%. Полученное масло нестабильно против окисления кислородом. Поэтому для придания стабильности  в него добавляют 0,2% эффективной антиокислительной присадки (2,6-ди- третичный бутилпаракрезол).
Следует отметить, что метод кислотно-щелочной очистки имеет существенные недостатки: не полностью удаляются сернистые соединения и некоторые нафтено- ароматические углеводороды; кислый гудрон частично уносит ценные составляющие масла; кислый гудрон не имеет применения и это удорожает стоимость масла. Два других описанных метода лишены этих недостатков.
В настоящее время нефтеперерабатывающая промышленность изготовляет следующие марки трансформаторных масел:
Масло трансформаторное по ГОСТ 982-68 вырабатывается из маслосернистых нефтей и применяется для заливки трансформаторов, масляных выключателей и другой аппаратуры высокого напряжения. Установлены две марки масла:
а)        ТКп — масло трансформаторное с добавкой не менее 0,2% антиокислительной присадки — дибутилпаракрезола (ДБК) по ГОСТ 10894-64;
б)        ТК— масло трансформаторное (без присадки).
Масло трансформаторное Т-750 по ТУ 38-1-239-69 (взамен ТУ 38-196-67) вырабатывается из малосернистой нефти методом кислотно-щелочной очистки с доочисткой зикеевской землей. Масло ингибировано антиокислительной присадкой 2,6-дитретичным бутил-4-ме- тилфенолом (ДБПК), топонол-0, ионол в количестве не менее 0,3% по массе. Масло трансформаторное Т-750 может применяться для трансформаторов и вводов до 750 кВ включительно.
Масло трансформаторное адсорбционной очистки из малосернистых нефтей, содержащее не менее 0,2% антиокислительной присадки дибутилпаракрезола (ДБК) по ГОСТ 10894-64. Показатели масла должны удовлетворять требованиям ТУ 38-1-182-68.
Масло трансформаторное из сернистых нефтей селективной очистки по ГОСТ 10121-62 должно содержать не менее 0,2% антиокислительной присадки 2,6-дитретичного бутилпаракрезола.
В связи с тем что масла разных марок довольно значительно отличаются по своим свойствам, они имеют разные области применения.
Масло по ГОСТ 982-56, имеющееся в наличии у эксплуатирующих предприятий, можно применять в действующем оборудовании для доливок и замены при ремонте оборудования, залитого маслом той же марки. Масло ТКп по ГОСТ 982-68 применяется в первую очередь во вновь вводимом в эксплуатацию оборудовании на напряжение до 500 кВ включительно. Масло трансформаторное ТК по ГОСТ 982-68 не следует принимать в эксплуатацию. Масло по ГОСТ 10121-62 допускается  к применению на напряжение 220 кВ. Масло Т-750 по ТУ 38-1-239-69 можно применять в оборудовании напряжением 500 и 750 кВ. Масло адсорбционной очистки можно применять в оборудовании напряжением 500 кВ. Масла по ГОСТ 10121-62 и ТУ 38-1-182-68 могут заменяться маслом ТКп по ГОСТ 982-68. Масло ТКп по ГОСТ 982-68 можно заменять маслом Т-750 по ТУ 38-1-239-69.
При необходимости смешения масел разных марок следует руководствоваться нормалью электротехники «Масла трансформаторные. Порядок смешения». ОАА, 647, 007-70.
Масла, не содержащие антиокислительной присадки (неингибированные масла), могут смешиваться в любых соотношениях. При этом окислительная стабильность смеси будет не хуже, чем стабильность компонента с более низкой стабильностью. В настоящее время без антиокислительной присадки изготовляется только одна марка масла ТК по ГОСТ 982-68. Применять это масло не разрешается.
Масла, содержащие антиокислительную присадку (ингибированные масла), можно смешивать в любых соотношениях. При этом стабильность смеси будет не хуже, чем стабильность компонента с более низкой стабильностью.
На месте монтажа допускается смешение ингибированных и неингибированных масел. При этом надо определять стабильность смеси, которая должна быть не ниже стабильности неингибированного масла.
Чтобы с наименьшими затратами хороню обработать трансформаторное масло и при необходимости правильно применить способ улучшения его свойств, необходимо знать основные физико-химические характеристики масла и понимать смысл анализа.
Физическое состояние компонентов масла. Нафтеновые, ароматические, нафтено-ароматнческие углеводороды находятся в масле в состоянии истинного молекулярного раствора. Образовывать крупные комплексы могут ароматические, нафтено-ароматические углеводороды и смолы. При определенной температуре парафины и твердые при обычной температуре нафтены и ароматические углеводороды могут растворяться в масле, но при понижении температуры они могут выделиться из раствора в виде твердой фазы. Следовательно, физическое состояние трансформаторных масел при различных температурах различно.
Асфальто-смолистые вещества находятся в нефтях в коллоидном состоянии, петралейным эфиром их можно выделить в осадок. Асфальтены находятся в смолистых веществах и ароматических углеводородах в тонкодисперсном состоянии. В парафиновых и нафтеновых углеводородах асфальтены не растворяются и не набухают. Это свойство особенно резко проявляется в бензине, этиловом спирте и сложных эфирах. В этих растворителях происходит коагуляция (выпадение в осадок) асфальтенов, осадок может быть растворен в ароматических- углеводородах. На этом свойстве асфальтенов основан метод определения осадка при определении общей стабильности против окисления по ГОСТ 981-55.
Парафины и частично ароматические углеводороды являются кристаллическими веществами. Выделение их из масла в виде твердой фазы зависит от ряда факторов (температуры, концентрации и т. п.).