Для проектировщиков и пользователей масляных трансформаторов очень важно понимать состав и свойства трансформаторного масла и правильно использовать его охлаждающие и изоляционные свойства. Это понимание очень полезно для достижения наилучших характеристик трансформатора на протяжении всего его срока службы.
1. Изоляционное масло в качестве охлаждающей среды.
При обсуждении основных материалов, таких как железо и медь, было высказано предположение, что они имеют потери энергии во время работы трансформатора. Конечно, железо и медь потребляют энергию в виде тепла. Нагрев может вызвать повышение температуры железного сердечника, обмотки, корпуса железного сердечника, масляного бака или других запасных частей. Если тепло устранить после его образования, тепло в этих областях достигнет равновесия. Для большинства трансформаторов предел повышения температуры можно определить на основе несущей способности изоляционной бумаги. Если допустимый предел изоляционной бумаги составляет 100 градусов, то предел повышения температуры должен быть установлен в пределах 100 градусов. Эффективное охлаждение имеет решающее значение, за исключением трансформаторов наименьшей мощности, для всех остальных трансформаторов лучшим методом является жидкостное охлаждение.
Для большинства трансформаторов минеральное масло является наиболее эффективной средой для поглощения тепла от железного сердечника и обмотки и передачи его на самоохлаждающуюся или охлаждаемую воздухом внешнюю поверхность, иногда посредством принудительной циркуляции масла. Теплоемкость или удельная теплоемкость и теплопроводность масла оказывают существенное влияние на теплопроводность.
2. Изоляционное масло в качестве изоляционной среды.
В большинстве электрооборудования имеется большое количество различных компонентов с разными потенциалами, поэтому их необходимо изолировать друг от друга. Если мы хотим рассмотреть это с экономической точки зрения, изоляция между различными компонентами должна быть максимально сведена к минимуму, а это означает, что оборудование должно иметь возможность работать при максимально возможной напряженности поля. Кроме того, трансформаторам часто приходится работать в течение коротких периодов времени при напряжении выше номинального или выдерживать переходные перенапряжения, вызванные эксплуатационными и ударами молнии.
Важная роль масла в эффективности твердой изоляции также отражается в его способности проникать и погружаться в слои, окружающие изоляцию. После сушки и вакуумной дегазации бумаги и других волокнистых материалов ее замачивают.
Следует отметить, что с момента появления масляных трансформаторов испытание на электрическую прочность долгое время было единственным стандартом проверки электрического качества трансформаторов. До сегодняшнего дня, хотя было проведено множество более сложных испытаний, испытания на электрическую стойкость по-прежнему считаются самым простым и наиболее подходящим испытанием для-испытаний на месте.
3. Вязкость и температура застывания.
Тепло может распространяться тремя способами: излучением, проводимостью и конвекцией. Каждый из этих методов помогает охладить железный сердечник и масляные проводники трансформатора, но наиболее важным методом является конвекция. Конвекция основана на естественной циркуляции, создаваемой разницей плотностей горячего и холодного масла. Генерация конвекции явно зависит от вязкости масла, поэтому самое главное, чтобы трансформаторное масло имело низкую вязкость. Иногда конвекцию необходимо усилить или поддержать с помощью насоса, но в идеальной ситуации масло само создает минимальное сопротивление и максимальную конвекцию.
Кроме того, низкая вязкость поможет маслу проникать в узкие масляные каналы и способствовать циркуляции масла в обмотке, предотвращая локальный перегрев, вызванный низкой скоростью потока в местах, через которые масло проходит редко.
Первичная пропитка в основном осуществляется за счет разгона масла. В области высокой напряженности поля трансформаторов высокого-напряжения жидкого масла достаточно, чтобы пройти через несколько слоев бумажной изоляции.
Как и большинство других жидкостей, вязкость минерального масла увеличивается с понижением температуры, пока оно не становится полутвердым. На этом этапе его эффективность охлаждения практически равна нулю. Температура застывания масла – это самая низкая температура, при которой масло может течь. Для трансформаторов, работающих в холодных регионах, даже при самой низкой температуре масло не может достичь полутвердого состояния и должно иметь более низкую температуру застывания.
Даже при очень низких температурах вязкость масла должна обеспечивать беспрепятственный поток масла, когда его температура значительно превышает температуру застывания. В технических регламентах на трансформаторное масло часто указывается максимальная вязкость масла при температуре значительно ниже нормального значения температуры окружающей среды.
4. Летучесть и температура вспышки.
Вообще говоря, ожидаемый срок службы трансформатора составляет не менее 30 лет. В течение срока службы идеальной ситуацией не всегда является учет потерь масла, вызванных испарением, а также не допускается изменение состава масла из-за выделения большого количества легких компонентов. Поэтому есть надежда, что масло имеет низкую испаряемость.
Видно, что всякий раз, когда нефтепродукты используются в электрооборудовании, в некоторой степени существует скрытая опасность возгорания и взрыва. Поэтому рабочая температура масла должна быть значительно ниже температуры вспышки. С другой стороны, при загрязнении масла летучими газами, даже если количество газа не очень велико, все равно существует опасность взрыва, если масло нагревается в нормальных условиях эксплуатации.
Такого рода загрязнения действительно имели место в прошлом, поскольку масло из работающего трансформатора сливалось и помещалось в бочки или масляные резервуары, которые ранее были заполнены летучими растворителями.
Определенные типы электрических неисправностей также могут вызывать распад крупных молекул масла, что приводит к образованию летучих низкомолекулярных углеводородов или легковоспламеняющихся газов.
5. Химическая стабильность
Все нефтяные масла чувствительны к вторжению кислорода из атмосферы. Трансформаторное масло не является исключением, хотя степень инвазии зависит от многих факторов.
Наиболее эффективными стратегиями выбора масла или, точнее, состава используемого масла и различных факторов, контролирующих окисление. В окислении участвуют три основных фактора: температура, кислород и катализатор.
Нефть состоит из молекул углеводородов с большей молекулярной массой, которые легко разлагаются на более легкие летучие вещества, а температура разложения может ускорить этот процесс разложения. Идеальная ситуация заключается в том, что в пределах нормального диапазона рабочих температур не должно быть никаких ухудшений, но этого трудно избежать при высоких температурах во время неисправностей.
6. Виды масла
С конца 18 века минеральное масло применяется в энергетических установках. Себастьян Ферранте, считающийся отцом трансформаторов, осознал ценность этих масел в 1891 году. Впоследствии, благодаря усовершенствованию методов выбора и применения, а также внедрению более передовых технологий очистки, свойства изоляционного масла были в некоторой степени улучшены. В настоящее время минеральное масло по-прежнему является важным компонентом многих видов энергетического оборудования.
Во-первых, важно понять источники и добычу нефти. Все виды минерального масла происходят из сырой нефти, которая, как полагают, является продуктом разложения подземной растительности или воды и карбидов металлов. Американское общество по испытаниям и материалам (ASTM) определяет минеральное масло D288 следующим образом: Минеральное масло представляет собой природную смесь, состоящую в основном из углеводородов, которая извлекается из земли в жидкой форме или может быть разделена. Сырая нефть обычно содержит различные пропорции других компонентов, таких как вода, неорганические вещества и газы. Только разделение этих компонентов не изменит состояние нефтяной смеси. Если это разделение существенно влияет на состав смеси сырой нефти, полученный продукт перестает быть сырой нефтью. Сырую нефть добывают по всему миру, причем качество и состав сырой нефти, добываемой в разных географических точках, существенно не отличаются. Это сложная смесь молекул углерода и водорода с небольшой долей серы и азота. Существует три типа молекул углеводородов: алканы, циклоалканы и ароматические углеводороды, каждый из которых имеет свою характерную молекулярную структуру. Никакие два типа сырой нефти не могут быть очень похожими по соотношению содержащихся в них углеводородных соединений или количеству и свойствам извлекаемых продуктов.
Простейшим алканом является метан, который представляет собой газ, но длина прямой цепи, состоящей из атомов углерода, практически неограничена, или, другими словами, алканы с разветвленной цепью --изомеры, с боковыми цепями, прикрепленными к атомам углерода основной цепи, и ограничений по их категории нет. Однако у изобутана есть ответвления, оба из которых появляются в виде природного газа. Этот факт раскрывает сложность типов соединений в нефти.
Циклоалканы имеют циклическую структуру с 6 атомами углерода. В сырой нефти также присутствуют циклоалканы с пяти- или семичленными кольцами, но наиболее распространены шестичленные кольца. Ароматические углеводороды также представляют собой гексагональные кольцевые структуры, с той основной разницей, что некоторые атомы углерода соединены двойными связями, представленными на рисунке двумя линиями. Это «ненасыщенность» ароматических углеводородов, которые обычно обладают высокой реакционной способностью. Существует два типа ароматических углеводородов: ароматические углеводороды только с одним кольцом или моноциклические ароматические углеводороды; Другой тип — ароматические углеводороды с двумя или более кольцами или полициклические ароматические углеводороды, иногда называемые PAC. В трансформаторных и переключающих маслах на основе нефти содержание ароматических углеводородов варьируется, но обычно намного ниже, чем у циклоалканов или алканов.
Было предложено несколько методов классификации сырой нефти, наиболее часто используемые из которых основаны на остатках перегонки, которые можно разделить на четыре категории: на основе парафинов, на основе битума, смешанных или промежуточных продуктов и циклоалкилов. Известный в мире состав сырой нефти составляет примерно 7% нефти на основе парафинов, 18% (включая 5% циклоалкил) нефти на основе битума и 75% нефти на основе смешанных нефтей.
7. Нефтепереработка
Сырая нефть должна пройти ряд физических и химических обработок для получения готовых нефтепродуктов. Типичный нефтеперерабатывающий завод обычно предназначен для переработки определенного сорта сырой нефти для производства определенной серии готовой продукции. В последние годы развитие процессов крекинга, риформинга и гидрогенизационной очистки продвинуло нефтяную промышленность, и теперь стало возможным производить «кастомизированные» готовые нефтепродукты, не зависящие от состава сырой нефти. Таким образом, классификация сырой нефти больше не имеет прежнего значения для конечного продукта.
На нефтеперерабатывающем заводе, производящем полный спектр продуктов переработки нефти, сырая нефть перегоняется при атмосферном давлении с получением низкокипящих фракций, которые далее перерабатываются в мазут и растворители. Остаток может быть подвергнут дальнейшей перегонке под вакуумом с получением сырья для производства электротехнических и смазочных масел. Остаток после вакуумной перегонки может быть использован для производства топлива, асфальта и гудрона в зависимости от качества сырья и требований к продукту.
Дистиллят со стадии вакуумной перегонки необходимо очищать с помощью одного или нескольких основных процессов, таких как очистка растворителем, сернокислотная очистка, фильтрация глины, обработка гидрированием, повторная перегонка, фильтрация и обработка дегидратацией. Для получения нефти, соответствующей требованиям качества, необходимо использовать наиболее экономичный метод переработки, что, конечно, зависит от существующего технологического уровня нефтеперерабатывающего завода. Целью переработки является удаление или уменьшение содержания парафина, серы, оксидов азота и ароматических углеводородов.
Если необходимо получить желаемую вязкость, различные полученные фракции следует соответствующим образом смешать. Если фракция всего одна, ее нужно перегнать еще раз. В принципе, очистка растворителя зависит от избирательной растворимости таких веществ, как парафин, серосодержащие соединения, аммиаксодержащие соединения и ароматические углеводороды в выбранном растворителе; Сернокислотная очистка представляет собой химическое сочетание серной кислоты, серосодержащих соединений и ароматических углеводородов; Фильтр из белой глины удаляет оставшиеся полярные примеси; Обработка гидрированием снижает содержание серосодержащих соединений-, аммиака и ароматических углеводородов. В настоящее время считается, что фильтрация глиной является серьезным загрязнением окружающей среды, поскольку в результате процесса очистки образуется большое количество загрязненных фильтрующих материалов, которые необходимо обрабатывать. Поэтому этот процесс сейчас используется редко, но с точки зрения производства электроизоляционного масла высочайшего качества он по-прежнему является предпочтительным методом, который нельзя сравнивать с другими методами.
Гидрирование — это недавно разработанный и широко используемый метод очистки, который контролируется температурой, давлением, катализатором, временем и другими факторами. Мягкая обработка гидрированием обычно называется «кондиционированием гидрированием» и может проводиться после одного или нескольких других процессов. Он может удалять серу и азот путем преобразования серосодержащих-и азот-содержащих соединений в углеводороды. Обработка тяжелой гидрогенизацией, также известная как «гидрированная очистка», может использоваться для снижения общего количества ненасыщенных циклических соединений. Например, когда соединение с наибольшим числом колец сначала реагирует с водородом, ароматические углеводороды превращаются в циклоалканы и алканы.
При производстве электроизоляционного масла особое внимание следует уделять электрическим свойствам, устойчивости к окислению и характеристикам газопоглощения в соответствующих условиях (особенно для силовых кабелей масло должно иметь хорошие характеристики газопоглощения). Для этого требуется очень низкое содержание серы и азота, а также соответствующее содержание ароматических углеводородов.
8. Дополнительные пояснения по классификации нефти.
Содержание и сложность углеводородных соединений, входящих в состав сырой нефти, были представлены ранее. Эта сложность затрудняет описание и классификацию нефти в зависимости от ее происхождения. Одним из решений является использование метода системы Брандеса, основанного на технологии инфракрасной спектроскопии, для представления общего содержания углерода в определенном углеводородном соединении в процентах, независимо от того, является ли оно отдельным соединением или заместителем в разветвленном углеводородном соединении.
9. Технические показатели изоляционного масла
Характеристики изоляционного масла включают низкую вязкость, низкую температуру застывания, высокую температуру вспышки, отличную химическую стабильность и высокую электрическую прочность. Есть еще некоторые менее важные свойства, но, несмотря на это, при выборе нефтепродуктов важно иметь представление о них. Эти свойства включают высокую удельную теплоемкость, высокую теплопроводность, хорошую ударную вязкость, высокую или низкую диэлектрическую проницаемость, высокую или низкую газопоглощающую способность, низкую растворимость, низкую плотность, хорошие характеристики гашения дуги и нетоксичность. Конечно, в дополнение к различным свойствам, упомянутым выше, изоляционное масло также должно быть дешевым и простым в покупке.
Очевидно, что ни одна жидкость не будет обладать всеми этими свойствами, а некоторые требования противоречивы. Поэтому нужен компромисс, и конструкция оборудования должна учитывать недостаток масла.
Нам следует изучить, как определить эти свойства и как протестировать масло в соответствии со стандартом EN60296:2004. Великобритания и большинство стран мира до сих пор используют этот стандарт. Поэтому стандарт EN60296 следует сравнить с британским стандартом B5148:1998. Это главным образом основано на том факте, что Великобритания всегда готова использовать масло без антиоксидантов, в то время как другие страны мира готовы использовать масло, содержащее окислители. Хотя этот тип масла редко используется в Великобритании, он широко используется в странах по всему миру. Поэтому в этом разделе подробно будут рассмотрены масла с добавлением антиоксидантов.
