Трансформаторное оборудование

В высоковольтном электрооборудовании широко используются минеральные масла, имеющие хорошие диэлектрические и теплопроводные свойства. Однако трансформаторным маслам присущи два серьезных недостатка. Плохая биоразлагаемость создает трудности при утилизации, а невысокие температуры вспышки и горения влекут за собой взрыво- и пожароопасность маслонаполненного оборудования.

В качестве альтернативных за рубежом используются изоляционные жидкости на основе растительных масел. Новосибирские авторы в своем материале анализируют свойства рапсового масла как заменителя трансформаторного масла.

ВЫСОКОВОЛЬТНОЕ МАСЛОНАПОЛНЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Исследование свойств изоляционных жидкостей из растительного сырья

Мария Аникеева, к.т.н.
Сергей Коробейников, д.ф.-м.н., профессор,
Новосибирский государственный технический университет

Основным оборудованием в преобразовании и передаче электроэнергии являются силовые высоковольтные трансформаторы. К основным путям улучшения их технических характеристик можно отнести повышение рабочей температуры, пожарной и экологической безопасности. Жидкая изоляция играет немаловажную роль в повышении характеристик силовых трансформаторов.

Стремление создать термически и химически стойкие соединения, практически не стареющие в процессе эксплуатации, в ХХ веке привело к возникновению на рынке синтетических электроизоляционных жидкостей. Однако одни из них оказались токсичными (аскарели, совтол), другие – дорогими (кремнийорганические жидкости). В нашей стране в качестве основного претендента на замену трансформаторного масла была выбрана малогорючая жидкость ПЭТ (эфир пентаэритрита и синтетических жирных кислот) [1], стоимость которой более чем в 2 раза выше стоимости минерального масла, но ниже стоимости кремнийорганической жидкости также примерно в 2 раза. Отметим, что и данная жидкость имеет недостатки: низкую биоразлагаемость и высокую гигроскопичность.

В конце прошлого века за рубежом появились разработки изоляционных жидкостей на основе растительного сырья. На данный момент несколько сотен трансформаторов распределительной сети эксплуатируются в мире с этими жидкими диэлектриками. В нашей стране по данной теме исследования практически отсутствовали.

ВЫБОР БАЗОВОЙ ЖИДКОСТИ

За рубежом изолирующие жидкости, альтернативные минеральному маслу, имеют в своей основе эстеры, представляющие собой сложные эфиры. Наиболее распространенными в эксплуатации являются масла марок Biotemp и Envirotemp FR3. Сырьем для производства натуральных эфиров служат растительные масла, в частности рапсовое. В России для работы в импульсных конденсаторах применяется лишь касторовое масло, производимое из семян клещевины.

Исследования показали, что данные жидкости в отличие от минерального масла практически полностью разлагаются в водной среде [2]. Подтвердилась и экологическая безопасность рапсового масла как основного компонента этих диэлектриков.

В результатах зарубежных исследований [3, 4] можно выделить еще несколько интересных фактов. Так, при воздействии частичных разрядов на разные растительные масла происходит выделение тех же газов, что и в минеральных, но в разных количественных соотношениях (рис. 1). Вода в натуральных эстерах растворяется лучше, чем в трансформаторном масле (рис. 2).

Рис. 1. Газы, выделенные при воздействии ЧР в растительных маслах и композициях

Рис. 2. Порог растворимости воды в растительных маслах и композициях

Температуры вспышки и горения натуральных эфиров в 2 раза выше этих же показателей для минеральных масел. При оценке степени полимеризации бумаги при старении в изоляционных жидкостях установлено, что в растительных диэлектриках степень полимеризации бумаги снижается медленнее, чем в минеральном масле, т.е. при прочих равных условиях в растительных маслах можно ожидать большего срока службы бумаги.

Некоторые свойства альтернативных электроизоляционных жидкостей в сравнении со свойствами минерального масла приведены в табл. 1.

Таблица 1. Типовые свойства электроизоляционных жидкостей

Проанализировав еще целую группу исследований свойств натуральных эстеров и выявив, что в каждой из оптимальных по качеству жидкостей содержится рапсовое масло, был сделан выбор этого масла как базовой жидкости для дальнейших исследований. Рапсовое масло представляет собой сложный эфир глицерина и жирных кислот, основными из которых являются олеиновая, линолевая, линоленовая, эруковая, содержащие в своем составе легко реагирующие двойные связи.

ХАРАКТЕРИСТИКИ РАПСОВОГО МАСЛА

Исследования свойств рапсового масла проводились с целью их уточнения для изготовленния изоляционной жидкости на отечественном производстве из отечественного сырья с целью ее применения в высоковольтном оборудовании. Испытания проводились с помощью поверенных средств измерения в аккредитованной испытательной лаборатории.

Были установлены следующие свойства.

Оптические показатели (мутность, цвет, показатель преломления) оказались близкими к показателям трансформаторных масел. Относительная диэлектрическая проницаемость, а также плотность – чуть выше, чем у свежих трансформаторных масел.

Данные о высоком значении температуры вспышки подтвердились. Чистота масла без специальной подготовки удовлетворяла нормам для эксплуатации в оборудовании.

При определении кинематической вязкости было замечено снижение вязкости в 1,5 раза при повышении температуры на каждые 10 °С. Однако вязкость товарного рапсового масла выше, чем у минерального трансформаторного масла.

Электрическая прочность оказалась высокой даже для специально неподготовленного масла. Диэлектрические потери, определяемые значением тангенса угла диэлектрических потерь, значительны, что может быть следствием наличия полярных продуктов, в т.ч. воды. Влагосодержание неосушенного рапсового масла сильно колеблется от партии к партии, но всегда значительно выше, чем допускается в эксплуатации высоковольтного электрооборудования. Это обусловлено структурным составом молекул данной жидкости, относящейся к группе триглицеридов (рис. 3).

Рис. 3. Типовая структура триглицеридов

Таблица 2. Требования к качеству электроизоляционных жидкостей и результаты исследования свойств рапсового масла

В табл. 2 приведены результаты этих и некоторых других исследований свойств рапсового масла в сравнении со справочными данными по рапсовому маслу и граничными значениями показателей качества для трансформаторного масла и свежего натурального эфира.

Приведенные значения показателей качества говорят о том, что как изоляционная жидкость рапсовое масло удовлетворяет практически всем показателям для свежих натуральных эфиров и даже превосходит их по качеству. В сравнении с трансформаторным маслом лишь показатели, связанные с природой самого рапсового масла, не соответствуют требованиям. Однако и они могут быть улучшены, и практическое применение жидкостей на основе рапсового масла представляется реальной перспективой.

РАСТВОРИМОСТЬ ГАЗОВ

Использование коэффициента растворимости (Оствальда) – необходимая составляющая в проведении хроматографического анализа растворенных газов в масле. Определение растворимости газов, являющихся диагностическими в электроэнергетике как для минеральных, так и для растительных изоляционных жидкостей, проводилось по методике, подробно описанной в [6].

В итоге коэффициенты растворимости по каждому газу были рассчитаны для рапсового масла и жидкости Midel 7131, представляющей собой синтетический эфир (табл. 3). Результаты были проанализированы и сравнены с данными стандарта по трансформаторному маслу.

Таблица 3. Сравнение коэффициентов растворимости газов в разных видах жидких диэлектриков

Подводя итоги изучения растворимости газов в исследуемых изоляционных жидкостях, можно отметить, что:

• подобно минеральному трансформаторному маслу растворимость большинства газов уменьшается при повышении температуры;
• К_р основных диагностических газов близки к аналогичным К_р для трансформаторного масла. Исключениями являются пониженная растворимость этана, а также повышенная растворимость ацетилена и углекислого газа;
• данные по растворимости газов в Midel 7131 близки к данным по рапсовому маслу.

СТОЙКОСТЬ К ОКИСЛЕНИЮ

Стойкость изоляционных масел к окислению, или, как принято называть в эксплуатационных нормативных документах, стабильность против окисления, является важным показателем качества данных жидкостей. Ее можно повысить путем ввода специальной присадки – ингибитора окисления. В задачу исследования этого показателя входило сравнение разных методов определения стабильности, а также оптимизация метода с учетом природы диэлектрика.

Была проведен выбор наиболее эффективной присадки среди группы антиоксидантов, подготовлены образцы ингибированной жидкости и проведены электрические и физико-химические стандартные испытания ингибированных образцов.

Подготовка образцов масла с присадками заданных концентраций осуществлялась согласно стандарту организации.

При окислении рапсового масла без ингибиторов в стандартных жестких условиях, при которых обычно окисляют трансформаторное масло, оно полимеризовалось (визуально потемнело и загустело) в течение 2–3 часов (рис. 4).

Рис. 4. Внешний вид рапсового масла до окисления (слева) и этого же масла, окисленного в жестких условиях (справа)

При использовании модели термического автоокисления рапсового масла при 80 °С и ГОСТированного метода определения перекисного числа определялась наиболее эффективная антиокислительная присадка. Причем об эффективности присадки судили по величине периода индукции, который определяли как время достижения значения перекисным числом значения 0,1 ммоль (1/2О)/г.

Как видно из табл. 4, контрольное масло (без добавок) достигло граничного значения периода индукции на 3–4-е сутки. Традиционный для трансформаторного масла ингибитор окисления – ионол оказался неэффективным для растительного диэлектрика. Среди группы представленных соединений наиболее эффективным оказался 2-додецилтиометилгидрохинон, который продлил период индукции до 88 суток при концентрации 0,2% массы [7].

Таблица 4. Периоды индукции окисления рапсового масла с разными антиоксидантами

Проведены испытания рапсового масла на стабильность по методу, приближенному к международному стандарту испытаний изоляционных жидкостей на основе натуральных природных эфиров. В сравнении с нормами для трансформаторных масел в данном случае неудовлетворительным оказалось большое количество растворимых кислот. Отметим, что условия при испытаниях все-таки были более жесткими, чем в стандарте МЭК.

При исследовании физико-химических характеристик ингибированных жидкостей не выявлено ухудшения показателей качества масла по сравнению с исходным товарным маслом. Практически не изменились и диэлектрические характеристики ингибированного масла: пробивное напряжение, тангенс угла диэлектрических потерь, диэлектрическая проницаемость, удельное объемное сопротивление.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе экспериментальных исследований установлено, что рапсовое масло даже без специальной подготовки обладает высокими значениями пробивного напряжения, температуры вспышки в закрытом тигле и рядом других показателей качества, пригодных для жидкой изоляции. Однако большая вязкость и относительно высокие температуры застывания, большое влагосодержание ограничивают применение данного диэлектрика без специальной подготовки либо требуют ограниченных условий эксплуатации.

В сравнении с зарубежными нормами для жидких диэлектриков на основе сложных натуральных эфиров рапсовое масло удовлетворяет практически всем показателям, за исключением диэлектрических потерь.

Выявлено противоречие между высокими значениями пробивного напряжения и большими значениями влагосодержания. Отчасти это связано с большей, чем у трансформаторного масла, вязкостью рапсового масла. Однако главным фактором является способность рапсового масла (как и других природных сложных эфиров) растворять в себе большое количество влаги, которая в растворенном состоянии не оказывает влияния на электрическую прочность диэлектрика.

Исследование молекулярного (химического) состава рапсового и минерального масел показывает, что они имеют практически одинаковый элементный состав, что приводит к выводу о разложении их на одни и те же газы при термических процессах и электрических разрядах. Установлено, что растворимость газов в зависимости от температуры примерно такая же, как и растворимость газов в минеральном трансформаторном масле. Более того, значения коэффициентов растворимости основных диагностических газов близки к аналогичным коэффициентам трансформаторного масла. Исключениями являются пониженная растворимость этана и повышенная растворимость ацетилена и углекислого газа.

Разными методами оценена стабильность ингибированной жидкости в процессе окисления. Показано, что все исследованные серосодержащие антиоксиданты по способности ингибировать окисление рапсового масла значительно превосходят монофункциональные соединения (ионол, бутилоксианизол). Наибольшие значения периодов индукции окисления были получены для 2-додецилтиометилгидрохинона – самого оптимального из исследованных антиоксидантов. Важно, что при добавлении принятых присадок не происходит ухудшения физико-химических показателей масла.

Таким образом, был выполнен 1-й этап разработки биоразлагаемой изоляционной жидкости. На следующем этапе разработки предполагаются исследования взаимодействия ингибированного рапсового масла с бумажной изоляцией, улучшение «холодостойких» свойств и разработка технологии эксплуатации.

Однако уже сейчас понятно, что ингибированное рапсовое масло пригодно для использования в не слишком суровых зимних условиях. Следует рассматривать варианты его применения в герметичном маслонаполненном электрооборудовании (со специальной защитой) классом напряжения не выше 110 кВ, установленном преимущественно в южных районах нашей страны, где средняя температура зимой не опускается ниже –10 °С, либо установленном в отапливаемых ЗРУ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Силовые трансформаторы. Справочная книга / под ред. С.Д. Лизунова, А.К. Лоханина. М.: Энергоиздат, 2004.
2. BIOTEMP®. Biodegradable Dielectric Insulating Fluid [Electronic resource]. – Режим доступа: www.abb.com/transformers. – Загл. с экрана.
3. Мендес Х.К. Более рациональное использование растительного масла ABB BIOTEMP в высоковольтных силовых трансформаторах / Х.К. Мендес, А.С.Г. Рейс, Е.К. Ногава // ABB Review. 2007. № 3.
4. MIDEL 7131 Synthetic Ester [Electronic resource]. – Режим доступа: http://www.midel.com. – Загл. с экрана.
5. Envirotemp™ FR3™ fluid [Electronic resource]. – Режим доступа: http://www.envirotempfluids.com. – Загл. с экрана.
6. Аникеева М.А., Коробейников С.М. Исследование растворимости газов в рапсовом масле как электроизоляционном материале // Теплофизика высоких температур. 2016. – Т. 54, № 1.
7. Anikeeva M.A., Korobeynikov S.M. Study of stability against oxidation of rapeseed oil // J. of Engineering Thermophysics. 2016. – Т. 25, № 2.