Главная › Новости

О влиянии некоторых эксплуатационных факторов на старение маслобарьерной изоляции силовых трансформаторов

Опубликовано: 06.09.2018

Ю. Н. Калентьев, Г. С. Кучинский, Е. И. Миронова

Проблема повышения рабочих напряженностей электрического поля в маслобарьерной изоляции (МБИ) силовых высоковольтных трансформаторов при переходе к высшим классам напряжения связана с целым рядом вопросов, для решения которых необходимо иметь достаточно четкое представление о физико-химических и электрофизических процессах, протекающих в изоляции при длительном воздействии переменного напряжения. Увеличение электрических нагрузок на изоляционные материалы повышает их чувствительность к изменению (в общем случае — к ухудшению) состояния изоляции трансформаторов в эксплуатации, т. е. к ее старению. В связи с этим возникает необходимость определения тех факторов, которые наибольшим образом воздействуют на свойства маслобарьерной изоляции.

В настоящее время имеются теоретические представления о фундаментальных процессах в отдельных компонентах МБИ — масле и целлюлозных материалах (бумаге, картоне) [I, 2]. Кроме того, известны многочисленные данные о поведении композиций масло — целлюлоза при окислении, термических и электротермических воздействиях. Однако они получены, как правило, в условиях, отличающихся от реальных рабочих, и на объектах, далеко не всегда отражающих реальную конструкцию изоляции.

Общей задачей настоящей работы явилось изучение влияния некоторых факторов на старение маслобарьерной изоляции в условиях, близких к эксплуатационным, и на образцах, моделирующих реальную структуру маслобарьерной изоляции — первый масляный канал. Более подробно рассмотрено влияние следующих факторов: 1) напряженности электрического поля, 2) кислорода воздуха в газовой подушке над маслом, 3) температуры, 4) степени увлажнения твердой целлюлозной изоляции.

Конструкция маслобарьерной изоляции представляла собой упрощенный образец первого масляного канала, т. е. два цилиндрических электрода, изолированных друг от друга бумажной изоляцией, масляным каналом и барьером из электротехнического картона. Образцы изготавливались из материалов, применяемых в трансформаторном производстве; отношение количества твердой изоляции к маслу равнялось 1:20 по весу. Каждый образец МБИ испытывался в собственном герметичном бачке, исключавшем влияние на изоляцию внешней среды.

Для достижения необходимого влагосодержания все образцы проходили соответствующую термовакуумную обработку, которая заключалась в сушке под вакуумом до влажности целлюлозной изоляции (0,3… 0,5) %, пропитке трансформаторным маслом марки ТКп с влажностью (15… 25) r/τ и увлажнении во влагокамере до необходимой степени влагосодержания целлюлозы.

Испытания образцов проводились по методике, подробно описанной в [3]. За время (1000… 3000) ч была получена достаточно глубокая степень старения маслобарьерной изоляции, при которой контрольные характеристики находились на уровне соответствующих характеристик изоляции силовых трансформаторов классов напряжения 110 кВ и выше, бывших в эксплуатации примерно 6—10 лет.

В качестве характеристик, контролирующих состояние изоляции в ходе испытаний, применялись следующие: 1) влагосодержание масла г/т; 2) тангенс угла диэлектрических потерь масла при 90° С tg δм. %; 3) кислотное число масла (КЧ), мг КОН/г масла; 4) пробивное напряжение масла в стандартном разряднике Uпр м, кВ; 5) оптическая плотность масла D, отн. ед.; 6) поверхностное натяжение масла σ, Дж/м2-10_4; 7) показатель полярности масла Δε, отн. ед.; содержание растворенных в масле газов СO2 и Н2, % об.; 9) средняя степень полимеризации (ССП), %; 10) влагосодержание целлюлозных материалов WT,, % вес.      

Перечисленный комплекс контрольных характеристик позволил провести сравнительную оценку состояния изоляции образцов, поскольку каждая из них реагирует на появление в масле тех или иных продуктов, отсутствующих в нем в исходном состоянии. Это могут быть газообразные продукты разложения, полярные группы, высокомолекулярные продукты полимеризации и конденсации, коллоидные частицы и т. п.

В ходе экспериментального исследования было испытано более 80 образцов маслобарьерной изоляции. Как уже отмечалось в [3], наиболее интенсивным периодом старения, соответствующим максимальному изменению контрольных характеристик, является первоначальный 1000… 1500-часовой период, после которого происходят замедление и стабилизация химических реакций в изоляции образцов. Сравнительная оценка контрольных характеристик в зависимости от различных воздействующих факторов проводилась именно для периода стабилизации процессов старения. Результаты исследований приводятся в относительных единицах как отношение конечных величин соответствующих характеристик к их начальным величинам, измеренным до старения изоляции.

Для выявления влияния напряженности электрического поля Е на старение МБИ образцы в течение длительных испытаний выдерживались при различном напряжении, но при равных прочих условиях: постоянной температуре t= (80±2)°С, начальной влажности твердой изоляции Wм н = 2%, начальной влажности масла Wм н = (15…25) г/т. Конкретные значения Е охватывали как область применяемых в настоящее время рабочих напряженностей, так и значительно превышали их. Результаты испытаний приведены в табл. 1.

Таблица 1

Примечание. Для образцов, испытывавшихся при Е = 3 кВ/мм, U7Tн == 3,5%.

Следует отметить, что все 11 образцов, испытывавшихся при Е = б кВ/мм, были пробиты в ходе испытаний. Анализ результатов показывает, что величина Е = (0… 5,5) кВ/мм не оказывает существенного влияния на степень старения масла в образцах МБИ. В то же время при увеличении Е наблюдается снижение ССП целлюлозных материалов, что свидетельствует об интенсивном осаждении продуктов старения масла на их поверхности, приводящем к более глубокой деполимеризации молекул целлюлозы.

Часть испытуемых образцов выполнялась с воздушной подушкой над поверхностью масла, объем которой составлял примерно 5% объема масла, что приводило к добавочному растворению в масле кислорода воздуха. В табл. 2 приведены сравнительные результаты испытаний образцов при t= 80°C, W м н= (15…25) г/т и Wт н= 2%. Анализируя контрольные характеристики, можно отметить, что ограниченное количество кислорода в воздушной подушке над поверхностью масла слабо сказывается на старении изоляции.

Таблица 2

Таблица3

Зависимости контрольных характеристик масла от длительности старения τ при различном начальном влагосодержании твердой целлюлозной изоляции Wт н.

Влияние выдерживаемой температуры на процессы старения изоляции образцов определялось при двух ее значениях: 40 и 80° С. При этом влажность масла составляла (15… 25) г/т, а влажность твердой изоляции выбиралась равной 3,5 и 1,5%. Сравнительные характеристики изоляции для этих испытаний приведены в табл. 3. Снижение температуры с 80 до 40° С заметно замедляет изменение контрольных характеристик, т. е. уменьшает степень состаренности изоляции при одинаковых длительностях испытаний. Это уменьшение тем значительнее, чем больше W т н.

Многие авторы считают влагу одним из основных факторов, ускоряющих старение пропитанной маслом целлюлозной изоляции. В настоящей работе исследовалось влияние влаги на старение МБИ в зависимости от длительности испытаний при следующих значениях Wт н, %: 0,5; 1,5; 2,0; 3,5 (см. рисунок и табл. 4). Каждая точка на графиках получена по усредненным характеристикам 5—17 образцов, испытывавшихся при различных Е, но при одинаковой температуре 80° С. На рисунке приведены только те характеристики, которые определялись для всех партий образцов с различным Wт н.

Полученные зависимости хорошо иллюстрируют характер изменения свойств маслобарьерной изоляции в процессе старения при различном влагосодержании твердых целлюлозных материалов. С увеличением Wт н происходит увеличение скорости и глубины старения как масла, так и целлюлозы. Если начальная влажность твердых материалов в диапазоне (0,5 … 2) % приводит к примерно равному в количественном отношении изменению (ухудшению) физико-химических характеристик изоляции, то увеличение Wт н до 3,5% вызывает резкую интенсификацию процессов старения МБИ.

Так, значения контрольных характеристик для образцов с влажностью 2 и 0,5% в конце старения могут отличаться на (10… 20) %, а с влажностью 3,5 и 0,5% — в 4—6 раз. Особо следует отмстить изменение в процессе старения содержания в масле СO2. Даже небольшое увеличение Wтн до 1,5% приводит к значительному выделению этого газа. Накопление СO2 в масле следует считать закономерным явлением, так как это один из основных продуктов химического разложения целлюлозной изоляции и масла в процессе термического старения изоляции.

ВЫВОДЫ

Старение масла в маслобарьерной изоляции высоковольтных трансформаторов практически не зависит от величины напряженности электрического поля в диапазоне (0…5,5) кВ/мм. Однако продукты старения масла с увеличением Ж интенсивнее осаждаются на поверхности целлюлозных материалов, что приводит к более глубокой деполимеризации молекул целлюлозы. Ограниченное количество кислорода воздуха в воздушной подушке над поверхностью масла не влияет на старение маслобарьерной изоляции. Повышение температуры при длительных испытаниях приводит к более глубокому старению маслобарьерной изоляции. Влияние температуры тем существеннее, чем выше влажность изоляции. Наиболее существенным фактором, определяющим глубину и скорость старения МБИ, является влажность твердой целлюлозной изоляции. Увеличение влагосодержания целлюлозы до 3,5% приводит к резкой интенсификации процессов старения. Это тем более важно потому, что, как известно, именно при такой увлажненности твердой изоляции происходит заметное снижение кратковременной электрической прочности МБИ.

Ещё по теме: