Общие сведения о трансформаторных маслах

Силовые трансформаторы высокого напряжения – это одни из наиболее важных и дорогостоящих элементов систем распределения электричества. Для того, чтобы их работа была безопасной и надежной, нужно применять трансформаторное масло. Это специальная жидкость с высокой диэлектрической прочностью, которая предназначена для отвода тепла и выполняет изолирующую функцию.

Что такое трансформатор?

Трансформатором принято называть устройство, преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения без изменения его частоты.

По своей конструкции он состоит из одной или нескольких изолированных ленточных или проволочных катушек (обмоток), которые намотаны на сердечник (магнитопровод).

Работа трансформаторов основана на принципе электромагнитной индукции.

Переменный ток подается на первую обмотку и образует в катушке магнитное поле, которое во второй катушке образует электрический ток. Величина напряжения электродвижущей силы зависит от скорости изменения магнитного поля и числа витков в катушке.

Если в первичной обмотке число витков больше, чем во вторичной – это понижающий трансформатор. Если наоборот – то это повышающий. В зависимости от того, на какую обмотку подается переменное напряжение, один и тот же трансформатор может быть и повышающим и понижающим. Также выделяют высоко- и низкочастотные трансформаторы. Частота, при которой работает оборудование определяется материалом, из которого изготовлен сердечник. Если сердечник отсутствует, то это высокочастотный трансформатор.

Еще одним видом трансформаторов являются силовые. В них две или больше обмоток надеты на замкнутый магнитопровод из стальных листов. Одна из катушек соединяется с источником переменного тока, другая – с потребителем. Электрическая мощность передается от первичной ко вторичной обмотке благодаря магнитному потоку в сердечнике.

Зачем в трансформаторах масло?

Обмотки являются наиболее важной частью трансформатора и нуждаются в защите. В процессе преобразования высокого напряжения в низкое оборудование выделяет много тепла. Во избежание выхода трансформаторов из строя это тепло нужно отводить.

Для решения задач, связанных с эксплуатацией трансофрматоров, используют специальные масла.

Трансформаторное масло – это продукт перегонки очищенной сырой нефти. Температура его кипения составляет от +300 °C до +400 °C. В зависимости от того, какая нефть была использована, масла обладают определенными свойствами.

Они имеют сложный состав, в который входят следующие компоненты:

• 10-15 % парафинов
• 60-70 % нафтенов или циклопарафинов
• 15-20 % ароматических углеводородов
• 1-2 % асфальто-смолистых веществ
• < 1 % сернистых соединений
• < 0,8 % азотистых соединений
• < 0,02 % нафтеновых кислот
• 0,2-0,5 % антиокислительной присадки

Назначение трансформаторных масел заключается в следующих функциях:

• Охлаждение
• Электрическая изоляция
• Гашение дуги
  

В оборудовании мощностью 50-500 кВА используется бумажно-масляная изоляция. Это пропитанная маслом изоляционная бумага. В трансформаторах мощностью 20-30 кВА применяются крупные стальные конструкции (баки) с большим количеством труб, которые выходят параллельно в одну или несколько сторон. Обмотки с сердечником помещаются в трубчатый бак, где их окружает масло, которое отводит тепло. Благодаря конвекции горячая жидкость поднимается вверх по трубе, охлаждается, и опускается обратно в резервуар. По мере нагрева масла этот процесс повторяется.

Технические характеристики трансформаторного масла

Требования к трансформаторному маслу очень высокие. Их характеристики должны соответствовать условиям эксплуатации оборудования, а сам материал обеспечивать его надежную работу.

Все трансформаторные масла должны обладать электроизоляционными свойствами. Их диэлектрическая прочность напрямую зависит от наличия воды и волокон. Именно поэтому вода и механические примеси не должны присутствовать в масле, так как они снижают его электроизоляционные свойства.

Температура застывания масла не должна быть выше -45 °C, но для южных регионов допустимо применение жидкостей, температура застывания которых составляет -35 °C. Это необходимо для сохранения текучести при эксплуатации под воздействием отрицательных температур.

Для эффективного отвода тепла жидкости должны иметь наименьшую вязкость при температуре вспышки. Для разных марок она составляет от +95 °C до +150 °C.

Одной из наиболее важных характеристик трансформаторного масла является окислительная стабильность – способность жидкости сохранять свои свойства при длительной эксплуатации. Данный параметр обеспечивается антиокислительной присадкой, эффективность которой зависит от того, насколько хорошо она взаимодействует с продуктами реакции окисления углеводородов.

Плотность жидкости находится в пределах (0,84-0,89)*10³ кг/м³. Ее необходимо знать для расчета массы продукта. Также она позволяет узнать углеводородный состав жидкости.

Вязкость – важное свойство трансформаторного масла. Для получения высокой электрической прочности жидкость должна быть вязкой. Но для того, чтобы масло правильно работало в качестве охлаждающей среды в трансформаторах и в качестве среды для движущихся элементов привода выключателей, оно должно обладать невысокой вязкостью. Иначе охлаждение будет недостаточным, а выключатели не смогут разрывать электрическую дугу.

В связи с этим показатель кинематической вязкости при +20 °C должен составлять 28-30*10^-6 м²/с.

Проверка масел

Параметры масел проверяют при помощи анализа следующих физико-химических и электроизоляционных характеристик:

• Электрической прочности
• Тангенса угла потерь
• Влагосодержания
• Содержания газа
• Количественного состава механических примесей

Замер влагосодержания производится при помощи реакции влаги, которая находится в масле, с гидритом кислорода. Содержание газа определяется по степени изменения остаточного давления в емкости после заливки в нее пробы исследуемой жидкости. Количество механических примесей определяется путем фильтрации растворенного в бензине масла через бумажный фильтр, который не содержит золы.

Электрическая прочность жидкости измеряется в ходе испытаний на пробой. Для этого используется разрядник 2,5 мм с диаметром электродов 25,4 мм. Полученный результат должен быть не менее 70 кВ, при котором электрическая прочность будет равна не менее 280 кВ/см.

Тангенс угла потерь определяется наличием примесей. В чистой жидкости его значение составляет не более 0,02 % при +90 °C в условиях частоты поля 50 Гц. В окисленном состоянии масла он может быть более 0,2 %.

Эксплуатация трансформаторного масла

Со временем ресурс антиокислительных присадок в масле заканчивается и оно начинает поглощать и растворять в себе большое количество газов. В стандартных условиях количество кислорода, азота и углекислоты составляет 0,16 мл, 0,86 мл и 1,2 мл.

Если происходит выделение газов, это означает, что у обмотки появились дефекты. Также по наличию газов, растворенных в трансформаторном масле, можно посредством хроматографического анализа выявить дефекты трансформаторов.

Срок службы масла и трансформатора напрямую не связан. Независимо от срока эксплуатации трансформатора жидкость необходимо ежегодно подвергать очистке, а каждые 5 лет – регенерировать ее. Регенерация масла производится с применением силикагеля на специальных маслорегенерационных установках.

Тем не менее, в современном электротехническом оборудовании предусмотрены некоторые меры, которые продлевают срок службы трансформаторного масла:

• Установка расширителей с фильтрами для поглощения кислорода, воды и выделяемых газов
• Периодическая очистка жидкости
• Непрерывная фильтрация
• Добавление антиокислительных веществ
• Предупреждение перегрева масла

Поводом для изъятия масла из эксплуатации может быть его загрязнение веществами, которое привело к изменению характеристик. В этом случае достаточно провести механическую очистку жидкости.

Выделяют следующие методы очистки:

• Фильтрация
• Адсорбционная обработка
• Центрифугирование
• Вакуумная обработка

Марки трансформаторных масел

В России и странах СНГ наиболее популярны отечественные трансформаторные масла. Рассмотрим наиболее востребованные продукты: Т-1500У, ГК, ВГ, ТСП, ТКП, АГК и МВТ. Из зарубежных масел можно выделить продукцию концернов Mobil и Shell.

Отечественные трансформаторные масла

Масло Т-1500У отличается хорошей устойчивостью к окислению и газостойкостью, но не отвечает требованиям зарубежного оборудования по этим параметрам. Жидкость содержит не более 0,3 % серы. Применяется масло в электрооборудовании до 500 кВ, которое не требует дополнительных условий. После изучения свойств масла его можно применять в аппаратах до 750 кВ.

Масло ГК изготавливается методами каталитической депарафинизации и гидрокрегинга. Его производят из сернистых парафинистых нефтей. Отличительной особенностью жидкости является очень низкое содержание ароматических углеводородов и сернистых соединений.

Масло имеет хорошие диэлектрические и антиокислительные свойства. Материал применяется в электрооборудовании напряжением до 1150 кВ.

Масло ВГ изготавливается посредством гидрокаталитических процессов из парафинистых нефтей. В составе содержит антиокислительную присадку ионол. Оно отличается высокой устойчивостью к окислению и обладает высокими диэлектрическими свойствами. Применяется в аппаратах высших классов напряжений.

Масло ТСП изготавливают из западносибирских нефтей путем низкотемпературной депарафинизации и селективной очистки. По сравнению с подобными материалами его можно охарактеризовать как некачественное. Масло отличается высоким содержанием сернистых соединений (до 0,6 %), малой устойчивостью к окислению, высокими диэлектрическими потерями, несовместимостью с некоторыми конструкционными материалами. Из плюсов можно выделить хорошую стойкость к воздействию электрического поля высокого напряжения. Используется в основном в аппаратах до 220 кВ включительно.

Масло ТКп производится из малосернистой нафтеновой нефти путем кислотно-щелочной очистки и контактной доочистки. В своем составе содержит присадку ионол. Применяется в оборудовании до 500 кВ включительно.

Масло АГК изготавливается посредством гидрокаталитических процессов из парафинистых нефтей. Оно отличается низкой температурой застывания и малой вязкостью при отрицательных температурах. Применяют данную жидкость преимущественно в северных широтах в оборудовании высших классов напряжения.

Масло МВТ это специальная жидкость, которая обладает малой вязкостью при высоких и низких температурах, низкой температурой застывания и низкой температурой вспышки. В основном его применяют в трансформаторах арктического исполнения и масляных выключателях в северных широтах.

Зарубежные трансформаторные масла

Масло Mobil Mobilect 44 N предназначено для масляных выключателей, трансформаторов и другого электротехнического оборудования любых классов напряжения кроме измерительных трансформаторов и вводов. Оно производится из нафтеновых нефтей.

Жидкость отличается малым содержанием парафинов и серы. Добавление электрически нейтральных присадок придает ей отличные низкотемпературные и антиокислительные свойства.

Трансформаторные масла Shell Diala изготавливаются из нефтяных фракций. Они могут быть ингибированными и неигнибированными. Жидкости отличаются высокими эксплуатационными свойствами и надежностью в течение длительного срока службы.

Вышеперечисленные масла не являются единственными, которые представлены на рынке. Они приведены для краткого ознакомления. На деле существует гораздо большее количество марок масел.