|
| |
ВОПРОСЫ ИЗОЛЯЦИИ (Ж. Электрические станции, 1994, №6, стр. 55-59.) УДК 21: 621. 315. 615. 2 К ВОПРОСУ О НОРМИРОВАНИИ
СОДЕРЖАНИЯ ВОЗДУХА В МАСЛЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ Ванин Львов Ю.Н., кандидаты техн.
наук, Сапожников Ю.М., канд. хим. наук, Смоленская Н.Ю., инж. ВНИИЗ Одним показателей, призванных
служить характеристикой качества трансформаторного масла, является
газосодержание в процентах объема [1]. Эта характеристика приводится и в других
документах [2,3]. Использование ее на практике
вызывает ряд затруднений: 1. Нормированные значения
показателя различны в разных документах. 2. Нормированные значения не
всегда соотносятся и согласуются со способом определения показателя. 3. Отсутствует информация о том,
чем опасно превышение нормированных значений показателя. В данной работе рассмотрены и
решены вопросы, которые могут помочь устранить упомянутые затруднения: исследованы процессы, ведущие к
ухудшению качества масла при увеличении рассматриваемого показателя с целью
определения допустимых границ его изменения; разработана методика
хроматографического определения этого показателя. выяснены условия возможности
применения других способов определения этого показателя. проведено обследование
трансформаторов в эксплуатации и устройств дегазации масла по рассматриваемому
показателю качества масла.
Термин "газосодержание" или общее газосодержание требует пояснения. Практически
под этим названием подразумевается сумма концентраций в масле растворенных
кислорода и азота. Концентрации остальных газов малы по сравнению с ними и не
имеют значения для рассматриваемого показателя. В большинстве случаев
концентрации кислорода и азота соотносятся как равновесные концентрации этих
растворенных компонентов атмосферного воздуха, поэтому обычно газосодержание
имеет тот же смысл, что 'содержание воздуха'. Например, газосодержание после
вакуумной обработки масла есть остаточное содержание воздуха, газосодержание
масла в трансформаторе со свободным дыханием или в трансформатора с пленочной
защитой есть содержание в нем растворенного воздуха, но газосодержание масла в
трансформаторе с азотной защитой представляет собой сумму содержания остаточного
воздуха и введенного в масло при азотировании азота. Наличие растворенного кислород в
масле трансформаторов приводит к окислению масла во время работы. Интенсивность
окисления повышается с увеличением концентрации кислорода. Поэтому
газосодержание масла трансформаторов с пленочной защитой и свободным дыханием,
будучи содержанием воздуха, которое пропорционально содержанию кислорода, может
служить характеристикой качества масла с точки зрения подверженности его
окислению во время работы. Для трансформаторов с азотной защитой этот показатель
такой характеристикой быть не может из-за отсутствия определенной связи его с
концентрацией кислорода в масле таких трансформаторов. Заливка плохо дегазированного
масла в трансформатор создает возможность образования медленно растворяющихся
пузырьков воздуха в масле, что может вызывать повреждение изоляции при включении
трансформатора в работу. К повреждению может привести также выделение пузырьков
воздуха из плохо дегазированного масла при 'изменении температуры в широких
пределах, имеющих место, например, при отключеньях - включениях трансформатора в
зимнее время [4]. Такое выделение пузырьков может быть опасно при работе
трансформатора из-за понижения электрической прочности масла. С этой точки
зрения газосодержание может быть характеристикой качества масла для
трансформаторов со всеми видами защиты масла: азотной, пленочной, силикагелевой. Очевидно, что допустимые
значения показателя по условиям окисления и электрической прочности вряд ли
совпадают. Как отмечено ранее, растворенный
в масле газ может при некоторых условиях переходить в свободное состояние,
образуя пузырьки. В таком виде газ является причиной опасного ослабления
изоляционной системы, так как электрический пробой газа в пузырьках становится
возможным уже при рабочем напряжении. Исследования, конкретно характеризующие
опасность этого явления для трансформатора в эксплуатации, описаны в [4].
Пересыщение масла воздухом при понижении температуры после отключения, особенно
в зимнее время года, способствует началу ползущего разряда. Количество газа,
пересыщающего масло, в крупном трансформаторе может достигать 2-4 м3
пересыщающий масло газ может выделяться в виде пузырьков, ослабляющих
маслобарьерную изоляцию, при включении маслонасосов системы охлаждения.
Отсутствие пересыщения масла воздухом практически обеспечивается при его
содержании в масле не более 8%. Учитывая, что масло после
дегазации может иметь остаточное содержание воздуха до 2%, целесообразно в
качестве нормируемого выбрать 6%, что создаёт некоторый запас от предельно
допустимого 7-8%, гарантирующий не ослабление изоляции даже при неконтролируемых
изменениях условий (сортность масла, неравномерность распределения температуры в
трансформаторе и др.) по критерию надежности работы трансформаторов с пленочной
защитой. Трансформаторы с силикагелевой защитой не защищены от пересыщения масла
воздухом. Это же следует сказать о трансформаторах с азотной защитой, поскольку
они также находятся в условиях равновесного растворения газа в масле при
атмосферном давлении. Рассмотрим теперь вопрос оценки
максимального содержания воздуха, при котором процессы окисления масла протекают
с минимальной скоростью. Контроль процесса окисления в масле можно осуществлять
как по образующимся продуктам окисления, так и по потреблению кислорода. Второй
путь возможен в случав отсутствия контакта масла с воздухом. На практике такой
случай возможен, в частности, для трансформаторов с пленочной защитой.
Для исследования были взяты два масла различных составов; смесь разных насел и
масло марки ГК. Исследования проводились в области температур от 70 до 150 0С в
течение 6-10 ч. Испытания проводились в термостате хроматографа (модель 3700
исп.1), температура в котором поддерживалась с точностью ±0,5 0С. В опытах
использовались пробоотборники, которые применяются для отбора проб масла для
анализа на содержание воздуха в изоляционных маслах методом газовой
хроматографии [5]. Эти пробоотборники снабжены капиллярным масляным затвором,
исключающим попадание воздуха в пробоотборник. Для того, чтобы получить
сопоставимые результаты и исключить возможность искажения результатов за счёт
различного объема отобранной пробы из пробоотборника, каждая временная точка
делалась в своем пробоотборнике.
 
Оба масла перед испытанием
находились длительное время в контакте с воздухом. Анализ масла проводился на
газовом хроматографе (модель 3700 исп. 1) с детектором по теплопроводности
(ДТП). Методика основана на прямом вводе пробы масла в испаритель хроматографа,
что исключает попадание постороннего воздуха при вводе пробы. Анализ велся на
колонке из нержавеющей стали длиной 3 м с внутренним диаметром 3 мм, заполненной
цеолитом СаА зернения 0,25-0,5 мм. Для защиты колонки от попадания масла перед
ней устанавливалась предколонка длиной 10 см с тем же внутренним диаметром,
заполненная сорбентом ПАУ-1 зернения 0,25-0,5 мм. Расход газа-носителя (гелия) –
25 мл/мин. Температуры: испарителя – 180 0С, термостата колонок – 60 0С,
термостата ДТП – 120 0С. Ток моста ДТП – 200 мА. Объем вводимой пробы масла –
25-75 мкл. Калибровка проводилась с помощью калибровочного устройства,
изготовляемого заводом «Хроматограф» (Москва), чистым кислородом. Расчёт
содержания кислорода в масле проводился по формуле 
где  – содержание
кислорода в масле, % об.;  – высота пика кислорода на хроматограмме при анализе масла,
мм; М – масштаб делителя детектора при анализе; VM– объём пробы масла, мкл;  – коэффициент
чувствительности по кислороду, рассчитанный по формуле 
 – высота пика кислорода на хроматограмме при анализе чистого
кислорода, мм;  – объём дозы
кислорода при калибровке, мкл. Результаты анализа кислорода в
масле при разных температурах и временах нагрева приведены в табл. 1. Исходное
содержание воздуха в смесевом масле – 7,56% об., а в масле марки ГК – 8,73% об. Экспериментально установлено,
что при 70 оС содержание кислорода в масле в течение 10 ч оставалось практически
на исходном уровне.
Как видно из табл. 1, содержание кислорода в масле с течением времени
уменьшается, причем наиболее сильно при температуре 150 оС. Следует отметить,
что при достижении концентрации кислорода в смесевом масле 0,3896 об.
практически прекращается его потребление. Отсюда есть основание предположить,
что процесс окисления в масле при содержании кислорода 0,38% практически не
идет. Зная величины коэффициентов растворимости азота (0,09] и кислорода (0,17)
в масле, состав атмосферного воздуха (N2 – 76%, 02 – 21%) и величину
концентрации кислорода в масле 0,38 %, можно рассчитать ту максимальную
концентрацию воздуха, при которой процесс окисления практически не идет, 
где  – коэффициент
растворимости азота в масле;  – коэффициент растворимости кислорода в масле.
Расчет показывает, что для того, чтобы процесс окисления практически
отсутствовал, содержание воздуха в смесевом масле не должно превышать 1,1% об. Несколько иная картина
потребления кислорода наблюдается в масле марки ГК – там процесс окисления идет
с невысокой интенсивностью даже при высокой температуре (150 оС), а концентрация
кислорода, при которой процесс окисления практически прекращаются, составляет
0,73% об. Отсюда следует, что в соответствии с формулой (3) концентрация воздуха
в масле ГК, при которой процесс окисления идет интенсивно, составляет 2,1% и
более.
Во ВНИИЭ разработана методика хроматографического определения воздуха в масле
трансформаторов, включая инструкции по отбору, транспортировке и хранению проб
[5]. Применяя этот метод, произведены измерения содержания воздуха в масле
трансформаторов с пленочной защитой на Саяно-Шушенской и Майнской ГЭС, Братской
ГЭС, СЭС Воронежэнерго, Грузэнерго, ПЭС – Южные, Западные, Октябрьские сети
Мосэнерго, Игналинской АЭС, Костромской ГРЭС, Пермэнерго, Белгородэнерго. Всего
обследован 81 трансформатор. Результаты измерений содержания воздуха в образцах
масла силовых трансформаторов с пленочной защитой превышают во всех случаях,
кроме 11 (13,6%), нормированную в заводских инструкциях по эксплуатации
трансформаторов величину 2%. Минимальное содержание растворенного воздуха в
масле трансформаторов составило по данным измерений 0,5%. Число трансформаторов
с содержанием воздуха 6% и более – 17 (21%).
Содержание воздуха в масле электрооборудования в эксплуатации во многом
определяется качеством обработки масла на дегазационных установках при заливке.
В настоящее время с этой целью используются различные установки, в частности,
УВМ-1 (г. Харьков), а также импортные (Италия, Швейцария, Япония и др.). Было
проведено обследование ряда установок с использованием газохроматографической
методики на заводе «Изолятор», ВЭИ, Пермэнерго, Игналинской АЭС (табл. 2). 
Как видно из таблицы, содержание
остаточного воз- духа при обработке масла на всех установках находится на уровне
0,5-0,7%. Исключение составляет одна дегазационная установка, которая дает
остаточное содержание воздуха в масле 1,8% об. Это может быть связано как с
ошибками при отборе, транспортировке и хранении проб масла, так и с плохой
работой данной установки. Результаты обследования
дегазационных установок показывают, что реально достижимая величина остаточного
содержания воздуха при термовакуумной обработке масла составляет несколько
десятых долей процента. Эта величина гораздо выше допускаемых существующими
руководящими материалами [1-3] для свежего сухого масла после термовакуумной
обработки перед заливкой и после заливки в трансформатор, которые составляют 0,1
и 0,2% (табл. 3). Это расхождение обусловлено тем, что контроль содержания
воздуха в масле при его обработке выполняется обычно штатными приборами в
дегазационных установках – абсорбциометрами, которые дают значительно заниженные
показания по сравнению с действительными.
Приведенные в табл. 3 нормированные значения газосодержания ориентированы, по
существу, на измерения абсорбциометром, но необоснованно рекомендованы [2]
применительно к результатам при вводе трансформаторов в работу после ремонта и
монтажа, так как масло оказывается формально не удовлетворяющим нормам. Устранить это противоречие
можно, перейдя к объективным методам определения газосодержания.
Для масла работающих трансформаторов целесообразно использовать
хроматографический метод, сохраняя ту же периодичность испытаний, которую
предписывают существующие нормы [1] - один раз в два года. При этом оказывается
возможным проведение испытаний в стационарных лабораториях постоянным специально
подготовленным персоналом, что обеспечит хорошее качество измерений. Предельные
содержания воздуха у трансформаторов с пленочной защитой целесообразно по
условию ограничения интенсивности окисления масла установить для масла марки ГК
2%, а для масел остальных марок - 1 %. Для масла трансформаторов после
заливки под вакуумом также целесообразно проводить измерение газосодержания
хроматографическим методом. Оно одновременно явится первым в ряду измерений в
эксплуатации. Предельное газосодержание при этом целесообразно принять равным
0,5%, что фактически достижимо при использовании современных дегазирующих
устройств (табл. 2). Оперативный контроль содержания
воды в масле во время его обработки в дегазирующем устройстве необходимо
выполнять часто, анализ с помощью хроматографа в лабораторных условиях в этом
случае практически неприемлем. Для этого в устройстве должен быть штатный
прибор, позволяющий выполнять измерения быстро и правильно. Существующий штатный
прибор – абсорбциометр – последнему условию не удовлетворяет. Требуется его
усовершенствование в части конструкции и методики измерения. Такая разработка
проводится в лаборатории трансформаторов ВНИИЭ. В настоящее время действующий
макет устройства такого рода, пригодный для использования в лабораторных
условиях, создан – «устройство для изменения содержания воздуха и воды» в масле
(УИВВМ]. Из-за недостатка в настоящее
время устройств упомянутого вида считаем допустимым контролировать содержание
воздуха при подготовке масла для заливки в трансформатор абсорбциометрами,
считая допустимым значением его величину 0,1%.
ВЫВОДЫ :
1. Содержание воздуха в масле трансформаторов после заливки не должно
превышать величины 0,5% по объему.
2. Для снижения интенсивности окисления масла содержание воздуха в масле
трансформаторов в эксплуатации не должно превышать для масел марки ГК –2%, а
для масел остальных марок – 1% по объему.
3. Измерения содержания воздуха в масле трансформаторов в эксплуатации
следует проводить хроматографическим методом с периодичностью 1 раз в 2
года. Проверку содержания воздуха после доливки возможно также производить
устройством УИВВМ разработки ВНИИЭ. Оперативный контроль содержания воздуха
при подготовке масла к заливке возможно производить абсорбциометром. При
измерении абсорбциометром содержание воздуха не должно превышать 0,1% по
объему.
4. Целесообразно для трансформаторов в эксплуатации использование
хроматографического контроля содержания азота и кислорода в масле, в
частности, для контроля герметичности трансформаторов с азотной защитой
масла.
Список литературы: 1. Нормы испытания
электрооборудования, М.: Атомиздат, 1978, Изд. 5-е.
2. РД 34.43.105-89. Методические указания по эксплуатации трансформаторных
масел. М.: Союзтехэнерго, 1989. 3. РД 16363-87. Трансформаторы
силовые. Транспортирование, разгрузка. хранение, монтаж и ввод в эксплуатацию.
М.: Минэлектротехпром, 1987. 4. Анализ газовыделения в масле
трансформаторов водимых в работу из резерва при низких температурах / Ванин
Б.В., Львов Ю.Н., Сапожников Ю.М., Петрунько А.К. Электрические станции, 1993, №
2.
5. Смоленская Н.Ю., Сапожников Ю.М., Несвижскнй Е.И. Количественный
хроматографический анализ воздуха и влаги, растворенных в трансформаторном
масле. – Тр. ВНИИЭ. Надежность основного оборудования электрических сетей. М.:
Энергоатомиздат, 1992. |
