Назначение и технические характеристики трансформаторного масла, состав и свойства

Силовые высоковольтные трансформаторы работают под мощным напряжением, обеспечивая электричеством целые города и предприятия. Установки иннервируют много тепла. В процессе эксплуатации накапливают в себе продукты горения, вредные примеси. Если их не удалять вовремя, то электрические контакты будет утрачены, а медная проводка – расплавится. Значит, к трансформаторному изоляционному маслу – неотъемлемой составляющей и жидкому диэлектрику выдвигаются повышенные физические, химические, технические и эксплуатационные требования.

Добывают рабочую жидкость за счет перегонки очищенной сырой нефти с подачей температуры вскипания до 400 гр. На выходе получается масло с определенными свойствами, зависящими от изначально используемой нефти.

Назначение трансформаторного масла

Электрооборудование (трансформаторы, конденсаторы, кабели) с работой под высоким напряжением быстро сломаются и выйдут из строя, если их не заливать рабочим маслом. Его основное предназначение — изоляция токоведущих обмоток. Также жидкость:

• охлаждает;
• гасит дугу.

Обмотка — играет в трансформаторе защитную функцию. Окружающее ее масло в резервуаре защищает от износа и выхода из строя. За счет конвекции поднимается вверх по трубе бака, охлаждается и вновь опускается вниз. Так циркулирует постоянно по мере нагревания.

Справка! Масло в резервуаре тушит вспыхнувшую дугу в случае пробоя обмотки. Это бессменный диэлектрик, заглушающий шум работы трансформатора, снижающий степень вибрации. Только благодаря масляной среде не происходит распространения электрического заряда.

Электрические трансформаторы

В трансформаторах электрического типа масло используется как диэлектрик и биоразлагаемое нетоксичное топливо, поэтому:

• отводит тепло;
• обеспечивает изоляцию между обмотками;
• препятствует короткому замыканию, выходу трансформаторов из строя;
• охлаждает установку;
• не повредит озоновый слой;
• обеспечит безупречную теплопередачу и диэлектрическую прочность трансформатору;
• воспрепятствует образованию дуги в переключателях.

Заметка! Если мощность силового трансформатора – 50-500 кВА, то используется бумажно-масляная изоляция (пропитанная маслом изоляционная бумага). При мощности агрегата 20-30 кВА применимы сварные стальные конструкции в виде трубчатого бака, куда и помещается магнитопровод с обмотками. Между ними и маслом создается теплоотдача с хорошим коэффициентом теплопроводности, высокой точкой кипения. Рабочая жидкость не проводит электричество и не допустит короткого замыкания в системе.

Контактные группы выключателей

Выключатели на высоковольтных подстанциях подают электроэнергию в города, на промышленные предприятия. Их размеры соизмеримы с небольшим домом с работой под напряжением — 200 300000 Вт, силой тока до 50000 А.

Масло в выключателях служит:

• изоляцией;
• гасителем электронной дуги.

Если возникнет электрическая дуга в случае замыкания контактов, то ситуация буквально за несколько циклов приведет к их разрушению. Если внутрь трансформатора залить свежее масло, то искрения попросту не произойдет.

Состав и свойства

Трансформаторное масло – минеральный жидкий диэлектрик со сложной структурой и формулой. В состав входят:

• парафины, циклопарафины;
• молекулы углеводородов;
• асфальт смолистые компоненты;
• серные, азотные соединения;
• нафтеновые кислоты;
• антиоксидантные добавки.

Свойства масла полностью зависят от сорта, параметров исходной фракции нефти. Основные:

• подвижность в условиях эксплуатации при температуре застывания -45 градусов и ниже;
• отсутствие воспламенения при температуре вспышки (+90+150гр);
• неприспособленность к окислению, хотя ингибированное трансформаторное масло может окисляться под воздействием пероксидных радикалов;
• нетоксичность, неспособность нанести вред озоновому слою;
• вязкость, хотя в норме не должно быть слишком вязким (28 до 30 мм2/с при t+20 градусов);
• теплопроводность (0,09 до 0,14 Вт/(м×К));
• диэлектрическая проницаемость (2,1 до 2,4).

Справка! Свойства масла может искажать воздействие высокой температуры, контакты с воздухом, лучами солнечного света и токами короткого замыкания. Нельзя допускать влияния данных факторов, иначе повысится кислотность, снизится электрическая прочность оборудования в случае разрушения изоляционной обмотки.

На свойства масла напрямую влияет тангенс угла диэлектрических потерь, поэтому недопустимо наличие волокон воды, жидкости, механических примесей в масле. Степень свежести нефтяного изоляционного масла для выключателей и трансформаторов должна соответствовать международным стандартам. Если из нефтяного дистиллята при очищении будут полностью устранены не углеводородные включения, то в результате ингибирования ионолом в разы повысится стабильность трансформаторного масла.

Технические характеристики

Данные жидкости должны быть сопоставимы с условиями эксплуатации электрического оборудования:

• кислотное число с указанием едкого калия (мг) для нейтрализации свободных кислот;
• вязкость, за счет которой масло обладает охлаждающими свойствами;
• температура вспышки, когда пары жидкости воспламеняются от источника открытого огня;
• реакция водной вытяжки с обозначением количества нерастворимых кислот в масле;
• пробивное напряжение и при максимальном уровне масла не допустит пробоя у изоляции обмотки;
• зольность, указывающая на качество промывки свежего масла, ведь иначе могут оставаться частицы мыла, солей;
• содержание серы, которой также не должно оставаться после переработки сырой нефти.

Справка! Серные соединения — химический элемент, провоцирующий коррозию и сопротивление контактов в переключателях.

Плотность

От плотности зависит качество, рабочие характеристики масла. Среднее значение при t +20 градусов — 900 кг/м3. По мере повышения температуры — снижается. При 0гр составляет 892 кг/м3.

Плотность — важный физический показатель масла, но полностью зависит от исходного сырья.

Коэффициент вязкости

Вязкость влияет на процессы теплообмена в наполненном агрегате маслом. Лучше, если этот показатель будет занижен для повышенной передачи тепла из обмоток.

Справка! По поводу вязкости трансформаторного масла нередко у специалистов возникают споры. Какое выбрать для заливки в электрическое оборудование? Высокая вязкость повышает электроизоляционные характеристики масла, низкая — отлично охлаждает. В целом вязкость должна зависеть от определенной температуры при работе агрегата. Силовые трансформаторы – тяжелые, габаритные. Вязкость — незаменимая часть при проведении экспертизы рабочей жидкости. Выявляется средний показатель, чтобы функциям.

Часто специалисты при выборе вязкости масла идут на компромисс. При расчетах используют такие понятия, как динамическая, кинематическая, удельная вязкость.

Динамический

Коэффициент вязкости измеряется вискозиметром Энглера (в градусах). Рассчитывается по эмпирическим формулам с учетом силы подачи на твердый шарик в жидкости:. η = f/6ПrVk, где:

• f – сила в (Н), действующая на твердый шарик;
• V — скорость движения шарика, м/с;
• r — радиус шарика (мм);
• k — поправочный коэффициент в зависимости от влияния стенок сосуда.

Справка! Вязкость в градусах Энглера – время, которое необходимо для израсходования масла (200 мл при t+ 50 градусов). Полученное время при расчетах делится на время истечения, объем дистиллированной воды (200 мл) при t+20 градусов.

Кинематический

Коэффициент, который получается при делении динамической вязкости на плотность трансформаторной жидкости.

Определяется вязкость за счет вискозиметра Цинкевича. Средний параметр — 28х10-6 м2/с3. При повышенном значении улучшаются электроизоляционные свойства масла. Хотя охлаждающая способность – снижается.

Совет! При выборе вязкости масла стоит опираться на среднее значение.

Кислотное число

Параметр важен при проведении полного, сокращенного анализа трансформаторной жидкости. Определяется в мг КОН, необходимых для нейтрализации 1 г нефтепродукта

Кислотное число — нормируемый показатель, указывающий на:

• степень износа, коррозию металлических поверхностей;
• возможное снижение диэлектрической прочности масла;
• количество нафтеновых кислот (%), продуктов распада в масле;
• необходимость проведения регенерации с целью продления срока службы силой установки, восстановления диэлектрической прочности, химического состава электроизоляционной жидкости.

Температура

Масло добывается из очищенной нефти путем доведения до кипения при t +300+400 градусов. Далее трансформаторная жидкость очищается.

Температура вспышки, застывания, кипения указывает на степень свежести масла, имеет важное значение в ходе проведения диагностики.

Вспышки

Вспышка — нагрев масла до температуры, когда в сочетании с воздухом образуется легковоспламеняющаяся смесь. Топливная жидкость при этом даже не успевает загореться.

Важно! Температура вспышки в норме — не выше + 135 г. В случае нагрева свыше t вспышки масло попросту загорится при поднесении спички.

Застывания

Температура застывания – до -40 градусов, в южных районах до -35.

Под данным термином понимают масло, которое начинает застывать до такой степени, что в случай наклона пробирки под углом 45 градусов, попросту не стекает 1 минуту со стенок.

Температура застывания в масляных выключателях – важный параметр. Масло в охлажденном виде не должно застывать при t свыше 45 гр. Хотя все зависит от места заливки масла (выключатель, трансформатор), режима работы оборудования (на открытом воздухе, в закрытом помещении).

Кипения

Температура кипения в норме +300+400 градусов. Это заключительный этап, в ходе которого получают чистое трансформаторное масло после очистки от дистиллятов.

Удельная массовая теплоемкость

Измеряется по системе СИ для промышленного масла в Дж/кг. Высокая теплоемкость масла позволяет рассеивать тепло от разных участков циркуляции в оборудовании. Но это не постоянная величина. Полностью зависит от окружающей температуры.

Среднее значение теплоемкости для трансформаторного масла — 1.67-2.5 кДж / кг. Коэффициент в ходе экспериментов исчисляется специальным номографом.

Теплопроводность

Теплопроводность (0-120 градусов) изменяется по мере старения, накопления вредных компонентов, воды, механических примесей, газов в масле. Если значительно снижается, то в трансформаторе нарушается электроизоляционная среда и отвод тепла от нагревающего элемента.

Коэффициент теплопроводности (λ, Вт/(м’К) полностью зависит от температуры масла. Например, при 0 градусов составляет — 0,1123, при +120 градусов — 0,1022.

Объемное расширение

Показатель – ненормируемый, зависящий от температуры. При t +20 градусов равняется 0,856-0,886.

Несложно догадаться, что значение будет понижаться с повышением температуры и повышаться в случае охлаждения жидкости. При t +1 составляет 0,0007. При t +100 градусов объем расширения изменится на 7%.

Объемное расширение у трансформаторного масла предопределяется прибором Ареометром:

• берется порция масла из трансформатора;
• помещается в стеклянный цилиндр, затем — в ареометр;
• проводится подсчет по верхнему краю мениска.

Важно! Силовые теплоагрегаты работают в диапазоне широких температур. Соотношение объема расширителя к объему масла должно быть на уровне 8-9%. Численный коэффициент для электроизоляционного масла в среднем равен 0,0007 на 1 ºС.

Критерий Прандтля

Физический показатель среды трансформаторного диэлектрика высчитывается по формуле: Pr = n/a = mcp/l:

• n = m/r — кинематический коэффициент вязкости;
• m — динамический коэффициент вязкости;
• r — плотность;
• l — коэффициент теплопроводности;
• а = l/rcp — коэффициент температуропроводности;
• cp — удельная тепломкость среды при постоянном давлении.

Число позволяет определить физическую характеристику среды и ее термодинамическое состояние. Показатель будет изменяться при колебаниях температуры: 0 °C Pr = 866, 100 °C Pr = 43,9.

Цвет

Масло в свежем виде – светло-желтое. По мере изнашивания изменяется на темно-коричневый оттенок.

Цвет – не основной параметр масла, но может отражать степень свежести.

Зольность

В процессе отработки масла неизбежно накапливаются мыла, соли. Даже незначительное их количество — показатель плохой промывки с оставлением нежелательного осадка.

Содержание серы

Масло добывается из сырой нефти, поэтому может оставаться частично серное соединение. Этот химический элемент провоцирует коррозию, усиление сопротивления контактов в переключателях.

Содержание серы (%) вычисляется с помощью медной пластины, помещенной в трансформаторное масло в ходе проведения диагностики.

Натровая проба

Метод для выявления степени качества трансформаторной жидкости. Насколько она очищена от примесей, мыла, солей.

Натровая проба указывает на стабильность масла к окислению. Если завышена, значит, в жидкости остались посторонние загрязнения даже после промывки.

Механизм вспышки и воспламенения

При вспышке масло попросту вспыхивает от высоких температур, воздействия источника огня. Определяется вспышка путем подачи самой низкой температуры. Специалисты при диагностике вычисляют:

• как вспышка сказывается на испаряемости масла;
• сколько содержится летучих углеводородов, ведь чем их больше, тем ниже t вспышки.

Важно! Если t вспышки – низкая. Значит, в оборудовании имеются дефекты, провоцирующие образование воспламеняющих летучих фракций. Во избежание возникновения пожара и горения в трансформаторе температура воспламенения должна быть выше рабочей температурой агрегата. Если вспышка составляет 180 гр, то воспламенение должна быть не ниже 150.

По мере старения трансформаторное масло горит непрерывно, если конечно, произойдет воспламенение паровоздушной смеси после поднесения к пламени спички через 5-6 секунд. Температура воспламенения определяется после выявления вспышки. Дело в том, что смазочное масло начинает испаряться тогда, когда температура вспышки масла ниже температуры воспламенения на 60-70 гр.

Как проверяют

Показатели, по которым проверяют масло на свежесть:

1. Содержание влаги, газа. Замеряется за счет реакции влаги, которая может быть в масле при взаимодействии с гидридом кислорода. Газы исчисляются путем изменения остаточного давления в резервуаре, заполненного маслом.
2. Количество механических примесей.
3. Электрическая прочность.
4. Тангенс угла потерь. В свежем масле не превышает — 0,02%, в окисленном — свыше 0,2%.

Методы очистки

От чистоты трансформаторного масла зависит исправность работы изоляционной системы. Но в процессе эксплуатации рабочая жидкость стареет, загрязняется с накоплением продуктов распада, окислением посторонних примесей (кислород, вода, окислы металлов, спирты, альдегиды).

Отходы при оседании на изоляции:

• сгущают масло;
• снижают охлаждающую способность и вязкость.

Справка! Чистое изоляционное масло обеспечивает электрическую прочность системы до 80%, предотвращает окисление в ходе работе двигателя даже под действием высоких температур, не допускает серьезные поломки в системе изоляции.

Для очищения от загрязнений используются химические, физические, физико-химические способами (кислотная и ионообменная очистка, коагуляция, адсорбция, гравитация, фильтрация).

Центрифугирование

На центрифуге проводится предварительная очистка жидкости в случае выявления низкой электрической плотности ниже20 кВ. Масло очищается от механических примесей путем осушки с помощью вакуумных сепараторов с подачей температуры +50+60 градусов.

Фильтрование

Метод заключается в пропуске масло через фильтр-пресс производительностью до 3000 л/ час. Для фильтрации применимы:

• пористые фильтрующие материалы для отделения взвешенных твердых частиц от масла;
• фильтр-прессы типа ФП-2-3000, ФП-4-4;
• мобильные установки фильтрации для передвижного оборудования.

Способ – простой, надежный. Хотя желательно сочетать 2-3 метода для восстановления и регенерации свойств загрязненного масла полностью.

Адсорбционная обработка

В рабочую жидкость добавляются адсорбенты, удерживающие вредные примеси на поверхности масла:

• окиси алюминия;
• отбеливающая глина.

Вакуумная обработка

С помощью установки вакуума и отсасывания кислорода извлекаются:

• вредные примеси;
• газовые пузырьки;
• растворенные газы.

Справка! Трансформаторное масло при отсутствии кислорода долго не портится.

Особенности эксплуатации

В ходе эксплуатации необходимо:

• избегать частого перегрева масла;
• периодически процеживать, вводить в состав противоокислительные присадки;
• очищать от шлаков, воды;
• предотвращать прямые контакты масла с атмосферой, устанавливая внутрь расширители для поглощения кислорода.

Свежее, полностью очищенное масло прослужит до 25 лет. Хотя очищать, регенерировать при эксплуатации важно минимум через 5 лет.

Марки

Самые востребованные эффективные марки трансформаторного масла от отечественных, зарубежных поставщиков.

Т-1500У

Масло со стойкой окислительной способностью. Используется в агрегатах до 500 кВт. В составе сера — до 0,3%.

ТСП

Добывается из западносибирской нефти. Проходит селективную очистку и депарафинизацию. Может заливаться в агрегаты до 200 кВт мощностью, устойчиво к воздействию электрического поля высокого напряжения. Хотя не приспособлено к окислению сернистых соединений. Содержит воду до 0,6%.

ТКП

Рабочая жидкость для заливки трансформаторное оборудование до 500 кВт. Изготавливается из нафтеновой нефти. Проходит контактную, кислотно-щелочное очистку.

АГК

Для заливки в оборудование высших классов под напряжение. Преимущества:

• малая вязкость при минусовых температурах;
• низкая температура застывания.

Добывается из парафинистой нефти.

МВТ

Применение: масляные выключатели, арктические трансформаторы. Особенности: малая вязкость при любой температуре, низкая температура застывания и вспышки.

Mobil Mobilect 44 N

Подходит для заливки в:

• электротехническое оборудование независимо от класса напряжения;
• трансформаторы;
• масляные выключатели.

Изготавливаются из нафтеновой нефти. В составе — малый коэффициент серы и парафинов. Отличительная особенность — наличие антиокислительных низкотемпературных свойств благодаря добавленным нейтральным присадкам.

Shell Diala

Добывается из ингибированных нефтяных фракций. Отличается повышенными эксплуатационными характеристиками. Это надежное масла на протяжении всего срока эксплуатации.

Мдпн

Синтетическое масло. Добавляется в электродвигатели погружных насосов. Оснащено присадками для повышения термо-окислительных свойств.

Масло устойчивая к образованию осадков, низким температурам. Доказало безупречную окислительную способность.

Понятие старения

Старение — необратимый процесс в трансформаторном масле, ведь по мере эксплуатации так или иначе попадает влага, продукты окисления. Начинает снижаться эксплуатационные, химические, физические свойства и передачи тепла. Перестает нормально работать трансформатор.

Стоит проводить профилактику, выявлять дефекты путем забора образцов масла для анализа.

Восстанавливаются свойства масла путем сушки, регенерации, очистки.

Причины старения:

• повышение кислотности;
• образование осадка на обмотках трансформатора;
• ухудшение электроизоляционных свойств;
• окисление — индукционный процесс на начальном этапе.

В масле накапливаются устойчивые продукты окисления: органические перекиси, вода, низкомолекулярные кислоты. Постепенно рабочая жидкость темнеет, мутнеет. Повышается зольность, кислотное число. На поверхности начинают плавать твердые продукты полимеризации, закупоривая охлаждающие каналы трансформатора.

Заменители

Заменителями масла – аналоги — нафтеновые парафины на биологической основе. Они ничем не уступают по свойствам, теплопередаче. Также устойчивы к окислению. Добываются при перегонке, температуре кипения + 300 400 градусов. Представляет собой очищенные фракции от нефти.

Варианты применения трансформаторного масла в быту

Жидкость применяется не только на промышленном оборудовании и силовых трансформаторах, но и в быту:

• для охлаждения, гашения электрической дуги;
• заливки в электрооборудование высоких классов напряжения;
• смазки вакуумных выключателей, высоковольтных трансформаторов.

Сроки эксплуатации трансформатора и масла не связаны между собой напрямую. Однако, высоковольтная установка прослужит безотказно до 15 лет, если производить ежегодную очистку масла и регенерацию 1 раз в пять лет, выводить антиокислители, проводить фильтрацию, устанавливать антиокислительные присадки и расширители с фильтрами для выведения газов, поглощения воды и кислорода.