Печатная основа

ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ ПО «ЭЛЕКТРОМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ» ДЛЯ ПЭМ

2011

КОНДРАТЬЕВА И.В.

Лабораторно – практическое занятие № 1

Тема: Определение электрической прочности жидких диэлектриков.

Цель: Провести опыты по определению пробивного напряжения для трансформаторного масла и рассчитать среднее его значение. Определить значение электрической прочности диэлектрика и сравнить со справочными, объяснить возможные расхождения.

Общие положения:

В работе используется аппарат типа АИМ-90, обеспечивающий подъем напряжения на электродах до 90 кВ. Данный аппарат может применяться в промышленных условиях для определения диэлектрической прочности жидких диэлектриков. Внешний вид и описание органов управления аппарата показано на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид аппарата АИМ-90

1-кнопка включения сети

2-индикатор включения сети (зеленый)

3-измерительный прибор

4-индикатор готовности аппарата к включению высокого напряжения (желтый)

5-включено высокое напряжение (красный)

6-возврат стрелки прибора в нулевое положение

7-автовозврат стрелки в нулевое положение после пробоя

8-кнопка включения высокого напряжения

9-кнопка прерывания подъема высокого напряжения

Пробой диэлектрика осуществляется в пространстве между двумя электродами, расположенными в съемной ячейке. Съемная ячейка стандартна .

Напряжение, приложенное к электродам, индицируется с помощью двух приборов - стрелочным (3, рис. 1) и выносным цифровым. Для цифрового прибора установить диапазон измерения 20 мА. Показания приборов следует умножать на 10, чтобы получить напряжение в кВ (одно деление шкалы стрелочного прибора - 2 кВ, следовательно, крайняя правая отметка «10» соответствует 100 кВ).

Методические указания:

В работе проводится измерение электрической прочности промежутка, заполненного диэлектриком. В качестве диэлектрика используется трансформаторное масло.

Для определения среднего значения электрической прочности необходимо провести не менее 6 опытов с диэлектриком.

В процессе работы кнопка автовозврата стрелки (7, рис. 1) должна быть отжата.

Описание работы с аппаратом АИМ-90.

Измерение пробивного напряжения производится в следующем порядке:

а) открыть крышку и осторожно установить в аппарат необходимую ячейку. При этом: смену ячеек в процессе работы производить только при отключенном питании аппарата - кнопка 1, рис. 1 отжата !

б) закрыть крышку - при неплотно закрытой крышке защита не позволит произвести подачу высокого напряжения.

в) включить кнопку питания аппарата (1, рис. 1), при этом должен загореться индикатор зеленого цвета (2, рис. 1). Если стрелка прибора стоит на нуле, должен гореть индикатор желтого цвета (4, рис. 1). Если стрелка прибора стоит не на нуле, один раз нажать кнопку возврата стрелки в нулевое положение (6, рис. 1), стрелка должна установиться в «0» и должен зажечься индикатор желтого цвета (4, рис. 1).

г) нажать кнопку подачи высокого напряжения (8, рис. 1), должен загореться индикатор красного цвета (5, рис. 1) и погаснуть индикатор желтого цвета. д) следя за показаниями прибора, зафиксировать величину подводимого высокого напряжения в момент пробоя диэлектрика, сопровождающегося характерным треском.

После пробоя стрелка прибора останавливается, но при этом за счет инерционности определенных узлов аппарата движется еще некоторое время, поэтому желательно следить за показаниями приборов непосредственно в момент пробоя. Тем не менее, можно использовать значение, которое показывают приборы после полной остановки, но необходимо данное значение (в кВ) уменьшить на 3,0 кВ для опыта с трансформаторным маслом.

е) нажать кнопку возврата стрелки в нулевое положение (6, рис. 1) и дождаться загорания индикатора желтого цвета.

ж) после пробоя диэлектрика (особенно масла) выждать не менее 3 мин.

Внимание ! Подача высокого напряжения без установленной в аппарат ячейки строго запрещается во избежание непредсказуемых последствий.

Оформление результатов:

В отчете должны быть представлены все экспериментальные данные в порядке их проведения.

На основании полученного среднего пробивного напряжения диэлектриков рассчитать их электрическую прочность.

Привести справочные данные электрической прочности диэлектрика и сравнить их с экспериментальными, имеющиеся расхождения объяснить.

На фиг.1 обозначены: 1 - первый электрод измерительной ячейки; 2 - второй электрод измерительной ячейки; 3 - бак; 4 - электротехническое оборудование; 5 - изоляционная жидкость; 6 - источник напряжения; 7 - клемма заземления источника напряжения; 8 - потенциальная клемма; 9 - коаксиальный кабель; 10 - экран источника 6; 11 - проводник соединения бака 3 с заземлением; 12 - проводник присоединения электрода 1 к клемме 8; 13 - изолятор; 14 - проводник присоединения электрода 2 к торцовой стенке; 15 - торцовая стенка; 16 - датчик тока; 17 - кабель для передачи сигнала с датчика к измерителю параметров сигнала; 18-20 - вентили; Способ определения электрической прочности изоляционной жидкости 5 (фиг.1), находящейся в промежутке между разнополярными электродами 1 и 2 измерительной ячейки заключается в том, что от источника 6 прикладывают к указанным электродам разность потенциалов U, величина которой меньше напряжения пробоя жидкости в данном промежутке, измеряют датчиком 16 величину i тока между электродами и по его величине судят об электрической прочности Е жидкости по предварительно полученной зависимости i=f(E).

Измерение тока i датчиком 16 производят непрерывно или в заданные интервалы времени в автоматизированном или ручном режимах. Измерения тока i датчиком 16 производят путем погружения электродов 1 и 2 измерительной ячейки непосредственно в бак 3 электротехнического оборудования 4, заполненный изоляционной жидкостью 5.. К электродам 1 и 2 прикладывают от источника 6 переменное, выпрямленное или постоянное напряжение U в диапазоне 100-1000 В.

Устройство (фиг.1) для определения электрической прочности изоляционной жидкости 5 содержит измерительную ячейку с разнополярными первым 1 и вторым 2 электродами, промежуток между которыми заполнен указанной жидкостью 5, и источник напряжения 6. Первый 1 и второй 2 электроды выполнены взаимоподобными с развитой рабочей поверхностью. Каждый однополярный электрод состоит, по меньшей мере, из одного электродного элемента, а все элементы одной полярности соединены между собой проводниками соответственно 12 и 14 и расположены между элементами другой полярности с чередованием. Взаимно обращенные поверхности разнополярных электродов расположены на одинаковом расстоянии одна от другой по всей их площади. В цепь протекания тока i от источника 6 напряжения включен датчик 16 величины тока.

Рабочая площадь каждого электрода 1 и 2 выполнена более 10 см². По меньшей мере, один из разнополярных электродов 1 или 2 выполнен с неоднородностями на его поверхности, например с большим числом просверленных отверстий, обращенной к поверхности электрода другой полярности. Ячейка с разнополярными электродами 1 и 2 установлена в герметичной автономной камере 21, которая выполнена полностью или частично из проводящего материала и снабжена, по меньшей мере, одним патрубком 23 с вентилем 18 на нем. Источник напряжения 6 и датчик 16 расположены дистанционно от измерительной ячейки с электродами 1 и 2.

Работает устройство по фиг.1 так. Предварительно снимают с бака стенку 15 вместе с закрепленными на ней электродами 1 и 2 и получают зависимость i=f(E, кВ/см). Затем промывают растворителями и сушат стенку вместе с электродами, после чего ее герметично крепят к баку 3. Следует отметить, что точность изготовления электродов и их монтажа в единую систему не влияют на ошибку определения Е, так как при получении зависимости i=f(E) и последующем измерении i применяется одна и та же система электродов без ее разборки. Заполняют бак с использованием вентилей 18 и 19 жидкой изоляцией 5 трансформаторным маслом. Дают отстояться маслу и включают в работу электрооборудование. Подключают проводник 12 к клемме 8. Для непрерывного измерения электрической прочности масла подается от источника 6 напряжение U положительной полярности 500 В по кабелю 9 на клемму 8 и с нее через проводник 12 - на элементы электрода 1. Элементы электрода 2 оказываются по отношению к электроду 1 под отрицательным потенциалом. При слабых электрических полях, которые имеют место в данном устройстве, носителями зарядов практически всегда являются ионы, образующиеся из-за роста проводимости жидкости, а также путем ионизации молекул примесей в ней, либо за счет эмиссии из электродов. Электроны не могут находиться в свободном состоянии, т.к. легко прилипают к нейтральным молекулам жидкости [5]. В цепи после подачи напряжения U потечет постоянный электрический ток, величина i которого будет определяться удельным сопротивлением масла, площадью рабочей поверхности электрода 1, равной площади электрода 2, и величиной электрического поля между электродами 1 и 2. Ток через жидкость между электродами 1 и 2 проходит и через резистор 16, величина сопротивления R которого известна с ошибкой 0,1%. Этот ток создаст на резисторе 16 падение напряжения UR=iR, величина которого по кабелю 17 передается к измерителю (на фиг.1 не показан) этого напряжения, которым может быть вольтметр с высокоомным входом. По величине UR легко измеряется i, т.е. i=UR/R. Рабочую площадь можно увеличить добавлением числа электродных элементов в каждый электрод. Ток составит величину от нескольких десятков микроампер до десятых его долей. Такой ток легко измеряется типовыми приборами с ошибкой менее 1% в условиях рассеянных электромагнитных полей в окружающем пространстве. Датчиком величины тока могут служить: а) стрелочные микроамперметры разных систем класса точности 0,5 или 1%; б) разного типа промышленные резисторы (шунты) нужных классов точности и мощности.

Знание предварительно полученной зависимости i=f(E, кВ/см) позволяет оператору локально около бака иди дистанционно в любой момент времени определить по приборам величину Е, а если сигнал с резистора R введен в систему автоматики или в компьютер, снабженный соответствующей программой, то контроль Е может вестись непрерывно или в заданные интервалы (моменты) с визуальной выдачей информации, запоминанием ее или иным образом.

Изготовление электродов 1 и/или 2 с неоднородностями на поверхности усиливает на микроостриях неоднородностей электрическое поле в десятки и сотни раз. Это повышает в жидкости скорости ионов и таким образом дополнительно увеличивает ток i. В условиях рассеянных электромагнитных полей это повышает точность измерения тока и соответственно точность определения Е. Кроме того, рост i позволяет дополнительно снизить напряжение между электродами. Поэтому целесообразно неоднородности выполнять на поверхностях электродов обеих полярностей, например, сверлением многих отверстий с острыми кромками. Отверстия дополнительно улучшают циркуляцию жидкости между электродами, предотвращая образование между ними застойных зон жидкости с отличающейся ее проводимостью. В связи с этим возможно изготовление электродов 1 и 2 из металлических сеток.

Устройство с электродами в автономной камере по фиг.2 работает аналогично изложенному по фиг.1 за исключением того, что калибровку электродов можно проводить непосредственно в камере без съема крышки 15. Для определения Е камера заполняется через вентиль 18 и патрубок 23 изоляционной жидкостью при открытом вентиле 19, после чего вентиль 19 закрывается. Это предотвращает контакт жидкости с воздухом и повышает точность определения Е. Для особо точных измерений целесообразно при закрытых вентилях 18 и 20 предварительно из камеры 21 откачать воздух вакуумным насосом через вентиль 19 и затем его закрыть. Это гарантирует отсутствие пузырей воздуха между электродами 1 и 2. Затем возможны два последующих варианта действий. Во-первых, камера может далее оставаться постоянно присоединенной к корпусу оборудования с открытым вентилем 18. Для этого камера заземляется через клемму 22, к клемме 8 подключается источник напряжения подобно изложенному выше применительно к фиг.1 (соединительный кабель 9, источник 6 и др. элементы и узлы) и измеряется ток i через жидкость, а по его величине определяется Е. Во-вторых, камеру можно отсоединить от бака, предварительно закрыв вентиль 18 и на баке, переместить ее к источнику напряжения и уже в другом месте определить по изложенному выше методу Е жидкости.

Устройство с электродами в автономной камере имеет небольшие габариты и массу, его легко перенести в другое место и измерить здесь ток через жидкость и определить Е. Герметичное закрытие отверстий вентилями предотвращает контакт жидкости с атмосферой воздуха. Кроме того, при таком способе определения Е можно одну и ту же камеру переносить и присоединять поочередно к разным бакам с изоляционной жидкостью в них, поочередно отсоединять и определять Е в другом месте. Это сокращает число измерительных ячеек и устройств в целом.

При реализации устройства целесообразно электроды 1 и 2 изготавливать из нержавеющих сталей, например типа 12Х18Н9Т, как оказывающих наименьшее отрицательное каталитическое воздействие на окисление масел в процессе их старения. По возрастанию этого действия металлы располагаются так: нержавеющая сталь, Al, Sn, Zn, Fe, Ni, латунь, Cu; Электродные элементы в плоской их конфигурации и числе их в составе каждого электрода более 3 удобно выполнять из листов нержавеющей стали толщиной 1-2 мм, обеспечивающей достаточную механическую жесткость от коробления. Микронеоднородности на поверхностях электродов удобно создавать сверлением отверстий диаметром 3-6 мм с шагом между их осями соответственно 8-12 мм по всей их поверхности и острыми кромками отверстий. Отверстия дополнительно обеспечивают циркуляцию жидкости в промежутках между электродами. Общий вид сборки электродов приведен на фиг.3. Каждый из электродов 1 и 2 содержал девять параллельно соединенных однополярных электродных элементов, каждый в виде диска диаметром 15,5 см из нержавеющей стали толщиной 0,1 см с просверленными по всей площади отверстиями диаметром 0,8 см с шагом 2 см. Расстояние между разнополярными элементами 0,5 см. Общая рабочая площадь однополярных электродов около 3400 см² (без вычета площади отверстий). Однополярные элементы соединены между собой четырьмя металлическими шпильками диаметром 0,4 см, для прохода которых по окружности диаметром 13,8 см просверлены восемь отверстий через все электроды. Для сверления все электроды обеих полярностей были сжаты между вспомогательными пластинами.

При выпрямленном стабилизированном напряжении U=500 В, от источника 6 измерялась зависимость i=f(Uп), а по ней строилась зависимость i=f(E, кВ/см) (фиг.4). Затем этим устройством определялось Е масла в баках 3 (фиг.1) нескольких маслоизолированных узлов ускорителя, проработавших в его составе продолжительностью от 1 месяца до 4 лет.

Пробой диэлектриков

Под пробоем диэлектриков понимают потерю ими диэлектрических свойств. Принято различать напряжение пробоя (Uпр) и электрическую прочность (Епр).

Напряжение пробоя это то напряжение, при котором резко снижается удельное сопротивление материала изделия. Рабочее напряжение должно быть ниже напряжения пробоя в 2,5 — 4 раза. Электрической прочностью называют напряженность электрического поля, при которой происходит пробой. В однородном поле электрическая прочность определяется как отношение напряжения пробоя к толщине материала. В неоднородных полях под Епр понимают среднюю напряженность электрического поля.

В твердых диэлектриках после пробоя нередко остается прожженное отверстие, вокруг которого наблюдается область частичного разложения и оплавления материала. При повторном приложении электрического поля пробой в этой области наблюдается при меньшей напряженности поля. Поэтому пробой изоляции из твердых диэлектриков проводит к выходу электрической машины или аппарата из строя. Высокая подвижность молекул жидких и газообразных диэлектриков приводит к восстановлению свойств изоляции после пробоя. В этом смысле газообразные или жидкие диэлектрики надежнее, чем твердые, хотя их электропрочность ниже.

Причины пробоя различных диэлектриков определяются как природой материала, так и конструкцией изоляторов и условиями их работы. Различают три основных вида пробоя: электрический, электротепловой и электрохимический.

Электрический пробой развивается практически мгновенно при достижении напряженности поля равной электропрочности диэлектрика. Обычно электрический пробой наблюдается в газах, но может развиваться и в твердых и в жидких диэлектриках.

Известно, что со временем понижается Е изоляционной жидкости в электрооборудовании в связи с ее "старением" под воздействием многих факторов. В результате возрастает ток утечки через объем жидкости между электродами, увеличиваются потери электрической энергии вплоть до аварийного пробоя через жидкость и выхода оборудования из строя. Известны способ определения Е изоляционных жидкостей и устройство для его осуществления, предложенные в 1963 году Комитетом 10 Международной электротехнической комиссии (МЭК) для определения Е жидкостей .Способ состоит в том, что заливают проверяемую на Е изоляционную жидкость в испытательную ячейку (ИЯ) из твердого диэлектрика с двумя электродами в ней, подают на электроды переменное напряжение с частотой 50 Гц, увеличивая действующее значение напряжения до момента пробоя жидкости в промежутке, определяют визуально величину напряжения по прибору, и по ее средней арифметической величине при 6 или 12 последовательных пробоях с интервалами между ними не менее 5 минут судят о Е изоляционной жидкости. На основе этого способа промышленно выпускаются МПО "Мосрентген" (Московской обл., Ленинский район) аппараты типа АИМ-90 (паспорт 2ДЕ.6.040 ПС) для измерения пробивного напряжения жидких диэлектриков. Аппарат содержит ИЯ, заполняемую проверяемой на Е жидкой изоляцией. На стенках ячейки закреплены два одинаковых латунных электрода с внешним диаметром 3,6 см, представляющие собой часть сферической поверхности диаметром 5 см. Расстояние между электродами по их оси 0,25±0,01 см. Каждый электрод имеет площадь поверхности, обращенной одна к другой, примерно 10 см². Электроды подключены к клеммам вторичной обмотки повышающего напряжение трансформатора. К этим же клеммам присоединен киловольтметр для измерения вторичного напряжения. Первичная обмотка трансформатора подключена к сети 220 В 50 Гц через прибор, при включении которого напряжение между электродами увеличивается со скоростью 2 кВ/с до максимального напряжения 90 кВ. В момент каждого очередного k-го пробоя жидкости определяется визуально по стрелочному прибору напряжения пробоя Uпк (оно обычно составляет от 15 до 90 кВ). При одном заполнении ИЯ жидкостью осуществляют 6 последовательных пробоев. После каждого пробоя жидкость перемешивают осторожно вручную стеклянной палочкой для удаления из межэлектродного зазора продуктов разложения жидкости в канале искры и образовавшихся пузырьков, не допуская при этом возникновения новых пузырьков. За величину пробивного напряжения Uп принимают среднее арифметическое значение напряжения по k=6 или 12 последовательным пробоям. Вычисляют среднюю квадратичную ошибку среднего арифметического значения пробивного напряжения и по ней – величину коэффициента вариации Y. Если Y более 20%, то качество диэлектрика признается неудовлетворительным. По величинеUп определяют электропрочность Е (кВ/см)=Uп/0,25 или соответственно Е (кВ/мм), Е (кВ/м).Недостатками этого способа и устройства определения Е изоляционной жидкости являются- длительное время определения Е (не менее 60 минут);- большая опасность поражения персонала из-за наличия высокого напряжения (до 90 кВ);- высокие энергозатраты;- низкая достоверность измерения. Известны способ и устройство для экспресс-контроля пробивного напряжения жидких диэлектриков , в которых предпринята попытка сократить время на контроль, повысить достоверность измерения, снизить энергозатраты, повысить электробезопасность при эксплуатации устройства. Способ определения Е изоляционной жидкости, находящейся в промежутке между разнополярными электродами измерительной ячейки, заключается в том, что подают постоянное напряжение с нарастающей амплитудой на эти электроды, расстояние между которыми устанавливают в кратное число раз меньше нормированного межэлектродного зазора во столько раз, во сколько напряжение при пробое меньше нормированного значения пробивного напряжения жидкого диэлектрика, при этом напряжение при пробое фиксируется и умножается в кратное число раз для измерения величины пробивного напряжения жидкого диэлектрика в стандартизованном зазоре 0,25±0,01 см. Устройство определения ЭП изоляционной жидкости содержит измерительную ячейку с разнополярными первым и вторым электродами, промежуток между которыми заполнен указанной жидкостью, и источник напряжения в виде повышающего напряжение трансформатора, вторичная обмотка которого одним концом соединена через схему удвоения этого напряжения к одному электроду измерительной ячейки, а второй конец вторичной обмотки трансформатора непосредственно соединен с другим электродом ячейки.

Масло, имеющее пробивное напряжение ниже 20 кВ, подлежит замене.

Реакцию водной вытяжки определяют с помощью индикаторов:

для обнаружения кислоты применяют 0,02 %-ный водный раствор метилоранжа, для щелочей—1 %-ный спиртовой раствор фенолфталеина. Водорастворимые кислоты и щелочи могут появиться в масле при регенерации, кислоты могут появиться в масле в процессе его окисления при эксплуатации трансформатора.

Реакция испытуемого масла определяется следующим образом: равные объемы (50 мл) масла и дистиллированной воды, подогретые до 70—80 °С и проверенные на нейтральность, смешиваются и взбалтываются в течение 5 мин в делительной воронке. После отстоя вода спускается в две пробирки. В одну вливают две капли метилоранжа — при наличии кислой реакции вода розовеет. В другую вливают три капли фенолфталеина — при щелочной реакции жидкость окрашивается в малиновый цвет. Для того чтобы узнать причину щелочной реакции, в пробирку с водной вытяжкой, окрашенной в малиновый цвет, добавляют спирт в количестве 40 % объема водной вытяжки. Если окраска исчезнет, значит щелочная реакция вызвана присутствием мыл, если не исчезнет, значит в масле имеется свободная щелочь.

При наличии кислой или щелочной реакции масла его следует заменить.

Важным показателем качества масла является кислотное число.

Для определения кислотного числа эксплуатационных масел в одну колбу берут навеску 10 г испытуемого масла, в другую наливают 50 мл спирто-бензольной смеси (1:4), добавляют индикатор — три капли фенолфталеина и нейтрализуют спирто-бензольную смесь 0,05 и. спиртовым раствором едкого кали. Нейтрализованный раствор вливают в колбу, содержащую навеску испытуемого масла, размешивают и быстро титруют 0,05 и. спиртовым раствором едкого кали до изменения окраски раствора. Кислотное число масла (мг КОН на 1 г масла) определяют по формуле

к = vr/g,

где V — объем 0,05. раствора едкого кали, затраченного на титрование, мл;

Т—титр 0,05 раствора едкого кали, мг;

g — навеска масла, г.

Кислотное число фиксируется как среднее арифметическое результатов двух последующих определений. По величине кислотного числа определяют возможность оставления масла в эксплуатации, необходимость его замены или внесения антиокислительных присадок.

Определение механических примесей производят визуально по внешнему виду пробы масла. Банку с отобранным для пробы маслом медленно перевертывают и проводят наблюдение в дневном или электрическом свете за осаждением механических примесей. Если в пробе имеется более 10 ворсинок или мелких частей примесей, то масло считается загрязненным.

Чистое сухое трансформаторное масло независимо от его химического состава имеет достаточно высокое пробивное напряжение (более 60 кВ).

Явления, происходящие при пробое трансформаторного масла, во многом сходны с пробоем в воздухе. В однородном электрическом поле наблюдается пробой в виде искры. В резко неоднородном поле вначале происходит частичное разрушение диэлектрика в области наиболее высокой напряженности поля; первоначально возникает так называемая корона и лишь при дальнейшем повышении напряжения наступает искровой пробой всего промежутка. Искра в масле, как и в воздухе, может перейти в дугу. Однако в деталях явления пробоя в масле протекают отлично от явлений пробоя в воздухе. При пробое в масле в сравнительно однородном поле при ступенчатом приложении напряжения на некоторой ступени наступает пробой в виде единичной искры, перекрывающей весь промежуток. Пробой может не повториться даже при большем времени воздействия и некотором повышении напряжения. Пробой в виде часто следующих друг за другом разрядов или в виде дуги устанавливается только при напряжении, значительно превосходящем напряжение первичной искры. Подобные явления в воздухе при давлении 1 кгс/см², как правило, не происходят. В неоднородном электрическом поле получить сплошную корону в виде светящейся оболочки трудно, так как коронный разряд в масле представляет собой ряд беспокойных (то возникающих, то пропадающих) незавершенных искр, длина которых зависит от величины приложенного напряжения.

Это явление имеет сходство с незавершенными разрядами в воздухе, возникающими между электродами с относительно большим радиусом закругления.

При номинальном напряжении трансформатора явление короны недопустимо, так как может привести к порче масла и твердых изоляционных материалов, находящихся вблизи к очагу короны.

В недегазированном масле всегда содержится растворенный газ, под действием приложенного напряжения он собирается в маленькие пузырьки. Кроме того, за счет выделяющегося при разряде тепла происходит испарение трансформаторного масла. Таким образом, путь разряда в масле включает не только жидкую, но и газообразную фазу, что способствует развитию разряда. Если пробой происходит под действием короткого импульса, то вероятность перехода искры в устойчивую дугу мала и масло в промежутке между электродами частично восстанавливает первоначальную электрическую прочность. Образовавшиеся в результате разложения масла разрядом частицы угля и пузырьки газа рассеиваются во всем объеме масла и могут не оказать существенного влияния на его дальнейшую электрическую прочность.

Электрическая прочность трансформаторного масла резко снижается при загрязнении и особенно при увлажнении. Под действием электрического поля частицы загрязнений и капель воды образуют цепочки вдоль линий силового поля. Для перекрытия такой цепочки требуется значительно меньшее напряжение, чем для разряда в чистом масле.

Вода в масле может находиться либо в виде раствора, либо в форме эмульсии, т. е. капелек диаметром около 10 мк, или в виде отстоя на дне резервуара с маслом. Растворенная вода не влияет на электрическую прочность масла. Водный отстой сам тоже не может влиять на электрическую прочность. Резкое падение пробивного напряжения наблюдается в масле, содержащем воду в виде эмульсии. Но при изменении температуры вода из растворенного состояния и из отстоя может перейти в масло в виде эмульсии. Поэтому содержание растворенной воды в масле должно быть не более 0,001%, а наличие водного отстоя недопустимо.

При загрязнении масла гигроскопическими частицами, например волокнами твердой изоляции, влияние влаги будет еще более значительным. Влага пропитывает волокна, чем повышает их электропроводность и способствует образованию цепочек вдоль линий электрического поля.

Величина разрядного напряжения является функцией времени. В жидких диэлектриках при продолжительности действия напряжения менее 10 мкс наблюдается увеличение разрядного напряжения, что объясняется запаздыванием развития искрового разряда. При времени, большем 104 мкс, разрядное напряжение снижается, в этом случае проявляется влияние примесей. Образование цепочек частиц, которые снижают электрическую прочность масла, происходит относительно медленно. Поэтому примеси, в том числе и влага, практически не влияют на электрическую прочность масла при грозовых импульсах.

Пробивное напряжение жидких диэлектриков характеризуется довольно большим разбросом значений пробивного напряжения относительно средних значений. Такой разброс при повторных пробоях связан с хаотическим характером процесса построения частиц примесей в цепочки вдоль линий электрического поля. Чем больше примесей в масле, тем значительнее разбpoc величин пробивного напряжения. Так, неочищенное масло имеет разброс пробивного напряжения 30—50%, после очистки разброс может снизиться до 5—10%. Из-за значительной разницы в размерах молекул воды и углеводородов, составляющих трансформаторное масло, растворимость воды в нем очень мала. Этому способствует и то, что молекулы воды имеют значительно больший дипольный момент, чем молекулы масла. Суммарное поле межмолекулярных сил, создаваемое этими двумя типами молекул, препятствует растворению воды в масле. Однако несмотря на это, трансформаторное масло способно растворять воду не только при непосредственном соприкосновении, но и поглощать ее из окружающего воздуха. При равных условиях гигроскопичность трансформаторного масла зависит от их химического состава и возрастает с повышением содержания в них ароматических углеводородов. Присутствие в маслах полярных примесей (спиртов, кислот, мыл и т. п.) также повышает гигроскопичность масел, при этом нарушается линейная зависимость поглощающей способности масел от влажности окружающего воздуха.

Поэтому загрязненные или недостаточно очищенные масла очищать труднее.

Величина пробивного напряжения масла зависит от загрязнения масла водой, воздухом, волокнами или какими-либо другими примесями; от формы электродов и расстояния между ними; характера приложенного напряжения (постоянное, переменное, импульсное). Для получения сравнимых результатов пробивное напряжение определяют переменным напряжением при частоте 50 Гц и расстоянии между электродами 2,5 мм. Форма электродов показана на рис.

Температурная зависимость электрической прочности трансформаторного масла при частоте переменного тока 50 Гц имеет сложный характер. Большинство исследователей отмечает рост электрической прочности в области как положительной, так и отрицательной температур. Максимум лежит в интервале +60-=-+80° С, минимум около +5° С. При повышении температуры вода из эмульсионного состояния частично переходит в растворенное, в результате чего электрическая прочность масла повышается. При более значительном повышении температуры начинается испарение воды и некоторых компонентов масла, что приводит к понижению электрической прочности. При снижении температуры до +5° С почти вся находящаяся в масле вода переходит в эмульсионное состояние, поэтому величина электрической прочности имеет в этой точке минимальное значение. При дальнейшем снижении температуры вода вымерзает и электрическая прочность повышается.

Для абсолютно сухого масла максимум пробивного напряжения при повышении температуры отсутствует. Но практически чистое сухое трансформаторное масло всегда содержит некоторое количество воды и газа, поэтому для него характерна указанная выше температурная зависимость величины пробивного напряжения.

В резко неоднородном электрическом поле с ростом температуры наблюдается небольшое снижение пробивного напряжения. Так, при повышении температуры с 20 до 90° С пробивное напряжение падает примерно на 10%. В однородном поле наблюдается рост пробивного напряжения, доходящий до 60% при повышении температуры от 20 до 60° С. При дальнейшем повышении температуры пробивное напряжение начинает падать. Но даже при максимально допустимой рабочей температуре в трансформаторе масло будет иметь величину пробивного напряжения примерно на 30% больше, чем при 20° С.

При импульсных воздействиях в неоднородном и однородном полях отмечается слабое систематическое снижение пробивного напряжения с ростом температуры. Как уже указывалось выше, примеси влаги и волокон при импульсах имеют малое влияние на электрическую прочность масла.

Особенности температурной зависимости пробивного напряжения следует учитывать при оценке работы масляной изоляции Наличие газа в масле играет значительную роль в процессе пробоя. При понижении давления пробивное напряжение недегазированного трансформаторного масла понижается.

Существует три группы теорий, объясняющих пробой в жидких диэлектриках:

• тепловые, объясняющие пробой образованием газового канала между электродами в результате кипения самого диэлектрика в местах повышения температуры из-за неоднородности поля или за счет тепла, выделившегося при трении движущихся в электрическом поле ионов;

• газовые, которые источником пробоя считают пузырьки газа, находящегося в жидком диэлектрике;

• химические, объясняющие пробой как результат химической реакции, протекающей в диэлектрике под действием электрического разряда в пузырьке газа.

Общим в этих теориях является то, что во всех случаях пробой происходит в газовом канале.

Следует отметить, что предохранить твердую изоляцию от увлажнения можно только при полной герметизации трансформатора. Трансформаторное масло в значительной мере замедляет, но не исключает этот процесс, так как само масло гигроскопично.

Рис. 5. Растворимость воды в трансформаторных маслах при различных значениях относительной влажности воздуха.

Электрическая прочность не является постоянной величиной, характеризующей свойства масла, а зависит от ряда факторов, поэтому в технических условиях на трансформаторное масло она не нормируется.

Тангенс угла диэлектрических потерь. Если к диэлектрику приложить переменное напряжение, то поляризация его будет изменяться с изменением величины и знака этого напряжения. Если скорость поляризации превышает скорость изменения знака напряжения то при перемене знака напряжения часть энергии, затраченная на поляризацию, возвратится к источнику энергии. Когда скорость поляризации отстает от изменения знака напряжения, часть энергии не возвращается к источнику, а рассеивается в веществе в виде тепла. Кроме того, энергия внешнего поля частично затрачивается на взаимодействие с электрически заряженными частицами диэлектрика, находящимися в тепловом движении. Суммарная мощность потерь в диэлектрике, рассеиваемая при приложении к нему переменного напряжения, называется диэлектрическими потерями. Диэлектрические потери обусловливают наличие активной составляющей тока (/а), проходящего через диэлектрик, что служит причиной сдвига фаз между напряжением и током, который отличается от 90° на угол б. Угол 6 называется углом диэлектрических потерь. Чем больше угол б, тем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность и тем хуже диэлектрик

Величина полных потерь зависит от различных факторов. Состояние изоляции характеризуется лишь величиной tg δ

Векторная диаграмма тока, проходящего через диэлектрик.

Величину tgδ обычно выражают в процентах, tgδ % = 100 tgδ. С повышением температуры и увлажненности диэлектрика диэлектрические потери возрастают. С понижением частоты приложенного напряжения, как правило, диэлектрические потери тоже увеличиваются. От размеров электродов tgδ почти не зависит, так как с изменением размеров пропорционально изменяется и емкость, а следовательно, и величины реактивной и активной составляющих тока, проходящего через диэлектрик.

В жидком диэлектрике диэлектрические потери могут вызываться проводимостью и дипольными потерями. Проводимость проявляется как движение электрических зарядов соответственно направлению электрического поля. Смещение зарядов и Поворот диполей проявляются как поляризация. Для трансформаторного масла величину поляризации можно во внимание не принимать. Экспериментально доказано, что в интервале температур +20-—-100 С поляризация трансформаторного масла не происходит.

Диэлектрические потери вызываются ионной и электрофоретической проводимостями, т. е. движением электрических зарядов соответственно направлению электрического поля.

Вода, образующая в масле истинный раствор, практически не увеличивает tgδ 8, но присутствие даже незначительного количества воды в виде эмульсии резко увеличивает tgδ. Содержание в масле обезвоженных кислот (муравьиной, уксусной, масляной), альдегидов, спиртов, фенолов, крезолов и перекисей в концентрации до 0,5% по массе не увеличивает tgδ масла. При концентрации этих веществ выше указанной tgδfi- масла резко увеличивается. Вещества, находящиеся в масле в коллоидном состоянии (мыла, асфальто-смолистые вещества и кислые продукты), резко повышают tgδ .

В маслах, залитых в оборудование и эксплуатационных маслах повышение tgδ может быть вызвано растворением в масле части компонентов изоляционных лаков, присутствием мыла, которое образуется в результате взаимодействия кислых продуктов старения масла с металлами трансформатора, образованием в процессе старения кислых шламообразных продуктов.

Отдельно следует отметить вопрос повышения tgδ (у свежих трансформаторных масел, залитых в импортное оборудование. Например, трансформаторная группа напряжением 500 кВ производства французской фирмы «Савуазьен» была залита трансформаторным маслом на месте монтажа. Пробы масла из маслобаков и затем изо всех трех фаз непосредственно после заливки имели tgδ при 20 и 70° С соответственно 0,25 и 1,8%. Все остальные показатели отвечали требованиям действующего в то время ГОСТ 982-56. Монтаж трансформаторов начался через 4 мес. после заливки

их маслом. Пробы масла из всех трех фаз имели tgδ 1,5% при 20° С и 4% при 70° С, натровая проба равнялась 4 баллам. После прогрева пробы этого масла из нее выделились некоторое количество смолистого вещества темно-коричневого цвета и точечные включения. Все остальные показатели масла практически не изменились

Чем меньше вязкость масла, тем больше его подвижность и, следовательно, тем быстрее будет происходить отвод тепла от обмоток трансформатора. Масло, заливаемое в масляные выключатели, также должно быть как можно более подвижным. Если вязкость масла будет велика, то при размыкании контактов горение дуги затянется. Такое нарушение работы может привести к аварии.

Когда жидкость течет, молекулы ее трутся друг о друга. Это трение создает сопротивление перемещению жидкости. Величина этого сопротивления есть вязкость жидкости. Различаются три вида вязкости, каждый из которых определяется своим методом.

Динамическая вязкость (абсолютная вязкость) выражается в ньютонах (Н). Определение динамической вязкости производят для научно-исследовательских работ.

Кинематическая вязкость или удельный коэффициент внутреннего трения — отношение динамической вязкости при данной температуре к плотности. Единица кинематической вязкости 10-4 см²/с. Кинематическая вязкость определяется при расчетах маслопроводов, насосов, трения подшипников и вместе с условной вязкостью принята для характеристики вязкости трансформаторных масел.

Условная вязкость (размерности не имеет) — отношение времени истечения масла (200 мл) из вискозиметра типа ВУ при температуре испытания к времени истечения такого же объема воды (дистиллированной) при температуре 20° С.

Для нормальной работы маслонаполненного оборудования в условиях низких температур важно, чтобы кривая, характеризующая зависимость вязкости масла от температуры, была возможно более пологой. При положительных температурах температурный градиент вязкости (отношение изменения вязкости при переходе от одной температуры к другой к разности этих температур) для различных масел не превышает 1 • 10-4 м2/с-°С

Резкое повышение вязкости масла при температуре, близкой к температуре застывания, связано с аномалией вязкости, которая вызывается тем, что при низкой температуре из масла начинает выделяться в виде твердой фазы часть углеводородов. Аномалия вязкости обычно наблюдается на 3—5° С выше температуры застывания масла. Вязкость масла при низкой температуре определяет работоспособность масляных выключателей и устройств для переключения трансформаторов под нагрузкой.

Принятый в технических условиях показатель — температура застывания масла — только ориентировочно характеризует подвижность масла при минусовых температурах. Температурой застывания масла называется температура, при которой испытуемое масло в условиях опыта (ГОСТ 1533-42) загустевает настолько, что при наклоне пробирки с маслом под углом 45° уровень масла остается неподвижным в течение 1 мин.

Во время работы трансформатора по мере испарения из масла более легких фракций пропорционально времени эксплуатации вязкость медленно увеличивается и повышается температура вспышки масла.

Температурой вспышки называется температура, при которой пары масла, нагреваемого в закрытом тигле, образуют с окружающим воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени. Примеси легких фракций нефти резко снижают температуру вспышки масла. Например, примесь 0,5% бензина снижает температуру вспышки масла со 180° С до 80° С. Для того чтобы обезопасить работу в пожарном отношении, трансформаторное масло должно иметь температуру вспышки не ниже 135° С. Если трансформаторное масло имеет температуру вспышки ниже нормируемой в технических условиях, то это указывает на неправильный разгон нефти, т. е. производственный брак, или, что значительно чаще, на загрязнение масла бензином или керосином. Кроме того, понижение температуры вспышки может быть вызвано разложением масла при аварии трансформатора, когда возникают очень высокие температуры.

Необходимо следить за изменением температуры вспышки в процессе обработки масла во время монтажа трансформаторов. При падении температуры вспышки на 5° С и больше по сравнению с исходной величиной масло нельзя допускать к эксплуатации. Следует найти и устранить причину, вызывающую понижение температуры вспышки. Если снижение температуры вспышки будет составлять 1—2° С, то этот показатель можно восстановить путем обработки масла под возможно более глубоким вакуумом при температуре 50—60° С. Для этой цели могут быть применены центрифуги с вакуумным устройством или установки дегазации масла, при применении последних остаточное давление может составлять 1—2 мм рт. ст.

Не следует путать температуру вспышки с температурой воспламенения масла. Температурой воспламенения называется температура, при которой масло, нагреваемое в открытом тигле со скоростью 4° С/мин, загорается при поднесении к нему открытого пламени и продолжает гореть не менее 5 с.

Кислотное число и реакция водной вытяжки. После очистки масляных дистиллятов в масле всегда остается некоторое незначительное количество органических кислот, что обусловливает начальную кислотность трансформаторного масла. Количество кислот в масле выражается кислотным числом и определяется количеством едкого калия (мг), необходимым для нейтрализации кислот, содержащихся в I г масла. Помимо определения общей, кислотности необходимо проверить масло на наличие в нем наиболее активных низкомолекулярных кислот. Ввиду большой агрессивности низкомолекулярных кислот наличие их в масле не допускается. Низкомолекулярные кислоты растворяются в воде, поэтому определения производят в водной вытяжке из масла (реакция водной вытяжки). В маслах кислотно-щелочной очистки вследствие гидролиза мыл или из-за недостаточно тщательной отмывки может оказаться щелочь, кроме того, возможны и загрязнения, поэтому водную вытяжку из масла проверяют и на наличие в ней щелочи.

В процессе эксплуатации количество кислот в масле постепенно растет. Чем медленнее идет процесс, тем стабильнее масло. Стабильность масла характеризует способность масла противостоять окислительному воздействию кислорода воздуха при повышенной температуре. Стабильность масла по методу ВТИ определяется:

• содержанием в масле водорастворимых кислот (летучих и нелетучих) после окисления масла в легких условиях, отвечающим начальной стадии окисления (температура 120° С, время окисления 6 ч при прохождении через масло воздуха со скоростью 50 мл/мин);

• кислотным числом

• количеством осадка в масле после искусственного глубокого старения (общая стабильность).

При определении общей стабильности создаются более тяжелые условия окисления— 14 ч при 120° С, причем через масло пропускают кислород со скоростью 200 мл/мин.

Натровая проба определяет степень очистки трансформаторного масла. Метод основан на воздействии раствора едкого натра на масло при подогреве, последующем отделении щелочной вытяжки и подкислении ее соляной кислотой. Величина натровой пробы связана со значением tgδ. Чем лучше очищено трансформаторное масло, тем выше его диэлектрические свойства. Малому значению натровой пробы (не более 1 балла) соответствует и низкая величина tgδ.

Коррозийные свойства трансформаторного масла. Коррозия металлов приводит в первую очередь к образованию мыл, которые ускоряют процесс окисления масла и повышают диэлектрические потери. Из металлов, применяемых в трансформаторостроении (углеродистая и кремнистая стали, медь, алюминий, бронза, оловянно-свинцовые сплавы), наиболее сильно подвергается коррозии в масле медь. Наличие в масле воды увеличивает коррозирующие свойства. В трансформаторных маслах, имеющих повышенную способность к коррозии, наблюдается высокий tgδ.

Между содержанием серы в трансформаторных маслах и коррозирующей агрессивностью определенной зависимости не установлено. Механизм коррозии, вызванной сернистыми соединениями, представляется так: сернистые соединения образуют с металлами комплекс в виде тончайшей пленки на поверхности металла, что временно предохраняет его от дальнейшего разрушения. Постепенно эта пленка под действием продуктов окисления масла и температуры разрушается и смывается.

Снизить коррозию можно путем покрытия поверхности металла защитной пленкой. Для этой цели в трансформаторах применяются специальные лаки.

Необходимо четко усвоить основные свойства и характеристики трансформаторного масла, тогда будет ясен смысл анализа и обеспечен правильный подход к выбору технологического оборудования для обработки масла. Это в конечном итоге обеспечит быструю обработку трансформаторного масла на объектах монтажа.

Стандартный маслопробойник

Испытания на электрическую прочность. Здесь определяется пробивное напряжение масла Uпр, визуально (качественно) определяется содержание механических примесей и влаги.

Электрическая прочность - одна из основных характеристик диэлектрических свойств масла. Испытания масла на электрическую прочность проводятся в стандартном маслопробойнике, представляющем собой фарфоровый сосуд 1, в который вмонтированы два плоских электрода 2.

Масло заливается в маслопробойник и отстаивается в течение 20 минут для удаления из него воздушных включений. Напряжение на электродах маслопробойника плавно повышается до пробоя масла. С интервалом 10 мин. выполняются шесть пробоев. Первый пробой не учитывается, а среднее арифметическое пяти других пробоев принимается за пробивное напряжение масла. Снижение пробивного напряжения свидетельствует об увлажнении масла, наличии в нем растворенного воздуха, загрязнении масла волокнами от твердой изоляции и другими примесями.

2. Сокращенный анализ масла. Здесь дополнительно к п.1 определяются температура вспышки масла и кислотное число.

Температура вспышки паров масла в закрытом тигле характеризует фракционный состав масла и служит для обнаружения в трансформаторе процессов разложения масла.

Кислотное число - это количество едкого кали (КОН), выраженное в мг и необходимое для нейтрализации кислот, содержащихся в 1 г масла. Старение масла сопровождается увеличением в нем содержания кислотных соединений, поэтому кислотное число характеризует степень старения масла.

3. Полный анализ масла. Здесь дополнительно к п.2 определяются, количественное определение влаги и механических примесей, тангенс угла диэлектрических потерь tgS, содержание водорастворимых кислот и щелочей, содержание антиокислительных присадок, температура застывания, газосодержание и другие показатели.

Величина диэлектрическиех потерь (tgδ) характеризует степень загрязнения и старения масла.

Влагосодержание тщательно контролируется при эксплуатации трансформаторного масла. Ухудшение этого показателя характеризует нарушение герметичности трансформатора или его работу в недопустимом нагрузочном режиме. В последнем случае происходит интенсивное старение целлюлозной изоляции и выделение ею влаги под воздействием повышенной температуры. Кроме того, масло содержит химически связанную воду, которая может выделяться в виде свободной воды в результате старения масла и под воздействием повышенной температуры.

Увеличение газосодержания (кислорода воздуха) приводит к интенсификации окислительных процессов в масле. Этот показатель косвенно характеризует и герметичность трансформатора.

Температура застывания актуальна для масла, эксплуатируемого в районах крайнего севера.

Различают масло свежее, регенерированное (восстановленное) и эксплуатационное. Характеристики свежего и регенерированного масла практически не отличаются. Для эксплуатационного масла установлены нормально допустимые и предельно допустимые показатели качества.

Нормально допустимые показатели гарантируют нормальную работу оборудования. При показателях масла, приближающихся к предельно допустимым, необходимо принять меры по восстановлению эксплуатационных свойств масла или провести его замену.

Физические свойства трансформаторного масла имеют важное значение для надежной работы электрооборудования. Изменение этих свойств говорит о неисправности оборудования и старения масла.

Удельный вес трансформаторного масла должен быть меньше удельного веса льда. Так как лед, который может образоваться зимой в отключенном трансформаторе, опустится на дно, и тем самым обеспечивая циркуляцию масла.

Температура вспышки трансформаторного масла должна быть относительно высокой для того, чтобы при значительных перегрузках трансформатора оно не могло воспламениться. В процессе работы температура вспышки масла в трансформаторах может резко понижаться в результате разложения масла под действием местных нагревов.