Основные теоретические положения. В трансформаторном оборудовании высших классов напряжения в качестве теплоотводящей

В трансформаторном оборудовании высших классов напряжения в качестве теплоотводящей и изолирующей среды широко используются нефтяные трансформаторные масла. Они применяются в качестве жидкого компонента в двух видах изоляционных конструкций: маслобарьерная изоляция в качестве главной изоляции силовых трансформаторов и реакторов и бумажно-масляная изоляция (БМИ) в качестве продольной изоляции, а также изоляция высоковольтных вводов и измерительных трансформаторов тока и напряжения. В первом случае трансформаторное масло является основной изолирующей средой и определяет электрическую прочность всей конструкции. Во втором случае основной изолирующей средой является твёрдый компонент – целлюлозные материалы в виде бумаги или электрокартона, а трансформаторное масло используется для пропитки твёрдого компонента с целью заполнения в ней газовых пор и воздушных прослоек. По этой причине знание свойств трансформаторного масла, а также методов его контроля и диагностики имеет важное значение для безаварийной работы маслонаполненного электрооборудования.

Пробивное напряжение является важнейшим показателем качества масла, которое характеризует способность жидкого диэлектрика выдерживать электрическое напряжение без пробоя, т.е. определяет безаварийную работу всей системы изоляции оборудования. Определение значений пробивного напряжения по ГОСТ 6581-75 зависит от температуры испытуемого масла. В протоколе следует указывать температуру масла. Результаты следует считать сопоставимыми, если разность температур при определении Е_пр не превышает 2°С. Чем выше рабочее напряжение трансформатора, тем большей величиной должна быть электрическая прочность масла. Величина электрической прочности показывает степень увлажнения масла. Например, ничтожно малое количество воды резко снижает пробивное напряжение масла и делает его непригодным для работы в энергетических аппаратах.

Наличие воды (%) в масле соответствует пробивному напряжению (кВ):

0,03 -10 кВ

0,0075 -20 кВ

0,00025 -30 кВ

Отсутствие – свыше 40 кВ.

Электрическая прочность снижается за счёт присутствия в масле механических примесей, в том числе мельчайших волокнистых веществ, незаметных при обычном освещении, они образуют проводящие мостики между электродами сосуда – разрядника и служат причиной резкого спада электрической прочности масла. На пробивное напряжение масла также влияет скорость движения масла. В мощных силовых трансформаторах, как известно, применяют принудительное охлаждение масла с помощью масляных насосов. Так, при возрастании скорости масла до 1 м/с пробивное напряжение уменьшается на 10%. Возможно уменьшение пробивного напряжения на 20% при скорости 15-20 см/с для старого масла из трансформатора, находившегося в эксплуатации.

Снижение температуры масла в пределах от+20 до –5°С при переменном и постоянном напряжении приводит к уменьшению Е_пр масла, а дальнейшее снижение температуры от –5 до –45°С вызывает рост Е_пр. Это объясняется различным агрегатным состоянием воды в масле, образованием кристаллов льда и ростом вязкости масла. Зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла от температуры приведена на рис. 1.

3. Описание лабораторной установки

В экспериментальной части работы используется лабораторный стенд.

Аппарат для испытания пробивного напряжения представляет собой подвижную тумбочку (рис. 2), в нижней части которой находится повышающий трансформатор мощностью 3 кВ×А. Трансформатор питается от осветительной сети переменного тока. В верхней части аппарата помещается фарфоровый сосуд для заливки испытуемого масла. В сосуде-разряднике находятся латунные электроды (плоские параллельные диски с закругленными краями диаметром 25 мм), присоединённые к выводам обмотки высокого напряжения трансформатора. Расстояние между плоскостями электродов должно быть равно 2,5 мм. Напряжение, подаваемое на электроды от трансформатора, может постепенно повышаться до 80 кВ. Пробой отмечается по образованию дуги между электродами в виде яркой искры-вспышки, отключению высокого напряжения и спаданию на нуль стрелки вольтметра.

Испытание производится плавным подъёмом напряжения с нуля до пробоя со скоростью 2,0 кВ в 1 с.

Для одной пробы при плавном подъёме напряжения должно производиться шесть пробоев. После каждого пробоя из промежутка между электродами посредством стеклянного или металлического стержня должны быть удалены обуглероженные частицы испытываемой жидкости. После этого жидкость должна отстояться в течение 5 мин. Пробивное напряжение определяется как среднее арифметическое шести пробоев.

Среднее арифметическое значение пробивного напряжения Ū_пр в кВ вычисляют по формуле:

,

где Ū_пр.i – величина, полученная при последовательных пробоях, кВ; n – число пробоев.

Среднюю квадратическую ошибку σ_u среднего арифметического значения пробивного напряжения вычисляют по формуле:

.

Оценка достоверности результатов испытаний

Значение пробивного напряжения должно отвечать нормированному значению коэффициента вариации V, вычисленного по формуле:

.

Если значение коэффициента вариации превышает 20%, то в этом случае дополнительно производят ещё одно заполнение испытательной ячейки порцией жидкости из того же сосуда с пробой жидкости, проводят ещё шесть определений пробивного напряжения и для расчёта по приведённым формулам число пробоев (n) берут равным 12.

Если коэффициент вариации превышает 20%, качество диэлектрика следует считать неудовлетворительным.

Протокол испытаний должен содержать следующие сведения:

а) наименование жидкого электроизоляционного материала, наименование стандарта, наименование объекта, из которого взята проба (аппарат, ёмкость и т.д.), дата взятия пробы, внешний вид жидкости (цвет, наличие включений);

б) температура жидкости и помещения при испытании, влажность окружающего воздуха;

в) количество отдельных значений пробивного напряжения, среднее арифметическое значение Ū_пр, средняя квадратическая ошибка (из шести измеренных значений, если они удовлетворяют нормированному коэффициенту вариации или из двенадцати, если они не удовлетворяют нормированному коэффициенту вариации);

г) условия подготовки порции пробы (сушка, фильтрация и т.д.);

д) дата проведения испытания;

е) тип измерительной установки.

Определение значений пробивного напряжения зависит от температуры испытуемого масла, от различных примесей. Волокна бумаги, хлопчатобумажной пряжи легко впитывают в себя влагу из масла, причём значительно возрастает диэлектрическая проницаемость смеси. Под действием сил поля увлажнённые волокна не только втягиваются в места, где поле сильнее, но и располагаются по направлению силовых линий, что весьма облегчает пробой масла.

Изменения давления, формы и материала электродов и расстояния между ними влияют на электрическую прочность. В то же время эти факторы не влияют на проводимость жидкости.

Зависимость пробивного напряжения масла от содержания в нём воды экспериментально изучалась в работах. Эта зависимость количественного влагосодержания от пробивного напряжения существенно различается у разных авторов. Пробивное напряжение масла снижается при наличии в нём как растворённой, так и эмульсионной воды. Образование эмульсионной воды и снижение электрической прочности имеют место в масле, содержащем растворённую воду, при резком снижении температуры или относительной влажности воздуха, а также в результате перемешивания масла за счёт десорбции воды, адсорбированной на поверхности сосуда. Замена стекла в сосуде полиэтиленом снижает количество эмульсионной воды, десорбированной после перемешивания масла с поверхности, и соответственно повышает его прочность. Масло, осторожно слитое из стеклянного сосуда (без перемешивания), обладает высокой прочностью. В этой же работе изучено влияние на прочность масла концентрации и состояния в нём кислот, спиртов, мыл и других продуктов старения.

При приближении пробивного напряжения к предельно допустимому значению следует определить количественное влагосодержание масла. Влагосодержание также позволяет определить причину ухудшения характеристик твёрдой изоляции высоковольтного оборудования.

Таким образом, на пробивное напряжение существенное влияние оказывает не только влага, которая может содержаться в ТМ, но и различные продукты старения, находящиеся в нём, а также общее газосодержание, температура жидкости.

Молекулярно растворённая вода мало влияет на электрическую прочность масла. Вместе с тем даже малые доли процента эмульсионной воды значительно снижают его электрическую прочность. Это объясняется тем, что под действием электрического поля шарики эмульсионной воды поляризуются и вытягиваются вдоль силовых линий, образуя проводящий мостик, по которому и происходит разряд при более низком напряжении. На практике, зная один из этих параметров, часто приходится качественно оценивать другой параметр. Например, при известном влагосодержании пробы трансформаторного масла оценить его пробивное напряжение с вероятностью 95%.

Таблица 1

Требования к качеству эксплуатационных масел по пробивному напряжению