Методы анализа, регенерации и очистки трансформаторного масла

Во всех маслонаполненных электрических аппаратах масло используется как основ­ной диэлектрик для повышения электрической прочности. Кроме того, в трансформато­рах масло — это основная охлаждающая среда, а в высоковольтных масляных выключа­телях — и дугогасящая. Величина некоторых показателей и общее состояние трансформа­торного масла характеризуют изменение режима работы аппаратов и их исправность. На­пример, при повреждении межлистовой изоляции стали сердечника местный нагрев стали вызывает снижение температуры вспышки масла, а электрическая дуга, возникшая при каком-либо КЗ внутри бака, приводит к разложению масла, выделению газов и падению температуры вспышки. Высокая температура масла свидетельствует о перегрузке транс­форматора или неисправности системы охлаждения.

Анализ масла. В процессе эксплуатации стабильность параметров масла постепенно снижается из-за окисления кислородом воздуха, под действием солнечного света, из-за высокой температуры, разложения материалов изоляции и т.д. Для контроля качества масла в маслонаполненном оборудовании применяют различные виды химического ана­лиза (сокращенный и полный) и испытания масла. Для контроля качества эксплуатацион­ного масла применяется сокращенный анализ. В него входят: внешний осмотр пробы (оп­ределение цвета, наличия механических примесей и капель воды), определение кислотно­го числа, реакций водной вытяжки, температуры вспышки в закрытом тигле и пробивно­го напряжения.

Для взятия проб должны использоваться пробоотборники специальной конструкции с герметично закрывающимися крышками или пробками. Для полного анализа масла отбира­ют пробу объемом не менее 2 литров, для сокращенного — 1 литр, для испытания на элект­рическую прочность — 0,5 литра масла.

Для определения кислотного числа (количество (мл) едкого кали, необходимого для нейтрализации всех свободных кислот, содержащихся в масле) на плитке с обратным холодильником кипятят 50 мл этилового спирта в течение 5 мин, после чего добавляют к нему 4-5 капель индикатора нитразинового желтого и раствор едкого кали (до желтого цвета). Затем доливают в смесь 10 г масла с точностью до 0,01 г. В смесь кладут постоянный магнит, ставят на магнитную мешалку и в течение 5 мин перемешивают на средних оборотах двигателя мешалки с включенным подогревом.

После этого микробюреткой берут 2—5 мл титра едкого кали и по каплям добавляют его в колбу со смесью, не выключая перемешивания, до появления зеленовато-бурого цвета смеси. Замечают количество мл титра, умножают его на 3,18 (титровальное число) и делят на 10. Полученный результат и есть кислотное число. Для достоверности результата ана­лиз по изложенной выше методике повторяют, вычисляют среднее арифметическое значе­ние двух анализов и заносят его в журнал и протокол. По нормативам для эксплуатацион­ного масла кислотное число не должно превышать 0,2 мг КОН.

Кислотное число в количественном отношении указывает на степень старения орга­нической изоляции оборудования и масла.

Реакция водной вытяжки — качественный метод определения наличия в масле низкомолекулярных кислот и щелочей, появляющихся в результате окисления масла, свидетельствует о глубоком разрушении масла, старении изоляции оборудования и корро­зии его металлических частей.

Температурой вспышки называют температуру, при которой пары масла, нагреваемого в закрытом тигле (сосуде), образуют с воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени. Температура вспышки характеризует испаряемость масла: чем ниже температура вспышки, тем больше его испаряемость. При испарении масла ухудша­ется его состав, растет вязкость, уменьшается объем и образуются вредные и взрывоопас­ные газы. Согласно ПТЭ, температура вспышки масла не должна быть менее 135°С или снизиться более чем на 5 °С по сравнению с предыдущим анализом.

Пробивное напряжение характеризует диэлектрические свойства масла и указывает на его увлажнение. Определение пробивного напряжения осуществляется на испытательной установке АИМ-90.

В измерительную ячейку установки вливают немного испытуемого масла для промыв­ки ячейки, предварительно проверив с помощью щупа зазор между электродами и их чистоту. Затем это масло сливают, дают ему стечь и осторожно, стараясь избегать образования пу­зырьков воздуха, наливают в ячейку масло до уровня на 5—10 мм выше электродов. Масло перед испытанием должно отстояться в ячейке в течение 10—20 мин. Далее производят 6 про­боев подряд с интервалом между пробоями 5 мин, после каждого пробоя осторожно перемеши­вая масло в ячейке стеклянной палочкой и отключив установку. Первый пробой не учитыва­ют как недостоверный, а результаты остальных заносят в журнал и протокол и вычисляют среднее пробивное напряжение, по которому судят о пригодности масла.

ПТЭ определяет минимальное значение пробивного напряжения для установок на­пряжением до 10 кВ включительно — не менее 25 кВ, для установок выше 10 кВ — 35 кВ.

Полный анализ масла, кроме определения вышеперечисленных характери­стик, включает в себя также определение вязкости, зольности, содержания серы, натровой пробы, температуры застывания, стабильности масла против окисления и диэлектричес­ких потерь в масле (табл. 4.7). Полный анализ делают при приемочных испытаниях масла на предприятиях-производителях.

Таблица 4.7

Окончание табл. 4.7

Примечание. Если при испытании обмоток и вводов трансформаторов получены повышенные значе­ния tg д и С₂/С₅₀, то должно быть произведено измерение тангенса угла диэлектрических потерь самого мас­ла. Кроме того, это испытание обязательно проводится для масла трансформаторов и маслонаполненных вводов напряжением 330 кВ и выше.

Испытание на электрическую прочность состоит из определения минимального про­бивного напряжения (табл. 4.8), содержания механических примесей и взвешенного угля, а также цвета масла и наличия в нем осадка.

Таблица 4.8 Нормы электрической прочности трансформаторного масла

Поступившее на дистанцию электроснабжения свежее масло, а также масло, про­шедшее регенерацию, подвергают полному анализу. В дальнейшем эти масла, находящи­еся в запасе, испытывают на сокращенный анализ один раз в три года, а также перед заливкой в оборудование. Сухие масла испытывают дополнительно один раз в год на электрическую прочность.

Находящееся в эксплуатируемом оборудовании изоляционное масло испытывают на сокращенный анализ перед включением оборудования после монтажа и в дальнейшем не реже одного раза в три года, а также после капитальных ремонтов трансформаторов и ап­паратов. Если трансформаторы работают без термосифонных фильтров, то такие испыта­ния проводят ежегодно.

В силовых трансформаторах мощностью до 63 кВ-А напряжением до 10 кВ, у мало­объемных масляных выключателей напряжением до 35 кВ включительно и у измеритель­ных трансформаторов до 35 кВ включительно пробы масла на испытание не отбирают, а производят замену его при капитальных ремонтах или при браковочных результатах про­филактических испытаний изоляции данного оборудования. Для контроля качества масла в баках РПН производят испытания его на электрическую прочность при текущих ремон­тах трансформаторов. Кроме того, каждую десятую пробу масла из этих баков испытыва­ют на сокращенный анализ.

При срабатывании газовой защиты трансформаторов и обнаружении горючего газа в газовом реле необходимо отобрать внеочередную пробу масла для определения темпера­туры вспышки и сравнения полученных результатов с предыдущими.

После отключения при КЗ мощностью больше половины паспортного значения разрывной мощности многообъемных масляных выключателей (независимо от напря­жения) и малообъемных масляных выключателей напряжением 110 кВ и выше следует отобрать пробу масла из баков выключателя и произвести испытание на наличие взве­шенного угля.

В последнее время появилось много разновидностей приборов для контроля масла. Особое место среди них занимают приборы серии OTG AF/2, рассчитанные на испыта­тельное напряжение до 100 кВ переменного тока со встроенным ЖКИ дисплеем и прин­тером общим весом 41 кг. Они могут быстро и просто измерить электрическую проч­ность новых и эксплуатируемых масел, которые применяют в трансформаторах и рас­пределительных устройствах, путем подачи испытательного напряжения на два элект­рода, опущенных в масло, помещенное в специальный контейнер; приборы полностью автоматизированы.

Хроматографический анализ растворенных в масле газов, успешно применяемый в настоящее время на Западно-Сибирской, Восточно-Сибирской и некото­рых других дорогах, разработанный на основании исследований ВНИИЭ Минэнерго, по­зволяет обнаружить повреждения выемной части на ранней стадии их возникновения.

При дегазации масла применяют метод частичного выделения растворенных в жид­кости газов. Он основан на том, что в замкнутом объеме, частично заполненном маслом, устанавливается равновесие в соответствии с законом Генри между газами, находящимися в масле и над его поверхностью. При этом анализу подвергается газ над поверхностью масла, а количество растворенного в масле газа определяется по формуле

M=m_l(A ·V/u + 1),

где m_l — масса газа, находящегося над поверхностью масла, определяется с помощью газоанализатора;

А — коэффициент растворимости газа в масле, определяется по экспериментальным кривым;

V— объем пробы масла в маслоотборнике;

и — объем надмаслянного пространства.

Для обеспечения максимальной чувствительности при обнаружении растворенных газов, отношение V/u в маслоотборнике должно быть равным 6.

Маслоотборное устройство состоит из стеклянной бутылки со специальной герметичес­ки закрывающейся крышкой, на которой установлены маслоотборный штуцер и два вентиля. Отбор пробы осуществляется по специально разработанной технологии. Анализ выделенных из масла газов производится на серийно изготавливаемом хроматографе марки ЛХМ-8МД.

Количество растворенного в масле газа может быть определено расчетным пу­тем по приведенной выше формуле. На практике более удобным и точным является определение количества растворенного газа по предварительно построенным градуировочным графикам.

В масле нормально работающего трансформатора растворены газы (окись углерода СО, двуокись углерода СО₂, метан СН₄, кислород О₂ и азот N₂), которые выделяются из электрической изоляции при ее естественном старении под воздействием температуры, кислорода и влаги.

При возникновении повреждения внутри трансформатора состав газов, растворен­ных в масле, изменяется количественно и качественно: при температуре 350° С и выше (до 600°С) кроме СО и СО₂ выделяются метан СН₄, ацетилен С₂Н₂ и некоторые другие газы; при температуре выше 600° С основными газами являются окись углерода, водород и аце­тилен; при дуговых разрядах в бумажно-масляной изоляции основными газами являются водород, метан, ацетилен и этилен С₂Н₄.

Из сказанного следует, что наличие в масле работающего трансформатора ацетиле­на всегда свидетельствует о какой-либо неисправности.

Регенерацию трансформаторного масла (восстановление его нормативных парамет­ров) производят несколькими способами: очистка масла цеолитами, очистка в фильтр-прес­се и очистка с сушкой на центрифуге (методом пурификации, кларификации и кларификации с сушкой вакуумом).

Метод очистки цеолитными фильтрами разработан на основании процесса мас-сопередачи, которая широко применяется в химической промышленности. Массопере-дача, как и теплопередача, является сложным процессом, включающим в себя перенос вещества в пределах одной фазы, а также перенос вещества через поверхность раздела в другую фазу. Массопередача проходит через границу раздела двух фаз. Она включает в себя следующие процессы:

1) абсорбцию — поглощение газа жидкостью, реже твердым веществом;

2) адсорбцию — поглощение компонента вещества поверхностью твердого поглоти­
теля; обратный процесс носит название десорбции;

3) кристаллизацию — переход вещества из жидкого состояния в твердую фазу путем
изменения растворимости при понижении температуры;

4) растворимость — процесс, обратный кристаллизации;

5) ректификацию — разделение смесей путем многократного обмена компонентами
между жидкой и газовой фазами, которые, как правило, движутся в противотоке друг другу;

6) сушку — удаление влаги из материала;

7) экстракцию — извлечение вещества, растворенного в жидкости, другой жидкостью,
которая не смешивается или частично смешивается с первой.

Для восстановления (регенерации) трансформаторных масел цеолитами широко ис­пользуется один из компонентов массопередачи — процесс адсорбции.

Адсорбция является наиболее эффективным и не требующим сложного технологичес­кого оборудования способом очистки трансформаторного масла. Его сущность заключает­ся в том, что при прохождении через слой адсорбента находящаяся в масле влага должна задерживаться на поверхности, причем, за один цикл обработки. Применимый для этой цели адсорбент должен иметь большую адсорбционную емкость, высокую селективность, т.е. адсорбировать только молекулы какого-либо определенного вещества (в данном случае воды). Углеводородный состав масла, а, следовательно, и его свойства, должны оставаться неизменными. Адсорбент должен многократно восстанавливать свои свойства, изготавли­ваться отечественной промышленностью и экономически оправдывать свое применение. Всем этим требованиям отвечают синтетические цеолиты — молекулярные сита.

Технологическая схема установки для очистки масла показана на рис. 4.17. Основ­ной рабочей частью является батарея адсорберов 6. Двумя коллекторами (вверху 7 и внизу 11)

адсорберы собраны в жесткую единую конструкцию. Каж­дый адсорбер представляет собой полый металлический цилиндр, к нижней горловине которого приварена металлическая сетка, служа­щая опорой для цеолитов. Верхняя горловина закрывается крышкой, к которой также крепится сетка, адсорберы от нижней горловины до верхней заполнены синтетическими цеолитами типа NaA. Для контроля за давлением масла на

верхнем коллекторе и на подогре- Рис 4 Устройство цеолитовой установки для сушки масла: вателе установлены манометры 4; 1 - вентиль; 2 — насос; 3 — электронагреватель

давление масла зависит от коли- 4 - манометры; 5—фильтры; 6—адсорберы;

чества поступающего масла, от его 7— верхний коллектор; 8—кран для спуска воздуха;

температуры и не должно превышать 9—объемный счетчик; 10— кран для отбора проб и слива

0,08...0,1 МПа масла; для поддержа- 11 — нижний коллектор

температуры служит электронагреватель 3 с девятью нагревательными элементами типа ТЭН-12. На электронагревателе имеются штуцера для маслопроводов, манометров, тер­мосигнализатора типа ТС-100 и крана для отбора проб масла. В качестве фильтров 5 при­меняют фильтры типа ФГ-30 или ФГ-60 для очистки жидкого топлива. Такой же фильтр устанавливают на выходе масла из установки для задержки гранул цеолита в случае повреждения сетки в верхней горловине адсорбера. Для определения скорости подачи мас­ла служит объемный счетчик 9, типа 2-СВСШ-25. Насос 2, подающий в установку масло, установлен под полом фургона или вагона, в котором смонтирована установка. Для вса­сывающего маслопровода применяют гофрированные шланги диаметром 25 мм. Кроме того, установка комплектуется маслопробойником типа АИМ-90, щитом управления, кабелями для подачи питания и заземления.

Сырое масло насосом через подогреватель и фильтр подается в нижний коллектор. За время прохождения масла от нижней горловины адсорбера до верхней содержащаяся в нем влага адсорбируется цеолитами. Осушенное масло собирается в верхнем коллекторе и вы­ходит из установки через фильтр и счетчик.

При установившемся тепловом режиме установка работает спокойно и какой-то до­полнительной регулировки не требует. Если цеолиты предварительно осушены и установ­ка полностью подготовлена к работе, обслуживать ее может один человек. Осушка масла производится в определенной последовательности. Прежде всего сливают отстой из бака с сырым маслом и отбирают пробу масла. Затем проводят подготовительные работы (сбор­ку маслопровода, заземление, подачу напряжения). За это время проба масла отстаивается и можно определить пробивное напряжение исходного масла, чтобы установить скорость его подачи. При наличии видимой воды и пробивном напряжении ниже 20 кВ скорость пода­чи масла должна быть не более 1600 л/час. В других случаях скорость подачи можно увели­чить до 2500—3000 л/ч. Превышать указанную скорость подачи не следует, так как при увеличении скорости выше допустимой масло, выходящее из установки, будет содержать столько же влаги, сколько и до фильтрования через цеолиты. После отбора пробы маслобак надо соединить с маслонасосом установки, а выходной шланг — с баком для хранения чис­того сухого масла или аппаратом, который надо залить маслом. Затем необходимо устано­вить заземление на установку, подать напряжение на щит, определить пробивное напря­жение исходного масла, включить маслонасос и отрегулировать скорость подачи масла.

Рис. 4.18. Схема работы

фильтр-пресса:

1 — рама; 2 — вход для грязного масла; 3 — фильтрованная бума­га; 4 — решетчатая пластина; 5 — выход для чистого масла

мажных пластин или, при незначительном заг­рязнении, лишь очистить его. Однако фильтр-пресс не обеспечи­вает глубокого осушения масла, его ресурс невелик.

Фильтр-пресс состоит из чугунных рам, пластин и зало­женной между ними фильтровальной бумаги. Весь комплект зажат между массивными плитами винтом. Рамы, пластины и бумага имеют в нижних углах по два отверстия для входа грязного и выхода очищенного масла. Внутри фильтр-прес­са (рис. 4.18) образуются рамы 1 для неочищенного масла. Ка­меры щелями 2 в углах рам сообщаются с общим сквозным вхо­дом пластиной 4, в которое нагнетается грязное масло. Просо­чившись сквозь фильтровальную бумагу 3, очищенное масло поступает к решеткам пластин 4. По канавкам пластин масло попадает в сквозное отверстие 5 и далее на выход из пресса. Параллельное включение камер создает большую фильтрую­щую поверхность и увеличивает производительность пресса.

Масло в фильтр-пресс нагнетается насосом под давле­нием 0,4—0,6 МПа, повышение которого в процессе работы показывает, что фильтровальная бумага засорилась и ее необ­ходимо заменить. Для грубой очистки масла (до его поступле­ния в фильтр-пресс) служит специальной сетчатый фильтр, размещенный на входном патрубке. Для отбора проб очищен­ного масла на выходном патрубке имеется кран. Фильтрова­ние применяют в основном для очистки трансформаторного масла от шлама, угля и других механических примесей.

Для глубокой регенерации кислых масел применяют кислотно-щелочноземельный способ отчистки, при котором масло обрабатывают серной кислотой, уплотняющей и связывающей все нестойкие соединения масла и кислый гудрон. Остатки серной кислоты и органических кислот нейтрализуют, добавляя в масло щелочь, а гудрон удаляют путем отстоя. Затем масло промывают дистиллированной водой, сушат и для пол­ной нейтрализации обрабатывают отбеливающей землей. После окончательного фильтро­вания получают восстановленное масло.

Для регенерации слабо окисленных масел применяют силикагель. Масло многократно прогоняют через адсорбер, заполненный силикагелем. Циркуляцию масла, как правило, осу­ществляют насосом центрифуги или фильтр-прессом, который включают на выходной час­ти адсорбера. Как и при других видах очистки, масло при регенерации подогревают.

Дегазация трансформаторного масла. Присутствие в масле кислорода воздуха вызывает его окисление и ухудшает диэлектрические свойства, что приводит к возникновению электрических разрядов и ионизации под действием электрического поля. Обычно при атмосферном давлении масло содержит около 10 % воздуха (по объему). При этом воздух, растворенный в трансформаторном масле, содержит 69,8 % азота и 30,2 % кислорода, а не 78 % азота и 21 % кислорода как обычно. Кроме того, растворимость воз­духа растет с повышением температуры масла.

Для предотвращения ухудшения характеристик и преждевременного старения при переводе трансформаторов на азотную защиту масло вакуумируют, дегазируют и насыща­ют азотом в специальных установках. До дегазации масло осушают до влагосодержания не более 0,001 % (10 г воды на 1 м³ масла).

Техника безопасности при работе с маслом. Кработам на маслонаполненном обору­довании допускаются лица, имеющие соответствующую группу по электробезопасности, изучившие устройство и принцип действия регенерационной установки и сдавшие зачет. Трансформаторное масло является не только легко воспламеняющейся, но и ядовитой жидкостью. Поэтому работники, связанные с обслуживанием маслонаполненного обору­дования имеют право на получение спецпитания.

После отключения масляным выключателем тока КЗ ни в коем случае нельзя зажи­гать спички или входить с открытым огнем в камеру выключателя, так как в камере может образоваться взрывчатая смесь.

При эксплуатации регенерационных установок, работающих по схеме «кислота — земля», следует принимать меры предосторожности по обращению с серной кислотой.

Очистка масла под напряжением должна применяться лишь в случае невозможности снятия напряжения с аппарата или в случае, если отключение трансформатора будет связа­но с недоотпуском электроэнергии потребителям. К отчистке масла под напряжением мо­жет быть допущен лишь персонал, полностью освоивший методику очистки масла с приме­нением адсорберов или центрифуги, после проверки знаний соответствующих инструкций и правил безопасности.

Очистка масла под напряжением может производиться на открытых подстанциях на­пряжением 35 кВ и выше, причем количество залитого в трансформатор масла должно быть не менее 500 кг. Кроме того, емкость расширителя трансформатора должна быть такой, что­бы после включения адсорбционной установки уровень масла в расширителе не понизился по отношению к верхней отметке первоначального уровня больше, чем наполовину.

Для исключения растекания пролитого масла и обеспечения пожаробезопасности под оборудованием (трансформатором или установкой) устраивают гравийную засыпку для сбора и регенерации масла.

При работе персонала с трансформаторным маслом обычная спецодежда быстро пропитывается маслом, может вызвать раздражение кожи и легко воспламеняется. Поэто­му персоналу, обслуживающему маслонаполненное оборудование, необходимо надевать либо

защитную одежду, имеющую покрытие из капронового пластика, либо использовать спецодежду с пропиткой раствором диаммонийфосфата. На железной дороге нормы выдачи спецодежды и спецобуви определены приказом МПС.

Для работы внутри высоковольтного оборудования в масляном хозяйстве должен иметь­ся как инвентарь комплект одежды с защитным маслостойким покрытием, резиновые маслостойкие перчатки и средства защиты органов дыхания (противогаз или респиратор).

При работе на установке типа ПСМ2-4 необходимо строго следить за правильнос­тью сборки барабана сепаратора для того или иного способа очистки, а также за тщатель­ностью установки тарелок барабана.

Запрещается работать на регенерационных установках при появлении постоянного шума, возникающего при работе установки.

Учитывая сложности работы с маслом, в некоторых случаях лучше применять сухие тпрасформаторы типа ТСЗ, выпускаемые по разработке НИИЭФА-ЭНЕРГО. Оптимизи­рование геометрии магнитопровода привело к снижению нагрева узлов на 20 %, что увели­чило надежность и срок службы трансформатора и, кроме того, значительно снизило по-жароопасность (в 10—15 раз). Сравнительно небольшая мощность изготовленных транс­форматоров (от 100 до 3150 кВ • А) позволяет использовать их на тяговых подстанциях как трансформаторы собственных нужд.