Теоретические положения

В электрических установках (ЭУ) широко применяют жидкие диэлектрики. Они используются в трансформаторах, бумажно-масляных конденсаторах, маслонаполненных кабелях, проходных изоляторах, выключателях и других аппаратах. Основное достоинство жидких диэлектриков заключается в том, что они имеют значительно более высокую диэлектрическую прочность, чем газовая изоляция, и хорошо отводят тепло от обмоток трансформаторов и аппаратов. В выключателях жидкие диэлектрики служат также дугогасящей средой.

Применяются природные и синтетические жидкие диэлектрики. К природным относятся трансформаторное, конденсаторное и кабельное масла, получаемые путем переработки нефти. Для получения изоляционных масел нефть подвергается фракционной перегонке в условиях вакуума. Для придания маслу высоких изоляционных свойств в него вводят некоторые дополнительные химические вещества – присадки. Конденсаторное и кабельное масла отличаются от трансформаторного более высокой степенью очистки.

Для использования в ЭУ изоляционные масла должны обладать вполне определенными характеристиками, важнейшей из которых является электрическая прочность Е [кВ/см], или [мВ/м].

Как охлаждающая среда масло должно обладать малой вязкостью и низкой температурой застывания.

Основные нормированные характеристики изоляционных масел приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1.Основные нормированные характеристики изоляционных масел

Синтетические жидкие диэлектрики применяются в основном для огнебезопасности и повышенной нагревостойкости. Одной из наиболее распространенных синтетических изоляционных жидкостей является совол (С₁₂Н₁₀). Очищенный совол – бесцветная жидкость с резким запахом. Совол имеет электрическую прочность 150 – 200 кВ/см. В качестве жидкого диэлектрика применяется обычно совтол – смесь совола с трихлорбензолом. Совол и совтол применяются для заполнения бумажных конденсаторов и в трансформаторах для полной огнебезопасности. В качестве жидких диэлектриков с повышенной нагревостойкостью используются кремнеорганические соединения. Электрическая прочность их 200 – 250 кВ/см.

Электрическая прочность жидких диэлектриков зависит от многих факторов. Под действием электрического поля в жидких диэлектриках возникает электрический ток. Носителями электрических зарядов являются ионы самого диэлектрика, а также примесей. С увеличением температуры усиливается диссоциация молекул жидкости на ионы, увеличивается подвижность ионов. В результате этого с повышением температуры удельное сопротивление жидких диэлектриков падает.

В сильных электрических полях в жидких диэлектриках возникают электрические разряды. В сравнительно равномерных полях при повышении напряжения, приложенного к электродам, вначале происходят единичные слабые искровые пробои промежутка. С повышением напряжения пробои учащаются и, наконец, переходят в устойчивый пробой.

В неравномерных полях пробою предшествует появление короны у одного или обоих электродов в виде неустойчивых незавершенных искр. Считается, что пробой очищенных жидких диэлектриков является результатом ударной ионизации электронами и автоэлектронной эмиссии с катода. Большую роль в пробое жидких диэлектриков играют примеси: вода, газовые включения. Теория Геманта и др. рассматривает пробой увлажненного масла. Вода и масло находятся обычно в состоянии эмульсии, т.е. вода взвешена в виде мельчайших капель. В сильном электрическом поле происходит поляризация и растяжение этих капель и их слияние в водяной канал, по которому происходит пробой. Существующие теории пробоя жидких диэлектриков не дают количественных критериев пробоя и не позволяют определять разрядные напряжения в конкретных случаях. Поэтому при определении разрядных напряжений жидких диэлектриков пользуются опытными данными.

В общем случае пробой изоляционных масел характеризуется двумя значениями разрядного напряжения: минимальным и максимальным. Первое относится к появлению единичной искры между электродами, второй - к установившемуся пробою. При выборе изоляционных расстояний особенно важно минимальное разрядное напряжение. Величина разрядных напряжений зависит от расстояния между электродами, степени неравномерности электрического поля и степени очистки масла. Для технически чистого трансформаторного масла зависимость разрядного напряжения от расстояния между электродами является нелинейной. При этом, чем больше расстояние, тем больше эта нелинейность. С увеличением степени неравномерности поля при одинаковых расстояниях между электродами разрядные напряжения уменьшаются.

Приближенные значения разрядных напряжений для трансформаторного масла могут быть получены из эмпирических формул.

(Напряжения 50 Гц, амплитудные значения)

Промежуток стержень-стержень

Промежуток стержень-плоскость

где S – расстояние между электродами в см.

В процессе эксплуатации происходит старение масла: появляются примеси, загрязнения, изменяются состав, физические и химические характеристики.

Основными факторами, обуславливающими старение масла, являются окисление его кислородом воздуха, нагрев и разложение под действием электрических разрядов. Наблюдается увлажнение масла. Вода попадает в масло из воздуха, из плохо высушенной твердой изоляции, а также образуется в результате окисления углеводородов масла. Вода в масле находится в растворенном состоянии и в виде эмульсии. Увеличение содержания воды до 001 – 0,09 % (по весу) значительно снижает электрическую прочность масла. В присутствии воды старение масла и выпадение в нем осадков происходит быстрее, чем в сухом масле.

В масле, работающем совместно с твердой изоляцией, возможно появление загрязнений в виде хлопчатобумажных и целлюлозных волокон. Присутствие волокон особенно во влажном масле, приводит к резкому уменьшению разрядных напряжений. Скапливаясь в межэлектродном пространстве и, увлажняясь, волокна образуют проводящие мостики, которые сильно искажают поле между электродами и являются причиной снижения разрядных напряжений.

При старении в масле образуются нерастворимые осадки - шлам. Осадки гигроскопичны. Поэтому их наличие увеличивает содержание воды в масле.

В масле может находиться значительное количество газовых включений. В свежем изоляционном масле в 100 см³ содержится 6 см³ газов. Количество газов увеличивается в результате разложения масла под действием электрической дуги, поверхностных разрядов, короны.

При эксплуатации изоляционных масел необходимы меры, препятствующие загрязнению и старению масел, уменьшающие вредное влияние примесей и удлиняющих срок службы масла.

Срок эксплуатации масла может быть удлинен постоянной очисткой масла непосредственно в трансформаторах во время работы. Очистка осуществляется с помощью термосифонных фильтров. Масло проходит через фильтр, где очищается от воды, кислот и смол. Фильтрующим веществом является силикагель – высушенный и прокаленный гель двуокиси кремния SiO₂ . Он обладает пористой структурой, является хорошим сорбентом благодаря развитой пористой структуре.

Изоляционные масла должны подвергаться периодическому контролю с целью определения их характеристик. В правилах технической эксплуатации электрических станций и сетей предусматриваются 3 вида испытаний изоляционных масел: полный химический анализ, сокращенное испытание и испытание на содержание взвешенного угля.

При сокращенном испытании определяется состояние масла: определяется пробивное напряжение, наличие твердых осадков, температура вспышки, реакция водной вытяжки, кислотное число, а также tg δ. Сокращенный анализ масла производится не реже одного раза в 3 года, а также после капитальных ремонтов трансформаторов и аппаратов. Для трансформаторов, работающих без термосифонных фильтров, сокращенный анализ должен производиться один раз в год.

Испытания масла на пробой производится в стандартном разряднике. Электроды разрядника устанавливаются на расстоянии 2,5 см друг от друга строго параллельно, на 15 мм выше поверхности электродов, см. рис.4.1

2,5

Проверку содержания угля производят в масляных выключателях сразу после отключения при коротком замыкании. В энергосистемах и на промышленных предприятиях составляется годовой график взятия проб масла из каждого аппарата.

Рис.4.1. Маслопробойник

Масло, которое не удовлетворяет нормам по характеристикам, должно быть удалено из ЭУ и подвергнуто очистке.