Целлюлоза, пропитанная трансформаторным маслом

Электротехнический картон на основе целлюлозы используется для создания в масле барьеров, повышающих электрическую прочность изоляционных промежутков конструкций маслонаполненных аппаратов. Из этого материала изготавливают такие детали, как изоляционные шайбы, прокладки и др. Кабельная бумага - основной изоляционный материал для медного обмоточного провода, отводов высокого напряжения. В некоторых типах трансформаторов бумага используется в качестве изоляции между обмотками с различным потенциалом. Количество целлюлозных материалов в маслонаполненных трансформаторах весьма значительно. Учитывая полную поверхность их соприкосновения с маслом, можно говорить о величинах порядка 0,5 - 1,0 см²на 1 г масла для различных типов трансформаторов. Для усиления механической прочности изоляции отводов высокого напряжения и других токоведущих частей трансформаторов применяется лакированная ткань или специально обработанные сорта бумаги. С увеличением количества бумаги возрастает количество кислорода, поглощаемого этим материалом при окислении. Окисление масла в трансформаторе сопровождается разрушением твёрдой изоляции, основную массу которой, составляют материалы, изготовленные на основе целлюлозы. Эксплуатационный опыт свидетельствует, что среди этих изоляционных материалов, работающих в масле, наиболее быстро разрушаются электроизоляционная бумага - основная изоляция обмоточных проводов и хлопчатобумажная ткань. Срок службы трансформатора в основном определяется разрушением твёрдой изоляции, так как жидкий диэлектрик в течение всего периода эксплуатации трансформатора может меняться неоднократно. К концу эксплуатации бумага приобретает коричневый цвет, становится хрупкой. Возникающие в трансформаторе при режимах коротких замыканий продольные электродинамические усилия вызывают повышенное смятие изношенной бумажной изоляции в местах ее прилегания к межкатушечным прокладкам. В результате увеличивается опасность возникновения межвитковых замыканий в обмотке трансформатора, приводящих к аварии. Для нахождения путей повышения долговечности целлюлозных материалов важно правильно оценивать роль отдельных факторов, таких как: температура, электрическое поле, кислород, продукты окисления масла, в том числе и вода, действия которые в совокупности определяют старение изоляции при работе в среде масла. Одним из решающих факторов старения изоляции считают температуру. Ускоренное старение целлюлозной изоляции в масле в присутствии кислорода обусловлено главным образом воздействием продуктов окисления масла. В сравнимых температурных условиях старение бумаги в среде кислого масла в вакууме протекает примерно так же, как и при наличии над маслом кислорода. В первом случае разрушение изоляции вызвано действием продуктов окисления, уже содержащихся в масле, во втором случае эти соединения образовались в процессе окисления углеводородов масла. Заметное действие на разрушение бумажной изоляции при работе в масле определяется содержащейся в ней влагой. Микроскопический анализ показывает, что изоляционные бумаги представляют собой более или менее ориентированное переплетение трубчатых волокон, имеющих различную длину и диаметр в зависимости от исходного сырья. В связи с пористым строением их можно отнести к разряду адсорбентов. Установлено, что бумага и картон обладают явно выраженной избирательной адсорбционной способностью по отношению к растворам в масле различных органических кислот. С увеличением молекулярного веса кислот поглощение их бумагой и картоном уменьшается. Наиболее интенсивно поглощение низкомолекулярных кислот целлюлозной изоляцией протекает в начальный период, в дальнейшем скорость этого процесса замедляется. Кабельная бумага обладает способностью поглощать довольно значительные количества низкомолекулярных кислот из их раствора в масле. Рассматривая поглощение мыл, следует отметить, что нафтенат меди адсорбируется бумагой и картоном более интенсивно, чем нафтенат железа. Эти нафтенаты в свою очередь адсорбируются изоляцией значительно больше, чем нафтеновые кислоты, из которых они получены. Механизм старения изоляции сложен. Процесс начинается с гидролиза,далее происходит окисление с разрывом молекулярных цепей и размыканием глюкозных колец, выделением воды, образованием кислотных соединений. Чем больше глубина старения целлюлозы, тем больше степень расщепления глюкозных цепей. Этот процесс оценивается по изменению таких химических показателей, как степень полимеризации целлюлозы (цепи полимеризации целлюлозы в эксплуатируемых трансформаторах составляют 1200 - 200 ед.). Электрическая прочность бумаги, пропитанной трансформаторным маслом, в результате старения практически не изменяется, поскольку разрушенные участки бумаги немедленно заполняются трансформаторным маслом. Мы же оцениваем состояние целлюлозной изоляции на основании изменения механических характеристик. На скорость старения целлюлозной изоляции влияют: влага, низкомолекулярные органические кислоты, наличие серы в трансформаторном масле, рост температуры. Наиболее сильные разрушающие действия на твёрдую изоляцию оказывает осадок, образующийся при окислении углеводородов масла. Электрическое поле следует считать одним из факторов, ускоряющих старение целлюлозной изоляции в среде жидкого диэлектрика.

Одним из решающих факторов старения целлюлозной изоляции считают температуру. Известно эмпирическое правило, справедливое для условий работы бумажной изоляции в масляных трансформаторах обычного типа, негерметичного исполнения которое указывает , что каждые 9 -11°С повышение температуры бумаги увеличивает скорость её разрушения вдвое. Если условно принять, что срок службы трансформатора (на основании данных по износу кабельной бумаги) при температуре 95° С равен 20 годам, то при температуре 120° он составит только 2,2 года, а при 145° всего 3 мес.

Фактический конец срока службы трансформатора (момент достижения предельного состояния) определяют при наличии хотя бы одного из указанных ниже факторов: снижение степени полимеризации бумажной изоляции до 200-250, наличие необратимых дефектов в конструкции, экономическая нецелесообразность продолжения эксплуатации трансформатора с низкими технико-экономическими характеристиками.

Достаточно хорошо изучен процесс поглощения бумагой и электрокартоном химически чистых органических кислот: низкомолекулярных и высокомолекулярных, мыл и их растворов в трансформаторном масле. Поглощение изоляцией мыл сопровождается снижением тангенса диэлектрических потерь масла, при одновременном росте потерь в твёрдой изоляции. Очевидно, с подобного рода явлениями связаны наблюдаемые в эксплуатации случаи повышения tg δ изоляции трансформаторов при работе последних с маслами, имеющими высокий tg δ . При отсутствии кислорода гидроперекиси не оказывают значительного влияния на механическую прочность твёрдой изоляции. Наличие в масле высокомолекулярных кислот – стеариновой и смеси нафтеновых (при кислотном числе 1 мг КОН /г) – не влияет на механические характеристики изоляции. В тех случаях, когда в среде окисляющегося масла находился силикагель (3% весовых), процесс разрушения изоляции замедлялся благодаря адсорбции агрессивных по отношению к изоляции соединений силикагелем. Бывает, что два масла с одинаковой кислотностью вызывают различное разрушение изоляции или же при различной кислотности масел наблюдается примерно равный износ целлюлозы. В свете сказанного выше такие отклонения можно объяснить различной активностью и концентрацией перекисныхсоединений, образующихся при окислении масел, отличающихся по углеводородному составу. На процесс старения целлюлозных материалов основное влияние оказывают продукты окисления масла, а не просто термическое воздействие или непосредственно окисление целлюлозы молекулярным кислородом. Наибольшее разрушающее действие на твёрдую изоляцию оказывает осадок, образующийся при окислении углеводородов масла, а также активные продукты, возможно, многоатомные гидроперекиси, дающие при разложении низкомолекулярные кислоты. Старение маслопропитанной целлюлозной изоляции в присутствии электрического поля ускоряется.