Дисциплина: Электрическое оборудование электроэнергетических систем и сетей зарубежных стран
Лекция № 2 Основные характеристики материалов, конструктивных элементов электрооборудования
Оглавление
2.1 Введение. 1
2.2. Трансформаторное масло. 6
2.3 Целлюлоза, пропитанная трансформаторным маслом. 8
2.4. Древесина, дельта древесина, органические материалы для крепления и вязки конструкций. 11
2.5. Прочие материалы, применяемые в трансформаторостроении. 12
2.6 Элегаз. 13
2.7. Азот. 14
Введение
Рассматриваютсяфизико-химические свойства основных конструктивных материалов электротехнического оборудования, используемого в системах электроснабжения. Описаны основные фазы изменений изоляционных характеристик конструктивных материалов в процессе эксплуатации, влияние режимов, наиболее вероятные причины повреждений и методы повышения ресурса оборудования. Лекция иллюстрируется фотографиями оборудования, графиками и формулами процессов, протекающими в изоляции электротехнического оборудования. На настоящем этапе развития электроэнергетики подавляющее большинство электротехнического оборудования (трансформаторы, автотрансформаторы, реакторы, вводы, измерительные трансформаторы, выключатели и т.д.) в качестве изоляционных материалов используют целлюлозу (электрокартон, трансформаторную бумагу, хлопчатобумажные ткани), трансформаторное масло, синтетику и другие материалы. Для крепления конструкций используется дельта-древесина, хлопчатобумажные ленты и в последнее время стали использоваться ряд химически неактивныхсинтетических материалов. Измерительные трансформаторы, вводы 110 кВ и выше стали изготавливать с применением основной изоляции из синтетических материалов или с применением в качестве изоляции элегаза. Масло, как дугогасящая среда у выключателей стало вытесняться и гашение дуги в выключателях осуществляется в вакуумной среде или в элегазе. Однако в настоящее время около 80% электротехнического оборудования, эксплуатируемого на подстанциях, является маслонаполненным и требует технического обслуживания, ремонтов, профилактического контроля, продления эксплуатационного ресурса. На Рис. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,10, 11. изображено оборудование, эксплуатируемое на подстанциях.
Рис. 1 Силовой трансформатор 110 кВ Рис.2 Маслонаполненный ввод
110 кВ
Рис.3 Маслонаполненный Рис. 4 Проходные маслонаполненные вводы
трансформатор тока 110 кВ 110 кВ
Рис. 5 Объёмные масляные выключатели 110 кВ
Рис. 6 Общий вид подстанции 110 кВ
Рис. 7 Маслонаполненные трансформаторы напряжения 110 кВ
Рис. 8 Общий вид элегазового КРУ 110 кВ
Рис. 9 Общий вид городской распределительной ПС 110/10 кВ мощность 25000 КВА
Рис.10 Высоковольтные элегазовые выключатели на монтируемой подстанции
Рис. 11 Фото силового автотрансформатора 500 кВ
Трансформаторное масло
Трансформаторное масло – наиболее распространённый жидкий диэлектрик, применяющийся в высоковольтном оборудовании Uпр.= 280 кВ/см при 50 Гц. Масло служит в качестве изоляции в силовых и измерительных трансформаторах, высоковольтных вводах, кабелях, высоковольтных выключателях. Трансформаторное масло является также охлаждающей средой, отводя тепло от обмоток трансформаторов и электрических машин в окружающую среду. В выключателях масло используется в качестве дугогасящего изолятора: выделяющиеся в процессе разрыва электрической дуги газы способствуют охлаждению канала дуги и быстрому ее гашению. Трансформаторное масло является одним из продуктов переработки нефти. Нефти различных месторождений отличаются друг от друга по своему химическому составу. Химический состав масел обусловлен не только их происхождением, но также и способом очистки. Уже давно в практике отмечено, что эксплуатационные качества масел, отличаются происхождением и технологией получения. Между химическим составом трансформаторных масел и их поведением в эксплуатации существует определённая зависимость. Цвет свежего трансформаторного масла обычно соломенно-жёлтый и характеризует глубину очистки масла. Переход к темно-жёлтому цвету указывает недостаточно полное удаление из масла смолистых соединений. В окислённых маслах, бывших в эксплуатации, потемнение связано с накоплением продуктов окисления: чем их больше, тем темнее масло. В процессе эксплуатации электрических аппаратов залитые в них масла претерпевают глубокие изменения, обусловленные процессами старения, приводящими к ухудшению химических и электрофизических показателей масел. Основным фактором, влияющим на старение масел, является воздействие кислорода воздуха - сильного окислителя. Процесс окисления ускоряется при увеличении температуры, под влиянием электрического поля, света, а также некоторых материалов, являющихся активными катализаторами окисления углеводородов масла. К таким материалам относится медь и ее сплавы. Все отечественные трансформаторные масла, поступающие на энергопредприятия, содержат ингибитор окисления - антиокислительную присадку ионол (синонимы - ДБК, топанол - 0, керобит). Качество трансформаторного масла характеризуется следующими показателями: пробивное напряжение, кВ; влагосодержание, % (г/т); тангенс угла диэлектрических потерь, %; кислотное число, мг KОH/г масла, содержание растворимых кислот и щелочей; содержание механических примесей, % массы (г/т); температурой вспышки в закрытом тигле, °С; газосодержание, % объёма; наличие растворимого шлама, содержанием антиокислительной присадки, содержание в эксплуатационном масле фурановых производных в % массы, не более (в том числе фурфурола). В качестве сырья для получения трансформаторных масел используются дистилляты, выкипающие при 280-420°С, из различных нефтей. В трансформаторном масле число атомов углеводорода в различных молекулах углеводородов этой фракции составляет от 16 до 25. При анализе достаточно узких фракций удалось установить присутствие в масле до 15 различных типов молекул. Электроизоляционные свойства трансформаторных масел ухудшаются при наличии в них влаги. Наличие в масле даже небольших количество влаги в диспергированном состоянии является причиной снижения электрической прочности и высоких диэлектрических потерь, что может повлечь повреждение аппаратов высокого напряжения. Рассмотрим вопрос гигроскопичности трансформаторных масел.
Растворимость воды в трансформаторном масле, весьма ничтожна. С точки зрения молекулярной теории это объясняется громадным различием в размерах молекул углеводородов, из которых состоит масло, и молекул воды. Суммарное поле межмолекулярных сил, создаваемое при взаимодействии этих двух типов молекул, препятствует смешению обоих жидкостей. Нагрев масла при неизменной температуре и влажности окружающего воздуха сопровождается осушкой масла. При охлаждении масла, например, от температуры + 40 до +20°С в масле появляется избыток влаги и образуется эмульсия. Количество влаги, выделившейся определяется концентрацией воды в масле, соответственно при температурах + 40 до +20°С. При прочих равных условиях гигроскопичность трансформаторных масел зависит от иххимического состава и возрастает с повышением содержания ароматических углеводородов. Наличие в трансформаторных маслах полярных компонентов (спиртов, кислот, мыл и др.) ведёт к повышениюгигроскопичности масел и нарушению линейной зависимости поглощающей способности от влажности воздуха. Этим объясняются трудности, которые наблюдаются на практике при обезвоживании эксплуатационных или недостаточно очищенных свежих масел. Насыщение масла водой, так же как и обратный процесс - испарение влаги из масла, происходит с определённой скоростью. Скорости этих процессов, по-видимому, равные между собой, зависят от действия ряда факторов: толщины слоя масла, величины свободной поверхности соприкосновения с увлажняющей средой (воздух и др.), соотношения между упругостью паров воды в масле и окружающем воздухе, температуры масла. Изучение количественной стороны этого вопроса показало, что наличие масляного затвора на маслонаполненныхвводах 110 кВлишь в 2,5 раза замедляет увлажнение его изоляции за счёт влаги из окружающего воздуха. Таким образом, представление о том, что масло полностью защищает твёрдую изоляцию трансформаторов и других аппаратов от увлажнения или что вода, находящаяся под слоем масла, не испаряется, является неправильным. Очевидно, что вполне надёжная защита трансформаторной изоляции от увлажнения может быть обеспечена лишь при полной герметизации.
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 см 2 на 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.