Ювелирное обозрение

Монтаж и эксплуатация силовых трансформаторов

Эксплуатация трансформаторного масла.

Характеристики трансформаторного масла.

В связи с тем, что характеристики трансформаторного масла в процессе эксплуатации ухудшаются, его качество приходится периодически проверять. Такие проверки осуществляют обычно один раз в три года, делая сокращенный анализ масла.

Основными характеристиками трансформаторного масла являются:

• Кислотное число , определяет количество едкого калия (в миллиграммах), которое требуется для нейтрализации всех свободных кислот. Кислотное число характеризует степень старения (окисления) трансформаторного масла.
• Реакция водной вытяжки , характеризует наличие в масле нерастворимых кислот и щелочей. В годном для эксплуатации трансформаторе реакция водной вытяжки должна быть нейтральна. Кислоты оказывают разрушительное действие на материалы, из которых изготовлен трансформатор (вызывают коррозию металла трансформатора, разрушают изоляцию его обмоток).
• Температура вспышки масла не должна быть ниже установленных значений во избежание воспламенения масла при повышении температуры, вызванном перегрузкой трансформатора. Для обычных трансформаторных масел значение температуры вспышки лежит в диапазоне 130-150 °С.
• Содержание механических примесей . Примеси появляются в результате растворения красок, лаков и изоляции; в виде угля который образуется при электрической дуге. Механические примеси в масле могут содержаться в виде осадка или в взвешенном состоянии и вызывают перекрытие между изолированными друг от друга элементами, понижают электрическую прочность масла.
• Электрическая прочность определяется пробивным напряжением трансформаторного масла. Пробивное напряжение свежего сухого масла должно быть не ниже 30 кВ. Снижение значения пробивного напряжения говорит о наличии примесей в масле (волокна, воздух, вода и т.д.)
• Тангенс угла диэлектрических потерь характеризует изоляционные свойства трансформаторного масла (показывает насколько масло хороший диэлектрик). Загрязнение и старение трансформаторного масла в процессе его эксплуатации ведет к повышению диэлектрических потерь в масле.
• Влагосодержание в трансформаторном масле характеризует интенсивность старения изоляции под воздействием значительных температур (т.е. говорит о систематических перегрузках трансформатора), а также свидетельствует о нарушении герметичности трансформатора.
• Вязкость характеризует подвижность масла и должна быть небольшой, для того чтобы масло хорошо циркулировало и отводило тепло.
• Температура застывания масла . При низкой температуре окружающей среды повышается вязкость масла и ухудшается его циркуляция, что приводит к перегреву и ускорению старения изоляции, а также может привести к повреждению подвижных элементов конструкции трансформатора (РПН, масляный насос). По нормам температура застывания масла трансформаторов должна быть не выше – 45° С.
• Цвет . Свежее масло имеет обычно светло-желтый цвет. В процессе эксплуатации масло темнеет и приобретает темно-коричневую окраску. Изменение цвета масла происходит под влиянием его нагрева и загрязнения смолами и осадками.

Кроме перечисленных существуют и другие характеристики трансформаторных масел: плотность, газосодержание, стабильность, температура самовоспламенения и т.д.

Трансформаторное масло для изоляции и охлаждения некоторых видов электроэнергетического оборудования. В качестве примера можно привести масляные высоковольтные выключатели, реакторное оборудование и силовые трансформаторы. Для нормальной работы перечисленных устройств должны регулярно проводиться испытания трансформаторного масла. С чем связана такая необходимость, и какова методика испытаний Вы узнаете, ознакомившись с данной статьей.

Зачем нужно проводить испытания трансформаторного масла?

Масло обладает определенными электрическими и физическими свойствами, которые со временем изменяются и перестают отвечать действующим нормам. То есть, можно сказать, что оно стареет. Давайте рассмотрим, какие при этом могут происходить изменения нормы показателей.

Заметим, что в сухих трансформаторах также наблюдается процесс старения твердой изоляции.

Изменение физических свойств

От физических характеристик эксплуатационного масла напрямую зависит, насколько надежно будет функционировать электрическое оборудование. Поэтому в процессе проверки уделяется пристальное внимание следующим свойствам трансформаторного масла:

• Допустимое значение плотности (удельного веса). Важно, чтобы этот параметр уступал льду. Это связано с тем, что при образовании в неработающей установке льда (в зимний период), он формировался на дне бака, не создавая препятствий для свободной циркуляции в системе масляного охлаждения. Нормой считается плотность в пределах 860-880 кг/м 3 при температуре равной 20,0°С. Соответственно законам физики, показатели удельного веса изменяются в зависимости от температуры (при нагреве – увеличиваются, а охлаждении — уменьшаются).
• Критический нагрев масла до температуры воспламенения (температура вспышки). Этот параметр должен быть достаточно высоким, чтобы исключить возгорание, когда трансформатор, работая в режиме перегрузки, подвергается сильному нагреву. Нормой считается температура в пределах 125-135°С. Со временем, под воздействием частых перегревов, масло начинает разлагаться, что приводит к резкому снижению показателя температуры вспышки.
• Показатель окисления (кислотное число) трансформаторного жидкого диэлектрика. Поскольку наличие кислот приводит к повреждению изоляции обмоток трансформатора, то важно определить их наличие. Кислотное число отображает количество (в мг.) гидроксида калия (KOH), необходимого для удаления следов кислоты в 1-м грамме продукта.

Изменение электрических свойств

По сути, трансформаторное масло является диэлектрической средой, соответственно, показателями качества для него будут изоляционные характеристики. К таковым относятся:

• Показатель диэлектрической прочности. Это характеристика пробивного напряжения, нормы которой устанавливаются в зависимости от класса электрооборудования. Допустимое соотношение между рабочим и пробивным напряжением показано ниже.

Таблица 1. Соотношение рабочего и пробивного напряжения.

Класс напряжения электроустановки (кВ)	Норма пробивного напряжения для электроизоляционных масел (кВ)
≤15,0	30,0
От 15,0 до 35,0	35,0
От 60,0 до 150,0	55,0
От 220,0 до 500,0	60,0
750,0	65,0

• Диэлектрические потери в изоляции, происходящие вследствие рассеивания электроэнергии в изоляционных материалах, под воздействием электрополя.
• Наличие воды и механических примесей (указываются в процентном содержании).

Электрические показатели, как и физические, со временем изменяются, что требует их проверки на соответствие нормам РД 34.45-51.300-97.

Порядок и методика проведения испытаний

Существует установленный порядок для процедуры испытаний трансформаторного масла, он включает в себя три этапа:

1. Получение образцов. Для отбора пробы необходимо руководствоваться соответствующими методическими указаниями.
2. Проведение испытаний, согласно выбранной методике. Это может быть полный или частичный физико-химический анализ или определение электрической прочности (проходимость электрического тока) в условиях определенной температуры.
3. Подведение итогов анализа. В протоколе испытаний указываются результаты проводимых тестов, и составляется заключение о соответствии испытуемого масла принятым нормам.

Разобравшись с порядком проведения испытаний, рассмотрим основные методики.

Сокращенный химический анализ

Данная методика испытаний включает в себя:

• Проверка качества по внешнему виду взятой пробы. В ходе этого экспресс анализа можно определить наличие воды и шлама.
• Определение пробивных напряжений. Данный тест мы рассмотрим отдельно.
• Определение кислотного числа. Данный тест производится в спецлаборатории, техническую сторону анализа мы приводить не будем, поскольку она интересна только специалистам. Что отображает данный показатель, было рассказано выше.
• Определение температуры вспышки. В современных спецлабораториях для этой цели используют автоматические приборы, позволяющие зафиксировать температуру воспламенения масла в большом диапазоне. В частности, представленный на рисунке ниже прибор способен измерить температуру воспламенения в пределах от 40,0°С до 370°С. Автоматический прибор ТВЗ-ЛАБ-11 фиксации температуры вспышки
• Анализ, получивший название «реакция водной вытяжки». По данной методике можно определить наличие щелочи и кислоты во взятой пробе. Масло считается отвечающим норме, если реакция показала нейтральный результат.

Полный химический анализ

Изоляционное масло подвергается полным испытаниям в тех случаях, когда даже одна из характеристик становиться критичной или замечен процесс интенсивного старения. Благодаря полному физико-химическому анализу можно с большой точностью определить допустимый срок технической эксплуатации, установить вероятную причину старения и рекомендовать процедуру восстановления. При полном испытании проводятся все тесты сокращенного анализа и дополнительно проверяются следующие характеристики:

• Проверка допустимого уровня диэлектрических потерь, повышение которых говорит о наличии продуктов старения и/или загрязнении выше допустимой нормы. Результатом данного теста является показатель тангенса угла диэлектрических потерь.
• Определение количества примесей, образующихся в процессе эксплуатации и снижающих показатели диэлектрической прочности. Данная характеристика может быть получена различными способами, из которых самые простые визуальный осмотр и гравиметрический способ. Но, к сожалению, эти два метода не позволяют произвести оценку гранулометрического состава примесей, а именно от этого показателя зависит характеристика электрической прочности.

В состав современных лабораторий входят автоматические ультразвуковые установки, позволяющие с большой точностью определить количественное содержание примесей.

Автоматический анализатор количества механических примесей ГРАН-152

• Определение количества влаги, содержащейся в пробе. На основании этого показателя можно определить изоляционные свойства тестируемого продукта и получить информацию о допустимом сроке эксплуатации. По наличию влаги и ее количеству можно установить факт разгерметизации бака трансформатора и его частую работу в перегруженном режиме. Изображение автоматического прибора-анализатора, позволяющего установить количественное содержание влаги, приведено ниже. Измеритель содержания влаги Aquameter KFM 3000
• Анализ, позволяющий определить состав растворенных в пробе газов (газосодержание). Этот показатель отражается на диэлектрической плотности трансформаторных масел. Ниже представлен мобильный аппарат-газоанализатор, позволяющий установить состав абсорбции. Переносной газоанализатор трансформаторного масла Transport X
• Проба на наличие антиокислительных присадок. Результат анализа позволяет установить необходимость замены или регенерации испытуемого масла.
• Определение устойчивости к окислению (стабильность диэлектрической смеси). Анализ производится путем обработки воздушной смесью пробы масла (при том допускается добавка специального катализатора). После этого снимаются характеристики после окисления и сравниваются с теми, что были изначально.

Определение электрической прочности

Данный показатель можно назвать основным параметром, описывающим изоляционные свойства жидкого диэлектрика. Расчет прочности трансформаторного масла производится по формуле: E = U_НП / h, где U_НП – величина напряжения пробоя, h – межэлектродный зазор. Результаты с пробы снимаются при помощи специального прибора, например такого, как на рисунке ниже.

Устройство контроля электрической прочности КПН-901

Характерно, что показатели измерения пробивного напряжения не зависят от проводимости масла, но обе эти характеристики чувствительны к влаго- и газосодержанию, а также наличию технологических примесей. Как только перечисленные показатели выходят за допустимые пределы, наблюдается увеличение проводимости и снижение электрической прочности.

Вы можете скачать и ознакомиться с более полной методикой определения пробивного напряжения трансформаторного масла по ссылке:

Объем и периодичность испытаний

Согласно действующим нормам масло испытывается в следующих случаях:

1. В процессе хранения электрических аппаратов. Регулярность испытаний зависит от класса напряжения оборудования. Например, масло в устройствах до 35,0 кВ тестируется раз в полгода, а в оборудовании, рассчитанном на 110,0 кВ и более, испытания проводятся через каждые 4-е месяца. Если заправка производилась свежими трансформаторными маслами, то достаточно проверки электрической прочности, в противном случае выполняют сокращенный химанализ.
2. Перед запуском в работу. Проба из бака оборудования должна быть взята до включения трансформаторов или других устройств, использующих масло. Объем испытаний указывается производителем электрооборудования.
3. В процессе эксплуатации масляных выключателей, высоковольтных трансформаторов, специальных аппаратах измерения тока и т.д. Регулярность испытаний зависит от назначения оборудования и класса напряжения. Например, для силовых трансформаторов до 35,0 кВ, проводят испытания со следующей периодичностью:

• После запуска в работу 5 раз в течение первого месяца, при этом 3 теста должны быть выполнены в первые две недели, оставшиеся в последующие две недели.
• Далее производятся измерения с периодичностью в 4-е месяца.

Пример протокола испытания с пояснением

Приведем в качестве примера протокол испытаний эксплуатационного трансформаторного масла, с разделением основных информационных полей.

Пример протокола испытаний трансформаторного масла

В протоколе содержится следующая информация:

1. «Шапка», где отображается номер документа, его название, указывается марка масла и нормы испытания по определенному ГОСТу.
2. Таблица с названием проводимых тестов и их результатами.
3. Заключение экспертизы.
4. Название и печать лаборатории, проводившей испытания, дата документа и подпись ответственного лица.

Методы проведения испытаний масла изложены в стандартах.
Специалистам, занимающимся маслами, полезно ознакомиться также со стандартами МЭК, с соответствующими американскими стандартами системы ASTM.

Ниже приводятся некоторые данные и замечания по испытаниям проб масла, дополняющие сказанное в предыдущих разделах.

а) отбор масла из трансформатора (для испытаний)

Необходимо быть уверенным, что масло для испытаний отобрано с достаточной тщательностью и соответствует по качеству маслу в трансформаторе. Желательно отбор пробы произвести в течение трех часов после отключения трансформатора, когда масло в нем хорошо перемешано благодаря циркуляции и теплое.
Необходимо избежать перемешивания струи масла в воздухе, чтобы свести к минимуму контакт с воздухом и возникновение пузырей.
Очень важна чистота посуды и патрубка на баке для отбора пробы, который бывает загрязнен, в том числе вследствие легкого подтекания масла. Чтобы промыть патрубок, рекомендуется до набора пробы слить масло в объеме не менее десятикратного, необходимого для испытаний.
Рекомендуется заполнять сосуд для пробы через трубку. Предварительно необходимо промыть сосуд, залив его полностью и слив это масло. Необходимо, чтобы все материалы (сосуд, трубка и пр.) не могли взаимодействовать с маслом. Лучшим материалом является стекло.
При отборе пробы необходимо также следовать рекомендациям ГОСТ-2255—71 и стандарта МЭК 60475 (1974 г.) «Методы отбора пробы жидких диэлектриков».

б) электрическая прочность (пробивное напряжение)

Снижение пробивного напряжения может указывать на увлажнение масла и/или загрязнение твердыми частицами. Снижение электрической прочности происходит более интенсивно при совместном действии этих двух факторов. После заливки нового трансформатора в масло попадают такие твердые частицы, как волокна целлюлозной изоляции и другие частицы остающиеся на активной части трансформатора после сборки. Поэтому рекомендуется масло после заливки трансформаторов напряжением 220 кВ и выше подвергнуть дополнительной фильтрации.
Во время эксплуатации благодаря циркуляции масла дополнительное количество частиц попадает в масло, отрываясь главным образом от краев изоляции. Фрезерование краев картонных прокладок, листов картона главной изоляции и других деталей может значительно уменьшать количество волокон в масле.
Испытание образца масла для определения электрической прочности — наиболее часто применяемое испытание.
Метод измерения стандартизирован ГОСТ-6581-75 и МЭК 60156. Для испытания применяется специальная камера, к которой прикладывается переменное напряжение между двумя сферическими электродами диаметром 12,5 мм. Расстояние между электродами 2,5 мм. Напряжение поднимается до пробоя. Испытание повторяется шесть раз. Пробивное напряжение определяется как среднее из 6 опытов. Стандартами предписывается производить перемешивание масла между электродами специальной чистой стеклянной палочкой каждый раз между опытами.

в) тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ)

Метод определения tgδ стандартизирован в ГОСТ 6581-75 и МЭК 247. Измерения производят с помощью сосуда, содержащего конденсатор, к которому прикладывается переменное напряжение 50 Гц. Измеряется ток утечки 1Г и емкостный ток 1С. Их отношения Ir/Ic = tgδ. Так как значение tgδ зависит от температуры, измерения производят при двух значениях температуры: 70 и 90 °С.
Как указывалось ранее, повышенные значения могут tgδ быть вызваны различными причинами. Сушка и фильтрация масла часто дают хороший эффект. Однако в тех случаях, когда масло сильно загрязнено продуктами старения, восстановить масло до приемлемых значений tgδ простыми средствами не удается. В этих случаях требуется регенерация масла физико-химическими методами.

г) влагосодержание

Метод измерения по ГОСТ 7822—75 или методом Карла Фишера по ИСО 1700.
Сушка масла до содержания менее 20 г/т требует достаточно эффективного оборудования. После первой заливки масло в трансформаторе должно иметь влагосодержание примерно на 10 г/т меньше нормативного.
Чувствительность метода Фишера — 2 г/т, что выше, чем позволяет получить гидрокальцевый метод по ГОСТ-7822—75. Недостатком метода Фишера является то, что он не применим для окислившихся масел, т. к. реактив взаимодействует с продуктами окисления (органическими кислотами, спиртами, фенолами). В то же время гидрокальциевый метод может давать ошибки при определении влагосодержания в дегазированных маслах после их насыщения воздухом. Во время определения влагосодержания происходит растворение образующегося свободного водорода в масле, что искажает результаты.

Предельные значения диэлектрических характеристик трансформаторного масла

Показатель качества

Номинальное напряжение
трансформатора

Предельно допустимые значения показателя качества