Трансформаторное масло или изоляционное масло — это масло, стабильное при высоких температурах и обладающее отличными электроизоляционными свойствами. Он используется в маслонаполненных мокрых трансформаторах, [1] некоторых типах высоковольтных конденсаторов, балластах люминесцентных ламп и некоторых типах высоковольтных переключателей и автоматических выключателей. Его функции заключаются в изоляции , подавлении коронного разряда и искрения, а также в качестве охлаждающей жидкости.
Трансформаторное масло чаще всего изготавливается на основе минерального масла , но популярность альтернативных составов с другими техническими или экологическими свойствами растет.
Основные функции трансформаторного масла — изолировать и охлаждать трансформатор. Поэтому он должен обладать высокой диэлектрической прочностью , теплопроводностью и химической стабильностью и сохранять эти свойства при выдерживании при высоких температурах в течение длительного времени. [2] Обычно они имеют температуру вспышки выше 140 °C (284 °F), температуру застывания ниже -40 °C (-40 °F) и пробой диэлектрика при среднеквадратическом напряжении более 28 кВ . [3] Для улучшения охлаждения больших силовых трансформаторов маслонаполненный бак может иметь внешние радиаторы , через которые масло циркулирует за счет естественной конвекции . Силовые трансформаторы мощностью в тысячи киловольт-ампер могут также иметь вентиляторы охлаждения , масляные насосы и даже водомасляные теплообменники . [4]
Силовые трансформаторы подвергаются длительным процессам сушки с использованием электрического самонагрева, применения вакуума или того и другого, чтобы гарантировать, что трансформатор полностью свободен от водяного пара перед введением изолирующего масла. Это помогает предотвратить образование коронного разряда и последующий электрический пробой под нагрузкой.
Маслонаполненные трансформаторы с расширительным масляным баком могут иметь реле детектора газа, такое как реле Бухгольца . Эти устройства безопасности обнаруживают скопление газа внутри трансформатора из-за коронного разряда , перегрева или внутренней электрической дуги . При медленном накоплении газа или быстром повышении давления эти устройства могут сработать защитный автомат , отключающий питание трансформатора. Трансформаторы без расширителей обычно оборудуются реле внезапного давления, которые выполняют ту же функцию, что и реле Бухгольца.
Минеральное масло в целом эффективно в качестве трансформаторного масла, но оно имеет некоторые недостатки, одним из которых является его относительно низкая температура вспышки по сравнению с некоторыми альтернативами. Если из трансформатора протекает минеральное масло, это может привести к возгоранию. Нормы пожарной безопасности часто требуют, чтобы в трансформаторах внутри зданий использовалась менее горючая жидкость или использовались трансформаторы сухого типа вообще без жидкости. Минеральное масло также является загрязнителем окружающей среды, и его изоляционные свойства быстро ухудшаются даже при небольшом количестве воды. По этой причине трансформаторы хорошо оснащены, чтобы удерживать воду вне масла.
Синтетические и натуральные эфиры пентаэритрит -тетражирных кислот становятся все более распространенной альтернативой минеральному маслу, особенно в условиях высокого пожароопасного применения, например, внутри помещений, из-за их высокой температуры воспламенения , которая превышает 300 °C (572 °F). [5] Они биоразлагаемы , но стоят дороже минерального масла. Природные сложные эфиры имеют более низкую устойчивость к окислению при испытании с насыщением кислородом при температуре 120°С, продолжающемся около 48 часов, по сравнению с 500 часами для минеральных масел, и поэтому используются в закрытых трансформаторах.
Герметические уплотнения важны для трансформаторов большей мощности из-за теплового расширения и сжатия. Силовые трансформаторы среднего и большого размера, как правило, имеют консерватор и резиновый мешок с использованием природного эфира, чтобы уменьшить попадание кислорода и предотвратить более быстрое окисление природного эфира, чем то, к чему привыкли коммунальные предприятия с минеральными маслами. Также используются масла на основе силикона или фторуглерода , которые еще менее горючи, но они дороже эфиров и не биоразлагаемы. [ нужна цитата ]
В настоящее время в эксплуатации находится более 3 миллионов трансформаторов с составами на растительной основе, при этом в трансформаторах напряжением до 500 кВ используются составы на основе сои или рапса. Однако составы на основе кокосового масла непригодны для использования в холодном климате или при напряжении более 230 кВ. [7] Исследователи также изучают наножидкости для использования в трансформаторах; они будут использоваться в качестве присадок для улучшения стабильности, тепловых и электрических свойств масла. [8]
Полихлорированные дифенилы (ПХБ) — это синтетические диэлектрики, впервые изготовленные более века назад и обладающие желательными свойствами, которые привели к их широкому использованию. [9] Полихлорированные дифенилы ранее использовались в качестве трансформаторного масла, поскольку они обладают высокой диэлектрической прочностью и не являются горючими. К сожалению, они также токсичны , обладают способностью к биоаккумуляции , не поддаются биологическому разложению и их трудно безопасно утилизировать. При сгорании они образуют еще более токсичные продукты, такие как хлордиоксины и хлордибензофураны .
Начиная с 1970-х годов производство и новое использование ПХД было запрещено во многих странах из-за опасений по поводу накопления ПХБ и токсичности их побочных продуктов. Например, в США производство ПХД было запрещено в 1979 году Законом о контроле за токсичными веществами . [10] Во многих странах существуют значительные программы по утилизации и безопасному уничтожению оборудования, загрязненного ПХД. [ нужна цитация ] Одним из методов, который можно использовать для восстановления трансформаторного масла, загрязненного ПХБ, является применение системы удаления ПХБ, также называемой системой дехлорирования ПХБ.
В системах удаления ПХБ используется щелочная дисперсия для отделения атомов хлора от других молекул в ходе химической реакции. При этом образуется трансформаторное масло, не содержащее ПХД, и шлам, не содержащий ПХД. Затем их можно разделить с помощью центрифуги. Шлам можно утилизировать как обычные промышленные отходы, не содержащие ПХД. Обработанное трансформаторное масло полностью восстановлено и соответствует требуемым стандартам, без какого-либо обнаруживаемого содержания ПХБ. Таким образом, его снова можно использовать в качестве изолирующей жидкости в трансформаторах. [11]
ПХБ и минеральное масло смешиваются во всех пропорциях, и иногда для любого типа жидкости использовалось одно и то же оборудование (бочки, насосы, шланги и т. д.), поэтому загрязнение трансформаторного масла ПХД продолжает вызывать беспокойство. Например, согласно действующим правилам, концентрации ПХБ, превышающие 5 частей на миллион, могут привести к тому, что масло будет классифицировано как опасные отходы в Калифорнии. [12]
Трансформаторные масла подвергаются электрическим и механическим нагрузкам во время работы трансформатора. Кроме того, существует загрязнение, вызванное химическим взаимодействием с обмотками и другой твердой изоляцией, катализируемое высокой рабочей температурой . Исходные химические свойства трансформаторного масла изменяются постепенно, что делает его неэффективным по назначению через многие годы. [13] Масло в больших трансформаторах и электрооборудовании периодически проверяется на электрические и химические свойства, чтобы убедиться в его пригодности для дальнейшего использования. Иногда состояние масла можно улучшить фильтрацией и обработкой. Тесты можно разделить на:
Подробности проведения этих испытаний доступны в стандартах, выпущенных Международной электротехнической комиссией , ASTM International , Международным стандартом , Британскими стандартами , и тестирование может проводиться любым из методов. Испытания Фуран и ДГА предназначены именно не для определения качества трансформаторного масла, а для выявления любых отклонений во внутренних обмотках трансформатора или бумажной изоляции трансформатора, которые иначе невозможно обнаружить без капитального ремонта трансформатора. Рекомендуемые интервалы для этих тестов:
Некоторые испытания трансформаторного масла можно проводить в полевых условиях с использованием портативного испытательного оборудования. Другие тесты, такие как анализ растворенного газа, обычно требуют отправки образца в лабораторию. Электронные онлайн-детекторы растворенного газа можно подключить к важным или вышедшим из строя трансформаторам для постоянного мониторинга тенденций образования газа.
Для определения изолирующих свойств диэлектрического масла из испытуемого устройства отбирают пробу масла и измеряют ее напряжение пробоя на месте согласно следующей последовательности испытаний: