Исследование теплового старения изоляционных жидкостей. Ч. 2. Расчет и практическое использование кинетических параметров процесса старения.

Аракелян В.Г.


 

 

Практические аспекты

Задача данного исследования состояла в том, чтобы показать возможность получения значений констант, определяющих процесс старения, на основе правильной интерпретации и обработки экспериментальных данных. Получаемые при этом физико-химические константы позволяют далее просчитывать любой сценарий развития процесса старения изоляционного масла. Имея общее понимание развития процесса, можно определить, каким путём использовать полученный объём знаний для практических целей.

Термостойкость изоляционных жидкостей

Понятие "термостойкость" с позиции требований к свойствам изоляционной жидкости не совпадает с обычным пониманием этого термина как термической стойкости жидкостей. В обычном химическом понимании это температура перехода к существенной активации химических процессов превращения основного вещества: к пиролизу или к полимеризации. Это понятие может быть отражено периодом полураспада или временем жизни, как принято в химической кинетике. В электротехническом понимании термическая стойкость должна быть описана гораздо более ранними стадиями химического превращения субстрата, так как термическое старение и термическая стойкость должны рассматриваться с позиции электротехнических требований к изоляционной жидкости, не допускающих существенных изменений таких показателей, как электрическая прочность, тангенс угла диэлектрических потерь или уровень частичных разрядов.

Особой стороной термостойкости изоляционных жидкостей является газообразование. Стойкости жидкости к газообразованию уделяется большое внимание, прежде всего в таких электротехнических устройствах, которые считаются герметичными. Основная опасность образования газов в изоляционной жидкости связана с возможностью возникновения газового пузыря.

Какую услугу может оказать доступный, быстрый и достаточно точный газовый анализ для оценки изоляционной жидкости в плане стойкости к тепловому воздействию в бескислородной среде в рамках строгих физико-химических представлений? Расход радикалов на побочные продукты формируется константой скорости KR вне зависимости от того, какими путями и через какие промежуточные соединения протекает процесс. Эта константа одновременно ответственна и за газообразование, и за образование продуктов уплотнения. Образование радикалов в субстрате определено константой KoR. Таким образом, общая производительность конечных продуктов переработки химических компонентов субстрата определяется произведением этих двух констант: KR KoR. Если радикалов в субстрате не будет, то и конечных продуктов не будет производиться. Если радикалы не будут перерабатываться в конечные продукты старения, то все образующиеся и существующие в субстрате радикалы будут уравновешены обратной химической реакцией взаимодействия радикалов с образованием химических веществ субстрата. Таким образом, произведение KR KoR можно принять как меру склонности изоляционной жидкости к разложению при выбранной температуре, как меру образования продуктов превращения. Термостойкость изоляционной жидкости можно охарактеризовать обратной величиной. Так появляется возможность сравнивать термостойкость изоляционных жидкостей при заданной температуре. Термостойкость не является постоянной, абсолютной характеристикой. Это понятие привязано к температуре: с повышением температуры термостойкость жидкости снижается. Поскольку константы KR и KoR являются экспоненциальными функциями, то и обратное значение произведения KR KoR также выражается экспоненциальной функцией. В зависимости от набора коэффициентов, определяющих экспоненциальную зависимость для KR и KoR, относительная термостойкость двух сравниваемых жидкостей с изменением температуры может меняться местами.

Склонность жидкости к газообразованию при заданной температуре в бескислородной атмосфере выражается суммой значений равновесной концентрации газов

Склонность к образованию газового пузыря зависит от состава газовой смеси. Образующиеся углеводородные газы хорошо растворяются в жидкости и тем легче, чем больше их молекулярная масса (меньше давление паров).

Растворимость водорода и окиси углерода невелика, и эти компоненты стремятся выделиться в газовую фазу. Поэтому образующуюся газовую смесь надо рассматривать с позиции возможного приближения к состоянию насыщения, когда сумма парциального давления отдельных компонентов приближается к общему давлению. Для этого достаточно значения концентрации поделить на термодинамический коэффициент распределения Кi (равный коэффициенту растворимости Оствальда для данного компонента при заданной температуре) и сложить. Тогда Σ(KiR /( kir Ki)) будет отражать сравнительную характеристику изоляционной жидкости с позиции опасности газообразования при заданной температуре: чем больше эта сумма, тем больше опасность. Стойкость изоляционной жидкости к газообразованию можно охарактеризовать обратной величиной.

Итак стойкость изоляционной жидкости к термическому воздействию может быть охарактеризована двумя коэффициентами: коэффициентом термостойкости Kst = 1/(KR KoR) и коэффициентом стойкости к газообразованию Ksg = 10³/(Σ(kiR/(kirKi) - для получения значений, приближённых к единице. Термостойкость и стойкость к газообразованию изоляционной жидкости при заданной температуре тем выше, чем больше соответствующий коэффициент.

Несмотря на то, что реальные процессы протекают в присутствии того или иного количества кислорода, такой подход позволяет оценить сравнительную термическую стойкость каждой имеющейся или новой изоляционной жидкости как химического субстрата в том или ином диапазоне температуры вне зависимости от её дальнейшего электротехнического назначения.

В качестве иллюстрации: стойкость масла ГК к термическому воздействию при 180°С оценивается коэффициентом термостойкости К = 1/(32 0,1) = 0,3, термостойкость технического касторового масла при этой температуре по уравнениям для KR и KoR в оценивается коэффициентом 3,8. Термостойкость технического касторового масла выше стойкости ГК при температуре 180°С в бескислородной среде.

Стойкость изоляционных жидкостей к окислению

Определение стойкости изоляционных жидкостей к окислению является трудоёмкой процедурой (МЭК: 74, 1963; 474, 1974; 813, 1985; 1125, 1992; ASTM: 2112-01а; 2440-99). При этом ни одна из процедур не воспроизводит реальную ситуацию и не исключает прямого газофазного окисления, поскольку все процедуры связаны с продувкой жидкости кислородом. Изучение кинетики термоокислительного старения позволяет сделать оценку стойкости изоляционных жидкостей к окислению более понятной, доступной и достоверной.

Мерилом термоокислительного процесса на первой стадии является скорость образования окси-радикалов, которая, в свою очередь, определяется концентрацией свободных радикалов R' (свойство самой изоляционной жидкости, выражаемое через константу скорости Ko2) и способностью их к взаимодействию с кислородом (свойство образуемых изоляционной жидкостью радикалов, выражаемое константой скорости koR). Чем меньше при заданной температуре образуется радикалов (KoR → 0), тем меньше жидкости будет тратиться на жидко-фазное окисление. Чем меньше способность образуемых радикалов вступать во взаимодействие с кислородом (Ko2 → 0), тем будет меньше скорость переработки свободных радикалов в окси-радикалы. Следовательно, произведение Ko2KoR отражает способность жидкости к окислению. Обратная величина будет отражать стойкость изоляционной жидкости к окислению. Для лучшего восприятия получаемых значений, так чтобы они были приближены к единице, примем в качестве коэффициента стойкости изоляционной жидкости к окислению величину Kstox = 10 - ³/(KO2KoR). Чем больше стойкость жидкости к окислению, тем больше соответствующий коэффициент.

Это понятие, также как и термостойкость, привязано к температуре: при повышении температуры стойкость жидкости к окислению снижается. Поскольку константы Ko2 и KoR являются экспоненциальными функциями температуры, то и коэффициент стойкости к окислению является экспоненциальной функцией температуры. В зависимости от набора коэффициентов, определяющих экспоненциальную зависимостьдля Ko2 и KoR, относительная стойкость двух сравниваемых жидкостей к окислению с изменением температуры может меняться местами.

В качестве иллюстрации: стойкость минерального масла ГК к окислению оценивается коэффициентом Kstox = 0,26 при 180°С , стойкость технического касторового масла к окислению при этой температуре оценивается коэффициентом 0,73. Стойкость технического касторового масла к окислению выше стойкости ГК при температуре 180°С.

Приложение новых знаний к оценке работающего оборудования

На практике полностью освободиться от кислорода невозможно, и именно он определяет направления химических реакций, протекающих в изоляционной жидкости работающего оборудования.

Если концентрация кислорода постоянна и равновесно образуемые при данной температуре свободные радикалы субстрата полностью связываются кислородом, то процесс старения изоляционной жидкости протекает только через стадию образования окси-радикалов. Дифференциальное уравнение (3) для этого случая при CO2 = const и CR = KoR/KR после интегриро вания превращается в (8)

а уравнение (1) для концентрации компонентов, когда уже нет нестабильных компонентов, интегрируется в (9)

Уравнение (9) определяет постоянный рост концентрации газов во времени, что обусловлено отсутствием не связанных кислородом свободных радикалов субстрата, обеспечивающих вторичную реакцию и удерживающих концентрацию газов на определённом уровне. Соотношение концентрации характерных газов, используемое для диагностической интерпретации, равно отношению констант kiox при заданной температуре.

Суммарная концентрация газообразных компонентов (10) в соответствии с (9)

Если концентрация кислорода постоянна, но равновесно образуемые при данной температуре свободные радикалы субстрата полностью не связываются кислородом, то процесс старения изоляционной жидкости протекает одновременно в двух направлениях: через взаимодействие свободных радикалов субстрата, оставшихся несвязанными, и через образование окси-радикалов.

 
 
Полное содержание статьи Вы можете найти в первоисточнике
Источник:  ©  Электротехника
Материал размещен на www.transform.ru 13.02.2008 г.
 

 

Перейти в форум для обсуждения

  ©  TRANSFORMаторы 2004—2010


Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика ??????????? ????