Создание и применение изоляционных масел на основе возобновляемого растительного сырья

Приведены данные, указывающие на интенсивные разработки ведущими промышленными фирмами мира нового силового трансформаторного оборудования с экологически чистыми и безопасными изоляционными композициями, изготавливаемыми из неисчерпаемого растительного сырья. В России в данной области электротехники работы находятся на начальном этапе и сводятся к разработке и испытаниям изоляционных композиций инициативной группой.

Ключевые слова: природные эфиры, «зелёный» трансформатор, окислительная способность, пробивное напряжение.

В современных отечественных высоковольтных аппаратах теплоотводящей и изолирующей средой служит преимущественно трансформаторное масло минерального происхождения (ТММ), являющееся горючим, взрывоопасным и биологически неразложимым.

Практически с начала использования ТММ в 90-е годы XIX в. начались взрывы и пожары на трансформаторах. В последние десятилетия XX в. проблемы безопасности осложнились всё возрастающими экологическими требованиями, связанными с трудностями утилизации ТММ из-за его низкой биодеградационной способности. Дефицит и рост стоимости углеводородного сырья, в том числе пригодного для изготовления ТММ (в некоторых случаях его полное исчерпание), также ставят проблему поиска его замены. В настоящее время, например, в силовых трансформаторах по всему миру используется 3—4 млрд. л ТММ. По данным ОАО «Холдинг МРСК» только на подстанциях 6—10/0,4 кВ до 2015 г. необходимо заменить около 240 тыс. силовых трансформаторов. Концепция МРСК при реконструкции объектов связана, в частности, с переводом сетей на более высокий класс напряжения и с приближением трансформаторных подстанций к потребителю. Это обусловливает необходимость создания безопасного и экологически чистого оборудования нового поколения. Существует проблема пропения «времени жизни» трансформаторов с истекшим сроком службы, которая решается их перезаливкой, для чего также необходимы жидкости нового типа.

Всё вместе ставит задачу поиска альтернативы минеральному маслу.

Поиски привели к созданию и использованию в электротехнике синтетических жидкостей на основе полихлордифенилов (совтол, аскарели). которые, однако, вскоре были запрещены к применению из-за высокой токсичности и низкой биодеградации.

Жидкости на основе эфира пентаэретрита и синтетических жирных кислот (ПЭТ) типа Midel 7131, кремнийорганические жидкости являются менее горючими по сравнению с ТММ, однако в процессе старения наблюдается резкий рост tgd, возникновение желатина из-за окисления свинца, олова и пр. Стоимость этих жидкостей существенно больше, чем ТММ, а их производство является вредным.

Перфторуглеводородные жидкости (ПФУЖ) типа фожалин, БАФ и др. являются полностью негорючими (класс L по классификации МЭК). Использование ПФУЖ, синтезированных в 50-е годы прошлого столетия, ограничилось специальными малогабаритными устройствами силовой радиоэлектроники из-за их очень высокой стоимости (стоимость 1 кг такой жидкости соизмерима со стоимостью 1 т минерального масла, а перспектив её снижения нет из-за неизбежных технологических затрат). Удельный вес ПФУЖ почти в 2 раза больше, чем у ТММ. Изоляционные свойства, по крайней мере, сопоставимы с ТММ. Поэтому замена ТММ на ПФУЖ, например, в малогабаритном трансформаторе ОАО «Электрозавод» типа ТМГ-100/10-У 1 привела бы к его удорожанию с 95 тыс. руб. до 5,5 млн. руб., т.е. почти в 60 раз. Для трансформаторов на более высокие классы напряжения удорожание было бы ещё больше. Это указывает на абсурдность использования ПФУЖ в силовых общепромышленных трансформаторах с изоляцией барьерного типа. Тем не менее, известен государственный контракт, финансирующий проведение работ, в том числе связанных с разработкой силовых общепромышленных трансформаторов с ПФУЖ.

Альтернатива ТММ в виде элегазовой или твёрдой изоляции здесь не рассматривается из — за низкой допустимой длительности перегрузок аппаратов с такой изоляцией и др.

В последние 20 лет в развитых странах мира всё большее внедрение в качестве охлаждающей и изолирующей среды в трансформаторах находят жидкие изоляционные композиции на основе возобновляемого растительного сырья. В западной литературе для названия таких композиций наиболее широко используется словосочетание "natural esters" (природные эфиры). Одним из первых был выдан патент на новую изоляционную композицию в США в 1998 г. [1], а в 1999 г. - на трансформатор с такой композицией [2]. После этого появились десятки патентов, сообщений об исследованиях и применении таких композиций преимущественно в силовых распределительных трансформаторах. Создали и выпустили на рынок ТРМ и трансформаторы с этой изоляцией: "Cooper Power Systems" (США) - композиция "Envirotemp FR 3" на основе рапсовых семян (патент 1999 г.); "ABB Power T&D Company Inc." (США) — композиция "BIOTEMP" на основе семян подсолнечника и сои (патент 1999 г.); "M&I MATERIALS" (Англия) — "Midel®eN" на основе рапсовых семян. Фирмы "Siemens", "Merlin Gerin", "Schneider Electric" , "AREVA" и др. также ведут работы в этом направлении. Есть сообщения о разработке, изготовлении и поставке фирмой «AREVA» распределительных трансформаторов на 132 кВ, 90 МВ-А с объёмом ТРМ порядка 30 т, шунтирующего реактора на 245 кВ, 22 МВ-А, с изоляцией ТРМ типа Envirotemp FR,3 и др.

Разработчики называют трансформаторы с ТРМ «green transformers».

Начиная, по крайней мере, с 2004 г. в трудах комитетов СИГРЭ А2 «Трансформаторы» и D1 «Материалы» регулярно появляются статьи по разработке ТРМ и трансформаторов на их основе [3,4]. В мае 2011 г. ТК 10 МЭК предположил принять 1-ю редакцию нового стандарта, посвящённого природным эфирам.

По данным нескольких источников к настоящему времени в мире находится в эксплуатации несколько десятков тысяч «зелёных» трансформаторов с ТРМ. Укажем некоторые преимущества таких композиций по сравнению с ТММ при их использовании в трансформаторах:

— экологическая чистота, обусловленная высокой способностью к биодеградации, снижение проблем утилизации;

— высокая температура воспламенения (350-370°С) и вспышки (300-320 °С), (K-Class по МЭК), резко снижающие вероятность пожара и взрыва; возможность увеличения нагрузочной способности;

— основные изоляционные характеристики сравнимые с минеральным маслом; улучшенное распределение поля в бумажно-масляной изоляции из-за более высокой диэлектрической проницаемости ТРМ;

— более высокая гигроскопичность, чем у ТММ, способствующая уменьшению влагосо- держания в твёрдой изоляции, уменьшению потерь, увеличение срока службы изоляции трансформатора;

— совместимость с целлюлозной изоляцией и с минеральным маслом (новым и состаренным); возможность существенного продления времени жизни трансформаторов с ТММ с истёкшим сроком службы путём перезаливки таких трансформаторов;

— неисчерпаемые запасы сырья, возможность использования генно-модифицирован- ных растений, снижение стоимости при увеличении производства до уровня стоимости ТММ;

— возможность вторичного использования отработанного ТРМ (для биодизеля, лаков и красок);

— отсутствие вредного влияния на здоровье персонала;

— существенное уменьшение размеров трансформатора благодаря новым компоновочным решениям, экономия площадей, занимаемых трансформаторами на подстанциях и т.д.

Приведённые данные по изоляционным свойствам и масштабам использования ТРМ в высоковольтных трансформаторах в промыш- ленно развитых зарубежных странах указывают на новизну и актуальность задачи по разработке изоляционных жидкостей нового поколения и электротехнических устройств с такой изоляцией.

В России до начала данных работ не было никаких сообщений о создании и тем более об использовании ТРМ в электротехнических аппаратах. Например, в справочнике по силовым трансформаторам [5], написанном коллективом из 20 авторов бывшего СССР и изданном в 2004 г., нет сведений о разработке ТРМ и трансформаторов на их основе, хотя первый трансформатор с ТРМ был изготовлен в США для прокатного стана в 1984 г., т.е. за 20 лет до издания справочника.

В 2010 г. авторами статьи было сделано сообщение на международной конференции ТРАВЭК [6] в Москве. Оказалось, что никто из её участников, имеющих отношение к разработке трансформаторного оборудования, не только не знал, но и не проявил заметного интереса к теме создания и использования ТРМ.

Применение ТРМ не требует радикальной переработки существующих конструкций трансформаторов. Основное требование — герметичность объёма трансформатора и достаточное на срок службы количество антиокси- данта.

Учитывая всё большую интенсивность развития работ по созданию ТРМ и аппаратов на их основе ведущими фирмами мира, необходимо развивать работы в данном направлении и в России. На первом этапе необходимо создать отечественные трансформаторные масла на основе природных эфиров российского происхождения, провести их исследовательские испытания по соответствующим стандартам и сравнить с данными зарубежных масел.

Настоящая статья представляет некоторые результаты реализации первого этапа работы. На следующем этапе необходимо изготовить пилотный образец трансформатора, что можно сделать наиболее простым путём, например, заполнив уже упомянутый трансформатор типа ТМГ-100/10-У 1 ТРМ и провести полный комплекс его испытаний. Достаточно несложно также провести перезаливку масляного трансформатора небольших габаритов с истекшим сроком службы новым трансформаторным маслом и испытать его.

Выводы

1. В последние два десятилетия крупнейшие электротехнические фирмы мира ведут интенсивные разработки и поставку на рынок экологически чистых, безопасных силовых трансформаторов («green transformer») различных классов напряжения с изоляцией жидкими композициями на основе растительного масла.

2. В 2009 г. впервые в России разработана, изготовлена, испытана и запатентована жидкая электроизоляционная композиция на основе растительного масла под условным названием «EcoTransOil©», характеристики которой оказались не хуже зарубежных аналогов, а по некоторым показателям превосходят их. Роспатент внёс данное изобретение в базу «Перспективные изобретения в области Энергетики и Энергосбережения» (такого рода патентов насчитывается 1049 из общего числа патентов 419461, выданных в 1994-2010 гг.), что указывает на перспективность и целесообразность интенсификации работ в данной области.

За исключением данной работы, имеющей инициативный характер, в России не разрабатываются, не проектируются, не изготавливаются и не рассматриваются в качестве перспективных ни новые жидкие композиции, ни «зелёные» трансформаторы на их основе. К сожалению, ни государство, ни частные фирмы пока не проявляют интереса к данной теме. Причины такого подхода к теме, имеющей инновационный (это следует, по крайней мере, из зарубежных разработок «зелёных трансформаторов» и длительного опыта их успешной эксплуатации) характер, можно отчасти объяснить оправданным консерватизмом энергетических компаний, больше озабоченных проблемой замены устаревшего парка оборудования, но это может привести к отставанию России в ещё одном из инновационных направлений развития энергетики XXI-го в.

Список литературы

1. Pat. 576451" l"S. Ds'rectric Fluid for use in Power Distribution Equipment G Goedde. G.Gauger. J.Lapp, A. Yerges. June 16. 199S.

2. Pat. 584901" US. Electrical Transformers Containing Electrical Insulation Fluid Comprising High Oleic Acid Oil Compositions T. Oommen. C.Clibome. September 7, 1999.

3. Y. Bertrand Y. and Hoang L.C. Vegetable Oils As Substitute For Mineral Insulating Oils In Medium-Voltage Equipment // Dl-202. Session CIGRE Paris, 2004.

4. I. Atanasova-Hoehlein, Th. Hammer. Diagnostic Markers for Oxidation Condition of Mineral Oil and Ester Insulating Fluids // Dl-213, Session CIGRE Paris, 2010.

5. Силовые трансформаторы: Справочная книга / Под ред. Лизунова С.Д., Лоханина А.К. М.: Энергоиздат, 2004.

6. Менахин Л.П., Панин А.Л., Торшин Ю. В., Шарковский В.А. Новые типы трансформаторов с экологически чистыми нетоксичными с повышенной взрыво- пожаробезопасностью жидкими композициями на основе возобновляемого растительного сырья // VII Междунар. научно-техн. конф. «Силовые трансформаторы и системы диагностики» М., 2010.

7. Пат. 2405223 РФ. Электроизоляционная жидкая композиция на основе растительного масла / Л.П.Менахин, Ю.В.Торшин, ВЛ.Шарковский. Приоритет от 01.09.2009.

8. Торшин Ю.В. Физические процессы формирования электрического пробоя конденсированных диэлектриков (для внутренней изоляции аппаратов высокого, сверх — и ультравысокого напряжения) М.: Энергоатомиздат. 2008.