Согласно ГОСТ Р 52719 - 2007 [1] масляные трансформаторы
с массой масла свыше 1000 кг должны быть снабжены фильтрами: термосифонными -
при видах охлаждения М и Д, адсорбционными - при остальных видах систем
охлаждения и фильтрами очистки масла от механических примесей - при видах
систем охлаждения ДЦ, НДЦ, Ц, НЦ. Система фильтров служит для непрерывной
очистки масла от кислых и окисленных продуктов старения масла и бумажной
изоляции, коллоидных соединений металлов - продуктов коррозии конструкционных
материалов, воды и других соединений в процессе эксплуатации.
Силовые трансформаторы зарубежного производства
в своей массе не оборудованы системой непрерывно действующих фильтров. Для масел таких трансформаторов
применяются технологии периодической очистки масла сорбентами полярных
соединений [2, 3]. Известно, что в процессе периодической сорбционной очистки
масла длительно эксплуатируемых зарубежных трансформаторов значение кислотного
числа может снижаться до 0,009 мг КОН/г. Однако при дальнейшей эксплуатации
трансформаторов данный показатель возрастает в 2-3 раза [2]. Этот эффект связан
с десорбцией кислых и окисленных продуктов старения масла и бумажной изоляции
из обмотки за счет потока диффузии, возникающего вследствие большой разности
концентраций продуктов старения в бумажно-масляной изоляции и в очищенном
эксплуатационном масле. При этом основная масса полярных продуктов старения
при отсутствии системы постоянно действующих фильтров сорбируется в обмотке и
не извлекается из нее при периодической очистке масла [4], что способствует
процессам деградации бумажной изоляции и шламообразования.
В последние годы за рубежом, согласно материалам
СИГРЭ-2008, известны также случаи технологических нарушений с взрывами и
пожарами трансформаторного оборудования из-за витковых замыканий в обмотках,
происходящих вследствие загрязнений при эксплуатации трансформаторных масел и
бумажной витковой изоляции обмоток солями металлов конструкционных
материалов. Анализ данных СИГРЭ-2008 [5-7] показал, что эти загрязнения провоцируют
образование токопроводящих мостиков в изоляции и ее эрозию вследствие развития
частичных разрядов. В конечном итоге это приводит к пробою. При этом известно,
что примерно 30% случаев технологических нарушений с внутренними короткими
замыканиями сопровождаются взрывами и пожарами трансформаторного оборудования
[8].
Особо отметим то, что по указанным выше причинам
имеющиеся в большом количестве на рынке зарубежные минеральные масла марок NITRO-IOGBA,
NITRO-IOGBN и другие, согласно
данным СИГРЭ, могут быть опасны в эксплуатации трансформаторного оборудования
вследствие высокого содержания серы, обусловливающего коррозию конструкционных
материалов трансформаторного оборудования. Это в итоге приводит к отложению
металлосодержащих продуктов коррозии в изоляции обмоток, сопровождающемуся
витковыми замыканиями, приводящими к взрывам и пожарам оборудования [5-7].
Данная работа посвящена физико-химическим
аспектам эффективности применения фильтров непрерывной очистки
трансформаторных масел.
Из представленных результатов следует, что содержание
загрязнений и влаги на силикагелях фильтров непрерывной очистки масел,
находящихся в предельном состоянии, может достигать 69,9% и составляет в
среднем 58,7 % собственной массы силикагеля. Это указывает на то, что при
увеличении массы масла в трансформаторе от 2 до 50 т на силикагелях фильтров
непрерывной очистки масла по достижении ими предельного состояния может быть
адсорбировано от 12 до 230 и более килограммов преимущественно полярных
соединений - продуктов старения масла. При этом, полная, судя по внешнему виду
загрязненных и регенерированных силикагелей, очистка их от загрязнений
спиртобензольной смесью и визуальное отсутствие в сливах растворителя
взвешенных частиц свидетельствуют о том, что в адсорбированных на силикагелях
продуктах старения масла присутствуют соединения асфальтеновой природы, но
отсутствуют продукты глубокой конденсации оксикислот и кетонокислот [11].
Следует отметить, что показатели концентраций
наиболее опасных в эксплуатации соединений металлов конструкционных материалов
в изоляционных материалах трансформаторного оборудования российского
производства и на силикагелях его фильтров непрерывной очистки масла при
своевременной замене силикагелей в соответствии с[10] относительно невелики и,
как правило, не достигают опасных уровней порядка единиц массовых процентов
[13]. Возможно, это связано с тем, что в России в соответствии с ГОСТ 982-80
[14] для получения трансформаторных масел используются, главным образом,
малосернистые нефти либо с достаточно полным извлечением серы в
специализированных цехах нефтеперерабатывающих предприятий при выработке
нефтепродуктов, в том числе трансформаторных масел. Это, наиболее вероятно,
приводит к весьма существенному относительно оборудования зарубежного
производства [5-7] снижению интенсивности коррозионных процессов в
конструкционных материалах трансформаторного оборудования, эксплуатируемого в
России.
Авторами была изучена органическая составляющая
загрязнений образцов силикагелей фильтров непрерывной очистки масел
трансформаторного оборудования и образцов бумажной изоляции, наиболее
интересных в практическом отношении.
Существенных отличий ИК-спектра слива загрязнений,
адсорбированных на силикагелях, при отмывке их этиловым спиртом по отношению к
ИК-спектру собственно спирта обнаружено не было. Возможно, это указывает на то,
что по отношению к другим группам загрязнений масла, присутствующих на
силикагелях, оксикислоты, лактоны и кетонокислоты адсорбируются на них в
весьма небольших количествах.
Изоляция после отмывки системой органических
растворителей по [16], а также спиртобензольной смесью [11] и затем горячей
водой при 90 °С имела нехарактерный серый цвет, что указывало на невозможность
полного растворения ее загрязнений в органических растворителях. При этом
после полного растворения «отмытого» образца изоляции в сильнощелочном водном
растворе кадмийэтилендиаминового комплекса был обнаружен нерастворимый осадок
загрязнений черного цвета. Согласно [11], все это указывает на то, что в
отличие от загрязнений, адсорбированных на силикагелях фильтров непрерывной
очистки масла, органические загрязнения, абсорбированные в бумажной изоляции
трансформаторного оборудования, наряду с низкомолекулярными кислыми и
окисленными продуктами старения масла и веществами асфальтеновой природы,
могут иметь в своем составе неизвлекаемые продукты глубокой конденсации
оксикислот и кетонокислот. Отметим, однако, то, что значение степени
полимеризации этого образца изоляции составило 840 единиц ангидроглюкопиранозных
мономерных фрагментов целлюлозы, то есть, собственно износ изоляции
относительно невелик и согласно [10] она далека от исчерпания ресурса.
Следует особо отметить, что в случаях
загрязнения изоляции, подобных описанному выше, и при высокой ее степени
полимеризации возможны технологические нарушения с взрывами и пожарами
трансформаторного оборудования.
Это подтверждается
следующими примерами.
-
АТДТЦН-250000/500/110-79,
зав. № 108268, срок эксплуатации 25 лет, поврежден при степени полимеризации
твердой целлюлозной изоляции 700 единиц ангидроглюкопиранозных мономерных
фрагментов целлюлозы. По заключению комиссии, созданной согласно РД
153-34.0-20.801-2000 [17], повреждение произошло из-за ослабления импульсной
прочности изоляции вследствие отложения продуктов старения материалов
трансформатора на обмотке;
-
АТДТЦН-125000/220/110,
зав. № 90415, срок эксплуатации 25 лет, поврежден при степени полимеризации
твердой целлюлозной изоляции 600 единиц ангидроглюкопиранозных мономерных
фрагментов целлюлозы. По заключению комиссии, созданной согласно РД
153-34.0-20.801-2000 [17], характер аварийной ситуации - дуговой разряд в обмотке.
Таким образом, совокупность приведенных выше
результатов указывает на весьма высокую эффективность применения фильтров
непрерывной очистки масел в эксплуатации трансформаторного оборудования для
снижения риска технологических нарушений с его взрывами и пожарами. При этом,
для наиболее полного удаления как органической, так и минеральной части
загрязнений из изоляционных материалов трансформаторного оборудования в
процессе его эксплуатации, по-видимому, требуется физико-химическая модификация
поверхности силикагелей фильтров непрерывной очистки масел.
Выводы
1.
Установлено,
что содержание загрязнений и влаги на силикагелях фильтров непрерывной очистки
масел, находящихся в предельном состоянии, может достигать 69,9 % и составляет
в среднем 58,7 % собственной массы силикагеля. Это указывает на то, что при
увеличении массы масла в трансформаторе от 2 до 50 т на силикагелях фильтров
непрерывной очистки масла по достижении ими предельного состояния может быть
адсорбировано от 12 до 230 кг и более преимущественно полярных соединений -
продуктов старения масла.
2. Показано, что для
наиболее опасной минеральной части загрязнений - соединений металлов конструкционных
материалов (меди и железа) порядок их массового содержания в материалах
трансформаторного оборудования, в общем случае, убывает в ряду: бумажная
изоляция > силикагель фильтров непрерывной очистки масла >
трансформаторное масло.
3. Полная, судя по внешнему
виду загрязненных и регенерированных силикагелей, очистка их от органических
загрязнений спиртобензольной смесью и визуальне отсутствие в смывах взвешенных
частиц свидетельствуют, что в адсорбированных на силикагелях продуктах
старения масла присутствуют соединения асфальтеновой природы, но отсутствуют
продукты глубокой конденсации оксикислот и кетонокислот.
4. Не обнаружено
существенных отличий ИК-спектра смыва загрязнений, адсорбированных на
силикагелях, этиловым спиртом по отношению к ИК-спектру собственно спирта.
Изучены ИК-спектры смывов органических загрязнений силикагелей в гексане по
отношению к спектру чистого гексана и проведено отнесение их полос поглощения.
5. Показано, что в отличие
от загрязнений, адсорбированных на силикагелях фильтров непрерывной очистки
масла, загрязнения, абсорбированные в бумажной изоляции трансформаторного
оборудования, могут, наряду с низкомолекулярными кислыми и окисленными
продуктами старения масла, иметь в своем составе неизвлекаемые (нерастворимые в
органических растворителях и сильнощелочных средах) продукты глубокой
конденсации оксикислот и кетонокислот. При таком загрязнении изоляции и при
высокой ее степени полимеризации возможны технологические нарушения с взрывами
и пожарами оборудования.
6. Совокупность полученных
результатов указывает на высокую эффективность применения фильтров
непрерывной очистки масел в эксплуатации трансформаторного оборудования для
снижения риска технологических нарушений с его взрывами и пожарами. При этом
для наиболее полного удаления как органической, так и минеральной части
загрязнений из изоляционных материалов трансформаторного оборудования в
процессе его эксплуатации требуется физико-химическая модификация поверхности
силикагелей фильтров непрерывной очистки масел.
Список
литературы
1. ГОСТ Р 52719 - 2007.
Трансформаторы силовые. Общие технические условия. Введ. 2007-09-04. М.:
Изд-во «ФГУП Стандартинформ», 2007. 45 с.
2. О.Berg, K.Herdlevar,
М. Dahlund, K.Renstrom, A.Danielsen,
U.Thiess Experiences from on -
site transformer oil
reclaiming. Session SIGRE 2002,12 - 103.
3. Малый B.M.
Продление
срока службы трансформаторов. Опыт восстановления изоляционных систем «масло -
целлюлозная изоляция» силовых трансформаторов// «Электрическая изоляция -
2010»: Сб. научн. тр. 5-й Междунар. научн.-технич. конф. / Санкт-Петербургский
Политехнический ун-т, 2010. С. 192- 199.
4. Комаров В.Б., Ланкау
Я.В., Львов М.Ю., Львов Ю.Н., Лютько Е.О., Смоленская Н.Ю. Об эффективности
работы фильтров непрерывной очистки трансформаторных масел. Сб. мат. 3-й
Конференции ТРАВЭК-2008 «Консолидация усилий электроэнергетики и электротехники
в условиях роста инвестиций. Перспективные технологии и электрооборудование».
Москва, 28 - 29 Мая , 2008. С.114-115.
5. CIGRE -
2008, А2 - 215 - The
effect of passivator additive used in transformers
and reactors mineral oil to neutralise the sulfur
corrosion, and its influense on low thermal defect.
\\ A. Vita, P. R. T. Patrocinio, S. A. Godinho, E.G. Peres, J. Baudalf.
6.
CIGRE - 2008, A2 - 206 - Failure modes of oil immersed transformers due to static electrification
and copper sulfide generation, and suppresive effect
of BTA.\\ T. Kawamura, T. Kobayashi, T. Amimoto, H
Murakami, Y. Shirasaka, Y. Ebisawa.
7. CIGRE -
2008, A2 -
214 - Understanding and
management of sulfur corrosion from insulating oil. \\ F. Scatiggio,
C. Marchiori, P. Botelho.
8. Львов М.Ю. Анализ
повреждаемости силовых трансформаторов напряжением 110 кВ и выше //
Электричество. 2010. № 2. С. 27-31.
9. ГОСТ 3956-76. Силикагель
технический. Технические условия. Введ. 1977-01-01. Дата последнего изменения
18.05.2011. М.: Изд-во «ФГУП Стандартинформ». 11 с.
10. РД 34.45-51.300-97.
Объем и нормы испытаний электрооборудования. Под общ. ред. Алексеева Б.А.,
КоганаФ.Л., МамиконянцаЛ.Г. 6-е изд. с изм. и доп. на 01.03.2001. М.: НЦЭНАС,
2002. 256 с.
11. Липштейн Р.А., Шахнович
М.И. Трансформаторное масло. М.: Энергоатомиздат, 1983. 296 с.
12. Львов С.Ю., Комаров
В.Б., Бондарева В.Н., Селиверстов А.Ф., Лютько Е.О., Львов Ю.Н., Ершов Б.Г.
Загрязнение трансформаторного масла силовых трансформаторов и шунтирующих
реакторов металлосодержащими коллоидными частицами // Электрические станции.
2010. N912. С.35 – 41.
13. Львов С.Ю., Бондарева
В.Н., Лютько Е.О., Комаров В.Б., Львов Ю.Н. О развитии витковых замыканий при
загрязнении обмоток трансформаторов металлосодержащими коллоидными частицами //
Электрические станции. 2011. №7. С. 43 - 49.
14. ГОСТ 982-80. Масла
трансформаторные. Технические условия. Введ. 1982-01-01. М.: Изд-во «ФГУП
Стандартинформ», 2008. 6 с.
15. Наканиси К. Инфракрасные
спектры и строение органических соединений. М.: Мир, 1965. 216 с.
16.Львов М.Ю., Медведев
Ю.И., Львов Ю.Н., Ланкау Я.В., Комаров В.Б., Ершов Б.Г., Селиверстов А.Ф.,
Бондарева В.Н. Методические указания по оценке состояния бумажной изоляции
обмоток силовых трансформаторов и шунтирующих реакторов по степени
полимеризации. ISBN 5-9900148-4-3. М.: ЗАО
«Энергетические технологии», 2008. 20 с.
17. РД 153-34.0-20.801-2000.
Инструкция по расследованию и учету технологических нарушений в работе
энергосистем, электростанций, котельных, электрических и тепловых сетей. Введ.
2000-12-29. М.: Минэнерго России - РАО «ЕЭС России», 2000. 21 с.