Содержание к диссертации
Введение
1.1. Силовые трансформаторы, как один из важнейших элементов энергосистем, и основные причины их отказов 16
1.2 Свойства и старение компонентов бумажно-пропитанной изоляции 21
1.2.1. Электроизоляционная бумага 24
1.2.2. Трансформаторные жидкие диэлектрики 30
1.2.3. Ресурс бумажно-пропитанной изоляции
1.3. Диагностика состояния БПИ силового трансформатора 40
1.4. Модификация целлюлозной основы электроизоляционной бумаги 49
1.4.1. Модификация целлюлозной основы ЭИБ бактериальной целлюлозой
1.4.2. Модификация целлюлозной основы ЭИБ хитозаном 54
1.5. Заключение по литературному обзору и постановка цели и задач исследования 60
Глава 2. Методика исследования 64
2.1. Объект исследования 64
2.2. Методика проведения ускоренного термостарения 64
2.3. Стандартные методы испытания электроизоляционных материалов 65
2.4. Нестандартизованные методы испытания диэлектрических материалов 69
2.4.1. Методика определения электрической прочности бумаги 69
2.4.2. Методика определения средней степени полимеризации (СП) макромолекул целлюлозы 71
2.4.3. Методика оценки нагревостойкости электроизоляционных целлюлозных материалов 73
2.4.4. Методика определения светопропускания жидких диэлектриков 77
2.4.5. Методы спектрального анализа жидких диэлектриков 78
2.4.6. Анализ состояния диэлектрических материалов с применением увеличительной техники 82
2.4.7. Методика количественной оценки содержания шлама в жидком диэлектрике 83
2.4.8. Спектрально-корреляционный метод 86
2.4.9. Оценка состава по волокну электроизоляционной бумаги 87
Глава 3. Экспериментальная часть 89
3.1. Исследование совместимости электроизоляционной бумаги с жидкими диэлектриками различной химической природы 89
3.1.1. Сравнительная оценка совместимости электроизоляционной бумаги с трансформаторными жидкими диэлектриками MIDEL и нефтяным маслом марки ГК 90
3.1.2. Дополнительное исследование совместимости ЭИБ с жидким диэлектриком MIDEL eN 95
3.1.3. Сравнительная оценка влияния жидкой среды на механическую прочность ЭИБ 99
3.1.4. Изучение целесообразности использования смеси нефтяного масла марки ГК и синтетической пожаробезопасной жидкости MIDEL 7131 100
3.1.5. Количественная оценка содержания шлама в жидких диэлектриках 103
3.1.5. Выводы по разделу 3.1 105
3.2. Исследование совместимости электроизоляционной бумаги с
отечественными нефтяными маслами в процессе ускоренного термостарения
в контакте с медным катализатором 107
3.2.1. Исследование нагревостойкости жидких сред 107
3.2.2. Определение удельного объемного сопротивления нефтяных масел ГК и Т-1500у тц в процессе термостарения 110
3.2.4. Совместимость ЭИБ с нефтяным трансформаторным маслом Т 1500у ТЦ 113
3.2.5. Выводы по разделу 3.2 114
4.1. Изучение влияние параметров целлюлозного волокна на
работоспособность ЭИБ 116 4.1.1. Исследование нагревостойкости электроизоляционной бумаги с
различной исходной степенью полимеризации (СП0) макромолекул
целлюлозы 116
4.1.2. Оценка неоднородности бумажного полотна спектрально корреляционным методом 125
4.1.3. Выводы по разделу 4.1 129
4.2. Исследование электроизоляционной бумаги, в состав которой входит бактериальная целлюлоза (БЦ) 130
4.2.1. Влияние БЦ на электрическую и механическую прочность целлюлозных диэлектриков 130
4.2.2. Оценка нагревостойкости электроизоляционной бумаги из растительной и бактериальной целлюлозы 134
4.2.3. Изучение сорбционной активности целлюлозных диэлектриков из растительной и бактериальной целлюлозы по отношению к нефтяному маслу в присутствии медного катализатора 139
4.2.4. Исследование электрофизических свойств опытного образца целлюлозного материала из 100 % БЦ, полученного с использованием перспективного метода дезинтегрирования сырья 145
Впервые было проведено предварительное исследование опытных образцов из нано-гель-пленки бактериальной целлюлозы, полученных путем отлива целлюлозной суспензии на стекло (рис. 4.36) - разработка ИВС РАН [121]. Отличительная особенность материала из 100 % БЦ
состоит в применении для дезинтегрирования НГП промышленного блендера - модель ТМ–767 (JTC Omni Blend 1). 145
4.2.5. Выводы по разделу 4.2 149
4.3. Модификация целлюлозной основы электроизоляционной бумаги хитин глюкановым комплексом (ХГК) 149
4.3.1. Оценка кратковременной электрической прочности и предела механической прочности на разрыв образцов ЭИБ в процессе термостарения 151
4.3.3. Оценка сорбционной активности ЭИБ, модифицированной ХГК 154
4.3.4. Состояние целлюлозной основы ЭИБ при термостарении в трансформаторных жидких диэлектриках 158
4.3.5. Выводы по разделу 4.3 161
4.4. Заключение по работе 162
Список обозначений нестандартных сокращений 164
Список использованной литературы 165
- Диагностика состояния БПИ силового трансформатора
- Нестандартизованные методы испытания диэлектрических материалов
- Сравнительная оценка совместимости электроизоляционной бумаги с трансформаторными жидкими диэлектриками MIDEL и нефтяным маслом марки ГК
- Модификация целлюлозной основы электроизоляционной бумаги хитин глюкановым комплексом (ХГК)
Введение к работе
Актуальность темы исследования В современном мире жизнедеятельность и развитие
цивилизованных стран обеспечиваются надежным функционированием энергосистем,
фундаментальными, неотъемлемыми и весьма дорогостоящими элементами которых являются силовые трансформаторы (СТ) и кабели. В связи с особенностями экономического положения нашей страны спрос на СТ в России диктуется не только постоянным ростом потребления электроэнергии, но и требованиями по замене устаревшего оборудования, большая часть которого, согласно статистическим данным, исчерпала свой ресурс. Потребность в резервных единицах трансформаторной техники (для обеспечения бесперебойного снабжения электроэнергией потребителей различной степени ответственности) усугубляет дефицит указанных высоковольтных объектов. Поэтому на практике допустимое время эксплуатации трансформаторов определяется не столько Нормативными документами, сколько их фактическим состоянием, которое зависит от комплекса факторов, включая вероятное возникновение режимов короткого замыкания (КЗ).
Специалистами указывается, что среди наиболее значимых причин отказов СТ лидирует
старение бумажно-пропитанной изоляции (БПИ), которая до настоящего времени в данной области
силовой техники остается базовой (и по-прежнему находит широкое применение в кабельной
промышленности) несмотря на ряд существенных недостатков. Хорошо известно, что жидкий
диэлектрик (в отечественных СТ чаще всего нефтяное трансформаторное масло - ТМ) наиболее
подвержен деструкции в процессе эксплуатации БПИ. В масле постепенно накапливаются продукты
разрушения компонентов изоляции, формируется (и осаждается на конструктивных элементах и
бумаге) шлам. Как следствие, растут электропроводность и диэлектрические потери, нарушается
теплоотвод, возрастает интенсивность термоокислительных процессов. Сорбционная очистка
пропитывающей жидкости электроизоляционной бумагой (ЭИБ), особенно модифицированной
активными адсорбентами, позволяет несколько замедлить развитие негативных явлений. Однако
вполне очевидно, что для снижения риска внезапных отказов необходим достоверный мониторинг
состояния компонентов изоляции и своевременная замена ТМ (при достижении предельно
допустимых значений его критериальных параметров). Таким образом, ресурс БПИ, а во многом и
трансформатора в целом, преимущественно определяется старением целлюлозной
электроизоляционной бумаги (ЭИБ), отличающейся низкой нагревостойкостью. Сохраняя практически неизменными свои диэлектрические характеристики (такие как: tg, Епр, v, s, ), ЭИБ постепенно теряет механическую прочность вследствие химических (в частности, снижение средней степени полимеризации - СП) и структурных превращений целлюлозной основы материала, что особо опасно в случае воздействия динамических нагрузок при возникновении КЗ (непредсказуемость которых делает прогноз ресурса БПИ и СТ трудновыполнимой задачей).
В указанных условиях особое значение приобретает проблема повышения работоспособности силовых трансформаторов, а также – усовершенствования методов их диагностики (с целью
предотвращения техногенных инцидентов). Решению перечисленных актуальных и практически значимых задач может способствовать: расширение представлений о предельном состоянии целлюлозных диэлектриков; оптимизация состава БПИ путем разработки электроизоляционных видов бумаги нового поколения (отличающихся высокими эксплуатационными характеристиками, повышенной нагревостойкостью и сорбционной активностью), а также – повышение эффективности мониторинга трансформаторного масла, чему и посвящена диссертационная работа.
Цель работы На основе сравнительных экспериментальных исследований (с использованием оптических методов диагностики) произвести оценку совместимости широко применяемых и перспективных жидких диэлектриков с новыми видами электроизоляционной бумаги, модифицированной структурообразующими биополимерами, расширить представления о факторах, влияющих на нагревостойкость электроизоляционной бумаги, и выработать рекомендации по увеличению срока службы компонентов высоковольтной бумажно-пропитанной изоляции.
В рамках указанной цели представляется необходимым решение следующих задач:
-
Путем экспериментальных исследований изучить целесообразность широкого использования в базовой бумажно-пропитанной изоляции силовых трансформаторов перспективных для отечественного трансформаторостроения жидких пожаробезопасных диэлектриков.
-
Провести сравнительные испытания и дать заключение об интенсивности шламообразования в отечественных трансформаторных нефтяных маслах в условиях контакта с электроизоляционной бумагой при каталитическом влиянии медных проводников.
-
На основе анализа действующих критериев нагревостойкости ЭИБ и сравнительных испытаний электрофизических характеристик традиционных и опытных видов целлюлозного диэлектрика исследовать влияние структурообразующих природных биополимеров (отличающихся сродством к целлюлозе) на работоспособность компонентов БПИ.
-
Расширить представления об оптических методах диагностики и эффективности их использования для текущего контроля состояния изоляции силовых трансформаторов.
-
Сформулировать рекомендации по повышению ресурса компонентов высоковольтной бумажно-пропитанной изоляции.
Научная новизна работы
1. В результате впервые проведенных исследований предложен способ и показана
целесообразность модификации целлюлозной основы электроизоляционной бумаги
структурообразующим хитин-глюкановым природным комплексом (ХГК), способствующей
повышению электрофизических и механических свойств ЭИБ, а также – нагревостойкости
компонентов бумажно-пропитанной изоляции (заявка № 2016149477, приоритет от 15.12.2016).
2. Путем сопоставления химических, механических и оптических характеристик
электроизоляционной бумаги впервые показана эффективность неразрушающего спектрально-
корреляционного метода оценки степени деградации целлюлозных диэлектриков.
3. Выявлено положительное влияние пропитывающей жидкости на основе натурального эфира
MIDEL eN на предел механической прочности электроизоляционной бумаги в процессе теплового
старения, что может быть связано с полимеризацией компонентов жидкости и влечет за собой
упрочнение целлюлозной основы.
4. На основе сравнительных исследований жидких диэлектриков MIDEL и нефтяных
трансформаторных масел показано, что применение в составе бумажно-пропитанной композиции
синтетической жидкости MIDEL 7131 на основе сложных эфиров приводит к снижению
интенсивности старения БПИ на 1,5-порядка.
-
Доказана и обоснована повышенная работоспособность ЭИБ с низкой СП целлюлозы.
-
Впервые выявлена повышенная нагревостойкость бумаги из 100 % бактериальной целлюлозы (БЦ) по сравнению с ЭИБ традиционного исполнения, а также – с композитом из промышленной электроизоляционной целлюлозы сосны и БЦ.
-
Впервые экспериментально продемонстрировано, что использование размола нано-гель-пленки бактериальной целлюлозы промышленным блендером для формирования основы ЭИБ из указанного биополимера приводит к росту электрической и механической прочности бумаги.
-
Разработано устройство (патент РФ на полезную модель №141304, G01N 21/25, опубл. в 27.05.2014 г. Устройство для оперативного контроля качества технического масла), позволяющее расширить пределы измерения оптических характеристик жидкостей в видимом диапазоне длин волн.
Теоретическая и практическая значимость
1. Разработан способ повышения работоспособности компонентов бумажно-пропитанной
изоляции путем модификации целлюлозной основы ЭИБ природным структурообразующим хитин-
глюкановым комплексом (ХГК) из многотоннажных промышленных отходов производства лимонной
кислоты, что имеет экологическую составляющую и позволяет более полно использовать природные
ресурсы.
2. Экспериментально показана эффективность нового способа дезинтеграции нано-гель-пленки
бактериальной целлюлозы (НГП БЦ), разработанного ИВС РАН, путем е размола блендером вместо
традиционного роспуска в ролле Валлея (который затруднен морфологическими особенностями
сырья), открывающего перспективы промышленного использования биополимера для производства
целлюлозных диэлектриков с улучшенными электрофизическими характеристиками.
3. Предложена программа, позволяющая дать количественную оценку степени
шламообразования в жидком диэлектрике действующего трансформатора на основе
видеоинформации, в частности, полученной в ходе непрерывного мониторинга при помощи
волоконно-оптического осветителя [патент РФ №122187].
4. Проведена оценка и дано заключение о совместимости отечественных трансформаторных
масел с ЭИБ и медными проводниками, которая использована при разработке новых жидких
диэлектриков.
-
Получены дополнительные сведения, расширяющие представления о перспективах использования пожаробезопасных жидких диэлектриков MIDEL в отечественном силовом трансформаторостроении и о возможности их совмещения с нефтяными маслами.
-
Показана и обоснована возможность эксплуатации ЭИБ с пониженной степенью полимеризации, что расширяет ресурс БПИ и, как следствие, СТ в целом (при условии мониторинга состояния изоляции), что подтверждается отдельными наблюдениями практиков.
-
Даны рекомендации по расширению контролируемых параметров при диагностике электроизоляционных масел оптическими методами, применение которых может способствовать повышению информативности и достоверности заключения о текущем состоянии БПИ.
8. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке
бакалавров и магистров по направлению «Электроэнергетика и электротехника» ИЭиТС «СПбПУ», а
также при проведении работ по совершенствованию свойств применяемых и разработке новых
диэлектриков.
Методология и методы диссертационного исследования
Исследования базируются на сравнительном анализе электрических, механических, химических и оптических характеристик компонентов бумажно-пропитанной изоляции в процессе ускоренного термостарения в контакте с каталитически активными медными проводниками; принятых и разработанных методиках обработки и количественной оценки экспериментальных результатов, а также визуальном их подтверждении с использованием сканирующей электронной микроскопии.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
- результаты испытаний перспективной электроизоляционной бумаги повышенной
работоспособности, изготовленной с применением разработанного способа получения ЭИБ с
улучшенными характеристиками путем модификации целлюлозной основы структурообразующим
биополимером из отходов производства лимонной кислоты;
- интерпретация результатов экспериментальных исследований новых видов диэлектрических
материалов, подтверждающих возможность получения и эффективность применения целлюлозных
диэлектриков на основе нано-гель-пленки бактериальной целлюлозы, отличающихся повышенными
электрофизическими свойствами и нагревостойкостью;
- сравнительные результаты испытания диэлектрических свойств и устойчивости к
шламообразованию при термостарении в присутствии медного катализатора, а также - совместимости
с целлюлозной бумагой жидких диэлектриков различной химической природы, включая
перспективные для отечественного силового трансформаторостроения;
- эмпирическое обоснование возможности использования ЭИБ с пониженной степенью
полимеризации макромолекул целлюлозы и экспериментальные результаты, подтверждающие
необходимость пересмотра принятых критериальных оценок предельного состояния целлюлозного
компонента высоковольтной бумажно-пропитанной изоляции;
- рекомендации по расширению информативности и достоверности диагностики БПИ силовых трансформаторов путем применения неразрушающих оптических методов контроля.
Реализация результатов работы Результаты диссертационной работы использованы в ООО «Техноцентр» (Ярославская область) и ООО «ЭлекТрейд-М» (г. Москва) для оценки совместимости электроизоляционной бумаги и технических масел, а также в учебном процессе кафедры «Техника высоких напряжений, электроизоляционная и кабельная техника» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. (Акты использования прилагаются к диссертации).
Достоверность полученных результатов подтверждается применением совокупности
дополняющих друг друга электрофизических, механических, химических и оптических методов
оценки состояния изучаемых компонентов БПИ (некоторые из которых разработаны или
использованы впервые), включая сканирующую электронную микроскопию; высокой степенью
воспроизводимости и корректной статистической обработкой повторно полученных
экспериментальных результатов; их корреляцией с фундаментальными представлениями, а также современными литературными сведениями отечественных и зарубежных источников по теме исследования.
Личный вклад автора определяется участием в постановке цели и задач диссертационной работы; разработкой, а также усовершенствованием ряда методик; проведением экспериментальных исследований; обработкой и анализом результатов, которые получены и обобщены лично автором, либо при его непосредственном участии.
Апробация работы Материалы работы обсуждались на 21-й Международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт-Петербург - 2014, 2015 гг.); Международной научно-практической конференции «IEEE North West Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference» (Санкт-Петербург – 2016, 2017 гг.); Международной научно-практической конференции «ELEKTRO 2016», (Словакия, 2016 г.); Международной научно-практической конференции «10th Electric Power Quality and Supply Reliability Conference», (Таллинн, 2016 г.); Международной научно-практической конференции «57th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering», (Рига, 2016 г.); Международной научной конференции «Федоровская сессия 2016», (Санкт-Петербург, 2016 г.); VII конференции молодых специалистов инженерно-технических подразделений ПАО «Силовые машины» (Санкт-Петербург, 2016 г.).
Публикации По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в их числе: 3 статьи в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК Минобрнауки РФ; 1 патент РФ на полезную модель; 7 публикаций в изданиях, индексируемых в международных реферативных базах данных SCOPUS и Web of Science, а также 1 учебно-методическое пособие для выполнения лабораторных работ.
Структура и объем диссертационной работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, библиографического списка (172 источника), а также приложения. Основная часть работы изложена на 182 страницах, содержит 144 рисунка и 16 таблиц.
Диагностика состояния БПИ силового трансформатора
Ц представляет собой природный кристалло-аморфный полимер, структура и морфологические особенности которого до настоящего времени недостаточно изучены. В работе [63] приводится подробный обзор отечественных и зарубежных публикаций по данному вопросу, а в [15] представлена гипотетическая схема формирования целлюлозного волокна (которая базируется на модели последовательного чередования кристаллических и аморфных фрагментов в структурных элементах Ц, начиная с пачек макромолекул) и бумажного листа. Указанная схема выполнена автором на основе ряда литературных источников (в частности, [64, 65]) и учитывает наличие в бумаге разветвленной системы пор, характер, размер и расположение которых существенно зависят от морфологических особенностей волокна, технологии подготовки электроизоляционной целлюлозы (ЭИЦ), а также – от способа изготовления бумаги [65-69]. Необходимо отметить, что хотя давно известны технологические приемы (в частности, использование плотно упакованных фибрилл при изготовлении конденсаторной бумаги [66, 69]), обеспечивающие минимально возможное количество сквозных воздушных включений в материале, в трансформаторной бумаге и картоне межволоконная пористость преимущественно сквозная и извилистая. Таким образом, ЭИБ (в непропитанном состоянии) можно рассматривать, как 2-х компонентную систему сложной архитектоники, основными элементами которой являются целлюлоза и воздух. Рис. 1.7. Схема формирования целлюлозного волокна и полотна бумаги [15]
Хорошо известно [66], что в целом характер требований к свойствам электроизоляционных видов бумаги (кабельной, конденсаторной, трансформаторной и т.п.) является общим, но конкретизируется в зависимости от назначения и области применения материала. Важнейшее значение с точки зрения обеспечения высоких электрофизических и механических характеристик данного диэлектрического материала имеет выбор сырья и его предварительная подготовка, включающая, так называемую, варку, в ходе которой оптимизируют химический состав целлюлозных волокон. В настоящее время в нашей стране при производстве ЭИБ по ГОСТ 24874-91 используется сульфатная небеленая целлюлоза сосны, которую получают путем обработки древесной щепы «белым щелоком» [65, 67], активной составляющей которого является смесь NaOH и Na2S (рис. 1.8 [67]).
Наличие пор во многом определяет диэлектрические свойства ЭИБ и, как отмечалось, требует пропитки электроизоляционными средами (в СТ – жидкими) с целью повышения электрической прочности, снижения вероятности развития частичных разрядов и, как следствие, замедления электрического старения целлюлозных волокон. Еще в работах В.Т. Ренне подробно рассмотрены и предложены выражения для расчета таких характеристик сухой и пропитанной ЭИБ, как tg, , Епр, с учетом расположения и параметров пор, которые впоследствии использовались многими специалистами. Классические закономерности важнейших диэлектрических характеристик электроизоляционной бумаги представлены на рис. 1.9 – 1.14 [16, 69], часть из которых (рис. 1.12 – 1.14) подтверждает значительное влияние пропитывающей жидкости на свойства ЭИБ. Необходимо особо отметить, что положительной особенностью электроизоляционной целлюлозной бумаги является неизменность в процессе старения таких е характеристик, как tg, , Епр, v, s. На рисунке 1.10 приведены температурные зависимости непропитанной ЭИБ до (кривая 1) и после (кривая 2) термостарения. В области положительных температур, где диэлектрические потери материала определяются явлением электропроводности, кривые практически совпадают. В области отрицательных температур после термостарения наблюдается даже некоторое снижение релаксационного максимума tg, которое связывают с окислением первичных гидроксильных групп Ц до альдегидных и карбоксильных [16].
Рис. 1.11. иллюстрирует отсутствие снижения Епр бумаги в ходе ускоренного термостарения при повышенных температурах, что можно объяснить развитием пробоя преимущественно по воздушным включениям [15.]. Стабильное значение характеристики отмечается и в процессе эксплуатации ЭИБ в составе БПИ СТ [27]. Рис. 1.12 подтверждает тот факт, что причина роста диэлектрических потерь пропитанной бумаги в процессе термостарения обусловлена химическими превращениями в электроизоляционной жидкости. Причем, чем выше пропитывающей среды, тем больше tg (рис. 1.13) и пропитанной бумаги (рис. 1.14). Рис. 1.13. Зависимости tg5 Рис. 1.14. Взаимосвязь диэлектрической конденсаторной бумаги от температуры проницаемости пропитанной бумаги (s) [69]: 1 - непропитанная; пропитка и жидкого диэлектрика (sM) [69] жидкостью: 2 -s = 2; 3 - = 5 Как показано в [12, 15, 16, 71], отличительной чертой целлюлозы является е природная сорбционная активность (то есть способность связывать и удерживать кислород, воду, продукты старения, ионы металлов, ионогенные примеси и т.п.), которая в некоторой степени способствует замедлению термоокислительных процессов в компонентах БПИ (частично стабилизируя изоляцию по параметру tg, но не избавляя от деструкции в принципе).
По мере эксплуатации БПИ наблюдается изменение химических, и, как следствие механических характеристик ЭИБ (рис. 1.15). В частности, происходит постепенное снижение средней степени полимеризации макромолекул целлюлозы (рис. 1.15 - а), тем более интенсивное, чем выше температура изоляции.
Причем развитию химических реакций (отвечающих за естественное старение) способствуют не только тепловые поля, возникающие в результате потерь в активной части и изоляции трансформатора, но и наличие влаги, газовых включений или иных примесей, ускоряющих указанные процессы. Кроме того, неизбежное присутствие механических напряжений инициирует механодеструкцию ЭИБ, приводящую к разрыву макромолекул Ц и появлению активных радикалов, что в свою очередь влечет возникновение микротрещин в структуре волокна. Целлюлозные волокна теряют гибкость, бумага становится хрупкой. Как следствие, механическая прочность ЭИБ со временем падает (рис. 1.15 - b) до критического уровня, критериальная характеристика которого (снижение исходного значения предела механической прочности в 2 раза [15] или в 5 раз [28]) до сих пор не обоснована и достаточно условна. Аналогичным образом обстоит дело и с критерием предела физического состояния бумаги по снижению СП до критического уровня (СПкр), за значение которого принимают: 200 ед. согласно [1] и ГОСТ 25436-82; 250 ед. [72] или 300 ед. в соответствии с МЭК [28]. То есть вопрос требует уточнения, тем более, что в публикациях последних лет [9, 28, 52, 61, 69, 73] приводятся факты, подтверждающие работоспособность некоторых СТ при достижении ЭИБ критического состоянии, что порой объясняется случайным стечением обстоятельств. На практике, хотя в ряде работ, как, например, в [28], отмечается, что снижение степени полимеризации макромолекулы целлюлозы непосредственно приводит к убыли механической прочности бумаги (вплоть до физического разрушения), четкая взаимосвязь значений СП макромолекул Ц в ЭИБ изоляции и времени эксплуатации СТ не прослеживается (рис. 1.16, построен на основе данных публикации [74]).
По нашему мнению, пролонгированное время эксплуатации некоторых СТ обусловлено рядом факторов, среди которых, в частности, характеристики КЗ, так как при перемещении проводников в результате возникающих динамических нагрузок физически изношенный диэлектрик может разрушиться (особенно в местах локального перегрева). При отсутствии указанных механических воздействий (или их низком уровне) ЭИБ может быть вполне работоспособна. Однако на сегодняшний день вопрос о том, как долго СТ может проработать с такой изоляцией, остается открытым и, несомненно, требует дополнительного изучения.
Нестандартизованные методы испытания диэлектрических материалов
Надежное функционирование СТ, как показано в предыдущих разделах, тесным образом связано с состоянием его изоляции. Электрофизические, химические и механические свойства последней меняются в процессе эксплуатации, что может быть использовано при выборе критериальных характеристик, отражающих работоспособность БПИ в процессе эксплуатации. Существующие диагностические меры оценки е текущего состояния направлены на упреждение отказов СТ, возникающих вследствие достижения компонентами изоляции предельного состояния. Данная проблема, к сожалению, остается актуальной, хотя пристально изучается десятилетиями. Так на последних Генеральных сессиях Международного Совета по Большим Электрическим Системам (СИГРЭ) [1, 98, 99] участниками освещалось большое количество работ в контексте последних достижений в диагностике и мониторинге, а также – в передовой практике управления ресурсом СТ. Авторы рассматривали возможность оценки остаточного ресурса БПИ при помощи применения «индексов» и «маркеров» состояния, использование которых основано на анализе изменения различных параметров (включая оптические) изоляционной системы. В последнее время все чаще поднимается вопрос о внедрении непрерывного мониторинга, как эффективного способа отслеживания эксплуатационного состояния изоляции, позволяющего производить оценку работоспособности СТ без ревизии активной части, т.е. без вывода из работы силового агрегата.
Слабым компонентом БПИ, несомненно, является электроизоляционная жидкость, процессы шламообразования и роста диэлектрических потерь в которой провоцируют увеличение температуры и дальнейшее разрушение компонентов изоляции. В то же время пропитывающую среду можно заменить или регенерировать, даже не выводя СТ из работы: разработаны установки для очистки масла на работающих трансформаторах [100]. Однако внедрение таких установок повсеместно пока не представляется возможным, в том числе – по экономическим причинам. На практике современные СТ снабжаются термосифонными и адсорбционными фильтрами, которые улавливают продукты старения изоляции в процессе службы СТ, тем самым в некоторой степени стабилизируя е показатели и замедляя старение.
Таким образом, жидкий диэлектрик является заменяемым компонентом БПИ, состояние которого необходимо контролировать для предотвращения достижения опасного состояния и последующего отказа трансформатора. На данный момент диагностические меры четко регламентируется. Согласно [101] периодические испытания предусмотрены 1 раз в 5 лет (при наличии термосифонного фильтра) и 1 раз в два года при его отсутствии. В случае отклонения контролируемых показателей от нормативных, предписан вывод трансформатора из работы с целью дальнейшей диагностики (для принятия обоснованного решения о замене масла или ремонте силового агрегата). Необходимо отметить, что предусмотренная частота проведения периодических испытаний не позволяет оперативно получать информацию о текущем состоянии БПИ: так, при уже свершившемся шламообразовании и оседании шлама на конструктивных элементах, а также изоляции СТ ряд анализируемых электрофизических характеристик масла может иметь значения (в частности, заниженный tg), ошибочно свидетельствующие о допустимости продолжения работы трансформатора [102, 103]. Необходимость более частого контроля (а лучше – непрерывного мониторинга) представляется очевидной. Однако первое сложно выполнимо из-за экономической составляющей проблемы и отсутствия резервного парка трансформаторов, а второе – по причине отсутствия эффективных разработок, доведенных до уровня практического внедрения.
На сегодняшний день традиционными методами испытаний при отключенном СТ являются измерения: сопротивления изоляции обмоток и вводов; тангенса угла диэлектрических потерь; сопротивления обмоток постоянному току и потерь холостого хода. Для трансформатора, находящегося под нагрузкой, осуществляются: измерение частичных разрядов в изоляции; акустическое исследование, в рамках которого определяется источник электрических разрядов; вибрационный и термографический анализы. Для жидкого диэлектрика традиционно предусмотрена оценка: электрической прочности; влагосодержания; кислотного числа; содержания механических примесей; прозрачности и т.п. Кроме того, применяются хроматография характерных для процесса старения газов и инфракрасная спектроскопия, позволяющая выявить продукты шламообразования и оценить содержание антиокислительных присадок [49]. По результатам перечисленных испытаний и на основе данных температурного мониторинга (если таковые имеются), а также – сведений о режимах работы СТ могут приниматься решения о диагностике твердого диэлектрика, которая заключается в измерении степени полимеризации бумаги и оценка ее влагосодержания. Однако эти испытания затруднены труднодоступностью областей ЭИБ, наиболее подверженных влиянию негативных воздействий (которые располагаются в местах наиболее нагретых точек трансформатора). Поэтому анализ степени полимеризации макромолекул целлюлозы зачастую проводят косвенно – по содержанию фурановых соединений, образующихся при реакции деполимеризации целлюлозы. Но достоверность такого подхода вызывает сомнения, особенно для СТ, снабженных термосифонными фильтрами, которые могут снижать концентрацию указанных соединений [103, 104]. Испытания механической прочности образцов электроизоляционной бумаги (которые также могут свидетельствовать о степени е деструкции) трудноосуществимы, так как нет возможности получить достаточное количество исследуемого материала.
Одним из основных методов контроля, основанном на известной зависимости срока службы изоляции от воздействующей напряжнности электрического поля, как указывалось, является измерение частичных разрядов - ЧР (рис. 1.27 [28]).
Сравнительная оценка совместимости электроизоляционной бумаги с трансформаторными жидкими диэлектриками MIDEL и нефтяным маслом марки ГК
Если проводится сравнительная оценка нагревостойкости нескольких целлюлозных диэлектриков, то возможно получение предварительной информации на основе испытаний при 2-х температурах. Причем в качестве критериальной характеристики, позволяющей количественно оценить устойчивость материалов к термовоздействию, используют значения К2. Ускоренное термостарения проводят таким образом, чтобы за 10 - 15 суток получить линейные участки зависимостей N = f () для выбранных температурных режимов. Экспериментально доказано, что, например, для кабельной ЭИБ оптимальными температурами старения являются 140С и 160С или 160С и 180С. Используя зависимости N = f (), находят искомые значения к\ и К2. Например, используя зависимость для температуры 160С, представленную на рис. 2.11, оцениваем: =(/А,)-ф0/(лг;-АГ,)] (2.14) K2=(N1-Poi)/r2 (2.15)
Значение рої определяют, как точку пересечение продолжения прямолинейного участка зависимости N = f () с осью ординат; ї выбирают таким образом, чтобы оно соответствовало экспоненциальному участку указанной зависимости, а 2 - линейному. Экспресс-метод оценки нагревостойкости целлюлозных диэлектриков Суть экспресс-метода сводится к получению экспериментальных зависимостей СП = f() при термостарении в течение 5-ти суток и, на их основе, расчетных кривых N = f() для 2-х повышенных температур (180 и 160)С или (160 и 140)С, путем отбора проб материала каждые 12 часов. Тогда для двух точек одной кривой (Ni и N2, рис. 1.12), соответствующих временам старения i и 2, можно записать систему уравнений:
Решение данного уравнения дает возможность простым способом определить значения к! и К2. Определив из экспериментальных зависимостей параметры p0i, Ni и N2 и решив уравнение 2.18, можно получить значение определяющей скорости старения К2 для каждой из сопоставляемых бумаг, дав предварительную (сравнительную) оценку их нагревостойкости. Выразив «у» через «х», имеем:
В перечень стандартных методов контроля состояния жидких диэлектриков входит определение прозрачности масел (ГОСТ 981 пункт 5.3). Однако этот показатель является чисто визуальным. Степень помутнения жидкости, действительно, указывает на интенсивность е старения (включая процесс шламообразования). Современные нестандартизованные оптические методы исследования жидких диэлектриков, основанные на явлении экстинкции, позволяют дать количественную оценку их состояния по параметру прозрачности. Свет, проходящий сквозь кювету с жидкостью, будет активнее рассеиваться на механических частицах (в случае их появления), следовательно, жидкость в большей степени поглотит электромагнитное излучение. Таким образом, поток света, выходящий из жидкой среды, уменьшится (рис. 2.13).
Использование фотометрической аппаратуры основано на измерении интенсивности электромагнитного излучения, прошедшего сквозь кварцевую кювету с исследуемой жидкостью, и его сопоставлении с интенсивностью светового потока, прошедшего сквозь кювету с эталонным образцом. В рамках данной работы для оценки светопропускания проб жидких диэлектриков использовался микроколориметр МКМФ-1, упрощенная схема которого приведена на рис. 2.14.
Прибор укомплектован светофильтрами, позволяющими определять коэффициент относительного светопропускания (Кос) на разных длинах волн (425, 458, 515, 540, 578, 610) нм. В качестве эталонного жидкого образца использовался либо глицерин, либо исходный (не подвергавшийся термостарению) диэлектрик, светопропускание которого принималось за 100
В последнее время все большее развитие получают методы спектральной оценки состояния технических масел. Суть их заключается в оценке спектров пропускания излучения видимого или инфракрасного диапазона длин волн или спектров флуоресценции при облучении коротковолновым светом либо ультрафиолетом. Общей закономерности, увязывающей оптические и электрофизические характеристики в процессе эксплуатации технической жидкости, нет. Однако зачастую изменение оптических свойств идет в параллель с ухудшением электрических характеристик в рамках общей тенденции старения жидкого диэлектрика. К преимуществам указанных методик можно отнести слабую зависимость спектральных характеристик от температуры, а также – возможность их использования при непрерывном мониторинге состояния жидкости с применением низковольтной измерительной аппаратуры. Определение спектров пропускания жидких диэлектриков проводилось в видимом диапазоне электромагнитного излучения при помощи лабораторной установки, представленной на рис. 2.15. Кварцевая кювета (2) с длиной оптического пути 20 мм наполнялась исследуемой жидкостью, через которую пропускался белый свет. Источником излучения служил диод (1) ARL-3214UWC.
Интенсивность излучения при необходимости могла быть уменьшена при помощи серого светофильтра с равномерным поглощением (3). Свет, пройдя сквозь кювету, попадал на вход спектрофотометра AvaSpec-2048, массив данных с которого поступал на ПК в виде распределения интенсивности излучения в диапазоне, ограниченном фотометрической чувствительностью прибора: (200 - 1100) нм. Пример вида спектров пропускания для электроизоляционных жидкостей (№1 – №4) приведен на рис. 2.16.
Коротковолновый диапазон длин волн спектров пропускания чувствителен к продуктам старения нефтяных жидкостей, а наличие в них механических загрязнения приводит к проседанию спектров пропускания по всем длинам волн. Для различных жидкостей целесообразно нормировать интенсивность прошедшего сквозь образец излучения на излучение эталонного образца, в качестве которого может быть выбран, в частности, глицерин (рис 2.17).
Крутизна линейного участка характеристики коротковолнового диапазона электромагнитного излучения отражает степень старения жидкого диэлектрика. Определение спектров флуоресценции жидких диэлектриков для видимого или ультрафиолетового диапазона представляется еще одной достаточно информативной методикой контроля состояния технических масел [156 – 158]. Оно основано на методе бокового освещения заполненной маслом кварцевой трубки. В рамках настоящих исследований был получен патент на полезную модель: «Устройство для оперативного контроля качества технического масла» [159], расширяющего возможности исследования жидкостей. Схема экспериментального устройства, применение которого позволяет увеличить диапазон измерений коэффициента затухания жидких диэлектриков, приведена на рисунке 2.18.
Модификация целлюлозной основы электроизоляционной бумаги хитин глюкановым комплексом (ХГК)
Согласно [65], оптимальной средней степенью полимеризации макромолекул электроизоляционной хвойной целлюлозы для диэлектриков различного назначения признана СП0 порядка 1200 ед. Однако в ГОСТ 5186-88 «Целлюлоза электроизоляционная сульфатная для конденсаторной, кабельной и трансформаторной бумаги. Технические условия.» исходная СП не оговаривается. Более того, в современных условиях многие материалы производятся в соответствии с ТУ, что влечет за собой существенный разброс их исходных характеристик. Так, в [74] приводятся сведения о колебаниях значения СП0 от 750 до 1970 ед.
Подобная вариабельность не может не сказаться на устойчивости целлюлозных волокон и, как следствие, ЭИБ к длительному термовоздействию, так как характеристики полимерной цепи влияют на е способность к формированию тех или иных надмолекулярных форм, различающихся интенсивностью реакции на внешние воздействия. Вызывают сомнения и, на наш взгляд – упрощенные, представления о взаимосвязи СП макромолекул Ц и механической прочности целлюлозного материала, в частности, изложенные в [165], а именно: Р = Р0 ехр [-l (1/СП – 1/СП0)] , (4.1) где: Р и Р0 – текущая и исходная механическая прочность бумаги, соответственно; l = 380 ед. – число звеньев в сегменте целлюлозной сетки [15, 165].
Вопрос, несомненно, требует уточнения, так как потеря прочности ЭИБ приводит к фрагментарному разрушению изоляции. С этой целью исследовалась промышленная кабельная бумага, изготовленная в соответствии с ГОСТ 645645-89, используемая в высоковольтной бумажно-пропитанной изоляции кабелей и трансформаторов. Для испытаний было отобрано 2 рулона материала, отличающиеся СП0, которая была определена вискозиметрическим методом (методика 2.4.2). Рис. 4.1 иллюстрирует различную скорость растворения навесок (по 20 мг) ЭИБ в 20 мл растворителя. 2 3
Средние значения (из 5 проб) СП составили: для ЭИБ из рулона №1 (в дальнейшем образец №1) – СП01 = 1208 ±32 ед.; для ЭИБ из рулона №2 (в дальнейшем образец №2) – СП02 = 618 ±18 ед. Для указанных образцов целлюлозного диэлектрика предварительно была определена кратковременная электрическая прочность (методика 2.4.1), как среднее из 50 измерений (рис. 4.2). Получено, что Епр ср ЭИБ №1 = (8,3±0,4) кВ/мм, а ЭИБ №2 = (8,9±0,3) кВ/мм, то есть значения данной характеристики образцов практически идентичны (в пределах разброса).
Как отмечено в Главе 1, при сопоставлении нагревостойкости вариантов ЭИБ в качестве критерия используют время, за которое исходная СП снизилась до критического значения, или время, за которое механическая прочность материала (Рразр) упала на 50 %, то есть СП кр и Р 50%, соответственно. (Необходимо отметить, что указанные критериальные значения до настоящего времени не обоснованы и частично опровергаются наблюдением практиков [28, 74, 81]). Перед проведением сравнительных исследований механической прочности и устойчивости образцов ЭИБ к длительному воздействию повышенной температуры, оценивалось возможное влияние скорости приложения силы (v) при растяжении полос бумаги до разрыва, а также – длины разрывного промежутка (рис. 4.3 - L) указанных фрагментов ЭИБ на получаемый результат. Испытания проводились при помощи испытательного стенда ESM301/ESM301L («МАРК-10») и разрывной машины Шоппера («Шоппер»). Скорость v варьировалась в пределах (1-300) мм/мин (рис. 4.4), а L – (0 – 120) мм (рис. 4.5). Каждая точка на рисунках – среднее значение 5-ти испытаний. В результате было выявлено отсутствие влияния параметров испытания (v и L), а также типа «разрывной машины» на Рразр, что косвенно подтверждено визуальной идентичностью состояния целлюлозных волокон в месте разрыва фрагментов ЭИБ на микрофотографиях (пример которых представлен на рис. 4.6).
Значения Рразр ср образцов ЭИБ при Рис. 4.5. Значения Рразр ср ЭИБ при раз различных значениях скорости (v) личных значениях длины промежутка приложения растягивающей нагрузки L: 1-«Шоппер» ; 2-«Mark-10» В дальнейшем (при определении нагревостойкости целлюлозных диэлектриков на основе сопоставления значений Р 50%) испытания проводились с помощью разрывной машины Шоппера при v = 7 мм/мин; L = 10 мм.
В исходном состоянии средние (из 10-ти значений на точку) показатели Рр образцов ЭИБ составили: №1 – 152 Н; №2 – 258 Н. Таким образом, ЭИБ, отличающаяся пониженной (практически в 2 раза) СП02 макромолекул целлюлозы, показала более высокую (в среднем в 1,7 раза) механическую прочность по сравнению с ЭИБ №1, СП01 которой считается оптимальной.
Далее был проведено ускоренное термостарение (при температуре 140С и свободном доступе воздуха) исследуемых образцов ЭИБ (№1 и №2), а также, для получения более полной информации о влиянии исходной степени полимеризации на нагревостойкость целлюлозных диэлектриков, промышленного образца из целлюлозы бамбука - №3 (полученного из Юго-Восточной Азии) с СП0 = 254 ед. В процессе старения отбирались пробы образцов бумаги №1 и №2 (по 10 полос на точку), испытывалась их механическая прочность и одновременно вискозиметрическим методом определялась СП (по 3 пробы на точку). Для образца №3 испытания были ограничены измерением СП вследствие недостаточного количества опытного материала: Рразр оценивалось только в исходном состоянии и после 250 ч термостарения. Полученные зависимости СП = f() приведены на рис. 4.7. Эксперимент показал, что разрушение целлюлозы в ЭИБ тем интенсивнее, чем выше исходная степень полимеризации: за время испытаний (300 часов) значение средней СП образца №3 (с минимальной СП0) практически не изменилось; снижение значения характеристики образца №2 составило 14 %, а для образца №1 оказалось максимальным: 82 % (а СП достигла критического значения в 200 ед.).
Случаи повышенного срока эксплуатации ЭИБ с низкой СП отмечаются в публикации [74], авторы которой связывают эффект с технологическим фактором (во многом случайным) получения электроизоляционной целлюлозы.
Зависимости средней степени полимеризации от времени термостарения (при температуре 140С) для ЭИБ с различной СП0 макромолекул целлюлозы: 1 – 1208 ед. (образец №1); 2 - 618 ед. (образец №2); 3 – 254 ед. (образец №3) Однако можно предположить, что в основе явления лежит пониженная реакционная способность целлюлозы с низкой СП [166]. В этом случае, на наш взгляд, эффект закономерен. Результаты оценки нагревостойкости образцов ЭИБ №1 и №2 по критериальному параметру Р 50% представлена на рис. 4.8 в виде зависимостей коэффициента снижения механической прочности на разрыв (k, отн. ед.) от времени термостарения: