Електроизолационни (трансформаторни) масла

• Поради токсичността си полихлорираните бифенили са забранени за използване в трансформаторни масла
  
  
• Температурата в трансформатора е критичен параметър, от който зависи експлоатационният живот на уредбата
  
  
• Естествените естери имат точка на възпламеняване 360°C, която според данните е най-високата температура от всички алтернативни течности, използвани в трансформатори

Трансформаторът е важно звено в електроенергийната система в едно предприятие. От изправността му зависи непрекъснатостта на снабдяването към производствените линии и изпълнението на оперативния план. Непланирани прекъсвания и повреди на електроенергийните системи могат да имат пагубно икономическо въздействие върху производството.

Трансформаторното масло (известно още като изолационно масло) притежава отлични диелектрични свойства и голяма стабилност при високи температури. В трансформаторите маслото служи като изолация, предотвратява възникването на разряд и в същото време отвежда топлината от трансформатора (т.е. действа като охлаждаща течност). Маслото е изолираща среда, играеща много важна роля при гасенето на волтовата дъга в прекъсвачите, а също и във вериги под напрежение и други електрически съоръжения.

Изолационните масла се характеризират със специфични свойства, които допринасят за безопасната и безпроблемната работа на трансформаторите, т.е. те се считат за особено критичен елемент в електроенергийните системи. Например съпротивлението на маслото трябва да е достатъчно високо, за да гарантира, че между изолираните вериги няма да възникне електрически разряд.

Изолационните свойства на маслото се използват при силовите трансформатори, където магнитопроводът и намотките са потопени в масло с цел защита. Друго важно свойство на изолационното масло е предотвратяването на окисляване на целулозната изолация.
Трансформаторното масло играе ролята на ефективна бариера между кислорода в атмосферата и целулозата, като така се избягва директният контакт и се минимизира окисляването. Нивото на трансформаторното масло се измерва с помощта на магнитни сензори за ниво.

Грижа за трансформаторните масла

Трансформаторното масло трябва да отговаря на физико-химичните показатели за изолационни масла, посочени в БДС EN 60296 или еквивалентен стандарт, и да е съвместимо с одобрените за приложение трансформаторни масла. Електроизолационните масла се състоят от смеси на течни въглеводороди на ароматния (CnH2n-6), метановия (CnH2n-2) и нефтения (CnH2n) ред. Получават се чрез дестилацията на мазут при пречистване на първите маслени фракции. Тe не трябва да съдържат полихлорирани бифенили (PCB). Тези съединения са били широко използвани в миналото като изолатори в трансформатори, кондензатори и като охлаждащи течности, но поради токсичността и класифицирането им като устойчив органичен замърсител, производството и употребата им са забранени.

Уплътнителите трябва да бъдат съставени от маслоустойчиви материали, като не се допускат уплътнители, съдържащи азбест, полиамиди и др. Към херметичните трансформатори се монтира комбинирано газово реле с нивопоказател и двуконтактен термометър, което позволява взимане на газова проба, показва текущите стойности на температурата и нивото на маслото, подава сигнал при понижаване на нивото на маслото, при натрупване на прекомерно количество газ и при превишаване на допустимото работно налягане.

Трансформаторите са снабдени с кран за източване на маслото и взимане на маслена проба, който позволява регулиране на маслената струя. Също така е добре да бъде предвидена защита против неправомерно източване на маслото посредством пломба.
Концентрацията на вода над 2,5% е стойността, която класифицира трансформатора като мокър и означава, че той се нуждае от осушаване. При концентрации над 3,5 – 4% трансформаторът може да генерира балончета от пара и това да доведе до авария.

С помощта на вакуумдехидратираща машина маслото се нагрява и осушава, след което се връща в трансформатора. Този процес е бавен, но икономически оправдан поради ниските разходи по прилагането му и възможността за обработка на маслото при включен трансформатор.

Твърдите частици съставляват механичните примеси, които може да са внесени в процеса на производство на трансформатора или при доливане на недобре съхранено или необработено масло. Такива също така могат да преминат и през дихателя при зле поддържано маслено резервоарче, или да се генерират в процеса на стареене на изолацията.

Механичните примеси, когато са в твърде високи концентрации, се отлагат върху повърхността на намотките, влошават топлообмена и е възможно да доведат до развитие на частични разряди. Част от механичните примеси могат да се поляризират в електромагнитни полета, което води до влошаване на tgd, където d е ъгълът на диелектрични загуби и е основна характеристика на диелектриците. Диелектрик, поставен в електрическо поле, превръща част от енергията на полето в топлина, в резултат на което се загрява. Тази енергия се нарича диелектрична загуба.

При обработка на свежи трансформаторни масла или масла в експлоатация водното съдържание се понижава под 10 ppm и общото съдържание на газове под 3%. След обработка пробивното напрежение нараства, като за нови масла надхвърля 70 kV, а за масла в експлоатация – 60 kV.

При тази обработка не може да се очаква значимо подобрение в киселинното число, напрежението между фазите и tgd. Когато тези показатели са влошени, съгласно IEC 60422-13 маслото трябва да се смени или регенерира.

Прегряване на маслото

Температурата в трансформатора е критичен параметър, от който зависи експлоатационният живот на уредбата. Освен това температурата в трансформатора е важен показател при следенето на претоварване и оценка на въздействието на работата. При проектирането и изпитването е важно да се вземе предвид прегряването на трансформатора, за да могат да се определят характеристиките му.

Съгласно стандарта БДС EN 60076-2:2011 – Силови трансформатори. Част 2: Прегряване на трансформатори, потопени в течност едно от типовите изпитвания на трансформаторите за прегряване е при свързване на късо при установен режим. При него трансформаторът е подложен не на обявените напрежение и ток, а на изчислените общи загуби. По този начин се установява прегряването в горните слоеве, средното прегряване за маслото с разсейване на общите загуби, средното прегряване на намотките и др.

Обикновено загубите в проводниците и загубите от магнитопроводите са източниците на топлина в трансформатора, като методите на охлаждане са посочени в БДС EN 60076-2:2011 Силови трансформатори. Част 2: Прегряване на трансформатори, потопени в течност.

Според мощността на трансформатора охлаждането в масло се извършва с различни казани – с гладки стени, с вълнисти стени и такива с охладителни радиатори. Топлопренасянето се осъществява на принципа на конвекцията и благодарение на топлопроводимостта на маслото, което отвежда топлината от намотките и магниторповодите и я предава на казана.

Минерални масла и алтернативни решения

Качествата на трансформаторното масло, подобно на много други флуиди, деградират с течение на времето при нормална употреба на уредбата. Ето защо всяка програма за профилактика трябва да включва проверка на маслото за утайки или признаци на замърсяване и окисляване. Оптималният вариант зависи от спецификата на приложението. Макар все още най-широко в практиката да се прилагат минералните масла, на пазара се предлагат интересни алтернативни решения.

Минералните масла на нефтена основа се произвеждат от суров петрол с много ниски нива на естествени восъци или при пълно отсъствие на такива. Тези масла имат много ниска температурна граница на течливост, т.е. температурата, при която маслото е течливо. Тъй като минералните имат по-ниско съдържание на восък от някои други масла, те притежават и по-ниска температура на течливост, като така не се налага обогатяване с добавки, за да се понижи изкуствено. Други предимства са, че маслото има нисък вискозитет и по-дълъг експлоатационен живот. По отношение на продължителността на експлоатация обаче, задължително условие е техническият персонал да прави регулярни проверки на състоянието на маслото.

Утайките са постоянен проблем с някои трансформаторни масла. Минералните масла обаче имат утайка с умерена разтворимост. Тази характеристика означава, че не образуват отлагания върху намотките, което би се отразило негативно върху охлаждането на трансформатора. Освен това благодарение на това свойство се избягват проблеми с прегряване на трансформатора, които биха могли да съкратят живота на оборудването.

Парафиновите трансформаторни течности също се произвеждат от суров петрол, но съдържат повече восък в сравнение с минералните масла. Увеличеното количество восък също повишава температурата на течливост, което означава, че може да се наложи да се прибавят добавки. Парафиновите масла имат по-ниска плътност в сравнение с минералните при ниски температури, а също така и по-висока антиокислителна стабилност – характеристика, отразяваща неговата устойчивост на окисляване. Това свойство спомага за удължаване на експлоатационния живот при продължителна употреба.

Поради тяхната свободна наличност и ниска цена, минералните масла дълго време са били най-широко използваното средство за електроизолация и охлаждане в силови трансформатори. Един недостатък, свързан с някои от най-широко използваните трансформаторни масла, е, че те вредят на околната среда. Налага се строг контрол и мерки за регулиране на използването и изхвърлянето на маслата, произведени от петрол. Ниската им степен на пожаробезопасност и ограничените възможности за биоразграждане стимулират търсене на по-добри алтернативи за изолация на електрическото оборудване. Забелязва се нарастваща тенденция за използване на масла на естерна основа, които са биоразградими.

Редица изследвания съпоставят и проучват характеристиките на минералните масла с масла на растителна основа и различни комбинации от масла. За да се определи основното пробивно напрежение и интензитетът на електрическото поле, изолационните масла се смесват в точни количества.

Любопитни резултати, получени при едно от новите проведени изследвания, например сочат, че смес от минерално масло и растителни масла в равни части може да представлява добра алтернатива за изолация на електрически устройства и особено на силови трансформатори в райони с нестуден климат, тъй като естествените естери са екологични и слабо запалими вещества с подходящи физико-химични свойства. Изпитването включва нови и съхранявани по-дълго проби от масло и се отнася до показатели като електрическо съпротивление, коефициент на диелектрично разсейване tgd, електропроводимост, вискозитет, пробивното напрежение, увеличаване на водното съдържание и гъвкавостта на маслото в среда на електрическо поле. Изследванията също така показват, че естествените естери като зехтин, слънчогледово масло в сравнение с минерално масло имат по-високи температури на възпламеняване. Като цяло резултатите доказват приложимостта на естествените естери като алтернативен диелектрик в силови трансформатори.

Друго предимство на естерите е, че те играят съществена роля за пожаробезопасността, тъй като естерите могат да работят при температури по-високи с 30°C над работните температури на маслата на минерална основа.

Естествените естери също така имат точка на възпламеняване 360°C, която според данните е най-високата температура от всички алтернативни течности, използвани в трансформатори. Следователно, изборът на масло, базирано на естери, може да бъде интелигентно решение за предотвратяване на пожари, които се разпространяват бързо в промишлени среди. Някои анализатори смятат, че комбинацията от затоплящ се климат и нарастващата тенденция към претоварване на трансформаторите ще накара все повече потребители да се насочат към новите алтернативи като естерните масла.

Наскоро един от водещите производители представи нов биоразградим продукт на естерна основа без сяра. Той елиминира риска от корозия, която маслата, съдържащи сяра, могат да причинят. Новият диелектрик е находчив избор в проекти, в които екологичните изисквания са изключително строги. Температурата му на течливост е -51°С, което го прави отличен вариант за места със студен климат.

Компаниите също така разработват възобновяеми продукти на естерна основа. Тези опции са особено привлекателни, защото подкрепят усилията на организациите за устойчивост на енергийните системи с грижа за околната среда. Ако трябва да се обобщи посоката на развитие, може да се каже, че подобряването на характеристиките за устойчивост се случва, без да се пожертват производителността и експлоатационните характеристики на трансформаторните масла.