CC BY
191
УДК 62-732 Б01 10.18635/2071-2219-2016-3-37-41
Очистка трансформаторного масла адсорбентами
V ^ V
в сочетании с керамической мембраной
Т. П. Салихов,
Институт материаловедения АН РУз, Узбекистан, заведующий лабораторией, доктор технических наук, профессор
В. В. Кан,
Институт материаловедения АН РУз, Узбекистан, старший научный сотрудник, кандидат технических наук
Д. Т. Юсупов,
Институт энергетики и автоматики АН РУз, Узбекистан, младший научный сотрудник
Загрязнение и увлажнение трансформаторного масла резко ухудшают его свойства и снижают надежность работы силового трансформатора. Авторами статьи разработаны керамические мембраны со средней пористостью 3 мкм для очистки отработанного трансформаторного масла с применением адсорбентов - силикагеля, бентонита и цеолита. Комплексная очистка масла на базе керамических мембран позволяет полностью восстановить его электрофизические характеристики.
Ключевые слова: силовой трансформатор, трансформаторное масло, регенерация, керамическая мембрана, адсорбент.
Силовые трансформаторы являются одними из самых важных элементов энергосистемы, установленная мощность которых в мире оценивается величиной порядка 3030 млн кВА [1]. От надежной и безаварийной работы силовых трансформаторов зависит функционирование подстанций, а внезапные отказы приводят к значительным финансовым потерям. Большую часть используемых трансформаторов составляют маслона-полненные.
Среди основных причин повреждений силовых масляных трансформаторов - неисправность их изоляционной системы [2, 3], вызванная увлажнением и загрязнением масла, а также бумажной изоляции [4]. Необходимо проведение своевременной регенерации и очистки масла для обеспечения эффективности и надежности работы трансформаторов. Мы поставили целью исследовать процесс адсорбционной очистки трансформаторного масла адсорбентами с использованием специально разработанных керамических мембранных систем.
Регенерация является не только возможностью восстановить электрофизические свойства отработанного трансформаторного масла, но и наиболее эффективным способом организации его повторного использования, поэтому широкое развитие и внедрение эффективных технологий регенерации - важный элемент программы ресурсосбережения. Для регенерации трансформаторных масел применяются различные методы. Адсорбционный метод [5, 6] - один из наиболее распространенных и перспективных. В качестве адсорбентов для регенерации могут применяться силика-гель, окись алюминия, бокситы, бентониты, цеолиты и отбеливающие глины различных месторождений.
При длительной эксплуатации силового трансформатора в его жидкой изоляции появляются различные механические примеси, вода и химические вещества. Именно механические примеси размером менее 5 мкм наиболее опасны для функционирования трансформатора, так как они составляют примерно 95 % от общего числа загрязнителей в масле и в основном являются продуктами окисления масла [7]. Появление эмульгированной воды в составе масла снижает его электрическую прочность [8]. Химические вещества (газы, кислоты, углеводороды и т. д.) также представляют опасность для работоспособности силового электрооборудования и в значительной степени влияют на тангенс угла диэлектрических потерь трансформаторного масла [9].
Для непрерывного удаления из масла механических примесей различной природы нами разработаны многослойные керамические мембраны со средней пористостью 3 мкм [10]. Селективный слой мембран формируется послойным нанесением керамической суспензии (рис. 1, 2).
Фильтрующий селективный слой
Рис. 1. Конструкция разработанного дискового элемента в разрезе
Рис. 2. Разработанная керамическая мембрана
рование фильтропатронов вне аппарата и с помощью подбора соответствующего количества керамических элементов получать фильтрующие аппараты требуемой производительности. Фильтропатрон представляет собой металлическую перфорированную трубу с резьбовой нарезкой на концах, на которую производится набор мембранных элементов. Мембранные элементы разделены между собой резиновыми прокладками и обжимаются с двух сторон при помощи металлических шайб, уплотнитель-ных колец, прокладок и гаек. Корпус фильтрующей установки изготовлен из нержавеющей стали.
Для проведения эксперимента использовано отработанное трансформаторное масло, которое было взято из силового трансформатора, находящегося в эксплуатации с 1975 г. В табл. 1 приведены электрофизические параметры масла.
Для реализации адсорбционного метода регенерации трансформаторного масла была также разработана фильтрующая установка на основе керамических мембран (рис. 3). В качестве базовой схемы выбрана патронная конструкция фильтроаппарата, которая позволяет производить подготовку и форми-
к
На рис. 4 показана схема установки для регенерации трансформаторного масла различными адсорбентами и керамической мембраной. Нагретое до 70 0С отработанное масло подается в бокс с адсорбентами (силикагель, бентонит, цеолит), в котором масло подвергается перколяционному воздействию и поступает в блок керамической мембраны. При необходимости производится удаление газов вакуу-мированием, и масло направляется на второй цикл очистки в бокс с адсорбентами. Многократная циркуляция масла позволяет добиться необходимого уровня очистки.
Керамическая фильтрующая установка
Масло
Адсорбент
Масло
Насос
0-Ц|0 Нагреватель
Рис. 3. Фильтрующая установка
Рис. 4. Схема установки для очистки трансформаторного масла
Таблица 1
Электрофизические свойства отработанного масла
Электрофизические свойства масла Показатели отработанного масла Норма заводского масла
Электрическая прочность 25,3 кВ 60 кВ
Содержание воды Присутствует Отсутствует
Механические примеси Присутствует Отсутствует
Содержание взвешенного угля Присутствует Отсутствует
Цвет Коричневый Желтый
Содержание органических кислот (в мг КОН на 1 г масла) 0,030 0,020
Температура вспышки 147 ОС 135 ос
Тангенс угла 8 при 20 ОС 2,14 % 1,7 %
Тангенс угла 8 при 70 ос 5,23 % 1,7 %
Тангенс угла 8 при 90 ос 12,5 % 1,7 %
Рассмотрим произведенные варианты способов очистки.
1. Силикагель в сочетании с керамической мембраной
Отработанное масло при температуре 70 0С было пропущено через силикагель для удаления химических примесей. После адсорбента масло фильтровалось через керамические мембраны.
В табл. 2 представлены электрофизические параметры полученного очищенного трансформаторного масла. Очищенное масло соответствует требованиям ГОСТ 6370-83 [11].
На рис. 5 приведен керамический фильтр после испытания. Осевшие вещества черного цвета на поверхности керамических мембран свидетельствуют об эффективности фильтра.
Таблица 2
Электрофизические свойства очищенного масла
Электрофизические свойства масла Способ очистки масли
Силикагель + керамическая мембрана Силикагель + бентонит + керамическая мембрана Силикагель + цеолит + керамическая мембрана
Электрическая прочность 51 кВ (норма 60 кВ) 60 кВ (норма 60 кВ) 60 кВ (норма 60 кВ)
Содержание воды Присутствует Отсутствует Отсутствует
Механические примеси Отсутствует Отсутствует Отсутствует
Содержание взвешенного угля Отсутствует Отсутствует Отсутствует
Цвет Желтый Желтый Желтый
Содержание органических кислот (в мг КОН на 1 г масла) 0,019 (норма до 0,020) 0,018 (норма до 0,020) 0,018 (норма до 0,020)
Температура вспышки 151 ос (норма до 135 ос) 153 ос (норма до 135 ос) 151 ос (норма до 135 ос)
Тангенс угла 8 при 20 ос 0,05 % 0,06 % 0,05 %
Тангенс угла 8 при 70 ос 0,14 % 0,14 % 0,14 %
Тангенс угла 8 при 90 ос 0,30 % (норма до 1,7 %) 0,20 % (норма до 1,7 %) 0,20 % (норма до 1,7 %)
Анализ масла показал его высокие диэлектрические свойства, однако наличие остаточной эмульгированной воды не позволило достичь требуемого уровня электрической прочности образцов. Наличие остаточной воды обнаружено посредством исследований на лазерном анализаторе распределения частиц по размерам.
2. Силикагель и бентонит в сочетании с керамической мембраной
Эксперименты по обработке трансформаторного масла местными бентонитами были проведены в связи с необходимостью снижения содержания эмульгированной воды в масле. После бентонита масло очищалось керамическими мембранами и пропускалось через силикагель. Местные бентониты не отличаются высокой адсорбционной активностью, однако ожидалось, что проявится их способность поглощать влагу. Анализ масла показал высокие диэлектрические свойства.
3. Силикагель и цеолит в сочетании с керамической мембраной
Одна проба того же отработанного трансформаторного масла была подвергнута регенерации цеолитом в сочетании с силикагелем и керамическими мембранами. Ожидалось, что цеолит значительно активнее справится с остаточной водой. Анализ масла также показал высокие диэлектрические свойства.
Рис. 5. Керамический фильтр после испытания
В процессе исследований проводился мониторинг спектрального коэффициента пропускания трансформаторного масла для оценки его визуальной прозрачности в видимом диапазоне спектра. На рис. 6 показаны спектральные зависимости коэффициентов пропускания трансформаторного масла до и после адсорбционной очистки в сравнении для всех образцов. Видно, что регенерация привела к существенному осветлению трансформаторного масла.
Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод о важности и эффективности применения керамических фильтров. Простая очистка масла от механических примесей недостаточна для его регенерации, и необходима многостадийная адсорбционная очистка. Вместе с тем, фильтрация масла необходима на всех стадиях регенерации, поскольку происходит загрязнение частицами самого адсорбента. Комплексная очистка масла на базе керамических мембран позволила полностью восстановить его электрофизические характеристики.
Полученные на предлагаемой установке результаты позволяют рассмотреть вопрос о создании мобильной установки для регенерации трансформаторного масла непосредственно в трансформаторе и очистке целлюлозной изоляции циркулирующим регенерируемым маслом [12]. Это повысит энергетическую эффективность и надежность эксплуатации силовых трансформаторов.
Разработанные керамические мембраны имеют размер пор порядка 1-3 мкм. Возможность регенерации самих керамических мембран, обеспечивающая
Рис. 6. Спектральные коэффициенты пропускания трансформаторного масла до и после адсорбционной очистки
практически неограниченный срок их эксплуатации, является серьезным конкурентным преимуществом перед фильтр-прессами, бумажными и полимерными фильтрами.
Литература
1. Рогожников Ю. Ю. Исследование методов и разработка алгоритмов для поддержки жизненного цикла силовых трансформаторов / Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Иваново, 2003.
2. Львов М. Ю. Разработка и совершенствование методов и критериев оценки технического состояния силовых трансформаторов и автотрансформаторов напряжением 110 кВ и выше / Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук. - М., 2009.
3. Бондаренко В. Е., Аулова Н. В. Анализ традиционной системы оценки состояния трансформаторных масел в баках трансформаторов и автотрансформаторов напряжением 330 кВ [Электронный ресурс]. Код доступа: www.kpi.kharkov.ua.
4. Осотов В. Н. Практические аспекты оценки фактического срока службы силовых трансформаторов [Электронный ресурс]. Код доступа: www.sibdiag.ru/2015/presentation/1.2.pdf.
5. Коваль Е. А. и др. Адсорбционная очистка отработанного трансформаторного масла с использованием промышленных монтмориллонитсодержащих сорбентов / / Известия Томского политехнического университета. - 2007. - № 3. - С. 86-89.
6. Кипелов Б. Г., Мезенцев А. И. Контактная очистка отработанных трансформаторных масел отбеливающими землями Зикеевского месторождения / / Электро. - 2002. - № 5. - С. 31-33.
7. Курочкин А. С., Курочкин С. А., Львов Е. В., Осадчий В. Л. Метод сверхглубокой очистки трансформаторного масла [Электронный ресурс]. Код доступа: www.forca.ru/stati/podstancii/metod-sverhglubokoy-ochistki-transformatornogo-masla.html.
8. Masuzic I., Jeremic B. Modern approach to problems of transformer oil purification / / Tribology in industry. - Vol. 24. - Iss. 3, 4. - 2002. - Pp. 39-44.
9. Попов Г. В. Вопросы диагностики силовых трансформаторов. - Иваново: ИГЭУ, 2012.
10. Салихов Т. П., Кан В. В., Уразаева Э. М., Саватюгина Т. В. Технология получения керамических композиционных мембран из порошков разной дисперсности / / Композиционные материалы. - 2007. - № 1. -С. 54-59.
11. ГОСТ 6370-83. Нефть, нефтепродукты и присадки. Метод определения механических примесей. -Москва: Изд-во стандартов, 1983.
12. Кан В. В., Юсупов Д. Т. Очистка масляных трансформаторов с использованием мобильных установок на базе керамических мембран / / Проблемы информатики и энергетики. - 2014. - № 6. - С. 85-89.
Transformer oil purification by adsorbents and the ceramic membrane
T. P. Salikhov,
Uzbekistan Academy of Sciences, Institute of Materials Science, head of laboratory,
Doctor of Science, professor
V. V. Kan,
Uzbekistan Academy of Sciences, Institute of Materials Science,
senior researcher, PhD
D. T. Yusupov,
Uzbekistan Academy of Sciences, Institute of Power Engineering and Automation,
research fellow
Transformer oil purification and recovery is required for reliable and effective power transformers operation. Particles or moisture in transformer oil negatively affect its properties. The authors have designed an efficient multilayered ceramic membrane with 3 micrometers average pores diameter. The membrane in combination with different adsorbents regenerates used transformer oil and completely restores its electrical and physical properties, so it is possible to reuse oil as new.
Keywords: power transformer, transformer oil, regeneration, ceramic membrane, adsorbent.
