CC BY
76
УДК: 621.3
ОСОБЕННОСТИ СТАРЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРНОГО МАСЛА В РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Г.И. РИЗВАНОВА*, Л.Г. ГАФИЯТУЛЛИН**, М.Ш. ГАРИФУЛЛИН*, В.К. КОЗЛОВ*,
А.Н. ТУРАНОВ*
Казанский государственный энергетический университет Казанский физико-технический институт КазНЦ РАН
Методом УФ-спектроскопии изучены особенности старения трансформаторного масла в реальных условиях эксплуатации.
Ключевые слова: трансформаторное масло, УФ-спектроскопия.
Введение
Деградация трансформаторного масла (ТМ) оказывает значительное влияние на сроки и условия эксплуатации маслонаполненного оборудования в электроэнергетических системах [1, 2]. Можно перечислить 3 общепризнанных, на сегодняшний день, механизма старения ТМ: 1) образование перекисей, окислов, продуктов глубокого окисления, формирование твердых частиц, которые, достигнув некоторых размеров, выпадают в осадок; 2) полимеризация; и 3) образование Х-воска. Недавно нами было доказано существование еще одного механизма старения ТМ [3, 4]: в ходе эксплуатации ТМ увеличивается доля ароматических групп; затем молекулы с такими группами, как и в большинстве жидких нефтепродуктов [5, 6], самоорганизуются в надмолекулярные структуры [7] за счет межмолекулярных взаимодействий тс-электронов ароматических колец, укрупняются, уплотняются и выпадают в осадок.
Однако увеличение молекулярной массы при старении ТМ очень незначительно, а образование Х-воска возможно лишь при участии в химических процессах соединений серы. Для трансформаторов основную роль играют окисление, сопровождающееся ростом кислотного числа (КЧ) ТМ, и ароматизация ТМ.
В представленной работе обсуждается влияние данных процессов на свойства ТМ, эксплуатируемых в реальных условиях энергосетей.
Образцы и методика эксперимента
Образцы I-X - трансформаторные масла, эксплуатируемые в силовых трансформаторах 110 кВ или трансформаторах тока 110 кВ в ОАО «Сетевая компания» (Казанские электрические сети) и проанализированные с июня по сентябрь 2014 г. в испытательной лаборатории СИЗП. Все образцы удовлетворяют требованиям к качеству эксплуатационного масла и соответствуют СТО 70238424.27.100.053-2013. K4(I)= 0,006, K4(II)= 0,019, КЧ(Ш)= 0,0165, K4(IV)= 0,0084, K4(V)= 0,0038, K4(VI)= 0,0099, K4(VII)= 0,0024, K4(VIII)= 0,019, K4(IX)= 0,021,
K4(X)= 0,019 мгКОН/г. В приведенном ряду с увеличением номера образца наблюдается изменение цвета ТМ от бледно-желтого до коричневого.
Спектры поглощения УФ и видимого диапазонов записаны при комнатной температуре в кюветах толщиной l= 10 мм на спектрофотометре Varian Cary 100 в диапазоне длин волн (X) 200 - 800 нм со скоростью 600 нм/мин при ширине щели 1,5 нм. Кювета сравнения пустая. Положение линий в спектрах приводится с точностью ±2,5 нм. Спектры пропускания - в кюветах толщиной l= 50 мм на спектрометре СФ-56 при аналогичных параметрах записи.
© Г.И. Ризванова, Л.Г. Гафиятуллин, М.Ш. Гарифуллин, В.К. Козлов, А.Н. Туранов Проблемы энергетики, 2015, № 9-10
Результаты и обсуждение
На рис. 1 показаны спектры пропускания образцов 1-Х в видимом диапазоне. Основной результат, на котором следует сосредоточить внимание, следующий: коэффициент корреляции между коэффициентом пропускания т спектра ТМ при какой-либо длине волны и КЧ не превышает величину 0,5 для любой длины волны из изученного диапазона. Достаточно указать, что спектры образцов II, VIII и X, имеющих одинаковое КЧ= 0,019 мгКОН/г, находятся в противоположных, практически крайних, положениях на рис. 1, т.е. корреляционная связь очень слабая.
т 1,0
0,8
0,6
0.4
0,2
1.0
>.8-
>.6-
>.4
>.2-
0,0
II III
500 600 700 800
X, нм
Рис. 1. Спектры пропускания образцов ЬХ в видимом диапазоне
В ранее опубликованной работе [8] представлены результаты, в которых при 700 нм была обнаружена строгая (коэффициент корреляции 0,999) корреляция меду КЧ и т спектров ТМ, состаренных в модельных условиях. Для объяснения отличия в результатах необходимо учитывать разницу в условиях, в которых масла деградировали. На практике осуществляется непрерывная регенерация ТМ при естественной циркуляции масла сврху-вниз через термосифонный фильтр на основе термосифонного эффекта, а в адсорбционных фильтрах - с помощью принудительной циркуляции масла, создаваемой насосами охлаждения. В фильтры трансформаторов загружаются крупнопористые адсорбенты (количество 0,8 - 1,25 % от массы залитого масла, размер пор - 30 - 70 А), которые активно поглощают из ТМ перекиси, окислы, органические кислоты, мыла, асфальто-смолистые соединения, воду и т.п. [9]. Это подтверждается низкими значениями КЧ ТМ, описываемых в представленной работе (ниже 0,021 мг КОН/г). В то же время в модельных экспериментах такая очистка ТМ не проводилась и, соответственно, продукты старения накапливались, а КЧ достигали значений 0,229 мг КОН/г [8].
УФ спектры поглощения всех изученных образцов ТМ показаны на рис. 2. Их расшифровка типична для масел и подробно описана в работах [3,10,11]. Линии при X« 330 и 340 нм принадлежат трициклическим молекулярным группам. Линия при X« 380 нм отнесена к сигналу антрацена и его производных (также трициклических), а при X« 420 и 450 нм - нафтацена (тетрациклических) [10]. Плавное увеличение оптической плотности (О) при уменьшении X от 800 к 350 нм, а также резкий рост О при X« 350 нм для изученных образцов объясняется поглощением при X« 225 нм © Проблемы энергетики, 2015, № 9-10
соединениями нафталинового ряда X« 255 - 280 нм бензола и его производных и рассеянием излучения малыми частицами (диаметром ё < X) [11].
Рис. 2. Спектры поглощения образцов М в УФ и видимом диапазонах
Наличие в спектрах интенсивных линий от аренов подтверждает выводы, сделанные ранее [3,4,10,11], о том, что в ходе старения ТМ увеличивается доля ароматических соединений. Подчеркнем, что фильтры трансформаторов не поглощают данные соединения, т.к. не рассчитаны на такую задачу. Таким образом, образование твердотельных частиц в ТМ по механизму ароматизации оказывается вне контроля энергетиков, что приводит к сокращению срока службы оборудования. Кроме того, соединения аренового ряда не только вносят значительный вклад в процесс образования осадка, но и увеличивают гидрофильность ТМ.
Изменение окраски ТМ в процессе эксплуатации заслуживает отдельного обсуждения. Поскольку в исследованном ряду при увеличении номера образца цвет масла становится все более и более интенсивным, но отсутствует корреляция с КЧ, то становится очевидным, что нельзя считать продукты окисления основной причиной изменения цвета ТМ. С другой стороны, наглядное увеличение О от образца I к образцу X в области X« 450 нм позволяет утверждать, что цвет ТМ во многом определяется количеством ароматических групп в ТМ.
Выводы
Методами спектроскопии в УФ и видимом диапазонах изучен ряд ТМ, эксплуатируемых в реальных условиях. Показано, что фильтры трансформаторов активно удаляют продукты старения, образующиеся в результате окислительных процессов, тогда как соединения, образующиеся в результате ароматизации, накапливаются в ТМ. Рост концентрации ароматических соединений при эксплуатации ТМ приводит к росту гидрофильности ТМ, ускорению процесса образования твердотельных частиц и, как следствие, к снижению изоляционных и теплоотводных характеристик масел. Цвет ТМ определяется концентрацией ароматических групп.
© Проблемы энергетики, 2015, № 9-10
Summary
Features of transformer oil aging in actual use have been studied by UV-spectroscopy.
Keywords: transformer oil, UV-spectroscopy.
Литература
1. Wilson A.C.M. Insulating liquids: their uses, manufacture and properties. London, New York: Peter Peregrinus LTD. 980. 221 p.
2. Липштейн Р.А., Шахнович М.И. Трансформаторное масло. М.: Энергоатомиздат. 1983.
296 с.
3. Kozlov V. Transformer oil and modern physics/Kozlov V., Turanov A.// IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2012. Vol. 19. Issue 5. p. 1485.
4. Туранова О.А. Исследование механизма образования осадка в трансформаторном масле марки ГК / О.А. Туранова, А.Е. Вандюков, В.К. Козлов, А.Н. Туранов // Оптика и спектроскопия. 2013. т. 114. № 4. С. 628.
5. Dickie J.P. Macrostructures of the Asphaltic Fractions by Various Instrumental Methods /Dickie J.P., Yen T.F.// Anal. Chem. 1967. Vol. 39. № 14. p. 1847.
6. Hasnaoui N. Study of asphaltene solutions by electrical conductivity measurements /Hasnaoui N., Achard C., Rogalski M.// Revue de L'institut francais du petrole. 1998. Vol. 53. № 1. p. 41.
7. Beaven G. The evaluation of gassing tendencies of insulating oils: apparatus, procedure, and effect of experimental variables /Beaven G., Cockburn I., Thompson C.// J. Inst. Petrol. 1949. Vol. 35. p. 735.
8. Гарифуллин М.Ш. Контроль технического состояния маслонаполненного трансформаторного электрооборудования методами оптической спектроскопии: дис... докт. техн. наук. Казань, 2014. 290 с.
9. Методические указания по эксплуатации трансформаторных масел. РД 34.43.105-89. М.: СоюзТехЭнерго, 1989.
10. Гафиятуллин Л.Г. УФ спектроскопия трансформаторного масла ГК / Гафиятуллин Л.Г., Туранова О.А., Козлов В.К., Туранов А.Н.// Опт. и спектр. 2010. т. 109. № 1. c. 102.
11. Шкаликов А.В. О рассеянии света в трансформаторном масле / А.В. Шкаликов, Е.А. Юшкова, Л.Г. Гафиятуллин, Ю.Н. Осин, О.А. Туранова, В.К. Козлов, А.Н. Туранов // Опт. и спектр. 2011. т. 110. № 5. C. 750.
Поступила в редакцию 29 декабря 2015 г.
Ризванова Гульназ Ильдусовна - студент кафедры «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8(905)3114674. E-mail: gulnaz_50@mail.ru.
Гафиятуллин Линар Гадилович - младший научный сотрудник лаборатории МРС Казанского физико-технического института. Тел.: 8(927)4093567. E-mail: lingafury@gmail.com.
Гарифуллин Марсель Шарифьянович - доцент кафедры «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8(843)5194272. E-mail: g_marsel5@mail.ru.
Козлов Владимир Константинович - д-р физ.-мат. наук., профессор, заведующий кафедрой «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8(843)5194271. E-mail: kozlov_vk@bk.ru.
Туранов Александр Николаевич - канд. физ.-мат. наук, лаборатории МРС Казанского физико-технического института. Тел.: 8(917)9397595. E-mail: sasha_turanov@rambler.ru.
© Проблемы энергетики, 2015, № 9-10
