14. Опишите требования, предъявляемые к трансформаторному маслу, перечислите способы его очистки, выполните их сравнительный анализ.

Эксплуатация трансформаторного масла

О состоянии и качестве трансформаторного масла судят по его химическим, механическим и электротехническим свойствам: кислотности, содержанию воды, механических примесей и взве­шенного угля, вязкости, температуре вспышки и пробивному на­пряжению. Большое влияние на качество масла оказывает его окисление кислородом из атмосферного воздуха, с которым масло находится в постоянном контакте. Этому процессу способствуют солнечный свет, высокая температура окружающей среды и неко­торые другие факторы. Повышение кислотности масла отрица­тельно сказывается на изоляции обмоток трансформатора, приво­дя к ее химическому разрушению; понижает его электрическую прочность, являющуюся одной из важнейших характеристик трансформаторного масла.

Показателями, характеризующими степень окисления мас­ла, являются кислотное число, и реакция водной вытяжки.

Кислотное число определяет количество едкого калия в миллиграммах, которое требуется для нейтрализации всех сво­бодных кислот в масле.

Реакция водной вытяжки характеризует наличие в масле низкомолекулярных (нерастворимых) кислот. В годном для экс­плуатации масле реакция водной вытяжки должна быть ней­тральной.

Температура вспышки масла не должна быть ниже уста­новленных значений во избежание воспламенения масла при по­вышении температуры, вызванном перегрузкой трансформатора или масляного выключателя.

Содержание в масле механических примесей также опреде­ляет его качество. Примеси могут появиться при эксплуатации масла в результате растворения красок, лаков и изоляции; в виде угля, который образуется при электрической дуге, а также в виде осадка (шлама), представляющего собой продукты распада масла. Механические примеси в масле оказывают неблагоприятное влияние на работу трансформаторов и масляных выключателей, вызывая перекрытие изолированных друг от друга элементов и понижая электрическую прочность масла. Необходимо отметить, что загрязнение и старение масла в процессе его эксплуатации ведет к повышению диэлектрических потерь в масле.

В процессе эксплуатации масло темнеет и приобретает темно-коричневую окраску. Изменение цвета масла происходит под влиянием его нагрева и загрязнения смолами и осадками. Вслед­ствие того что характеристика масла в процессе эксплуатации ухудшается, его качество приходится периодически проверять. Такие проверки осуществляют 1 раз в 3 года, выполняя анализ масла.

Масло, годное для эксплуатации, должно удовлетворять следующим требованиям: кислотное число — не более 0,05 мг КОН на 1 кг масла; реакция водной вытяжки — нейтральная; механические примеси — визуальное отсутствие; падение темпе­ратуры вспышки — не более 5 °С от первоначальной; взвешенный уголь в масле из трансформатора — отсутствие, а из выключате­лей — незначительное количество; электрическая прочность для аппаратов напряжением до 10 кВ включительно не ниже 20 кВ/мм; плотность при 20 °С — 0,84—0,89 г/см³; удельное объемное сопротивление равно 10¹⁴—10¹⁵ Ом*см при 20 °С; tg при 20 °С не более 2 %, при 70 °С — не более 7 %; зольность не более 0,005%

Масло многообъемных масляных выключателей дополни­тельно проверяют на содержание взвешенного угля после отклю­чения КЗ (если токи КЗ превышают половину паспортного значе­ния). Срок периодических испытаний сокращают при неблагоприятных для изоляционного масла условиях эксплуата­ции. К таким условиям относят, например, высокую рабочую температуру, влажный климат. Изоляционное масло, которое не удовлетворяет указанным требованиям, восстанавливают.

При эксплуатации уровень масла в трансформаторах и вы­ключателях постепенно понижается вследствие его испарения и периодических отборов для испытаний. Поэтому периодически масло доливают. В отдельных случаях смешение масел приводит к ухудшению их качества. В связи с этим смешивать масла мож­но лишь при наличии подтверждения лабораторными испыта­ниями.

В условиях низкой температуры особое значение приобрета­ет температура застывания масла. При низкой температуре ок­ружающей среды повышается вязкость масла, это приводит к по­нижению скорости движения траверсы выключателя и ухудшает циркуляцию масла в маслонаполненных аппаратах. По нормам температура застывания масла для масляных выключателей, на­ходящихся в неотапливаемых помещениях или на открытых РУ и ПС, в районах, где температура воздуха не бывает ниже -20 °С, должна быть не выше -35 °С для масляных выключателей и -45 °С для трансформаторов. Температура застывания масла для остальных районов должна быть не выше -45 °С.

Целью очистки является удаление из дистиллята нежелательных компонентов, ухудшающих стабильность масла против воздействия молекулярного кислорода, его электроизоляционные свойства, а также подвижность при низких температурах. К таким «нежелательным» компонентам относятся непредельные углеводороды, азотистые и ряд сернистых соединений, асфальто-смолистые вещества, полициклические углевородороды с короткими боковыми цепями (нафтеновые, ароматические и нафтено-ароматические), а также твердые углеводороды, в первую очередь парафины и церезины.

Твердые углеводороды, повышающие температуру застывания масла, удаляют путем депарафинизации масла селективными растворителями (метилэтилкетоном, ацетоном и др.) при пониженной температуре или карбамидом.

Кислотно-щелочная очистка

Сводится к обработке дистиллята серной кислотой концентрацией 93—98 %. Расход кислоты в зависимости от химического состава сырья и задаваемой глубины очистки колеблется от 5 до 20 % по отношению к очищаемому дистилляту.

Кислое масло нейтрализуют 3—10%-ным водным раствором едкого натра до щелочной реакции. В процессе обработки щелочью происходит нейтрализация остатков серной кислоты, нафтеновых кислот, фенолов, сульфокислот и эфиров серной кислоты. По окончании нейтрализации масло нагревают, промывают водой до нейтральной реакции и подсушивают продувкой воздуха при температуре около 70—95 °С.

Сернокислотной очистке присущ ряд недостатков:

а) недостаточно избирательное действие кислоты, приводящее к тому, что наряду с удалением некоторой части «нежелательных» компонентов происходит унос в кислый гудрон ценных компонентов масла, а некоторые сернистые соединения и нафтено-ароматические углеводороды удаляются не полностью;

б) образование кислого гудрона, не находящего применения, осложняющего и удорожающего производство и требующего специальной территории для его хранения (так называемые «пруды»).

В промышленности трансформаторные масла сернокислотной очистки получают из низкозастывающих дистиллятов анастасиевской и сахалинских нефтей, не требующих депарафинизации, и из парафинистых бакинских нефтей, подвергающихся карбамидной депарафинизации.

Селективная очистка

Заключается в избирательном извлечении растворителем из дистиллята нежелательных компонентов. Действие селективных растворителей основано на различной растворимости в них отдельных групп химических соединений, составляющих дистиллят.

Селективный растворитель должен, прежде всего, обладать большой избирательностью, т. е. растворять только «нежелательные» компоненты, и одновременно высокой растворяющей способностью. Высокая селективность растворителя обеспечивает большой выход целевого продукта.

Для повышения растворяющей способности к растворителю обычно добавляют бензол или толуол, способные растворять любые компоненты нефтепродуктов. В том случае, когда нужно снизить растворяющую способность, используют следующие приемы: уменьшают концентрацию компонента, обладающего высокой растворяющей способностью; добавляют воду к растворителю.

Из большего числа предложенных для очистки нефтепродуктов растворителей в производстве трансформаторных масел нашли применение фенол и фурфурол.

При фенольной очистке, так же как и при кислотно-щелочной, адсорбционной и гидрогенизационной, не удаляются твердые углеводороды. Более того, в результате удаления около 30 % смол и ароматических углеводородов концентрация твердых, в основном парафиновых углеводородов увеличивается.

Депарафинизация масел

Может быть осуществлена различными способами: путем выделения твердых кристаллов углеводородов (в основном н-парафиновых) из раствора при охлаждении; путем образования комплекса н-парафиновых углеводородов с карбамидом и отделения его и др.

Депарафинизация включает обработку масла растворителем, состоящим из смеси метилэтилкетона, бензола и толуола (метилэтилкетон может быть заменен ацетоном), термическую обработку при 50—70°С (на 25—30°С выше температуры помутнения масла), охлаждение до требуемой температуры (до —55 ÷ —60°С), отделение твердых углеводородов на вакуум-фильтрах или центрифугах.

При депарафинизации рафината фенольной очистки трансформаторного масла обычно используют смесь, содержащую около 30 % ацетона и 70 % ароматических углеводородов (смесь бензола и толуола). Расход растворителя составляет от 100 до 150 % по отношению к сырью.

В качестве завершающей операции депарафинизированный рафинат подвергается контактной доочистке отбеливающей землей.

Основное преимущество карбамидной депарафинизации — проведение процесса при температуре окружающего воздуха, т. е. исключение установок глубокого охлаждения.

Адсорбционная очистка нашла применение как основной процесс очистки трансформаторных дистиллятов и как заключительная операция по доочистке масел, получаемых другими способами.

Контактная очистка

Заключается в том, что масло смешивается с отбеливающей землей (глиной), подвергается нагреву в течение времени, необходимого для завершения процесса адсорбции, и фильтруется для отделения глины от масла.

В процессе контактной очистки масло окончательно «шлифуется»: из него удаляются наиболее полярные примеси — смолы, мыла, низкомолекулярные кислоты и др., в результате чего улучшается цвет масла, повышаются его электроизоляционные свойства (уменьшается tg δ) и пр.

Адсорбционная очистка с движущимся слоем адсорбента используется в промышленности для получения трансформаторных масел.

Сущность процесса заключается в адсорбции движущимся алюмосиликатным катализатором (0,25—0,5 мм) из раствора дистиллята в бензине (с заданным количеством ароматических углеводородов) нежелательных компонентов, испарении из масла бензина и регенерации адсорбента.

Гидроочистка (обработка водородом) в отличие от указанных выше способов очистки позволяет произвести химические преобразования углеводородов и сернистых соединений, составляющих трансформаторный дистиллят. В этом принципиальное отличие и преимущество этого метода.