Используемые и перспективные жидкие диэлектрики.

Наиболее распространенный в энергетике жидкий диэлектрик – это трансформаторное масло.

Трансформаторное масло – очищенная фракция нефти, получаемая при перегонке, кипящая при температуре от 300 ° С до 400 ° С. В зависимости от происхождения нефти обладают различными свойствами и эти отличительные свойства исходного сырья отражаются на свойствах масла. Оно имеет сложный углеводородный состав со средней массой молекул 220–340 а.е., и содержит следующие основные компоненты.

1. Парафины 10–15%

2. Нафтены или циклопарафины 60–70%

3. Ароматические углеводороды 15–20%

4. Асфальто-смолистые вещества 1–2 %

5. Сернистые соединения < 1%

6. Азотистые соединения < 0.8%

7. Нафтеновые кислоты <0.02%

8. Антиокислительная присадка (ионол) 0.2–0.5%

Каждый из компонентов масла играет определенную роль при эксплуатации. Парафины и циклопарафины обеспечивают низкую электропроводность и высокую электрическую прочность. Ароматические углеводороды уменьшают старение масла и увеличивают стойкость к частичным разрядам в объеме масла. Асфальто-смолистые, сернистые, азотистые соединения и нафтеновые кислоты являются примесями и не играют положительной роли. Асфальто-смолистые соединения ответственны за возникновение осадка в масле и за его цвет. Сернистые, азотистые соединения и нафтеновые кислоты ответственны за процессы коррозии металлов в трансформаторном масле.

Углеводороды парафинового ряда, кроме высокой химической устойчивости обладают высокой температурой вспышки и рядом других положительных качеств, но теряют текучесть уже при комнатной температуре и поэтому не допускается большого содержания парафинов. Более того, нефти с их большим содержанием (грозненская, сураханская) для приготовления масел не применяются.

Нафтеновые углеводороды менее устойчивы, чем парафины и легко окисляются. Типичной нафтеновой нефтью является доссорская нефть, из которой готовится лучшее трансформаторное масло.

Ароматические углеводороды разделяются на углеводороды симметричного строения (бензол, нафталин, антрацен) и ароматики с длинными боковыми цепями (толуол). Первые являются одним из наиболее трудно окисляемых веществ. Эти ароматики являются ценной составной частью масла, так как защищают его от окисления. Вторые весьма легко соединяются с кислородом, причем их способность к самоокислению растет с увеличением числа и длины боковых цепей.

Первой операцией приготовления трансформаторного масла из нефти является фракционная перегонка под вакуумом. При перегонке нефть путем испарения разделяется на ряд фракций, каждая из которых содержит близкие по температуре кипения и сходные по свойствам углеводороды. Сначала от нефти отделяются наиболее легкие углеводороды: бензин, лигроин, керосин; затем перегоняются более тяжелые фракции, так называемый соляровый дистиллят, из которого и готовится масло. Перегонка не обеспечивает однородного состава масла, так как в дистиллят попадает целый ряд смежных фракций. Кроме того, в нем имеются вредные примеси, ухудшающие свойства масла и сокращающие срок службы. Для получения полноценного продукта погон нефти подвергается очистке от нефтяных кислот, смол, серы и ненасыщенных соединений. Эта операция называется рафинированием. Дистиллят в течение определенного времени обрабатывается крепкой серной кислотой, которая окисляет все непредельные соединения и смолы и превращает их в нерастворимый кислый гудрон, который выпадает в осадок. Кислый гудрон, находясь в контакте с маслом, разрушает основные углеводороды. Поэтому для уменьшения причиняемого им вреда обработка кислотой производится при возможно более низкой температуре и гудрон удаляется из масла как можно скорее. Общее количество кислоты достигает 12–14% от веса дистиллята. Для нейтрализации избытка серной кислоты, оставшейся в масле, и для удаления нафтеновых кислот масло обрабатывается водным раствором щелочи (едкого натра); образовавшиеся при этом соли, мыла и эмульсии отделяются отстаиванием. Оставшееся в масле незначительное количество солей и мыл ведет к его окислению, поэтому после отстоя масло должно быть тщательно промыто водой. Для полного удаления влаги промытое масло подвергается сушке продувкой воздуха. Окончательная очистка масла производится обработкой его при температуре 70–80° С отбеливающей землей (адсорбент). Отбеливающие земли или глины удаляют последние остатки смол и кислот и масло получает свой приятный соломенный цвет.

Основные физико-химические свойства масла.

Из основных характеристик масла отметим, что оно горючее, биоразлагаемое, практически не токсичное, не нарушающее озоновый слой. Плотность масла обычно находится в диапазоне (0,84–0,89) · кг/м³. Вязкость является одним из важнейших свойств масла. С позиций высокой электрической прочности желательно иметь масло более высокой вязкости. Для того, чтобы хорошо выполнять свои дополнительные функции в трансформаторах (как охлаждающая среда) и выключателях (как среда, где движутся элементы привода), масло должно обладать невысокой вязкостью, в противном случае трансформаторы не будут надлежащим образом охлаждаться, а выключатели – разрывать электрическую дугу в установленное для них время.

Поэтому выбирают компромиссное значение вязкости для различных масел. Кинематическая вязкость для большинства масел при температуре 20 °С составляет 28–30· м²/с. Температурой застывания называется температура, при которой масло загустевает настолько, что при наклонении пробирки с охлажденным маслом под углом 45° его уровень останется неизменным в течение 1 мин.В масляных выключателях температура застывания имеет решающее значение. Свежее масло не должно застывать при температуре –45° С; в южных районах страны разрешается применять масло с температурой застывания –35° С. Для эксплуатационных масел допускается ряд отступлений от нормированной температуры застывания в зависимости от того, находится ли масло в трансформаторе или выключателе, работает в закрытом помещении или же на открытом воздухе. Для специальных арктических сортов масла температура застывания уменьшается до – (60–65) ° С, однако, при этом понижается и температура вспышки до 90–100° С.

Температурой вспышки называется температура нагреваемого в тигле масла, при котором его пары образуют с воздухом смесь, воспламеняющуюся при поднесении к ней пламени. Вспышка происходит настолько быстро, что масло не успевает прогреться и загореться. Температура вспышки трансформаторного масла не должна быть ниже 135°С. Если нагревать масло ещё выше, то наступает такой момент, когда при поднесении пламени к маслу оно загорается. Температура, при которой масло загорается и горит не менее 5 сек., называется температурой воспламенения масла. Температура, при которой происходит возгорание в закрытом тигле, в присутствии воздуха, без поднесения пламени, называется температурой самовоспламенения. Для трансформаторного масла она составляет 350–400 ° С.

Из других теплофизических характеристик отметим сравнительно небольшую теплопроводность l от 0,09 до 0,14 Вт/(м·К), уменьшающуюся в зависимости от температуры. Теплоемкость, наоборот, увеличивается с ростом температуры от 1,5 кДж/(кГ·К) до 2,5 кДж/(кГ·К). Коэффициент теплового расширения масла определяет требования к размерам расширительного бака трансформатора и составляет примерно 6,5· 1/К.

Удельное сопротивление масла нормируется при температуре 90° С и напряженности поля 0,5 МВ/м, и оно не должно превышать Ом·м для любых сортов масел. Отметим, что удельное сопротивление, как и вязкость, сильно падают с ростом температуры (более чем на порядок при уменьшении температуры на 50 ° С). Диэлектрическая проницаемость масла невелика и колеблется в пределах 2,1–2,4.

Тангенс угла диэлектрических потерь определяется наличием примесей в масле. В чистом масле он не должен превышать 2· при температуре 90°С и рабочей частоте 50 Гц. В окисленном загрязненном и увлажненном масле tgd возрастает и может достигать более чем 0,2.

Электрическая прочность масла определяется в стандартном разряднике с полусферическими электродами диаметром 25,4 мм и межэлектродным расстоянием 2,5 мм. Пробивное напряжение должно составлять не менее 70 кВ, при этом в разряднике электрическая прочность масла будет не менее 280 кВ/см.

Поглощение и выделение газов маслом. Масло способно поглощать и растворять весьма значительные количества воздуха и других газов. По имеющимся данным в 1 см³ масла при комнатной температуре растворяется: азота 0,086 см³; кислорода 0,16 см³; углекислоты 1,2 см³. При этом кислород не только растворяется, но и химически соединяется с маслом, образуя продукты окисления. Выделение газов из масла очень часто является признаком зарождающегося дефекта в трансформаторе. В настоящее время разработан и используется способ определения дефектов в трансформаторе по наличию растворенных в масле газов, т.н. хроматографический анализ.

Существует большой разрыв между сроком службы трансформатора и сроком службы масла. Трансформатор может работать без ремонта 10–15 лет, а масло уже через год требует очистки, а через 4–5 лет – регенерации. Мерами, позволяющими продлить срок эксплуатации масла, являются:

1) защита масла от соприкосновения с наружным воздухом путем установки расширителей с фильтрами, поглощающими кислород и воду, а также вытеснение из масла воздуха;

2) снижение перегрева масла в условиях эксплуатации;

3) регулярные очистки от воды и шлама;

4) применение для снижения кислотности непрерывной фильтрации масла;

5) повышение стабильности масла путем введения антиокислителей.

Антиокислительная присадка специально вводится в масло для предотвращения его окисления под действием локальных высоких температур и реакций с проводниковыми и диэлектрическими материалами. Обычно в качестве присадки в России используют ионол.

О роли этой присадки можно судить по следующему реальному случаю, происшедшему в одной их энергосистем. На станцию поступило импортное трансформаторное масло. Оно имело лучшую прозрачность по сравнению с отечественным маслом, меньший tgd , более высокое пробивное напряжение в стандартном испытательном разряднике. Без дальнейшей проверки им заполнили трансформатор. Однако не прошло и года после начала эксплуатации трансформатора, как он вышел из строя в результате аварии. После вскрытия обнаружили, что масло сильно потемнело, tgd оказался значительно выше нормы, а электрическая прочность значительно ниже нормы. Проведенный анализ показал, что причиной выхода было ускоренное старение масла, т.к. оно не содержало никакой антиокислительной присадки и, в силу тщательной очистки, не содержало естественных примесей – ингибиторов окислительных процессов.

Очистка, сушка и регенерация масла. Очисткой масла называется такая операция, с помощью которой загрязненное или окисленное масло приводится в пригодное для эксплуатации состояние. После хорошей очистки масло должно полностью восстановить свои начальные свойства, т.е. должно быть совершенно прозрачно, не должно содержать кислот, осадков, воды, угля и других загрязнений. Причины изъятия масла из эксплуатации могут быть двух родов. Если масло во время эксплуатации оказалось загрязненным различными постоянными веществами и не претерпело глубоких изменений, то для его восстановления достаточно прибегнуть к одному из описываемых ниже методов механической очистки.

К механическим методам очистки относятся: 1) отстой, 2) центрифугирование, 3) фильтрование, 4) промывка. Все эти методы имеют целью удалить из масла главным образом воду, механические загрязнения, нерастворимый шлак и уголь. Другой причиной изъятия масла из эксплуатации служит его старение под действием высокой температуры, кислорода воздуха, мощных частичных разрядов. Такое масло претерпевает столь глубокие изменения, что для восстановления его свойств необходимо применить один из следующих методов химической очистки (регенерации): 1) сернокислотный метод, 2) щелочноземельный метод, 3) обработку адсорбентами.

Очистка масла непосредственно в трансформаторах и выключателях может производиться периодически или после аварии при резком снижении пробивного напряжения, появления угля и прочих ненормальных явлениях или в результате данных хроматографического анализа. Как правило, трансформаторы и выключатели в этих случаях выводятся из работы и отключаются от сети.

Из родственных трансформаторному маслу по свойствам и применению жидких диэлектриков стоит отметить конденсаторные и кабельные масла.

Конденсаторные масла. Под этим термином объединена группа различных диэлектриков, применяемая для пропитки бумажно-масляной и бумажно-пленочной изоляции конденсаторов. Наиболее распространенное конденсаторное масло по ГОСТ 5775–68 производят из трансформаторного масла путем более глубокой очистки. Отличается от обычных масел большей прозрачностью, меньшим значением tgd (примерно в10 раз).

Касторовое масло растительного происхождения, оно получается из семян клещевины. Основная область использования - пропитка бумажных конденсаторов для работы в импульсных условиях. Плотность касторового масла 0,95–0,97 т/м³, температура застывания от –10 ° С до –18 ° С, ε при 20°С составляет 4,0 – 4,5, а при 90° С – ε = 3,5 – 4,0; tgd при 20° С равен 0,01- 0,03, а при 100° С tgd = 0,2– 0,8; Е_пр при 20° С равно 15– 20 МВ/м. Касторовое масло не растворяется в бензине, но растворяется в этиловом спирте. В отличие от нефтяных масел, касторовое не вызывает набухания обычной резины. Этот диэлектрик относится к слабополярным жидким диэлектрикам, его удельное сопротивление при нормальных условиях составляет – Oмּм.

Кабельные масла предназначены для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей. Основой их также является нефтяные масла. От трансформаторного масла отличаются повышенной вязкостью, увеличенной температурой вспышки и уменьшенными диэлектрическими потерями. Из марок масел отметим МН–4 (маловязкое, для заполнения кабелей низкого давления), С–220 (высоковязкое для заполнения кабелей высокого давления), КМ–25 (наиболее вязкое).

Второй тип жидких диэлектриков - трудногорючие и негорючие жидкости. Жидких диэлектриков с такими свойствами достаточно много. Наибольшее распространение (в недавнем прошлом) в энергетике и электротехнике получили хлордифенилы( chlorobiphenil). Это вещества, имеющие в своем составе двойное бензольное кольцо, т.н. ди(би)фенильное кольцо и присоединенные к нему один или несколько атомов хлора. В России применяются диэлектрики этой группы в виде смесей, в основном смеси пентахлордифенила с трихлордифенилом. Коммерческие названия некоторых из них – “совол”, “совтол”, “калория–2”.

Хлордифенилы являются хорошими диэлектриками. У них повышена диэлектрическая проницаемость ε =5–6 по сравнению с трансформаторным маслом из-за полярности связи электроотрицательного хлора с дифенильным кольцом. Тангенс угла диэлектрических потерь tgd ненамного выше, чем у масла, электрическая прочность также высока. Применение этих диэлектриков было обусловлено как этими свойствами, так и, главным образом, их негорючестью. Поэтому в пожароопасных условиях (шахты, химические производства и т.п.) использовали трансформаторы и другие электрические аппараты, заполненные хлордифенильными диэлектриками.

Однако у всего класса этих веществ имеются два очень существенных недостатка - высокая токсичность и сильное влияние на озоновый слой. Хотя токсичность является очевидным недостатком, но наибольшее негативное влияние на применение хлордифенилов оказал второй его недостаток.

Дело в том, что, как вы знаете, над поверхностью Земли, на высоте более 100 км существует мощный слой озона О₃, который играет чрезвычайно важную роль в защите жизни на Земле от жесткого космического излучения. В последнее время этот слой стал истончаться, появились т.н. “озоновые дыры”. Это явление связывают с хозяйственной деятельностью человека, причем основными “врагами” озона считают вещества, содержащие хлор и бром, которые взаимодействуют с озоном и, тем самым, разрушают его. Поэтому мировая общественность забила тревогу, требуя запретить применение таких веществ. Было проведено несколько конференций, обсуждавших эту проблему, и в 1976 году был принят т.н. “Монреальский Протокол”. Согласно ему, все вещества, которые могут попасть в ионосферу, были проверены на взаимодействие с озоном и разделены на группы, по степени взаимодействия. Наиболее опасные вещества, в.т.ч. фреоны (хладоагенты в бытовых холодильниках) и хлордифенилы были ограничены в производстве, начиная с 1980 г., а к 2000 году их не должно быть и в эксплуатации (к 2025 году и следов этих жидкостей не должно оставаться в трансформаторах). Наша страна подписала протокол, поэтому сейчас их не производят у нас в стране, в силу чего в ряде мест возникли проблемы с трансформаторами, ранее заполненными хлордифенилами. Поскольку они негорючи и использовались в силу этого для ответственных пожароопасных условий, найти им замену нелегко. Наиболее типичная ситуация – в трансформаторе понизился (за счет утечек) уровень жидкого диэлектрика. Просто добавить другое масло невозможно, т.к. хлордифенилы не смешиваются с маслами и неясно поведение такой композиции в условиях эксплуатации.

Возникшая после запрета хлордифенилов проблема поиска подходящего пожаробезопасного жидкого диэлектрика до сих пор не решена. В каждой стране ее пытаются решать по-своему. В Великобритании пытаются внедрять диэлектрики на основе эфиров пентаэритрита (фирменное название Мидель 7221, Мидель 7131), в Германии - диэлектрики на основе эфиров фталевой кислоты (Bayelectrol, диоктилфталат). В России и некоторых других странах наиболее перспективными для применения считаются силиконы (силоксаны) или кремнийорганические жидкости. Это громадный класс жидкостей с различными электро- и теплофизическими характеристиками. Хорошо очищенные жидкости обладают ε =2,5 – 3,5, tgd < , ρ > Ом·м. Обычно у этих соединений повышенная, по сравнению с маслом, температура вспышки. Некоторые жидкости, на основе модифицированных полиметилэтилсилоксанов имеют температуру вспышки около 300° С. К недостаткам силоксанов относится то, что исследованные кремнийорганические жидкости не могут обеспечить пожаробезопасность и, следовательно, не могут полностью заменить хлордифенилы. Кроме того, они в несколько раз дороже трансформаторного масла.

Рассмотрим свойства одной конкретной жидкости из этого класса «СОФЭКСИЛ ТСЖ». Это альтернатива пожаробезопасным жидкостям СОВТОЛ и MIDEL 7131, аналог силиконовых трансформаторных жидкостей: GE SF97–50 и Dow Corning 561 Fluid .

«СОФЭКСИЛ ТСЖ» представляет собой полидиметилсилоксановую жидкость, которая относится к классу наименее воспламеняемых трансформаторных жидкостей с температурой вспышки более 300°C.

Она даже при охлаждении до –75°C остается жидкостью. Другие физические и электрические характеристики при изменении температуры от –75°C до +300 °C меняются незначительно.

Основные характеристики

Внешний вид	Прозрач. жидкость
Плотность при 20°C	0,960
Коэффициент преломления при 20°C	1,402
Электрическая прочность, кВ
Диэлектрическая постоянная при 25 °С	2,71
Тангенс угла потерь при 20 С0 <	0,0001
Объемное сопротивление при 20°C , ом.см	>1ּ10¹³
Вязкость cSt, при 0°C при 20°C при 100°C при –40°С
Температура вспышки в открытом тигле °C	>300
Содержание воды, ppm	<30
Температура застывания, °С,	<–70
Коэффициенты расширения cм³/cм³·°C	0,00104

«СОФЭКСИЛ ТСЖ»– значительно менее горючая жидкость чем минеральные масла и с гораздо более высокой температурой воспламенения. При нормальных условиях жидкость не горит. При действии внешних источников пламени выделяемое тепло и количество дыма значительно ниже по сравнению с минеральными и синтетическими маслами. Продукты горения не токсичны. В соответствии с пожарными нормами трансформаторы, наполненными жидкостями с температурой вспышки не менее 300 °C считаются пожаробезопасными.

В последнее время все более популярными становятся диэлектрические жидкости на основе растительных масел. Они имеют несколько довольно больших преимуществ, относительно минеральных масел, а именно: экологически безопасны, более пожаробезопасны, производятся из возобновляемого сырья.

Как сообщают американские издания, крупнейшие компании Cooper Power Systems и Cargill Industrial Oils заключили соглашения о производстве, и сбыте диэлектрических жидкостей Envirotemp (R) FR3 (TM), на основе соевого масла, которые, как подтвердило управление по охране окружающей среды США, является нетоксичным, возобновляемым и хорошо разлагаемым микроорганизмами веществом. Envirotemp (R) FR3 (TM) обладает хорошими огнестойкими характеристиками. Трансформаторы с такой изоляцией можно содержать, как и на открытом воздухе, так и в закрытых помещениях не прибегая к применению дорогостоящих систем противопожарной защиты.

На наш взгляд перспективно применение в электроаппаратах не только диэлектрических жидкостей на основе соевого масла, но и на основе рапсового масла, масла жожоба, пальмового масла и других растительных масел. В настоящее время они уже поступают на рынок, но пока только в качестве биологического топлива (биодизель).

Очень интересен класс фторорганических жидкостей. В зарубежной литературе они называются перфторуглероды. По сути, это эквивалент обычным органическим жидкостям, только вместо атома водорода везде находится атом фтора. Например есть аналоги органическим соединениям, таким как пентан С₅H₁₂ – перфторпентан С₅F₁₂, гексан С₆H₁₄ – перфторгексан С₆F₁₄, триэтил(пропил,бутил)амин – перфтортриэтил(пропил,бутил)амин и т.п. Существует даже перфтортрансформаторное масло. (В отличие от настоящего трансформаторного масла перфтортрансформаторное масло при нормальных условиях является твердым веществом и используется в качестве морозостойкой смазки). Наличие фтора на месте водорода означает, что вещество полностью окислилось, ведь фтор является самым сильным окислителем, более сильным, чем кислород. Поэтому фторуглеродные жидкости инертны по отношению к любым воздействиям, в.т.ч. стабильны под действием электрического поля и температуры. Поскольку они ни с чем не взаимодействуют, они не растворяют масла, резину, воду и т.п. Высокие характеристики фторуглеродных жидкостей важны для применений. Замена атомаH на атом F приводит к новым свойствам и новым возможностям:

- негорючесть;

- высокая термическая и химическая стабильность;

- инертность по отношению к металлам, твердым диэлектрикам и резинам;

- нетоксичность, отсутствие цвета и запаха;

- выбор жидкостей с различными точками кипения и замерзания;

- низкая растворимость воды и высокая растворимость газов;

- отсутствие растворимости любых нефторированных материалов;

- высокий коэффициент температурного расширения.

Проведенные нами исследования поведения некоторых жидкостей при постоянном и переменном напряжении показывают, что по электрофизическим параметрам: удельное сопротивление, tg d , электрическая прочность, они значительно превосходят аналогичные показатели любых других жидкостей, включая минеральные масла. Они нетоксичны, неокисляемы, имеют низкую вязкость, в.т.ч. в низкотемпературной области. Ряд жидкостей имеют точку замерзания –70 ° С и ниже.

Приведем численные значения некоторых электрофизических параметров. Диэлектрическая проницаемость ε =1,8–2, tgd < , ρ > ( ) Ом·м, электрическая прочность – до 500 кВ/см. Важной особенностью является достаточно высокая электрическая прочность в парообразном состоянии – до 200–300 кВ/cм, т.к. фторуглеродные молекулы являются электроотрицательными. Из других свойств отметим не только негорючесть, но и термостабильность до температуры более 400 ° С. Хотя теплопроводность фторуглеродов в два–три раза ниже, чем у трансформаторного масла, однако исключительно высокий коэффициент температурного расширения приводит к возникновению мощных конвективных потоков. При этом конвективный теплоотвод оказывается в 3–4 раза выше, чем у трансформаторного масла. Главный недостаток – цена –они дороже трансформаторного масла в несколько десятков раз. Это препятствие может быть устранено. В настоящее время имеется задел по разработке новой, более дешевой технологии получения перфторуглеродов.

К настоящему времени в энергетике эти жидкости не нашли широкого применения. За рубежом применяются для охлаждения мощных выпрямителей и инверторов, преобразующих переменный ток в постоянный ток, для СВЧ устройств. Предполагаемое создание компактных пожаробезопасных испарительных трансформаторов для электротранспорта и компактных ЗРУ возможно только на основе перфторуглеродных жидкостей.