Измерения пробивного напряжения трансформаторного масла

Трансформаторное масло используется в высоковольтном оборудовании в качестве изолирующей среды, что обусловлено его более высокой электрической прочностью в сравнении, например, с газами.

Но во время эксплуатации масел может наступить их пробой, то есть потеря способности выдерживать воздействие высоких напряжений. Пробой создает риск выхода из строя дорогостоящего электрооборудования: трансформаторов, маслонаполненных кабелей, конденсаторов, выключателей, разрядников и т.п. Для предупреждения пробоя выполняется проверка жидких диэлектриков с целью измерения пробивного напряжения. В этой статье мы рассмотрим, как наступает пробой жидких диэлектриков, причины снижения пробивного напряжения и как осуществляется очистка и проверка трансформаторного масла.

Пробой жидких диэлектриков

Пробой жидких диэлектриков – явление сложное, которое исследуется до сих пор. Одна из основных теорий возникновения заключается в следующем. Если на диэлектрик (масло) долго воздействует высокое напряжение, а в масле присутствуют включения, то эти включение поляризуются и объединяются в цепочки, которые вытягиваются вдоль силовых линий электромагнитного поля. Цепочки становятся каналом, по которому протекает электрический ток. Ток разогревает прилегающую к каналу жидкость до кипения, а пробой происходит по образовавшемуся газовому каналу.

В тщательно очищенных маслах пробой может происходить из-за ударной ионизации молекул. После пробоя электроизоляционные свойства масла восстанавливаются, но его качество обычно заметно ухудшается.

Понятие старения

Старение – необратимый процесс в трансформаторном масле, ведь по мере эксплуатации так или иначе попадает влага, продукты окисления. Начинает снижаться эксплуатационные, химические, физические свойства и передачи тепла. Перестает нормально работать трансформатор.

Стоит проводить профилактику, выявлять дефекты путем забора образцов масла для анализа.

Восстанавливаются свойства масла путем сушки, регенерации, очистки.

Причины старения:

повышение кислотности;
образование осадка на обмотках трансформатора;
ухудшение электроизоляционных свойств;
окисление – индукционный процесс на начальном этапе.

В масле накапливаются устойчивые продукты окисления: органические перекиси, вода, низкомолекулярные кислоты. Постепенно рабочая жидкость темнеет, мутнеет. Повышается зольность, кислотное число. На поверхности начинают плавать твердые продукты полимеризации, закупоривая охлаждающие каналы трансформатора.

Пробивное напряжение трансформаторного масла

Проверка диэлектрических свойств масла осуществляется методом отбора проб и их последующего анализа с определением пробивного напряжения, тангенса угла диэлектрических потерь, диэлектрической проницаемости и др.

Пробивное напряжение – это минимальное прикладываемое напряжение, при котором в диэлектрике образуется проводящий канал. Пробивное напряжение обычно измеряют в киловольтах.

Также пользуются еще одной похожей характеристикой – это электрическая прочность (пробивная напряженность) диэлектрика. Физически электрическая прочность – это напряжение, которое необходимо приложить к образцу для его пробоя, деленное на толщину образца. Электрическая прочность измеряется в киловольтах на миллиметр.

Порядок и методика проведения испытаний

Существует установленный порядок для процедуры испытаний трансформаторного масла, он включает в себя три этапа:

Получение образцов. Для отбора пробы необходимо руководствоваться соответствующими методическими указаниями.
Проведение испытаний, согласно выбранной методике. Это может быть полный или частичный физико-химический анализ или определение электрической прочности (проходимость электрического тока) в условиях определенной температуры.
Подведение итогов анализа. В протоколе испытаний указываются результаты проводимых тестов, и составляется заключение о соответствии испытуемого масла принятым нормам.

Разобравшись с порядком проведения испытаний, рассмотрим основные методики.

Какие факторы влияют на пробивное напряжение трансформаторного масла

Пробивное напряжение – очень чувствительный параметр трансформаторного масла, поскольку на него могут влиять различные факторы. Среди них:

загрязнение механическими примесями и увлажнение. Чем грязнее масло, тем ниже его пробивное напряжение;
вязкость. Вместе со снижением вязкости трансформаторного масла снижается и пробивное напряжение;
температура. При увеличении температуры пробивное напряжение масла снижается. При подаче импульсного напряжения эта связь выражена слабо. Для масел глубокой степени очистки зависимость пробивного напряжения от температуры масла носит сложный характер;
давление. С ростом давления происходит повышение пробивного напряжения, что объясняется ростом давления в газовых пузырьках. Зависимость больше выражена в технически чистом масле;
длительность воздействия напряжения. Чем дольше воздействует напряжение на масло, тем ниже пробивное напряжение. Зависимость ослабевает в маслах с более глубокой степенью очистки;
форма и площадь электродов, расстояние между электродами. При разной форме электродов создаются поля разной степени неоднородности и чем больше коэффициент неоднородности, тем ниже пробивное напряжение. При увеличении площади электродов пробивное напряжение снижается, а при увеличении расстояния между электродами – повышается.

Технические характеристики

Данные жидкости должны быть сопоставимы с условиями эксплуатации электрического оборудования:

кислотное число с указанием едкого калия (мг) для нейтрализации свободных кислот;
вязкость, за счет которой масло обладает охлаждающими свойствами;
температура вспышки, когда пары жидкости воспламеняются от источника открытого огня;
реакция водной вытяжки с обозначением количества нерастворимых кислот в масле;
пробивное напряжение и при максимальном уровне масла не допустит пробоя у изоляции обмотки;
зольность, указывающая на качество промывки свежего масла, ведь иначе могут оставаться частицы мыла, солей;
содержание серы, которой также не должно оставаться после переработки сырой нефти.

Справка! Серные соединения – химический элемент, провоцирующий коррозию и сопротивление контактов в переключателях.

Плотность

От плотности зависит качество, рабочие характеристики масла. Среднее значение при t +20 градусов – 900 кг/м3. По мере повышения температуры – снижается. При 0гр составляет 892 кг/м3.

Плотность – важный физический показатель масла, но полностью зависит от исходного сырья.

Коэффициент вязкости

Вязкость влияет на процессы теплообмена в наполненном агрегате маслом. Лучше, если этот показатель будет занижен для повышенной передачи тепла из обмоток.

Справка! По поводу вязкости трансформаторного масла нередко у специалистов возникают споры. Какое выбрать для заливки в электрическое оборудование? Высокая вязкость повышает электроизоляционные характеристики масла, низкая – отлично охлаждает. В целом вязкость должна зависеть от определенной температуры при работе агрегата. Силовые трансформаторы – тяжелые, габаритные. Вязкость – незаменимая часть при проведении экспертизы рабочей жидкости. Выявляется средний показатель, чтобы функциям.

Часто специалисты при выборе вязкости масла идут на компромисс. При расчетах используют такие понятия, как динамическая, кинематическая, удельная вязкость.

Динамический

Коэффициент вязкости измеряется вискозиметром Энглера (в градусах). Рассчитывается по эмпирическим формулам с учетом силы подачи на твердый шарик в жидкости:. η = f/6ПrVk, где:

f – сила в (Н), действующая на твердый шарик;
V – скорость движения шарика, м/с;
r – радиус шарика (мм);
k – поправочный коэффициент в зависимости от влияния стенок сосуда.

Справка! Вязкость в градусах Энглера – время, которое необходимо для израсходования масла (200 мл при t+ 50 градусов). Полученное время при расчетах делится на время истечения, объем дистиллированной воды (200 мл) при t+20 градусов.

Кинематический

Коэффициент, который получается при делении динамической вязкости на плотность трансформаторной жидкости.

Определяется вязкость за счет вискозиметра Цинкевича. Средний параметр – 28х10-6 м2/с3. При повышенном значении улучшаются электроизоляционные свойства масла. Хотя охлаждающая способность – снижается.

Совет! При выборе вязкости масла стоит опираться на среднее значение.

Кислотное число

Параметр важен при проведении полного, сокращенного анализа трансформаторной жидкости. Определяется в мг КОН, необходимых для нейтрализации 1 г нефтепродукта

Кислотное число – нормируемый показатель, указывающий на:

степень износа, коррозию металлических поверхностей;
возможное снижение диэлектрической прочности масла;
количество нафтеновых кислот (%), продуктов распада в масле;
необходимость проведения регенерации с целью продления срока службы силой установки, восстановления диэлектрической прочности, химического состава электроизоляционной жидкости.

Температура

Масло добывается из очищенной нефти путем доведения до кипения при t +300+400 градусов. Далее трансформаторная жидкость очищается.

Температура вспышки, застывания, кипения указывает на степень свежести масла, имеет важное значение в ходе проведения диагностики.

Вспышки

Вспышка – нагрев масла до температуры, когда в сочетании с воздухом образуется легковоспламеняющаяся смесь. Топливная жидкость при этом даже не успевает загореться.

Важно! Температура вспышки в норме – не выше + 135 г. В случае нагрева свыше t вспышки масло попросту загорится при поднесении спички.

Застывания

Температура застывания – до -40 градусов, в южных районах до -35.

Под данным термином понимают масло, которое начинает застывать до такой степени, что в случай наклона пробирки под углом 45 градусов, попросту не стекает 1 минуту со стенок.

Температура застывания в масляных выключателях – важный параметр. Масло в охлажденном виде не должно застывать при t свыше 45 гр. Хотя все зависит от места заливки масла (выключатель, трансформатор), режима работы оборудования (на открытом воздухе, в закрытом помещении).

Кипения

Температура кипения в норме +300+400 градусов. Это заключительный этап, в ходе которого получают чистое трансформаторное масло после очистки от дистиллятов.

Удельная массовая теплоемкость

Измеряется по системе СИ для промышленного масла в Дж/кг. Высокая теплоемкость масла позволяет рассеивать тепло от разных участков циркуляции в оборудовании. Но это не постоянная величина. Полностью зависит от окружающей температуры.

Среднее значение теплоемкости для трансформаторного масла – 1.67-2.5 кДж / кг. Коэффициент в ходе экспериментов исчисляется специальным номографом.

Теплопроводность

Теплопроводность (0-120 градусов) изменяется по мере старения, накопления вредных компонентов, воды, механических примесей, газов в масле. Если значительно снижается, то в трансформаторе нарушается электроизоляционная среда и отвод тепла от нагревающего элемента.

Коэффициент теплопроводности (λ, Вт/(м’К) полностью зависит от температуры масла. Например, при 0 градусов составляет – 0,1123, при +120 градусов – 0,1022.

Объемное расширение

Показатель – ненормируемый, зависящий от температуры. При t +20 градусов равняется 0,856-0,886.

Несложно догадаться, что значение будет понижаться с повышением температуры и повышаться в случае охлаждения жидкости. При t +1 составляет 0,0007. При t +100 градусов объем расширения изменится на 7%.

Объемное расширение у трансформаторного масла предопределяется прибором Ареометром:

берется порция масла из трансформатора;
помещается в стеклянный цилиндр, затем – в ареометр;
проводится подсчет по верхнему краю мениска.

Важно! Силовые теплоагрегаты работают в диапазоне широких температур. Соотношение объема расширителя к объему масла должно быть на уровне 8-9%. Численный коэффициент для электроизоляционного масла в среднем равен 0,0007 на 1 ºС.

Критерий Прандтля

Физический показатель среды трансформаторного диэлектрика высчитывается по формуле: Pr = n/a = mcp/l:

n = m/r — кинематический коэффициент вязкости;
m — динамический коэффициент вязкости;
r — плотность;
l — коэффициент теплопроводности;
а = l/rcp — коэффициент температуропроводности;
cp — удельная тепломкость среды при постоянном давлении.

Число позволяет определить физическую характеристику среды и ее термодинамическое состояние. Показатель будет изменяться при колебаниях температуры: 0 °C Pr = 866, 100 °C Pr = 43,9.

Цвет

Масло в свежем виде – светло-желтое. По мере изнашивания изменяется на темно-коричневый оттенок.

Цвет – не основной параметр масла, но может отражать степень свежести.

Зольность

В процессе отработки масла неизбежно накапливаются мыла, соли. Даже незначительное их количество – показатель плохой промывки с оставлением нежелательного осадка.

Содержание серы

Масло добывается из сырой нефти, поэтому может оставаться частично серное соединение. Этот химический элемент провоцирует коррозию, усиление сопротивления контактов в переключателях.

Содержание серы (%) вычисляется с помощью медной пластины, помещенной в трансформаторное масло в ходе проведения диагностики.

Натровая проба

Метод для выявления степени качества трансформаторной жидкости. Насколько она очищена от примесей, мыла, солей.

Натровая проба указывает на стабильность масла к окислению. Если завышена, значит, в жидкости остались посторонние загрязнения даже после промывки.

Испытание трансформаторного масла на пробой

Испытание масла на пробой, как правило, выполняется в лаборатории, но при наличии необходимого оборудования измерять пробивное напряжение можно и возле трансформатора.

Проверка трансформаторного масла на пробой выполняется в соответствии с действующими стандартами. Это могут быть как национальные стандарты стран, на территории которых эксплуатируются трансформаторы, так и международные стандарты. Чаще всего используется IEC-60296 BDV-тестер и ASTM BDV-тестер.

Прибор для испытания масла на пробой

Компания GlobeCore обеспечивает мировые стандарты качества оборудования в сфере обслуживания трансформаторов, включая лабораторные приборы для испытания жидких диэлектриков. Среди них аппарат испытания масла на пробой TOR-80. Он работает по принципу постепенного подъема напряжения на вторичной обмотке высоковольтного трансформатора от нулевого до максимального значения или до значения, при котором происходит пробой диэлектрика. Время отключения высокого напряжения после пробоя не превышает четырех микросекунд. По этому показателю установка для испытания трансформаторного масла TOR-80 превосходит все существующие приборы аналогичного назначения. Масло в измерительной ячейке не успевает подгореть и изменить свой химический состав, что обеспечивает одинаковые условия для повторных измерений.

По другим характеристикам и параметрам лучший BDV-тестер GlobeCore не уступает ни одному из известных аналогов. В настройках TOR-80 доступен выбор любого из действующих стандартов на методы электрических испытаний (IEC 60156, ASTM D877, ГОСТ 6581 и др.). Даже если стандарт со временем изменился, пользователь может быстро внести необходимые коррективы и дальше тестировать масло по актуальному алгоритму. Поэтому недорогой BDV-тестер GlobeCore можно использовать в любой стране мира. Также с его помощью тестируются жидкие диэлектрики различного происхождения с пробивным напряжением не выше 80 киловольт, изготовленные на основе нефти, растительных масел или полученные синтетическим путем.

Прибор имеет компактные размеры: ширину – 49 сантиметров, длину – 32 сантиметра и высоту – 30 сантиметров, а также интегрированные в корпус ручки, с помощью которых легко перемещается внутри лаборатории или переносится из одного помещения в другое.

Процесс испытаний масла на пробой прост. Сотруднику электротехнической лаборатории необходимо подключить прибор к питающей сети, вставить измерительную ячейку, наполнить ее маслом, выбрать необходимый стандарт и запустить процесс путем нажатия соответствующей кнопки. Все остальное BDV-тестер TOR-80 сделает сам в автоматическом режиме, после чего уже через пять минут на дисплее появится результат первого измерения пробивного напряжения в киловольтах.

Погрешность измерений пробивного напряжения после цикла испытаний не превышает одного процента. Такая точность достигается за счет разработанных GlobeCore технологий и новых стандартов в индустрии.

Одновременно прибор остается удобным и практичным. При необходимости результаты измерений можно распечатать на встроенном термопринтере или перенести накопленный массив данных с помощью флешки из внутренней энергонезависимой памяти на компьютер для последующей статистической обработки и визуализации.

При соблюдении правил эксплуатации использование TOR-80 безопасно для персонала лаборатории. Верхняя крышка не только защищает образцы и рабочую зону от загрязнений, но и оснащена устройством контроля положения. При положении крышки “открыто” блокируется подъем тестирующего напряжения и поражение электрическим током исключается.

Перед отправкой в лаборатории электроэнергетических компаний все приборы проверяются на соответствие техническим требованиям и характеристикам путем испытания реальных образцов масла, для которых проводится не менее 900 измерений, что эквивалентно 150 циклам испытаний, а также проверкой с помощью высокоточных киловольтметров.

Тестирование масел с помощью нового прибора TOR компании GlobeCore позволяет вовремя выявить критическое снижение пробивного напряжения и быстро принять решение о замене или очистке масла.

Правила оформления протокола испытаний

Шаблон протокола, как правило, печатается на компьютере, основные сведения в него можно вносить как от руки, так и в печатном виде. Оформлять документ допустимо на обычном листе А4 формата или на фирменном бланке предприятия – второй вариант освобождает от необходимости вбивать реквизиты фирмы вручную.

Протокол обязательно должен быть заверен оригиналами подписей ответственных лиц.

При этом печать на нем ставить не обязательно, поскольку с 2016 года наличие печатей и штампов у юридических лиц не является требованием со стороны закона (т.е. штамповать документы можно только при добровольном волеизъявлении руководства фирмы).

Протокол пишется в стольких экземплярах, сколько необходимо для всех заинтересованных сторон. После утраты актуальности документ передается на хранение в архив предприятия, где содержится на протяжении установленного для таких бумаг периода.

Испытание трансформаторного масла производится повышенным напряжением, что может быть смертельно опасно для неспециалиста. Специалисты нашей электролаборатории выполнят эту работу безопасно, быстро и качественно. Саму процедуру испытания трансформаторного масла можно разделить на несколько отдельных этапов, таких как:

– Отбор проб масла;

Рассмотрим каждый из этапов более подробно.

Отбор проб масла.

Основная задача персонала при отборе проб – обеспечить качество отбора пробы. Небрежный отбор проб или загрязнение пробоотборной посуды приводит к ошибочным заключениям в отношении качества масла и к неоправданным потерям времени, трудозатрат и расходов на транспортировку и контроль проб, т.е. правильный и грамотный отбор проб является важнейшим фактором для получения достоверных результатов испытаний. При отборе проб эксплуатационного масла следует соблюдать следующие основные правила:

– выполнять отбор проб после необходимого специального инструктажа персонала;

– избегать выполнения отбора проб при плохой погоде;

– использовать только специально подготовленную чистую и сухую посуду – стеклянные бутылки – которые транспортируется к месту отбора проб герметично закрытыми и желательно в специальном контейнере или коробке для устранения риска ее загрязнения;

– слить достаточное количество масла (не менее двух литров) для удаления загрязнений, которые могут находиться на пробоотборном патрубке;

– ополоснуть пробоотборную посуду отбираемым маслом (двукратно);

– обеспечить наполнение каждого сосуда не менее чем на 95% его вместимости, желательно использовать при этом чистые и сухие шланги из силикона, которые погружаются до дна посуды;

– герметично закрывать сосуд сразу же после его заполнения пробкой желательно полиэтиленовой или из маслостойкой резины;

– восстановить после отбора пробы первоначальный вид пробоотборной точки;

– проверить правильность и полноту маркировки этикетки;

– хранить образцы проб в темном и прохладном месте, если в качестве пробоотборника использовались прозрачные бутылки, не допускать близкого контакта с источником тепла.

Отбор проб из оборудования производится при обычном режиме работы или сразу после его отключения. Эту рекомендацию особенно важно выполнять, когда определяется влагосодержание или зависящие от него характеристики (Uпр, tgδ и др.). После доставки проб в лабораторию не следует сразу открывать сосуды и приступать к испытаниям, а необходимо подождать до тех пор, пока температура пробы не достигнет комнатной.

Визуальный контроль трансформаторного масла

Визуальный контроль выполняют, рассматривая жидкий диэлектрик в пробе или в кювете при толщине слоя 10 мм в проходящем свете, определяя его цвет (возможно сравнение с рядом цветовых стандартов), наличие в нем загрязнений (механических примесей, дисперсной воды, осадков), прозрачность. Результат контроля считается неудовлетворительным, если жидкость содержит видимые загрязнения, если она мутная или значительно потемнела по сравнению с предыдущим испытанием. Следует отметить, что визуальный контроль не является основным критерием отбраковки трансформаторного масла. На основании результатов визуального контроля принимается решение о проведении дополнительных лабораторных испытаний с определением влагосодержания, наличия осадков или содержания механических примесей, а также других показателей качества. Если дополнительные лабораторные испытания подтвердят неудовлетворительные результаты визуального контроля, то в протоколе испытаний указывается необходимость замены, очистки и регенерации трансформаторного масла.

Непрерывный BDV-тест в потке

Кроме лабораторных анализов практический интерес для владельцев трансформаторов и сервисных организаций представляет возможность определения пробивного напряжения масла онлайн, то есть без отбора проб. Компанией GlobeCore производится BDV-тестер онлайн, точнее, целая диагностическая система TOR-5, которая позволяет определять важные параметры трансформаторного масла. TOR-5 устанавливается возле трансформатора и подключается к нему. После подключения масло непрерывно циркулирует по замкнутому контуру через датчики. Датчики измеряют важные параметры масла. Кроме того, что эти параметры сами по себе являются диагностической информацией, по ним также рассчитываются дополнительные показатели, которые дают более полную картину о состоянии трансформаторного масла в режиме «онлайн». Один из расчетных показателей – это пробивное напряжение масла.

Все измеренные и рассчитанные параметры накапливаются с частотой один раз в минуту и доступные для просмотра и анализа в специальном веб-приложении, которое можно открыть в любой точке земного шара при наличии доступа к сети Интернет.

Объем и периодичность испытаний

Согласно действующим нормам масло испытывается в следующих случаях:

В процессе хранения электрических аппаратов. Регулярность испытаний зависит от класса напряжения оборудования. Например, масло в устройствах до 35,0 кВ тестируется раз в полгода, а в оборудовании, рассчитанном на 110,0 кВ и более, испытания проводятся через каждые 4-е месяца. Если заправка производилась свежими трансформаторными маслами, то достаточно проверки электрической прочности, в противном случае выполняют сокращенный химанализ.
Перед запуском в работу. Проба из бака оборудования должна быть взята до включения трансформаторов или других устройств, использующих масло. Объем испытаний указывается производителем электрооборудования.
В процессе эксплуатации масляных выключателей, высоковольтных трансформаторов, специальных аппаратах измерения тока и т.д. Регулярность испытаний зависит от назначения оборудования и класса напряжения. Например, для силовых трансформаторов до 35,0 кВ, проводят испытания со следующей периодичностью:

После запуска в работу 5 раз в течение первого месяца, при этом 3 теста должны быть выполнены в первые две недели, оставшиеся в последующие две недели.
Далее производятся измерения с периодичностью в 4-е месяца.