eng
Трансформаторы – важнейшие элементы энергоснабжения и при правильных условиях эксплуатации могут работать до 30 лет и более. Конструкция трансформаторов предполагает использование разнородных материалов: для обкладок – электротехническую сталь, для их изоляции – бумагу, прессованный картон, дерево, а для охлаждения – трансформаторные масла. Большие нагрузки, скачки напряжения, перегрев в режиме чрезвычайной ситуации или нарушение режима охлаждения ведут к ускоренному старению органических материалов, входящих в состав трансформаторов, что приводит к сокращению их срока службы. Для контроля старения трансформаторных масел разработаны специальные методы мониторинга, основанные на измерениях поверхностного натяжения и вязкости. Новые материалы также целесообразно подвергать подобному алгоритму тестирования.
Теги: surface tension tensiometer transformers viscometer вискозиметр поверхностное натяжение тензиометр трансформаторы
Измерение поверхностного
натяжения
Сила поверхностного натяжения возникает на границе газообразных, жидких и твердых тел. Ее величина зависит от состава соприкасающихся веществ. Если в трансформаторном масле появляются полярные молекулы, возникающие при разложении трансформаторных бумаги и масла, то изменяется и сила поверхностного натяжения. Рассмотрим, из-за чего это происходит. На границе масло/воздух молекулы поверхностного слоя масла взаимодействуют друг с другом сильнее, чем с молекулами воздуха (рис.1) . Похожее неравновесие возникает на границе двух несмешивающихся жидкостей, например между водой и маслом. Под действием силы поверхностного натяжения жидкость сжимается в форму с минимальной поверхностью, т.е. вода образует сферические капли в масле. Если в масле есть примеси, ситуация меняется. Например, молекулы поверхностно-активных веществ обладают амфифильными свойствами: одна часть молекулы, гидрофобная, состоит из неразветвленной углеводородной цепи CH3 (CH2)n (n>4), а другая, гидрофильная, содержит полярную функциональную группу типа COOH или ион небольшого размера, например COO– или N (CH3)3+. Такие молекулы распределяются на границе масло/вода в энергетически самой благоприятной позиции, снижая поверхностное натяжение (рис.2). Поскольку очень маленького их количества достаточно для того, чтобы закрыть всю поверхность раздела тонким слоем, то, измеряя поверхностное натяжение, можно определить следовые количества веществ этой группы. Другими аналитическими методами определить такие маленькие концентрации очень сложно.
Поверхностное натяжение измеряется прибором под названием тензиометр, единица измерения коэффициента поверхностного натяжения – Н/м. Определить его можно несколькими способами. Давно известен испытанный метод Дю Нуи (Du Noüy), когда максимальная сила поверхностного натяжения Fmax измеряется высокочувствительным тензодатчиком с помощью горизонтального платинового кольца (ASTM D971:99a и ASTM D1331). Сила поверхностного натяжения максимальна в момент отрыва от поверхности жидкости извлекаемого из нее кольца. Определив силу отрыва, можно найти коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Измерения по методу Дю Нуи комфортно производить при помощи автоматического тензиометра LAUDA TD 3 c встроенным термостатом на элементах Пельтье LAUDA PTT (рис.3). Альтернативный метод определения веса капли или объема капли (ASTM D2285:99) основан на том, что в момент отрыва капли от капилляра сила поверхностного натяжения, которая действует вдоль периметра шейки капли и препятствует ее отрыву, равна весу капли. Наполненный водой шприц с плоскошлифованным капилляром помещают в тестируемое масло вертикально, затем, продвигая поршень, добиваются образования на кончике капилляра капли и ее падения через слой масла на дно собирающей кюветы. Момент падения фиксируется оптическим детектором. Зная диаметр сечения капилляра и измерив пройденное поршнем шприца расстояние, можно определить объем капли, а значит, и поверхностное натяжение. Автоматический тензиометр LAUDA TVT 2 позволяет проводить измерения по методу объема капли (рис.4). Точность обоих методов зависит от гомогенности проб или чистоты транспортных и лабораторных сосудов, а также частей приборов, вступающих в контакт с пробой.
Поверхностное натяжение как количественная
характеристика качества
изолирующих масел
Основой для контроля и обслуживания изолирующих жидкостей является международный стандарт IEC 60422 (VDE 0370). Согласно стандарту качество масла определяется его внешним видом и цветом, а также аналитически определяемыми параметрами: содержанием воды, кислотным числом, коэффициентом потерь и др. Еще один, легко измеряемый даже в мобильном варианте, индикатор качества трансформаторных масел – коэффициент поверхностного натяжения. Его величина является показателем концентрации полярных молекул в масле, возникающих в процессе старения. Чем выше эта концентрация, тем ниже поверхностное натяжение и тем больше изолирующее масло склонно к образованию осадка. Причина в прогрессивном старении (окислении) масла, например из-за проникновения воды или разрушения целлюлозы. Этот процесс ухудшает диэлектрические качества изолирующей системы, особенно твердой изоляции. Осадок препятствует охлаждению обмоток, ухудшая теплоотдачу. В свою очередь перегрев приводит к преждевременному старению бумаги обмоток. Коэффициент поверхностного натяжения менее 15 мН/м указывает на возможное образование осадка, поэтому уже при значениях ниже 22 мН/м рекомендуются профилактические работы по улучшению качества масла или его замене независимо от показателя кислотного числа.
Измерения вязкости
методом Уббелоде
Вязкость как характеристика текучести – следующий важный показатель всех масел и трансформаторных масел в частности: чем ниже вязкость, тем лучше охлаждение. Измеряя вязкость масла, косвенно можно также проверить качество изолирующей бумаги. Различают два вида вязкости: динамическая, зависящая от свойств вещества, например от плотности (единица измерения Па·с), и кинематическая, не зависящая от плотности (единица измерения м²/с). Последнюю можно очень точно определить с помощью стеклянных вискозиметров, например типа Уббелоде, которыми измеряется время, требуемое для заданной пробы на то, чтобы под влиянием силы тяжести пройти через капилляр определенного диаметра и длины. У современных приборов имеются оптические детекторы, заменившие глаз и секундомер. Вискозиметрия по методу Уббелоде давно себя зарекомендовала и сегодня практически полностью автоматизирована. Так, автоматически производится не только хронометраж, но отбор проб и промывка капиллярных вискозиметров. Широко используются модульные системы с вискозиметрами Уббелоде фирмы LAUDA, подобранные в соответствии с требованиями заказчиков (рис.5).
Определение качества
изоляционной бумаги
Бумага – это полимер, т.е. она состоит из длинных цепочек полимеризованных колец глюкозы. Степень полимеризации (параметр СП) бумаги непосредственно влияет на ее механические свойства, например на прочность при растяжении. Типичное значение СП новой бумаги около 1000–1100, которое со временем уменьшается из-за процессов старения. Значение СП изолирующей бумаги важно для механической нагрузки и в особенности для нагрузки короткого замыкания, трансформаторов. Снижение значения СП примерно до 200–150 означает окончание эксплуатации трансформатора.
Скорость старения зависит от температуры и содержания влаги в изоляции, типичная кривая старения представлена на рис.6. Трансформаторы с влажной изоляцией и высокими рабочими температурами стареют до 20 раз быстрее. В соответствии с IEC 60450 степень полимеризации изоляционной бумаги определяется с помощью вязкости растворов. Измерение вязкости растворов – давно зарекомендовавший себя метод определения изменения длин цепей полимеров. Характеристическая вязкость, определенная как предел отношения разности между значением вязкости полимерного раствора и растворителя к произведению концентрации полимера в растворе на вязкость растворителя, коррелирует со степенью полимеризации (т.е. длиной цепи). Стандарты устанавливают, какие измерительные условия должны быть соблюдены. Для бумаги и целлюлозы часто используется медно-этилендиаминовый растворитель, так как он обеспечивает растворение целлюлозы без деструкции ее молекул.
Тестирование изолирующих масел в экстремальных
условиях
Трансформаторы часто применяются в районах с очень суровыми климатическими условиями. В арктических регионах температура в выключенном трансформаторе может опускаться ниже –40°C, что, в дополнение к резкому увеличению вязкости и, следовательно, к изменению изоляционных свойств, при определенных обстоятельствах может привести к повреждению трансформатора. Поэтому необходимо испытывать масла, производимые для применения в экстремальных температурах. Благодаря модульной конструкции системы измерения вязкости LAUDA PVS с вискозиметрами Уббелоде идеально подходят для контроля масел при различных температурах. Один из измерительных штативов помещают в охлаждаемый термостат и таким образом охватывают широкий диапазон от –40°C до температуры, намного превышающей рабочую. При значительном различии вязкости при низких и высоких температурах стеклянный капилляр вискозиметрической ячейки может быть легко заменен на другой. Таким образом, эти измерения можно проводить параллельно с испытаниями СП на одном и том же приборе.
Полностью автоматизированные тензиометры и системы измерения вязкости в сочетании с точной термостатирующей техникой фирмы LAUDA облегчают контроль важных параметров трансформаторных масел и изолирующей бумаги. Сегодня они входят в число испытательного оборудования для контроля старения трансформаторных масел, способствуют продлению срока службы трансформаторов, а также важны при разработке новых материалов для трансформаторов.
натяжения
Сила поверхностного натяжения возникает на границе газообразных, жидких и твердых тел. Ее величина зависит от состава соприкасающихся веществ. Если в трансформаторном масле появляются полярные молекулы, возникающие при разложении трансформаторных бумаги и масла, то изменяется и сила поверхностного натяжения. Рассмотрим, из-за чего это происходит. На границе масло/воздух молекулы поверхностного слоя масла взаимодействуют друг с другом сильнее, чем с молекулами воздуха (рис.1) . Похожее неравновесие возникает на границе двух несмешивающихся жидкостей, например между водой и маслом. Под действием силы поверхностного натяжения жидкость сжимается в форму с минимальной поверхностью, т.е. вода образует сферические капли в масле. Если в масле есть примеси, ситуация меняется. Например, молекулы поверхностно-активных веществ обладают амфифильными свойствами: одна часть молекулы, гидрофобная, состоит из неразветвленной углеводородной цепи CH3 (CH2)n (n>4), а другая, гидрофильная, содержит полярную функциональную группу типа COOH или ион небольшого размера, например COO– или N (CH3)3+. Такие молекулы распределяются на границе масло/вода в энергетически самой благоприятной позиции, снижая поверхностное натяжение (рис.2). Поскольку очень маленького их количества достаточно для того, чтобы закрыть всю поверхность раздела тонким слоем, то, измеряя поверхностное натяжение, можно определить следовые количества веществ этой группы. Другими аналитическими методами определить такие маленькие концентрации очень сложно.
Поверхностное натяжение измеряется прибором под названием тензиометр, единица измерения коэффициента поверхностного натяжения – Н/м. Определить его можно несколькими способами. Давно известен испытанный метод Дю Нуи (Du Noüy), когда максимальная сила поверхностного натяжения Fmax измеряется высокочувствительным тензодатчиком с помощью горизонтального платинового кольца (ASTM D971:99a и ASTM D1331). Сила поверхностного натяжения максимальна в момент отрыва от поверхности жидкости извлекаемого из нее кольца. Определив силу отрыва, можно найти коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Измерения по методу Дю Нуи комфортно производить при помощи автоматического тензиометра LAUDA TD 3 c встроенным термостатом на элементах Пельтье LAUDA PTT (рис.3). Альтернативный метод определения веса капли или объема капли (ASTM D2285:99) основан на том, что в момент отрыва капли от капилляра сила поверхностного натяжения, которая действует вдоль периметра шейки капли и препятствует ее отрыву, равна весу капли. Наполненный водой шприц с плоскошлифованным капилляром помещают в тестируемое масло вертикально, затем, продвигая поршень, добиваются образования на кончике капилляра капли и ее падения через слой масла на дно собирающей кюветы. Момент падения фиксируется оптическим детектором. Зная диаметр сечения капилляра и измерив пройденное поршнем шприца расстояние, можно определить объем капли, а значит, и поверхностное натяжение. Автоматический тензиометр LAUDA TVT 2 позволяет проводить измерения по методу объема капли (рис.4). Точность обоих методов зависит от гомогенности проб или чистоты транспортных и лабораторных сосудов, а также частей приборов, вступающих в контакт с пробой.
Поверхностное натяжение как количественная
характеристика качества
изолирующих масел
Основой для контроля и обслуживания изолирующих жидкостей является международный стандарт IEC 60422 (VDE 0370). Согласно стандарту качество масла определяется его внешним видом и цветом, а также аналитически определяемыми параметрами: содержанием воды, кислотным числом, коэффициентом потерь и др. Еще один, легко измеряемый даже в мобильном варианте, индикатор качества трансформаторных масел – коэффициент поверхностного натяжения. Его величина является показателем концентрации полярных молекул в масле, возникающих в процессе старения. Чем выше эта концентрация, тем ниже поверхностное натяжение и тем больше изолирующее масло склонно к образованию осадка. Причина в прогрессивном старении (окислении) масла, например из-за проникновения воды или разрушения целлюлозы. Этот процесс ухудшает диэлектрические качества изолирующей системы, особенно твердой изоляции. Осадок препятствует охлаждению обмоток, ухудшая теплоотдачу. В свою очередь перегрев приводит к преждевременному старению бумаги обмоток. Коэффициент поверхностного натяжения менее 15 мН/м указывает на возможное образование осадка, поэтому уже при значениях ниже 22 мН/м рекомендуются профилактические работы по улучшению качества масла или его замене независимо от показателя кислотного числа.
Измерения вязкости
методом Уббелоде
Вязкость как характеристика текучести – следующий важный показатель всех масел и трансформаторных масел в частности: чем ниже вязкость, тем лучше охлаждение. Измеряя вязкость масла, косвенно можно также проверить качество изолирующей бумаги. Различают два вида вязкости: динамическая, зависящая от свойств вещества, например от плотности (единица измерения Па·с), и кинематическая, не зависящая от плотности (единица измерения м²/с). Последнюю можно очень точно определить с помощью стеклянных вискозиметров, например типа Уббелоде, которыми измеряется время, требуемое для заданной пробы на то, чтобы под влиянием силы тяжести пройти через капилляр определенного диаметра и длины. У современных приборов имеются оптические детекторы, заменившие глаз и секундомер. Вискозиметрия по методу Уббелоде давно себя зарекомендовала и сегодня практически полностью автоматизирована. Так, автоматически производится не только хронометраж, но отбор проб и промывка капиллярных вискозиметров. Широко используются модульные системы с вискозиметрами Уббелоде фирмы LAUDA, подобранные в соответствии с требованиями заказчиков (рис.5).
Определение качества
изоляционной бумаги
Бумага – это полимер, т.е. она состоит из длинных цепочек полимеризованных колец глюкозы. Степень полимеризации (параметр СП) бумаги непосредственно влияет на ее механические свойства, например на прочность при растяжении. Типичное значение СП новой бумаги около 1000–1100, которое со временем уменьшается из-за процессов старения. Значение СП изолирующей бумаги важно для механической нагрузки и в особенности для нагрузки короткого замыкания, трансформаторов. Снижение значения СП примерно до 200–150 означает окончание эксплуатации трансформатора.
Скорость старения зависит от температуры и содержания влаги в изоляции, типичная кривая старения представлена на рис.6. Трансформаторы с влажной изоляцией и высокими рабочими температурами стареют до 20 раз быстрее. В соответствии с IEC 60450 степень полимеризации изоляционной бумаги определяется с помощью вязкости растворов. Измерение вязкости растворов – давно зарекомендовавший себя метод определения изменения длин цепей полимеров. Характеристическая вязкость, определенная как предел отношения разности между значением вязкости полимерного раствора и растворителя к произведению концентрации полимера в растворе на вязкость растворителя, коррелирует со степенью полимеризации (т.е. длиной цепи). Стандарты устанавливают, какие измерительные условия должны быть соблюдены. Для бумаги и целлюлозы часто используется медно-этилендиаминовый растворитель, так как он обеспечивает растворение целлюлозы без деструкции ее молекул.
Тестирование изолирующих масел в экстремальных
условиях
Трансформаторы часто применяются в районах с очень суровыми климатическими условиями. В арктических регионах температура в выключенном трансформаторе может опускаться ниже –40°C, что, в дополнение к резкому увеличению вязкости и, следовательно, к изменению изоляционных свойств, при определенных обстоятельствах может привести к повреждению трансформатора. Поэтому необходимо испытывать масла, производимые для применения в экстремальных температурах. Благодаря модульной конструкции системы измерения вязкости LAUDA PVS с вискозиметрами Уббелоде идеально подходят для контроля масел при различных температурах. Один из измерительных штативов помещают в охлаждаемый термостат и таким образом охватывают широкий диапазон от –40°C до температуры, намного превышающей рабочую. При значительном различии вязкости при низких и высоких температурах стеклянный капилляр вискозиметрической ячейки может быть легко заменен на другой. Таким образом, эти измерения можно проводить параллельно с испытаниями СП на одном и том же приборе.
Полностью автоматизированные тензиометры и системы измерения вязкости в сочетании с точной термостатирующей техникой фирмы LAUDA облегчают контроль важных параметров трансформаторных масел и изолирующей бумаги. Сегодня они входят в число испытательного оборудования для контроля старения трансформаторных масел, способствуют продлению срока службы трансформаторов, а также важны при разработке новых материалов для трансформаторов.
Отзывы читателей
