CC BY
9
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
УДК 621.315.615.2 Б01: 10.15587/2312-8372.2016.72899
П0Р1ВНЯЛЬННй АНАД13 ХАРАКТЕРИСТИК 130ЛЯЦ1ЙННХ
Р1ДНН рослинного походжЕння для високовольтного
ЕЛЕКТРооБЛАДнАннЯ
Представлено дат дослгджень впливу рослинног сировини на характеристикиргдин, що можуть використовуватись в якостг дгелектрика у високовольтному електрообладнаннг. Увага придгле-на особливостям досягнення необхгдног термоокисног стабгльностг таких ргдин, вгдмтностям процесу старгння в них паперовог гзоляцгг, можливостям дгагностування дефектгв обладнання на пгдставг контролю газоутворення. Зазначено, що використання р1зног рослинног сировини призводить до появи вгдмгнностей у виготовленнг та застосуваннг ргдин вказаного призначення.
Клпчов1 слова: гзоляцшшргдинирослинного походження, стартня, зволоження, газоутворення, дгелектрики високовольтного електрообладнання.
Абрамов В. Б., Проценко о. Р.
1. Вступ
У якост рщкого дiелектрика для високовольтного електрообладнання вже достатньо тривалий час вико-ристовуеться виготовлене iз нафти мшеральне масло — iзоляцiйна олива. Вона мае достатню юльюсть позитив-них властивостей, але являе собою певну пожежну та еколопчну небезпеку для довкшля. Серед шших iзоля-цшних рвдин випдно, в цьому вщношенш, вiдрiзняються рщини, виготовленi з рослинно! сировини — iзоляцiйнi рiдини рослинного походження (1РРП). Вони легко пiддаються бюрозкладу, тобто не мiстять небезпеки для екологп, мають достатньо високi температури спалаху i займання, а ще, на вiдмiну вiд iзоляцiйноi оливи, виготовлюються iз сировини, ресурси яко! достатньо легко вiдновлюються.
Проте, у порiвняннi з тiею ж iзоляцiйною оливою, 1РРП дещо поступаються ш за деякими показниками електрично! мщносп, тепловiдведення та тривалостi експлуатацп. Тому, наряду з практичним використан-ням 1РРП для високовольтного електрообладнання, не втрачена актуальшсть продовження дослiджень та ко-ригування характеристик цих рщин задля отримання кращо! вiдповiдностi споживчим вимогам.
2. об'скт дослщжень та його технолопчний аудит
Об'ект дослгджень — iзоляцiйнi рiдини рослинного походження (1РРП).
Характеристики 1РРП, як i будь-якого iншого рiдкого дiелектрика, залежать вiд складу хiмiчних сполук, що мктяться в них i визначаються, в основному, первин-ною сировиною для !х отримання. Склад цих сполук, технологiчнi прийоми виготовлення 1РРП i коригування властивостей вплинуть на кiнцевi споживчi характеристики, вiд яких будуть залежати не пльки кон-струкцiя та надiйнiсть тривало! роботи високовольтного
електрообладнання, але i можлившть достовiрного дiаг-ностування стану цього обладнання [1]. Тому, наряду з використанням вже кнуючих комерцшних 1РРП, продовжуються розробки та дослвдження iнших рiдин такого ж природного походження та призначення.
3. Мета та задач1 дослщження
Метою дослгдження е отримання висновюв стосовно особливостей експлуатацп високовольтного електрообладнання з 1РРП.
Задля досягнення цього для ряду рщин рiзного рослинного походження буде зроблено порiвняння та ана-лiз результатiв дослiджень деяких основних показниюв споживчих характеристик, а саме:
— термоокислювально! стабiльностi з коригуванням и шляхом введення антиокислювальних присадок;
— взаемодп з целюлозною iзоляцiею пiд час ста-рiння;
— вологовмкту, як фактору впливу на надшшсть експлуатацп iзоляцii;
— газоутворення, особливост якого використову-ються для дiагностування електрообладнання з рщ-кими дiелектриками.
4. Анал1з л1тературних даних
1золяцшт рiдини використовуються в багатьох видах високовольтного електрообладнання i виконують, як правило, двi основш функцп: дiелектрика та охолоджувача. Це призводить до того, що особливост характеристики пе! чи iншоi iзоляцiйноi рiдини враховують пiд час конструювання вказаного обладнання — впливають на його конструкщю i габарити [1].
1РРП, якi е альтернативою iзоляцiйнiй оливi у високовольтному електрообладнаннi, мають певт переваги у вiдношеннi до шших рщин аналогiчного призначення. 1м властивi вiдносно мала вартiсть, за умов яюсного
технологiчного оброблення — достатня електроiзоляцiйна здатнiсть, вiдповiднiсть вимогам екологiчноi безпеки, вказана вище вiдновлюванiсть ресурсiв сировини. Але вщмшносп вiд iзоляцiйноi оливи, зокрема, менша iм-пульсна електрична мщшсть, бiльша в'язкiсть, менша термоокисна стабшьшсть i ряд iнших [2-4], спонукають до пошуку технологiчних прийомiв коригування цих показникiв. 1РРП можуть мати рiзне рослинне похо-дження [5-8], а отже i рiзний склад хiмiчних сполук, що вплинуть на характеристики 1РРП [8-10]. Порiвнян-ня результатiв дослiджень характеристик рiзних 1РРП i будуть предметом розгляду в цш статтi.
5. Матер1али та методи дослщжень
В статт надаються результати дослiджень рiдин, ви-готовлених iз рiзноi рослинноi сировини, що за при-значенням розглядаються, як рiдкi дiелектрики. Пiд час дослщжень виявлялись особливостi змiн ряду характеристик цих рщин у разi iх старiння та контакту з шшими матерiалами (речовинами). Застосоваш методики та отриманi результати даш нижче.
6. Результати дослщжень
6.1. Пор1вняння результата досл1дження старшня р1-дин рослинного походження. Вщомо, що основою 1РРП е ефiри жирних кислот, але '¿х кшьюсний i якiсний склад залежить вщ первинноi сировини, з котро' вони отримуються. Стосовно сировинного походження, 1РРП може бути кукурудзяною, рисовою, соняшниковою, ба-вовняною, рапсовою, пальмовою тощо, тобто умовно вiднесеною до однiеi (чи декшькох) iз придатних для виготовлення ще' 1РРП рослин, у т. ч. генномодифжо-ваних. Склад основних хiмiчних сполук у таких рiдинах вiдрiзняеться, що впливае на вiдмiнностi характеристик цих 1РРП [2, 11]. Вщмшносп будуть спостерiгатись для цих рщин у вихiдному станi i бшьш показово — пiсля впливу на них експлуатацшних факторiв (температури, кисню, термiну використання тощо).
Для прикладу в табл. 1 наведет вихщш значення ряду показниюв для двох комерцшних 1РРП, що мають торгову марку i вже визнанi придатними для вико-ристання в високовольтних силових трансформаторах, та трьох рщин рослинного походження (РРП), що на пiдставi дослщжень та необхщних коригувань технологи виготовлення можуть бути вщнесеними до 1РРП.
В табл. 1 застосоваш наступш позначення окремих рщин:
— «В1ОТЕМР» — марка комерцшно! 1РРП; основною сировиною для виготовлення е соняшник та соя; виробник — фiрма АВВ;
— «Biovolt A» — марка комерцшно! 1РРП; основною сировиною для виготовлення е кукурудза; виробник
— фiрма Mineraltec;
— «VO-1» — умовне позначення дослщжувано! РРП з со! [8];
— «VO-2» — умовне позначення дослщжувано! РРП з рису [8];
— «VO-3» — умовне позначення дослщжувано! РРП з соняшника [8].
Комерцшш 1РРП задля забезпечення ix тривало! роботи без суттевих змш показникiв мiстять антио-кислювальнi присадки (шпбггари), що вибираються на стадп розробки цих рiдин. Пiдставою вибору слугують дослiдження, де рiдини пщдають тому або iншому ста-ршню з метою визначення ix термоокисно! стабiльностi.
Пiд час старiння утворюеться певна кiлькiсть продук-тiв, склад i вмiст яких буде залежати вщ складу xiмiчниx сполук вихщно! РРП. Серед таких продуктiв е ri, що за сво!ми фiзико-xiмiчними властивостями можуть бути вiднесенi, зокрема, до кислот, до провщних i полярних утворень, до продуктiв ущшьнення. Охарактеризувати вмiст можливо за показниками, котрi мають назву «кислотне число», «тангенс кута дiелектричниx втрат», «кiнематична в'язкiсть». Саме цi показники використаш в [8] для наведеного нижче дослщження впливу рiзниx iнгiбiторiв на термоокисну стабiльнiсть РРП.
Як результат старшня, дослiджувались змiни названих показниюв для РРП «Biovolt A», «VO-1», «VO-2» i «VO-3» без додавання та iз додаванням якогось iз iнгiбiторiв. Серед iншиx, за аналопею iз [12], були використаш шпбггари з наступними умовними позначеннями: «AD-2» (бути-льований гiдрокси-анiзол);«AD-3» (бутильований пд-рокси-толуол); «AD-4» (третичний бутил-гщрокси-хшон). Концентрацiя введення iнгiбiтора — 0,3 % за масою. До 1РРП «Biovolt A» вказанi iнгiбiтори не додавались, оскшь-ки вона вже мктила свою, вибрану для не! присадку.
Термоокислювальна стабшьшсть визначалась за дво-ма процедурами:
1. Визначення шдукцшного перюду у разi дп температури 130 °С та витратi повиря 10 л/год.
2. Пришвидшене старшня у разi дп протягом 102 год. температури 95 °С та витрат кисню 1 л/год.
таблиця 1
Показники якосп iз□ляцiйних рiдин рослинного походження
Показник Допустиме значення Значення показнитв для окремих РРП
ВШТЕМР Biovolt A VO-1 VO-2 VO-3
Кислотне число, мг KOH/г РРП 0,06, max 0,03 0,05 0,08 0,04 0,06
Питома вага, г/см3 0,96, max 0,91 0,92 0,92 0,92 0,92
Тангенс кута дiелектричних втрат за 90 °C, % 3,6, max 1,92 3,32 2,81 1,95 5,97
Температура спалаху, (°C) 275, min 330 312 318 318 312
Температура займання, °C 300, min 360 346 352 357 350
Пробивна напруга, (кВ) 30, min 45 55 42 37 37
Кшематична в'язкiсть за 40 °C, сСт 50, max 45 36,1 33,1 32,4 37,5
Кшематична в'язшсть за 100 °C, сСт 15, max 10 8,45 7,8 7,7 8,4
Температура застигання, °C -10, max -15 -21 -12 -15 -6
За першою процедурою отриманi результати аналь зувались у порiвняннi до 1РРП «Biovolt А», для яко1 iндукцiйний перiод мав прийнятне значення i становив майже 15 год. Цей показник для «VO-1», «VO-2» i «VO-3» без додавання присадок не перевищував 3,5 год., а до-давання до них присадок «AD-2» i «AD-З» практично не змшювало величину названого перiоду — вш не перевищував 4,0 год. Тшьки присадка «AD-4» дозволила отримати позитивний результат: для «VO-З» щдукцшний перiод досягнув 15 год., для «VO-1» — 13,5 год. i для «VO-2» — 13 год. Тобто, у порiвняннi з шшими, ця присадка виявилась найбiльш ефективною.
За другою процедурою, де старшня i оцiнка йо-го результапв виконувалась згiдно iз стандартом IEEE Std C57.147 [13], було тдтверджено, що 1РРП «Biovolt А», тсля 102 год. старiння, повнiстю вщповь дала встановленим вимогам до значень контрольованих показникiв, а саме:
а) кислотне число не перевищувало 0,3 мг KOH/г РРП;
б) тангенс кута дiелектричних втрат за температури 25 °С не перевищував 3 % (вщповщно, за 90 °С — 30 %);
в) кiнематична в'язюсть за температури 40 °С не збшьшилась понад 10 % ввд початкового значення.
Результати визначення цих показниюв, пiсля ана-логiчного старшня РРП <<^Э-1», «^Э-2» i «^Э-3», показали наступне:
а) стосовно показника «кислотне число»:
— без додавання присадок тшьки для «VO-1» значення кислотного числа не перевищило межу 0,3 мг КОН/г РРП протягом всього часу старшня, для «^Э-2» i «VO-3» ця межа була перевищена;
— iз додаванням вибрано! присадки «AD-4», пiсля 102 год. старшня, значення показника в мг КОН/г РРП перевищило допустиму межу i для «^О-1» становило приблизно 0,5, для «^О-3» — 0,6, для «^Э-2» — 0,65, причому значення для вах 1РРП були вищими, анiж без додавання до них присадки;
б) стосовно показника «тангенс кута дiелектричних втрат», визначеного за температури 90 °С:
— без додавання присадок i тсля додавання присадки «AD-4» в результат старшня для жодно! iз РРП «VO-1», «VO-2» i «^Э-3» значення показника не перевищило допустимо! межi i становило для «^0-1» майже 3 %, для «Ш-3» — 4 % i для «Ш-2» — 9 %;
— особливктю було те, що, на вщмшу вiд «V0-1» i «^Э-3», для яких спостерiгалось поступове зростан-ня показника в часi, для «^Э-2» у перiод часу старшня вщ 80 год. до 90 год. вщбулось рiзке (приблизно у 4 рази) збшьшення значення показника;
в) стосовно показника «юнематична в'язюсть за температури 40 °С»:
— критерiем вщповвдносп вимогам позитивного результату е те, що старшня за вказаною вище про-
цедурою не повинно призвести до збшьшення показника понад 10 % вщ початкового значення РРП, тобто для «^0-1» значення в'язкост не повинно бути бшьшим за 36,4 сСт, для «^Э-2» — 35,6 сСт i для «V0-3» — 41,2 сСт;
— без додавання присадок ва РРП через 102 год. старшня не задовольняли вказаному критерш вщпо-вщностк збiльшення значень показника понад 10 % для «^Э-1» i «V0-3» сталося через 21 год., а для «V0-2» — через 30 год.;
— додавання присадки «AD-4», збшьшило ввдпо-вщний час для «V0-1» i «^Э-3» до 69 год., а для «^0-2» — до 54 год., але вш був меншим за 102 год. Додатковим тдтвердженням того, що вихщний склад
хiмiчних сполук впливае на змшу значень контрольо-ваних показникiв i потребуе рiзних iнгiбiторiв, е уза-гальнююча шформащя, представлена в табл. 2, де за показниками кожна iз РРП розташована в порядку вiд «кращо!» до «гiршоi».
6.2. Поршняння результатов дослщження впливу рщин рослинного походження на паперову 1золяц1ю. I Ил впливом експлуатацшних фактор1в — теплових, х1м1чних, елект-ричних та ряду шших, в целюлознш 1золяцГ! (nanip, картон тощо) йде процес старiння, який попршуе ïï характеристики. Суттево не впливаючи на електричнi властивостi, старшня рiзко проявляеться в змiнi меха-нiчних характеристик. У зв'язку з цим, виникае певний штерес до аналiзу результатiв лослiлження впливу за-значених вище факторiв на старшня целюлозноï iзоляцiï, яка знаходиться в середовишд 1РРП та '¿х порiвняння з аналогiчними, коли оточуючим середовищем е iзо-ляцiйна олива.
Результати дослвджень, навеленi в [8], дозволять отримати вщповда на леякi з питань, що визначають повелiнку целюлозних матерiалiв в рiзних iзоляцiйних рщинах. Для експериментiв були використанi наступш матерiали:
1. 1РРП марки «BIOTEMP» (п. 6.1 цiеï статтi).
2. Iзоляцiйна олива марки «Nytro 11 RU» фiрми Nynas, Швецiя.
3. Крафт-патр (електротехнiчний) фiрми ABB Séche-ron, Швейцарiя.
Зразки iзоляцiйних рщин були висушенi при тем-пературi 60 °С протягом 24 годин. Причому iзоляцiйна олива використовувалося з мщним пасиватором, в той час як 1РРП — в тому вигляд^ як його представив виробник. Початкова волопсть паперових зразкiв ста-новила 0,5 %. Була використана необхщна кiлькiсть розмiшених в герметичних об'емах наборiв зразкiв як iзоляцiйних рiлин з крафт-папером, так i контрольних — без крафт-паперу. Гранична температура експерименту становила 190 °С. На кожнш температурнш ступенi визначення показниюв зразки знаходилися 24 години.
Таблиця 2
Змша значень гаказнитв для д^слщжуваних РРП
Етап д^слщжень Кислотне числ^ Тангенс кута дiелектричних втрат В'язтсть 1ндукцшний першд
Вихщна РРП VO-2, VO-3, VO-1 VO-2, VO-1, VO-3 VO-2, VO-1, VO-3 —
Визначення iндукцiйн□г□ перi□ду — — — VO-3, VO-1, VO-2
Пришвидшене старшня VO-1, VO-3, VO-2 VO-1, VO-3, VO-2 VO-1, VO-3, VO-2 —
При визначеннi вологостi iзоляцiйних рвдин за-стосовувалася методика, що вщповвдала публiкацii 1ЕС 60814 [14], для оцшки кiлькостi фуранових з'ед-нань — 1ЕС 61198 [15], при визначенш ступеня поль меризацп крафт-паперу — 1ЕС 60450 [16].
Дослвдження [8], показали, що початковий вмшт води в зразках iзоляцiйноi помггно менше, нiж в зразках з 1РРП — 8 мг/кг проти 60 мг/кг. Зi збiльшенням температури i тривалостi старiння iзоляцii у вах зразках спостерiгаеться зростання вмшту води. Збiльшення кiлькостi води в 1РРП спостерiгаеться вже тсля 100 °С i в кшщ експерименту (при 190 °С) становить при-близно 184 мг/кг. А от в iзоляцiйнiй оливi збшьшення кiлькостi води починае спостерiгатися пльки з 135 °С, але в кшщ експерименту (при 190 °С) волопсть п скла-ла близько 60 мг/кг, що приблизно в три рази менше в порiвняннi з 1РРП.
Оскiльки зразки при випробуваннях перебували в герметичних об'емах, можна припустити, що над-лишок вологи в iзоляцiйнiй оливi та 1РРП з'явився за рахунок вилучення и iз крафт-паперу. Оскiльки збiльшення вологи в 1РРП склало близько 124 мг/кг, а для iзоляцiйноi оливи — 50-60 мг/кг, то в [8] був зроблений висновок, що патр, який знаходиться в 1РРП в процеа експлуатацii «тдсушуеться» значно бшьше, нiж той, що знаходиться в iзоляцiйнiй оливi. Подiбнi результати також були отримаш в [17, 18]. Поясненням цього явища може служити той факт, що пгроскотч-шсть ефiрiв бiльше гiгроскопiчностi iзоляцiйноi оливи. В [11] прямо стверджуеться, що 1РРП «ВЮТЕМР» може поглинати воду у великих юлькостях, сприяючи збшьшенню термiну служби крафт-паперу. Дослiдження, основане на вимiрi межi мiцностi на розрив i вимь рi ступеня полiмеризацii крафт-паперу, показало, що занурений в 1РРП «В10ТЕМР» крафт-папiр служить удвiчi довше аналогiчного крафт-паперу, що знаходиться в середовишд iзоляцiйноi оливи.
Дослщження [8] також показало: зростання температури в процес старшня 1РРП та iзоляцiйноi оливи призводить до зменшення вмiсту розчиненого кисню в обох iзоляцiйних рiдинах. Вщзначаеться також, що споживання кисню в процес деградацп крафт-паперу не дуже значимь Це означае, що основною причиною деградацп паперу вважаеться гiдролiз, а окислення вь дiграе другорядну роль.
Швидюсть старiння iзоляцiйного крафт-паперу оцшювали шляхом визначення змiни ступеня полiме-ризацп (СП) з часом старшня. Значення СП можуть вказувати на рiвень мехашчно' мiцностi крафт-паперу. Новий (не використовуваний) крафт-патр мае стутнь полiмеризацii, який становить близько 1200. У мiру старiння крафт-паперу, полiмернi ланцюги розриваються на бшьш короткi, знижуючи середнiй рiвень СП. Не-безпечним може вважатись зменшення СП до 200 [9], коли патр стае ламким та крихким. Таким чином, цей метод дозволяе ощнити деградащю крафт-паперу з часом. У мiру того як крафт-патр деградуе, утворюються фурановi з'еднання в iзоляцiйних рвдинах, присутнiсть яких може опосередковано сввдчити про протжання процесiв старiння [19]. Цей факт знайшов тдтверджен-ня в [8], де також показано, що кнуе певна кореля-цiя мiж концентращею фуранових з'еднань i ступенем деградацп крафт-паперу. Деградащя з гидролiтичним розкладанням целюлози супроводжуеться видшенням
води i формальдегiду [17] та утворенням гiдроксиль-них груп ОН.
Вимiрянi значення СП показали, що початкова деградащя крафт-паперу ввдбуваеться при температурi близько 90 °С в 1РРП «В10ТЕМР» i близько 110 °С в iзоляцiйнiй оливь При температурi нижче 130 °С деградацiя крафт-паперу в 1РРП трохи вища, шж в iзо-ляцшнш оливi, хоча значення i не суттево вiдрiзняеться. Однак, при температурi вище за 130 °С, навпаки, СП в iзоляцiйнiй оливi зменшуеться швидше, нiж в 1РРП [8], вказуючи на те, що термiчне старшня крафт-паперу в 1РРП ввдбуваеться з меншою швидкiстю, нiж в iзо-ляцiйнiй оливi.
Бiльш повшьна деградацiя паперу при температурi вищш нiж 130 °С в 1РРП може бути пов'язано з тим, що розчиншсть води в 1РРП вища, нiж в iзоляцiйнiй олив^ i ця вiдмiннiсть може мати визначальний вплив. Висока розчиншсть води в 1РРП (як i в шших iзолю-ючих рiдинах на основi триглiцеридiв) може запобiгти накопиченню вологи в крафт-паперу таким чином упо-вiльнюючи гидролiтичне розкладання целюлози.
В [17] вказуеться, що i для триглiцеридiв (голов-них компоненпв 1РРП) основним шляхом до деградацп е гiдролiз, а не окислення. Вш забезпечуе наявнiсть жирних кислот, необхщних для хiмiчноi модифiкацii целюлози. Реактивш групи ОН, що утворюються в результат деградацп целюлози, вступають у взаемодт з жирними кислотами при протжанш реакцп переете-рифiкацii. В результатi зменшуеться штенсившсть деградацп целюлози. Швидкiсть вказано' реакцп i дiя п впливу зростають iз збiльшенням температури. Що i було пiдтверджено авторами [17] шляхом шфрачер-воно' спектроскопГ! крафт-паперу, зануреного в 1РРП при температурi 170 °С. Це е додатковим (^м ефекту вiд зменшення вологовмкту) поясненням бiльш низько' швидкостi старшня крафт-паперу в 1РРП, нiж в iзо-ляцiйнiй оливi при температурах вищих шж 130 °С.
Про можлившть iснування ефекту захисту целю-лозно' iзоляцii продуктами перетворення складових 1РРП згадуеться i в [8], де вказуеться на вщкладення на крафт-паперi за д11 високих температур желеподiбноi речовини, яка утворилась в результат деградацГ! 1РРП i слугуе, на думку авторiв, захистом крафт-паперу вщ подальшо' деградацГ!.
Описанi результати дослщжень по деградацГ! крафт-паперу в 1РРП дають пiдстави для твердження про перспектившсть застосування 1РРП як дiелектричних рiдин в силових трансформаторах.
6.3. nорiвняння результат1в дослщження газоутворен-ня у разi ди на рiдин рослинного походження теплових i електричних факторiв. Як зазначалось в [1], iзоляцiйнi рiдини використовуються також для потреб дiагносту-вання високовольтного електрообладнання. Зокрема, це стосуеться контролю наявносп дефектiв за допомогою обробки результапв визначення якiсного та кшьюсного вмiсту газiв, розчинених в пробах таких рвдин. Дiагнос-тування виконуеться на пiдставi методик, встановлених нормативними документами, i полягае у порiвняннi отриманих результатiв з типовими значеннями ^ у разi перевищення таких значень, встановленш виду i характеру дефекту за допомогою певних стввщношень мiж газами [20]. Таю методики, зокрема 1ЕС 60599 [21], вже достатньо тривалий час устшно використовуються для обладнання з iзоляцiйною оливою. Але, осюльки
встановлення дiагнозу виконуеться шляхом порiвняння фактичних результатiв визначення ra3ÍB Í3 вказаними в методиках критерiями, доцшьно буде з'ясувати при-йнятнiсть вже напрацьованих методик i для обладнання з 1РРП.
Для тих самих рщин, що вказанi в п. 6.1 ще1 статтi, крiм наведених вище дослiджень, були виконанi також роботи, яю дозволяють зробити порiвняння особли-востей газоутворення пiд час деструкцп рiдин рiзного походження за наявност в обладнаннi дефектiв елект-ричного i термiчного характеру.
В [8] для дослщження газоутворення, ^м рiдин з по-значенням «VO-1», «VO-2», «VO-3», «Biovolt A» (п. 6.1), була використана також iзоляцiйна олива з умовним позначенням «MIO». Дослщження виконувалось шляхом моделювання дп дефектiв розрядного i термiчного характеру та визначенням iз заданою перiодичнiстю наявностi та вмiсту розчинених в цих рщинах газiв. Визначення виконувалось для водню (H2), метану (CH4), етану (C2H6), етилену (C2H4) та ацетилену (C2H2).
Моделювання дп розряду (дефекту розрядного характеру), що за рiвнем енергп вщповщав би дуговому розряду (розряду велико! енергп), створювалось елект-ричним пробоем тд час прикладання напруги приблизно 40 кВ до зразюв рщин в промiжку з вiдстанню 2,5 мм мiж пласкими електродами. Через кожш 15, 45, 75 i 105 пробо1в iз дослiджуваного зразка вщбиралась проба для визначення в нш якiсного i юльюсного вмiсту утворених газiв.
Моделювання дп перегрiву створювалось на^ван-ням зразюв рщин до температури 150 °С i витримкою за тако1 температури протягом 288 годин. Через одна-ковi для всiх рiдин моменти часу iз дослiджуваного зразка вщбиралась проба та визначались в нш якiсний i кiлькiсний вмiст утворених газiв.
Оскiльки визначення вмiсту розчинених газiв проводиться, як правило, з використанням коефщенпв 1х розчинност (коефiцiентiв Оствальда), тому до прове-дення дослiджень значення цих коефщенпв для кожно1 iз рiдин «VO-1», «VO-2», «VO-3» були вимiрянi [8]. Щ та iншi данi представлеш в табл. 3.
Таблиця 3
КоефщЕнти розчинност Оствальда
Розчинений газ Значення к□ефiцiEнтiв р□зчинн□стi Оствальда
VO-1* VO-2* VO-3* Biovolt A** 1золяцшш оливи***
H2 0,050 0,047 0,046 0,054 0,05
□г 0,150 0,097 0,105 0,100 0,17
N2 0,070 0,059 0,074 0,071 0,09
CH4 0,300 0,230 0,270 0,305 0,43
CO 0,090 0,079 0,105 0,110 0,12
С0г 1,330 0,920 1,025 1,190 1,08
C2H6 1,450 1,160 1,425 1,374 2,40
C2H4 1,190 1,180 1,430 1,303 1,70
C2H2 1,630 1,200 1,230 1,520 1,20
Примгтка: * — визначено за температури 25 °С згiдн□ з методикою АБТИ Б 2780 [22]; ** — данi за температури 25 °С, наданi виготовлювачем та вказата в [8]; *** — дата за температури 20 °С, вказаш в 1ЕС 60599 [21]
Оскiльки коефiцiенти Оствальда практично не за-лежать вiд температури, то вс данi табл. 3 можна по-рiвнювати. Вони свiдчать про вщмшносп значень не тiльки мiж iзоляцiйними оливами та РРП, але i мiж рiдинами рослинного походження, виготовленими iз рiзноi сировини. Нехтування вказаними вщмшносп мо-жуть призвести до суттевих похибок тд час визначення концентрацш одних i тих самих газiв, але розчинених в рiзних рiдинах. Наслiдком стане недостовiрне дiа-гностування дефектiв обладнання.
Результати дослщжень газоутворення, наданi в [8] у виглядi графiчних залежностей, дозволяють з при-йнятною точнiстю розрахувати вказаш в 1ЕС 60599 [21] сшввщношення газiв та порiвняти тотожшсть впливових факторiв дослiду та отриманих висновюв дiагностування для рiзних рщин.
Результати розрахункiв цих спiввiдношень для га-зiв, що утворились в рiзнi моменти моделювання дп дефекпв розрядного i термiчного характеру, представлеш в табл. 4 i 5.
Таблиця 4
Результати розрахунтв спiввiдн□шень газш згщно з 1ЕС 60599 для початково!' стадй' дослщжень
Стввщно-шення газiв Розряд, кшьтсть — 15 шт. Переев, тривалшть — 49 год.
VO-1 VO-1 VO-1 Biovolt A MIO VO-1 VO-1 VO-1 Biovolt A MIO
CH4/H2 0,06 0,08 0,03 0,27 0,01 0,09 0,33 48,8 0,83 1,97
C2H2/C2H4 15,6 11,2 10,2 10,2 7,6 — — — — —
C2H4/C2H6 > 4,8 > 8,1 > 4,8 > 4,8 > 16 0,01 0,11 0,21 0,02 0,21
Таблиця 5
Результати розрахунтв стввщношень газш згщно з 1ЕС 60599 для кшцево!' стадй' дослщжень
Сшввщношення газiв Розряд, кiлькiсть — 105 шт. Переев, триватсть — 288 год.
VO-1 VO-1 VO-1 Biovolt A MIO VO-1 VO-1 VO-1 Biovolt A MIO
CH4/H2 0,1 0,05 0,05 0,08 0,19 0,47 0,16 0,85 1,31 2,26
C2H2/C2H4 22,1 13,3 9,4 9,7 7,2 — — — — —
C2H4/C2H6 6,1 > 3,9 > 13 > 15 11,2 0,02 0,15 0,09 0,08 0,29
Порiвняння наведених в табл. 4, 5 даних з вказаними в 1ЕС 60599 [21] критерiями свщчить про наступне:
— на юнцевш стадй дослiджень з моделюванням дй розряду тiльки для зразкiв iзоляцшноi оливи «М1О» i РРП «VO-1» дiагноз спiвпадаe з характером моде-льованого дефекту — дуговий розряд (розряд висо-коi енергй), а для шших застосованих рiдин такого чикого вiднесення немае, проте, враховуючи значну концентрацiю ацетилену, дуговий розряд (розряд високо' енергй) можливо дiагностувати;
— на початковiй стадй моделювання дй розряду про те, що дефект вiдноситься до дугового розряду (розряд високо' енергй) для вах зразкiв, свiдчить саме найбшьша (у порiвняннi з iншими газами) юльюсть ацетилену та бiльший вмкт водню у вiдношеннi до шших вуглеводневих газiв;
— на юнцевш стадй дослiджень з моделюванням перерву тiльки для зразкiв iзоляцiйноi оливи «М1О» i 1РРП «Biovolt A» дiагноз спiвпадае з характером модельованого дефекту — переев з температурою менше 300 °С, а для шших застосованих рщин ви-сновок про переев зробити неможливо, особливо з урахуванням того, що в РРП «VO-1», «VO-2», «VO-3» зменшення концентрацiй вiдбуваеться у наступному прядку C2H6 > H2 > CH4 > C2H4, тобто концентрацiя етану i водню перевищуе концентрацiю метану на вщмшу вiд розподiлення газiв в iзоляцiйних оливах;
— на початковш стадй дослiджень моделювання перерву, через вказанi особливостi, дiагноз ствп-адае з характером модельованого дефекту — пере-грiв з температурою менше 300 °С — тiльки для зразюв «М1О».
Не тiльки спiввiдношення, але i абсолютш значення концентрацiй утворюваних газiв для РРП мають суттевi вiдмiнностi вiд iзоляцiйних олив за умов аналопчних впливiв. Так, наприюнщ моделювання перегрiву кон-центрацiя метану в «М1О» становила близько 60 ppm, в той час, коли в «VO-1», «VO-3» та «Biovolt A» вона знаходилась в дiапазонi 160-760 ppm. До того ж, на вщмшу ввд iзоляцiйних олив, навггь комерцiйнi 1РРП у разi перегрiвiв до 300 °С утворюють етан з концен-трацiями, бшьшими нiж метан. Так, пiсля 288 год. моделювання перерву в 1РРП «Biovolt A» [8] утворилось близько 10 ppm метану i 350 ppm етану. В [2] i для 1РРП «В1ОТЕМР» спостерйаеться ця особлившть, та вказано, що для рщин рослинного походження властиве утворення в значно бшьших юлькостях таких газiв, як окис i двоокис вуглецю — газiв, котрi мають вплив на вирiшення питань дiагностування дефектiв.
Перелiчене вказуе на те, що кнують проблеми без-застережного перенесення методик дiагностування де-фектiв високовольтного електрообладнання з iзоляцiй-ними оливами на обладнання, яке залите iзоляцiйними рiдинами рослинного походження, у т. ч. рщинами iз рiзноi рослинноi сировини.
7. SW0T-аналiз результат1в дослщжень
У разi застосування 1РРП для високовольтного електрообладнання, ^м покрашення умов пожежноi та екологiчноi безпеки, слiд очiкувати збiльшення строку служби целюлозно'! iзоляцii та зростання електрично'! мiцностi за однакового вологовмкту у порiвняннi з iзо-ляцшною оливою.
Гiрша, у порiвняннi з iзоляцiйною оливою, термо-окислювальна стабшьшсть 1РРП буде вимагати пiдбору шдиввдуальних (залежно вiд складу 1РРП) антиокис-лювальних присадок.
Залежшсть характеристик 1РРП вiд складу хiмiчних сполук вказуе на те, що досягнення необхвдних показниюв буде забезпечуватись удосконаленням технологiй виготовлення таких рщин, у т. ч. шляхом створення сумшей певно' пропорцй iз рiзноi первинно' сировини.
1снують ризики використання 1РРП в високовольтно-му електрообладнаннi, призначеному для iзоляцiйноi оливи, без змiни конструкцй цього обладнання та застосування для дiагностування такого обладнання методик, напрацьованих для iзоляцiйноi оливи.
8. Висновки
1. Первинна сировина для виготовлення РРП впли-вае не тшьки на початковi значення показниюв '¿х якостi, але i на значення цих показникiв пiсля старiння таких рiдин. Досягнення вимог певно' термоокислювально' стабiльностi забезпечуеться введенням антиокислюваль-них присадок, але, осюльки вiд первинно' сировини залежать також i вiдмiнностi у змшах кiнцевих (пiсля старiння) значень показниюв, то рiзнi 1РРП потребують тдбору сво'х iнгiбiторiв. На вiдмiну вщ використання i контролю якостi iзоляцiйноi оливи, така особливiсть буде, скорш за все, вимагати iндивiдуальноi методики контролю за концентращею кожно' присадки (комплексу присадок) в 1РРП.
2. Результати численних дослщжень свiдчать, що завдяки особливостям процесу i продукпв старiння 1РРП, в '¿х середовищд спостерiгаеться менша дегра-дацiя целюлозно' iзоляцii. Тобто строк служби твердо' компоненти iзоляцiйних конструкцiй високовольтного електрообладнання, залитих 1РРП, повинен збiльшитись, порiвняно iз застосуванням для них iзоляцiйних олив.
3. Вмiст води, що може бути розчинена в 1РРП, в деюлька десяткiв разiв перевищуе такий вмшт для iзоляцiйноi оливи [2, 8]. Осюльки, у загальному ви-падку, волога iз зовш обладнання потрапляе спочатку до рщкого дiелектрика, слiд очiкувати, що, за умов однакового темпу такого потрапляння, зволоження це-люлозно' iзоляцii буде вщбуватись значно повiльнiше у разi застосування 1РРП, анiж коли обладнання залите iзоляцiйною оливою. Крiм того, за однаково' кiлькостi води в 1РРП i iзоляцiйнiй оливi, вiдносний вологовмшт 1РРП буде значно меншим. Враховуючи, що електрич-на мiцнiсть рщких дiелектрикiв обернено пропорцiйна саме вщноснш вологостi, пробивна напруга для 1РРП буде вищою, нiж для iзоляцiйноi оливи, за однаково' абсолютно' юлькосп води в обох рiдинах.
4. Особливост газоутворення пiд час деструкцй 1РРП та розчинностi газiв в таких рщинах, скорiш за все, не дозволять застосовувати вже напрацьоваш для iзоляцiйних олив методики дiагностування наявностi та розвитку дефектiв у високовольтному обладнанш i будуть вимагати розробки сво'х оригiнальних методик.
Подяка
Автори висловлюють подяку доценту НТУУ «КП1», к. т. н. Троценку 6. О. за участь у пщготовщ первинних матерiалiв, що були використаш в цiй статтi.
Литература
1. Абрамов, В. Б. Огляд альтернатив замiни використання iзоля-цiйноi оливи у високовольтному електрообладнанш [Текст] /
B. Б. Абрамов, О. Р. Проценко, 6. О. Троценко // Технолопч-ний аудит та резерви виробництва. — 2016. — № 1/1(27). —
C. 42-49. doi:10.15587/2312-8372.2016.59617
2. Oommen, T. V. Vegetable oils for liquid-filled transformers [Text] / T. V. Oommen // IEEE Electrical Insulation Magazine. — 2002. — Vol. 18, № 1. — P. 6-11. doi:10.1109/57.981322
3. Fofana, I. 50 years in the development of insulating liquids [Text] / I. Fofana // IEEE Electrical Insulation Magazine. — 2013. — Vol. 29, № 5. — P. 13-25. doi:10.1109/mei.2013.6585853
4. Fofana, I. Challenge of mixed insulating liquids for use in highvoltage transformers. 1. Investigation of mixed liquids [Text] / I. Fofana, V. Wasserberg, H. Borsi, E. Gockenbach // IEEE Electrical Insulation Magazine. — 2002. — Vol. 18, № 3. — P. 18-31. doi:10.1109/mei.2002.1014964
5. Wilhelm, H. M. Edible natural ester oils as potential insulating fluids [Text] / H. M. Wilhelm, M. B. C. Stocco, L. Tulio, W. Uhren, S. G. Batista // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. — 2013. — Vol. 20, № 4. — P. 1395-1401. doi:10.1109/tdei.2013.6571461
6. Obande, J. O. Palm Oil As An Alternative Dielectric Transformer Coolant [Text] / J. O. Obande, J. U. Agber // International Journal of Research in Engineering and Science. — 2014. — Vol. 2, № 6. — P. 8-13.
7. Matharage, B. S. H. M. S. Performance of coconut oil as an alternative transformer liquid insulation [Text] / B. S. H. M. S. Matha-rage, M. A. R. M. Fernando, M. A. A. P. Bandara, G. A. Ja-yantha, C. S. Kalpage // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. — 2013. — Vol. 20, № 3. — P. 887-898. doi:10.1109/tdei.2013.6518958
8. Martins, M. Vegetable oils, an alternative to mineral oil for power transformers- experimental study of paper aging in vegetable oil versus mineral oil [Text] / M. Martins // IEEE Electrical Insulation Magazine. — 2010. — Vol. 26, № 6. — P. 7-13. doi:10.1109/mei.2010.5599974
9. Carcedo, J. Aging assessment of dielectric vegetable oils [Text] / J. Carcedo, I. Fernändez, A. Ortiz, F. Delgado, C. J. Renedo, C. Pesquera // IEEE Electrical Insulation Magazine. — 2015. — Vol. 31, № 6. — P. 13-21. doi:10.1109/mei.2015.7303258
10. Li, J. Preparation of a vegetable oil-based nanofluid and investigation of its breakdown and dielectric properties [Text] / J. Li, Z. Zhang, P. Zou, S. Grzybowski, M. Zahn // IEEE Electrical Insulation Magazine. — 2012. — Vol. 28, № 5. — P. 43-50. doi:10.1109/mei.2012.6268441
11. Mendes, J. C. Advanced application of a natural ester vegetable oil in a HV power transformer [Text] / J. C. Mendes, A. S. G. Reis, E. C. Nogawa, C. Ferra, A. J. A. L. Martins, A. C. Passos // CIGRE. — 2008. — Paper A2-101. — Available at: \www/URL: https://librarye.abb.com/public/d9c7f-1ba8834e4adc12577bb0037033c/Cigre%20Session%20Paper.pdf
12. Domingos, A. K. The influence of BHA, BHT and TBHQ on the oxidation stability of soybean oil ethyl esters (biodiesel) [Text] / A. K. Domingos, E. B. Saad, W. W. D. Ve-chiatto, H. M. Wilhelm, L. P. Ramos // Journal of the Brazilian Chemical Society. — 2007. — Vol. 18, № 2. — P. 416-423. doi:10.1590/s0103-50532007000200026
13. IEEE Std C57.147-2008. IEEE Guide for acceptance and maintenance of natural ester fluids in transformers [Text]. — New York, USA, 2008. — P. 1-31. doi:10.1109/ieeestd.2008.4566080
14. BS EN 60814:1998. Insulating liquids. Oil-impregnated paper and pressboard. Determination of water by automatic coulomet-ric Karl Fischer titration [Electronic resource]. — Published 15.02.1998. — Available at: \www/URL: http://dx.doi.org/ 10.3403/01317331
15. BS EN 61198:1994. Mineral insulating oils. Methods for the determination of 2-furfural and related compounds [Electronic resource]. — Published 15.06.1994. — Available at: \www/ URL: http://dx.doi.org/10.3403/00334970
16. BS EN 60450:2004. Measurement of the average viscometric degree of polymerization of new and aged cellulosic electrically insulating materials [Electronic resource]. — Published 16.08.2004. — Available at: \www/URL: http://dx.doi.org/10.3403/03097667
17. Rapp, K. J. Interaction mechanisms of natural ester dielectric fluid and kraft paper [Text] / K. J. Rapp, C. P. McShane, J. Luksich // IEEE International Conference on Dielectric Liquids, 2005. — Institute of Electrical & Electronics Engineers (IEEE), 2005. — P. 393-396.
1S. Bertrand, Y. Comparison of the oxidation stabilities of vegetable based and mineral insulating oils [Electronic resource] / Y. Bertrand, D. Laurichesse // MatPost. — Lyon, France, 2007. — Available at: \www/URL: http://2011.matpost.org/ matpost2007/docs/MATP0ST07_0058_paper.pdf
19. Mulej, M. Up-to-date experience on furans for transformer diagnostics [Text] / M. Mulej, A. Varl, M. Koncan-Gradnik. — High voltage engineering, 2004. — 6 p.
20. Шутенко, О. В. Анализ проблем, возникающих при интерпретации результатов хроматографического анализа растворенных в масле газов [Текст] / О. В. Шутенко, В. Б. Абрамов, Д. Н. Баклай // Вюник НТУ «ХП1». Енергетика: надшшсть i енергоефектившсть. — 2013. — № 59(1032). — С. 164-180.
21. BS EN 60599:2016. Mineral oil-filled electrical equipment in service. Guidance on the interpretation of dissolved and free gases analysis [Electronic resource]. — Published 31.01.2016. — Available at: \www/URL: http://dx.doi.org/10.3403/30285370
22. ASTM D2780-92(1997). Standard Test Method for Solubility of Fixed Gases in Liquids [Electronic resource]. — Available at: \www/URL: http://dx.doi.org/10.1520/d2780-92r97
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗОЛЯЦИОННЫХ ЖИДКОСТЕЙ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРООбОРУДОВАНИЯ
Представлены данные исследований влияния растительного сырья на характеристики жидкостей, которые могут использоваться в качестве диэлектрика в высоковольтном электрооборудовании. Внимание уделено особенностям достижения необходимой термоокислительной стабильности таких жидкостей, различиям процесса старения в них бумажной изоляции, возможностям диагностики дефектов оборудования на основании контроля газообразования. Отмечено, что использование различного растительного сырья приводит к появлению различий в изготовлении и применении жидкостей указанного назначения.
Ключевые слова: изоляционные жидкости растительного происхождения, старение, увлажнение, газообразование, диэлектрики высоковольтного электрооборудования.
Абрамов Володимир Борисович, кандидат технчних наук, доцент, кафедра технки та електрофiзики високих напруг, Нащональний техшчний утверситет Украти «Кигвський полi-техшчний iнститут», Украта.
Проценко Олександр Ростиславович, кандидат техжчних наук, доцент, кафедра технки та електрофiзики високих напруг, Нащональний техшчний утверситет Украти «Кигвський полiтехнiчний iнститут», Украта, е-mail: [email protected].
Абрамов Владимир Борисович, кандидат технических наук, доцент, кафедра техники и электрофизики высоких напряжений, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Украина.
Проценко Александр Ростиславович, кандидат технических наук, доцент, кафедра техники и электрофизики высоких напряжений, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Украина.
Abramov Volodymyr, National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Ukraine.
Protsenko Olexandr, National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Ukraine, е-mail: [email protected]
