ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАСЛА: виды и свойства
Изоляционные масла, являясь жидкими диэлектриками, должны обеспечивать изоляцию токонесущих частей электрооборудования (трансформаторов, конденсаторов, кабелей и др.), служить теплоотводящей средой, а также способствовать быстрому гашению электрической дуги в выключателях. К этой группе масел относят трансформаторные, конденсаторные и кабельные масла и масло для выключателей.
Трансформаторные масла
Трансформаторные масла применяют для заливки силовых и измерительных трансформаторов, реакторного оборудования, а также масляных выключателей. В последних аппаратах масла выполняют функции дугогасящей среды.
Электроизоляционные свойства масел определяются в основном тангенсом угла диэлектрических потерь. Диэлектрическая прочность трансформаторных масел в основном определяется наличием волокон и воды, поэтому механические примеси и вода в маслах должны полностью отсутствовать. Низкая температура застывания масел (-45 °С и ниже) необходима для сохранения их подвижности в условиях низких температур. Для обеспечения эффективного отвода тепла трансформаторные масла должны обладать наименьшей вязкостью при температуре вспышки не ниже 95, 125, 135 и 150 °С для разных марок.
Наиболее важное свойство трансформаторных масел - стабильность против окисления, т. е. способность масла сохранять параметры при длительной работе. В России все сорта применяемых трансформаторных масел ингибированы антиокислительной присадкой - 2,6-дитретичным бутилпаракрезолом (известным также под названиями ионол, агидол-1 и др.). Эффективность присадки основана на ее способности взаимодействовать с активными пероксидными радикалами, которые образуются при цепной реакции окисления углеводородов и являются основными ее носителями. Трансформаторные масла, ингибированные ионолом, окисляются, как правило, с ярко выраженным индукционным периодом.
В первый период масла, восприимчивые к присадкам, окисляются крайне медленно, так как все зарождающиеся в объеме масла цепи окисления обрываются ингибитором окисления. После истощения присадки масло окисляется со скоростью, близкой к скорости окисления базового масла. Действие присадки тем эффективнее, чем длительнее индукционный период окисления масла, и эта эффективность зависит от углеводородного состава масла и наличия примесей неуглеводородных соединений, промотирующих окисление масла (азотистых оснований, нафтеновых кислот, кислородсодержащих продуктов окисления масла).
На рисунке показана зависимость длительности индукционного периода окисления трансформаторного масла при одной и той же концентрации присадки от содержания в нем ароматических углеводородов. Окисление проводилось в аппарате, регистрирующем количество поглощаемого маслом кислорода при 130 °С в присутствии катализатора (медной проволоки) в количестве 1 см2 поверхности на 1 г масла с окисляющим газом (кислородом) в статических условиях. Происходящее при очистке нефтяных дистиллятов снижение содержания ароматических углеводородов, как и удаление неуглеводородных включений, повышает стабильность ингибированного ионолом трансформаторного масла.
Международная электротехническая комиссия разработала стандарт (Публикация 296) "Спецификация на свежие нефтяные изоляционные масла для трансформаторов и выключателей". Стандарт предусматривает три класса трансформаторных масел:
I - для южных районов (с температурой застывания не выше -30 °С), II - для северных районов (с температурой застывания не выше -45 °С) и III - для арктических районов (с температурой застывания -60 °С). Буква А в обозначении класса указывает на то, что масло содержит ингибитор окисления, отсутствие буквы означает, что масло не ингибировано.
В таблице приведены заимствованные из стандарта МЭК 296 требования к маслам классов II, II А, III, III А. Масла классов I и IA в России не производят и не применяют.
Требования Международной электротехнической комиссии к трансформаторным маслам классов II, НА, III, IIIA
| Показатели | Метод испытаний | Требования к классам | |
| II и IIA | III и IIIA | ||
| Кинематическая вязкость, мм2/с, при температуре: 40°С | ISO 3104 | 11,0 | 3,5 |
| -30 °С | 1800 | - | |
| -40 °С | - | 150 | |
| Температура, °С: вспышки в открытом тигле, не ниже | ISO 2719 | 130 | 95 |
| застывания, не выше | ISO 3016 | -45 | -60 |
| Внешний вид | Определяется визуально в проходящем свете при комнатной температуре и толщине 10 см | Прозрачная жидкость, не содержащая осадка и взвешенных частиц | |
| Плотность, кг/дм3 | ISO 3675 | <=0,895 | |
| Поверхностное натяжение, Н/м, при 25 °С | ISO 6295 | См.прим.1 | |
| Кислотное число, мг КОН/г | Поп.7.7 МЭК 296 | <=0,03 | |
| Коррозионная сера | ISO 5662 | Не коррозионно | |
| Содержание воды, мг/кг | МЭК 733 | См. прим. 2 | |
| Содержание антиокислительных присадок | МЭК 666 | Для классов II и III - отсутствие, для классов IIА и IIIA - см. прим. 3 | |
| Окислительная стабильность: кислотное число, мг КОН/г | МЭК 1125А для классов II и III; | <= 4 | |
| массовая доля осадка, % | МЭК 1125 В для классов IIА и IIIA | <= 0,1См.прим.4 | |
| Пробивное напряжение, кВ: в состоянии поставки | МЭК 156 | >= 30 | |
| после обработки | >= 50 * | ||
| Тангес угла диэлектрических потерь при 90 °С и 40-60 Гц | МЭК 247 | <= 0,005 | |
| * Результат показывает, что загрязнения могут быть легко удалены обычными средствами обработки. | |||
| Примечания.1. Спецификация не нормирует этот показатель, хотя некоторые национальные стандарты включают требование не менее 40-Ю'3 Н/м. 2. Спецификация не нормирует этот показатель, хотя в некоторых странах существуют нормы 30 мг/кг при отгрузке партией и 40 мг/кг при отгрузке в бочках. 3. Тип и содержание антиокислителя согласовываются между поставщиком и потребителем. 4. Спецификация не нормирует этот показатель. Известно, что хорошие масла имеют индукционный пеоиод более 120 ч. | |||
Трансформаторные масла работают в сравнительно "мягких" условиях. Температура верхних слоев масла в трансформаторах при кратковременных перегрузках не должна превышать 95 °С. Многие трансформаторы оборудованы пленочными диафрагмами или азотной защитой, изолирующими масло от кислорода воздуха. Образующиеся при окислении некоторые продукты (например, гидроперекиси, мыла металлов) являются сильными промоторами окисления масла. При удалении продуктов окисления срок службы масла увеличивается во много раз. Этой цели служат адсорберы, заполненные силикагелем, подключаемые к трансформаторам при эксплуатации. Срок службы трансформаторных масел в значительной мере зависит также от использования в оборудовании материалов, совместимых с маслом, т. е. не ускоряющих его старение и не содержащих нежелательных примесей. Для высококачественных сортов трансформаторных масел срок службы без замены может составлять 20-25 лет и более.
Перед заполнением электроаппаратов масло подвергают глубокой термовакуумной обработке. Согласно действующему РД 34.45-51.300-97 "Объем и нормы испытаний электрооборудования" концентрация воздуха в масле, заливаемом в трансформаторы с пленочной или азотной защитой, герметичные вводы и герметичные измерительные трансформаторы не должна превышать 0,5 % (при определении методом газовой хроматографии), а содержание воды 0,001 % (маc. доля). В силовые трансформаторы без пленочной защиты и негерметичные вводы допускается заливать масло с содержанием воды 0,0025 % (маc. доля). Содержание механических примесей, определяемое как класс чистоты, не должно быть хуже 11 -го для оборудования напряжением до 220 кВ и хуже 9-го для оборудования напряжением выше 220 кВ. При этом показатели пробивного напряжения в зависимости от рабочего напряжения оборудования должны быть равны (кВ):
Рабочее напряжение оборудования | Пробивное напряжение масла |
| До 15 (вкл.) | 30 |
| Св. 15 до 35 (вкл.) | 35 |
| От 60 до 150 (вкл.) | 55 |
| От 220 до 500 (вкл.) | 60 |
| 750 | 65 |
Непосредственно после заливки масла в оборудование допустимые значения пробивного напряжения на 5 кВ ниже, чем у масла до заливки. Допускается ухудшение класса чистоты на единицу и увеличение содержания воздуха на 0,5 %.
В этом же РД указаны значения показателей масла, по которым состояние эксплуатационного масла оценивается как нормальное. При превышении этих значений должны быть приняты меры по восстановлению масла или устранению причины ухудшения показателя. Помимо этого даны значения показателей, при которых масло подлежит замене. В таблице ниже приведены требования к эксплуатационным маслам. Сорбенты в термосифонных и адсорбционных фильтрах трансформаторов согласно РД 34.20.501-95 "Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации" следует заменять в трансформаторах мощностью свыше 630 кВ-А при кислотном числе масла более 0,1 мг КОН/г, а также при появлении в масле растворенного шлама, водорастворимых кислот и (или) повышении тангенса угла диэлектрических потерь выше эксплуатационной нормы. В трансформаторах мощностью до 630 кВ-А адсорбенты в фильтрах заменяют во время ремонта или при эксплуатации при ухудшении характеристик твердой изоляции. Содержание влаги в сорбенте перед загрузкой в фильтры не должно превышать 0,5 %.
Требования к качеству эксплуатационных трансформаторных масел
Показатели | Метод испытаний | Категория электро-оборудования | Значение, ограни-чивающее область нормального состояния масла | Предельно допустимые значения |
| Пробивное напряжение, кВ,не менее | ГОСТ 6581-75 | Электрообо-рудование: до 15 кВ (вкл.) | - | 20 |
| до 35 кВ (вкл.) | - | 25 | ||
| от60до150кВ (вкл.) | 40 | 35 | ||
| от 220 до 500 кВ (вкл.) | 50 | 45 | ||
| 750 кВ | 60 | 55 | ||
| Кислотное число, мг КОН/г, не более | ГОСТ 5985-79 | Силовые и измерительные трансформаторы и негерме тичные вводы | 0,10 | 0,25 |
| Температура вспышки в закрытом тигле, °С, не ниже | ГОСТ 63-56-75 | То же | 5 °С ниже предыдущего анализа | 125 |
| Содержание воды, %, не более | ГОСТ 7822-75 | Трансформаторы с пленочной или азотной защитой, герметичные вводы и герметичные измерительные трасформаторы | 0,0015 | 0,0025 |
| Силовые и измерительные трансформаторы без защиты масла, негерметичные вводы | - | 0,003 | ||
| Класс чистоты | ГОСТ 17216-71 | Электрообо-рудование: до 220 кВ (вкл.) | 13 | 13 |
| св. 220кВдо750кВ (вкл.) | 11 | 12 | ||
| Тангенс угла диэлектрических потерь при 70/90 °С, % | ГОСТ 6591-73 | Электрообо-рудование: 110-150 кВ (вкл.) | 8/12 | 10/15 |
| 220-500 кВ (вкл.) | 5/8 | 7/10 | ||
| 750 кВ | 2/3 | 3/5 | ||
| Содержание водорастворимых кислот, мг КОН/г, не более | - | Силовые трансформаторы, герметичные вводы, герметичные трансформаторы, напряжение до 750 кВ (вкл.) | 0,014 | - |
| Негерметичные вводы и измерительные трансформаторы, напряжение до 500 кВ (вкл.) | 0,030 | - | ||
| Массовая доля, %: антиокислительной присадки 2,6-дитрет- бутил-4- метилфенол, не менее | - | Трансформаторы без специальной защиты масла, негерметичные вводы, напряжение свыше 110 кВ | 0,1 | - |
| растворенного шлама, не более | - | Силовые и измерительные трансформаторы, негерметичные вводы, напряжение свыше 110кВ | - | 0,05 |
| фурановых производных (фурфурола), не более * | - | Трансформаторы и вводы, напряжение свыше 110 кВ | 0,0015(0,001) | - |
| Газосодержание, % (об.), не более | - | Трансформаторы с пленочной защитой, герметичные вводы | 2 | 4 |
| * Фурановые соединения рекомендуется определять в случае обнаружения в трансформаторном масле значительных количеств характерных газов (СО и СО 2 ) хроматографическим анализом растворенных газов, которые свидетельствуют о возможных дефектах и процессах разрушения твердой изоляции. | ||||
Ассортимент трансформаторных масел
Нефтеперерабатывающая промышленность выпускает несколько сортов трансформаторных масел. Они различаются по используемому сырью и способу получения.
Масло ТКп (ТУ 38.101890-81) вырабатывают из малосернистых нафтеновых нефтей методом кислотно-щелочной очистки. Содержит присадку ионол. Рекомендуемая область применения - оборудование напряжением до 500 кВ включительно.
Масло селективной очистки (ГОСТ 10121-76) производят из сернистых парафинистых нефтей методом фенольной очистки с последующей низкотемпературной депарафинизацией; содержит присадку ионол. Рекомендуемая область применения - оборудование напряжением до 220 кВ включительно.
Масло Т-1500У (ТУ 38.401-58-107-97) вырабатывают из сернистых парафинистых нефтей с использованием процессов селективной очистки и гидрирования. Содержит присадку ионол. Обладает улучшенной стабильностью против окисления, имеет невысокое содержание сернистых соединений, низкое значение тангенса утла диэлектрических потерь. Рекомендовано к применению в электрооборудовании напряжением до 500 кВ и выше.
Масло ГК (ТУ 38.1011025-85) вырабатывают из сернистых парафинистых нефтей с использованием процесса гидрокрекинга. Содержит присадку ионол. Полностью удовлетворяет требованиям стандарта МЭК 296 к маслам класса ПА. Обладает хорошими диэлектрическими свойствами, высокой стабильностью против окисления и рекомендовано к применению в электрооборудовании высших классов напряжении.
Масло ВГ (ТУ 38.401978-98) вырабатывают из парафинистых нефтей с применением гидрокаталитических процессов. Содержит присадку ионол. Удовлетворяет требованиям стандарта МЭК 296 к маслам класса ПА. Обладает хорошими диэлектрическими свойствами, высокой стабильностью против окисления и рекомендовано к применению в электрооборудовании высших классов напряжений.
Масло АГК (ТУ 38.1011271-89) вырабатывают из парафинистых нефтей с применением гидрокаталитических процессов. Содержит присадку ионол. По низкотемпературной вязкости и температуре вспышки является промежуточным между маслами классов ПА и IIIA стандарта МЭК 296. Обладает хорошими диэлектрическими свойствами, высокой стабильностью против окисления. Предназначено для применения в трансформаторах арктического исполнения.
Масло МВТ (ТУ 38.401927-92) вырабатывают из парафинистых нефтей с применением гидрокаталитических процессов. Содержит присадку ионол. Удовлетворяет требованиям стандарта МЭК 296 к маслам класса IIIA. Обладает уникальными низкотемпературными свойствами, низким тангенсом угла диэлектрических потерь и высокой стабильностью против окисления. Рекомендовано к применению в масляных выключателях и трансформаторах арктического исполнения.
Характеристики трансформаторных масел
Показатели | ТКп | Маслоселек- тивной очистки | Т-1500У | ГК | ВГ | АГК | МВТ |
| Кинематическая вязкость, мм2/с, при температуре: 50 °С | 9 | 9 | - | 9 | 9 | 5 | - |
| 40 °С | - | - | 11 | - | - | - | 3,5 |
| 20 °С | - | 28 | - | - | - | - | - |
| -30 °С | 1500 | 1300 | 1300 | 1200 | 1200 | - | - |
| -40 °С | - | - | - | - | - | 800 | 150 |
| Кислотное число, мг КОН/г, не более | 0,02 | 0,02 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,02 |
| Температура, °С: вспышки в закрытом тигле, не ниже | 135 | 150 | 135 | 135 | 135 | 125 | 95 |
| застывания, не выше | -45 | -45 | -45 | -45 | -45 | -60 | -65 |
| Содержание: водорастворимых кислот и щелочей | Отсут- ствие | - | - | - | - | - | |
| маханических примесей | Отсут- ствие | - | Отсут- ствие | - | Отсут- ствие | ||
| фенола | - | Отсут- ствие | - | - | - | - | - |
| серы, % (маc. доля) | - | 0,6 | 0,3 | - | - | - | - |
| сульфирующихся веществ, % (об.), не более | - | - | - | - | - | - | 10 |
| Стабильность, показатели после окисления, не более: осадок, % (маc. доля) | 0,01 | Отсут- ствие | 0,015 | 0,015 | Отсут- ствие | ||
| легучие низкомолекулярные кислоты мг КОН/г | 0,005 | 0,005 | 0,05 | 0,04 | 0,04 | 0,04 | 0,04 |
| Кислотное число, мг КОН/г | 0,1 | 0,1 | 0,2 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 |
| Стабильность по методу МЭК, индукционный период,ч, не менее | - | - | - | 150 | 120 | 150 | 150 |
| Прозрачность | - | Прозрачно при 5 °С | Прозрачно при 20 °С | - | - | - | - |
| Тангенс угла диэлектрических потерь при 90 °С, %, не более | 2,2 | 1,7 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 |
| Цвет, ед. ЦНТ, не более | 1 | 1 | 1,5 | 1 | 1 | 1 | - |
| Коррозия на медной пластинке | Выдер- живает | - | Выдер- живает | ||||
| Показатель преломления, не более | 1,505 | - | - | - | - | - | - |
| Плотность при 20 °С, кг/м3, не более | 895 | - | 885 | 895 | 895 | 895 | - |
| Примечание. Условия окисления при определении стабильности по методу ГОСТ 981-75: | |||||||
Масло | Температура, °С | Длительность, ч | Расход кислорода, мл/мин |
| ТКп и масло селективной очистки | 120 | 14 | 200 |
| Т-1500У | 135 | 30 | 50 |
| ГК и АГК | 155 | 14 | 50 |
| ВГ | 155 | 12 | 50 |
Конденсаторные масла
Конденсаторные масла применяют для заливки и пропитки изоляции бумажно-масляных конденсаторов, используемых в электро- и радиотехнике. Особенно важны для этих масел хорошие диэлектрические свойства, которые обеспечиваются высоким удельным электрическим сопротивлением и низким тангенсом угла диэлектрических потерь при частотах 50 и 1000 Гц.
Конденсаторные масла в соответствии с ГОСТ 5775 - 85 вырабатывают двух марок: из малосернистых беспарафинистых нефтей методом сернокислотной очистки и из сернистых парафинистых нефтей методом фенольной очистки и низкотемпературной депарафинизации (это масло содержит антиокислительную присадку - 0,2 % ионола).
Характеристики конденсаторных масел
Показатели | Масло сернокислотной очистки | Масло фенольной очистки |
| Плотность, кг/дм3 | - | 860-865 |
| Кинематическая вязкость, мм2/с, при температуре: 20°С | 45,0 | 30,0 |
| 50 °С | 12,0 | 9,0 |
| Кислотное число, мг КОН/г | 0,02 | 0,02 |
| Показатель преломления, не более | - | 1,4790 |
| Зольность, %, не более | Отсут- ствие | 0,005 |
| Температура, °С: вспышки в открытом тигле, не ниже | 135 | 150 |
| застывания, не выше | -14 | -45 |
| Содержание: водорастворимых кислот и щелочей | Отсут- ствие | - |
| фенола | - | Отсут- ствие |
| серы, % (маc. доля) | - | 0,7-0,8 |
Кабельные масла
Кабельные масла служат пропиточной и изолирующей средой в маслонаполненных кабелях. Они должны обладать хорошими диэлектрическими свойствами - низким тангенсом угла диэлектрических потерь, высокой устойчивостью к воздействию ионизированного электрическим полем газа (газостойкостью), стабильностью электрических свойств при длительном нагревании.
Масло КМ-22 (ТУ 38.301029-26-89) получают методом очистки селективным растворителем. Предназначено для варки пропиточных масс силовых кабелей напряжением 1-35 кВ с бумажной изоляцией.
Масло МНК-4В (ТУ 38.401-58-76-93) получают с использованием гидрокаталитических процессов из парафинистых нефтей. Содержит присадки, улучшающие стабильность при старении с воздействием электрического поля.
Характеристики кабельных масел
Показатели | КМ-22 | МНК-4В |
| Кинематическая вязкость, мм2/с, при температуре: 100°С | 22,0 | - |
| 50 °С | - | 3,7-8,0 |
| 20 °С | - | 6-16 |
| 0 °С | - | 110 |
| Кислотное число, мг КОН/г | 0,03 | 0,02 |
| Температура, °С: вспышки в закрытом тигле, не ниже | 170 | 135 |
| застывания, не выше | -10 | -45 |
| Содержание: механических примесей | Отсутствие | |
| сульфирующихся веществ, % (об.), не более | - | 10-20 |
| Прозрачность | - | Прозрачно |
| Тангенс угла диэлектрических потерь при 100 °С, не более в исходном состоянии | - | 0,003 |
| после старения при 100 °С в течение 300 ч в присутствии меди | - | 0,35 |
| Газопоглощение в электрическом поле, мл, не менее | - | 0,2 |
| Удельное объемное электрическое сопротивление при 100 °С и напряжении не менее 100 В, Ом-см, не менее | 1,5*10 10 | - |
C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка смазочных масел можно познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок смазочных масел в России».