Конденсаторное и кабельное масла.

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

Конденсаторные масла. Под этим термином объединена группа различных диэлектриков, применяемая для пропитки бумажно-масляной и бумажно-пленочной изоляции конденсаторов. Наиболее распространенное конденсаторное масло по ГОСТ 5775-68 производят из трансформаторного масла путем более глубокой очистки. Отличается от обычных масел большей прозрачностью, меньшим значением tg d при 20°С равен 0,01 - 0,03, а при 100°С tg d = 0,2 - 0,8; Е_пр при 20°С равно 15 - 20 МВ/м. Касторовое масло не растворяется в бензине, но растворяется в этиловом спирте. В отличие от нефтяных масел касторовое не вызывает набухания обычной резины. Этот диэлектрик относится к слабополярным жидким диэлектрикам, его удельное сопротивление при нормальных условиях составляет 10⁸ - 10¹⁰ Oм×м.

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

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

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

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

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

Возникшая после запрета хлордифенилов проблема поиска подходящего пожаробезопасного жидкого диэлектрика до сих пор не решена. В каждой стране ее пытаются решать по своему. В Великобритании пытаются внедрять диэлектрики на основе эфиров пентаэритрита (фирменное название Мидель 7221, Мидель 7131), в Германии - диэлектрики на основе эфиров фталевой кислоты (Bayelectrol, диоктилфталат). В России и некоторых других странах наиболее перспективными для применения считаются силиконы (силоксаны) или кремнийорганические жидкости. Это громадный класс жидкостей с различными электро- и теплофизическими характеристиками. Хорошо очищенные жидкости обладают e=2.5-3.5, tgd<10^-3 , r>10¹² Ом×м. Обычно у этих соединений повышенная, по сравнению с маслом, температура вспышки. Некоторые жидкости, на основе модифицированных полиметилэтилсилоксанов имеют температуру вспышки около 300°С. К недостаткам силоксанов относится то, что исследованные кремнийорганические жидкости не могут обеспечить пожаробезопасность и, следовательно, не могут полностью заменить хлордифенилы. Кроме того, они в несколько раз дороже трансформаторного масла.

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

- негорючесть;

- высокая термическая и химическая стабильность;

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

- нетоксичность, отсутствие цвета и запаха;

- возможность подбора жидкостей с различными точками кипения и

замерзания;

- низкая растворимость воды и высокая растворимость газов;

- отсутствие растворимости любых нефторированных материалов;

- высокий коэффициент температурного расширения.

Проведенные нами исследования поведения некоторых жидкостей при постоянном и переменном напряжении показывают, что по электрофизическим параметрам: удельное сопротивление, tg d, электрическая прочность, они значительно превосходят аналогичные показатели любых других жидкостей, включая минеральные масла. Они нетоксичны, неокисляемы, имеют низкую вязкость, в.т.ч. в низкотемпературной области. Ряд жидкостей имеют точку замерзания -70 °С и ниже. Основное препятствие к более широкому использованию - сравнительно высокая цена. Это препятствие может быть устранено. В настоящее время имеется задел по разработке новой, более дешевой технологии получения перфторуглеродов.

Приведем численные значения некоторых электрофизических параметров. Диэлектрическая проницаемость e = 1.8-2, tgd < 10^-4, r > (10¹²-10¹⁵) Ом×м, электрическая прочность - до 500 кВ/см. Важной особенностью является достаточно высокая электрическая прочность в газообразном (парообразном) состоянии - до 200-300 кВ/cм, т.к. фторуглеродные молекулы имеют высокое сродство к электрону, т.е. они являются электроотрицательными веществами. Из других свойств отметим не только негорючесть, но и термостабильность до температуры более 400 °С. Хотя теплопроводность фторуглеродов в два-три раза ниже, чем у трансформаторного масла, однако исключительно высокий коэффициент температурного расширения приводит к возникновению мощных конвективных потоков. При этом конвективный теплоотвод оказывается в 3-4 раза выше, чем у трансформаторного масла. Главный недостаток - дороговизна - они дороже трансформаторного масла в несколько десятков раз.

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

(более, чем в десять раз). Касторовое масло растительного происхождения, оно получается из семян клещевины. Основная область использования - пропитка бумажных конденсаторов для работы в импульсных условиях. Плотность касторового масла 0,95-0,97 т/м3, температура застывания от -10 °С до -18 °С. Его диэлектрическая проницаемость при 20°С составляет 4,0 - 4,5, а при 90°С - e = 3,5 - 4,0; tg d при 20°С равен 0,01 - 0,03, а при 100°С tg d = 0,2 - 0,8; Е_пр при 20°С равно 15 - 20 МВ/м. Касторовое масло не растворяется в бензине, но растворяется в этиловом спирте. В отличие от нефтяных масел касторовое не вызывает набухания обычной резины. Этот диэлектрик относится к слабополярным жидким диэлектрикам, его удельное сопротивление при нормальных условиях составляет 10⁸ - 10¹⁰ Oм×м.

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

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

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

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

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

Возникшая после запрета хлордифенилов проблема поиска подходящего пожаробезопасного жидкого диэлектрика до сих пор не решена. В каждой стране ее пытаются решать по своему. В Великобритании пытаются внедрять диэлектрики на основе эфиров пентаэритрита (фирменное название Мидель 7221, Мидель 7131), в Германии - диэлектрики на основе эфиров фталевой кислоты (Bayelectrol, диоктилфталат). В России и некоторых других странах наиболее перспективными для применения считаются силиконы (силоксаны) или кремнийорганические жидкости. Это громадный класс жидкостей с различными электро- и теплофизическими характеристиками. Хорошо очищенные жидкости обладают e=2.5-3.5, tgd<10^-3 , r>10¹² Ом×м. Обычно у этих соединений повышенная, по сравнению с маслом, температура вспышки. Некоторые жидкости, на основе модифицированных полиметилэтилсилоксанов имеют температуру вспышки около 300°С. К недостаткам силоксанов относится то, что исследованные кремнийорганические жидкости не могут обеспечить пожаробезопасность и, следовательно, не могут полностью заменить хлордифенилы. Кроме того, они в несколько раз дороже трансформаторного масла.

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

- негорючесть;

- высокая термическая и химическая стабильность;

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

- нетоксичность, отсутствие цвета и запаха;

- возможность подбора жидкостей с различными точками кипения и

замерзания;

- низкая растворимость воды и высокая растворимость газов;

- отсутствие растворимости любых нефторированных материалов;

- высокий коэффициент температурного расширения.

Проведенные нами исследования поведения некоторых жидкостей при постоянном и переменном напряжении показывают, что по электрофизическим параметрам: удельное сопротивление, tg d, электрическая прочность, они значительно превосходят аналогичные показатели любых других жидкостей, включая минеральные масла. Они нетоксичны, неокисляемы, имеют низкую вязкость, в.т.ч. в низкотемпературной области. Ряд жидкостей имеют точку замерзания -70 °С и ниже. Основное препятствие к более широкому использованию - сравнительно высокая цена. Это препятствие может быть устранено. В настоящее время имеется задел по разработке новой, более дешевой технологии получения перфторуглеродов.

Приведем численные значения некоторых электрофизических параметров. Диэлектрическая проницаемость e = 1.8-2, tgd < 10^-4, r > (10¹²-10¹⁵) Ом×м, электрическая прочность - до 500 кВ/см. Важной особенностью является достаточно высокая электрическая прочность в газообразном (парообразном) состоянии - до 200-300 кВ/cм, т.к. фторуглеродные молекулы имеют высокое сродство к электрону, т.е. они являются электроотрицательными веществами. Из других свойств отметим не только негорючесть, но и термостабильность до температуры более 400 °С. Хотя теплопроводность фторуглеродов в два-три раза ниже, чем у трансформаторного масла, однако исключительно высокий коэффициент температурного расширения приводит к возникновению мощных конвективных потоков. При этом конвективный теплоотвод оказывается в 3-4 раза выше, чем у трансформаторного масла. Главный недостаток - дороговизна - они дороже трансформаторного масла в несколько десятков раз.

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

.

Кабельные масла используются в производстве силовых электрических кабелей; Пропитывая бумажную изоляцию этих кабелей, они повышают её электрическую прочность, а также способствуют отводу теплоты потерь. Кабельные масла бывают различных типов. Для пропитки изоляции силовых кабелей на рабочие напряжения до 35 кВ в свинцовых или алюминиевых оболочках ( кабели с вязкой пропиткой ) применяется масло марки КМ-25 с кинематической вязкостью не менее 23 мм²/c при 100⁰С, температурой застывания не выше минус 10⁰С и температурой вспышки не ниже +220⁰С. Для увеличения вязкости к этому маслу дополнительно добавляется канифоль или же синтетический загуститель.

В маслонаполненных кабелях используются менее вязкие масла. Так, масло марки МН-4 применяется для маслонаполненных кабелей на напряжения 110-220 кВ, в которых во время эксплуатации с помощью подпитывающих устройств поддерживается избыточное давление 0,3 - 0,4 МПа.

Для маслонаполненных кабелей высокого давления ( до 1,5 МПа ) на напряжения от 110-500 кВ, прокладываемых в стальных трубах, применяется особо тщательно очищенное масло марки С-200.