Исследование влияния циклического теплового старения на диэлектрические характеристики масел

Внедрение: 2016 г.

Надежность работы маслонаполненного энергетического оборудования во многом зависит от диэлектрических свойств изоляционного масла. В настоящее время актуальным является переход к использованию экологически чистых биоразлагаемых изоляционных жидкостей на основе растительных масел. Специалисты из Казанского государственного энергетического университета применили модуль E‑502 для исследования изменения диэлектрических показателей подсолнечного масла высшего сорта (по ГОСТ 1129‑2013) в процессе искусственного ускоренного теплового старения [1]. Были измерены диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери образца в процессе старения. Найдена корреляция между диэлектрическими свойствами масла и временем старения. Предложена модель теплового старения масла на растительной основе.

Определение электрических характеристик масла выполнялось на основе принципа измерения составляющей вектора тока, находящегося в фазе с управляющим напряжением (рисунок 1).

Рисунок 1. Структурная схема измерительной установки: 1 – испытательный трансформатор; 2 – стандартная измерительная ячейка (ГОСТ 6581‑75); 3 – шунт измерительный; 4 – система сбора данных L‑Card E‑502; 5 – персональный компьютер; 6 – нагреватель; 7 – датчик температуры.

Измеряемые значения тока и напряжения с помощью системы сбора данных L‑Card E‑502 передаются в персональный компьютер, где выполняется обработка по принципу синхронного выпрямления. Если ток находится в фазе с напряжением на объекте, то среднее значение тока будет пропорционально активной составляющей тока через объект. При сдвиге фазы тока на 90°C относительно напряжения на объекте показания будут соответствовать реактивной составляющей. Отношение этих величин позволяет определить подлежащий измерению тангенс угла диэлектрических потерь.

Технология ускоренного теплового старения заключалась в циклическом нагревании до 120°С и естественном остывании образца до 25°С в течение 360 часов без воздействия света. Таким образом выполнялась имитация изменения температурного режима в баке трансформатора при изменяющемся графике нагрузки. В процессе нагревания и остывания образца выполнялось измерение тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости масла. Процесс старения исследуемых образцов масла связан с появлением продуктов окисления, которые увеличивают диэлектрическую проницаемость.

На рисунке 2 представлена зависимость изменения диэлектрической проницаемости образца, подверженного циклическому температурному старению. Диэлектрическая проницаемость образца, подверженного температурному воздействию, увеличилась в 1.24 раза по сравнению с исходным маслом.

Рисунок 2. Изменение диэлектрической проницаемости образца, подверженного циклическому старению, при изменении температуры от 25 до 120°С в течение 360 ч.

Следует отметить, что растительные масла окисляются иначе, чем минеральные масла. Продукты окисления масла не образуют осадка. Вместо этого масло начинает густеть и в конечном счете полимеризуется. Полимеризация растительных масел протекает при соединении молекул жирных кислот друг с другом при помощи ковалентных связей с образованием новых веществ (полимера), молекулярная масса которого значительно больше, чем у исходных. В процессе термической полимеризации постепенно образовывается трехмерная структура, что в конечном счете приводит к желатинизации масла.

Изменение тангенса угла диэлектрических потерь в процессе полимеризации незначительно (рисунок  3), что связано с одновременным увеличением диэлектрической проницаемости масла и уменьшением удельного объемного сопротивления.

Рисунок 3. Изменение тангенса угла диэлектрических потерь при циклическом нагревании и остывании образца в течение 360 часов.

Авторы отмечают, что использование масла на растительной основе недопустимо без присадок, так как это приведет к быстрому процессу полимеризации, ухудшению или прекращению циркуляции масла в баке трансформатора. При этом существенно возрастает диэлектрическая проницаемость масла, которая может указывать на изменение его молекулярного состава. Для надежной работы оборудования, в котором применяется масло на растительной основе, необходим непрерывный контроль диэлектрической проницаемости масла, чтобы своевременно выявить начало процесса полимеризации. По результатам исследования предложена модель изменения диэлектрической проницаемости образца под действием температуры [2].

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 26‑38‑00648/16 мол_а.

Источники:

1. Муратаева Г.А., Муратаев И.А., Куракина О.Е. Влияние циклического теплового старения на диэлектрические характеристики масел на растительной основе // Actualscience. – 2016. – Том 2, № 11. – С. 151‑153.
2. Муратаева Г.А., Муратаев И.А. Математическая модель диэлектрических характеристик масла на растительной основе // Известия ТулГУ. Технические науки. – 2017. – Вып. 9. Ч. 1. – С. 524‑531.

Разработчик: Муратаева Г.А., Муратаев И.А., Куракина О.Е. (Казанский государственный энергетический университет)