Почему нефтяные диэлектрики нашли большее применение чем синтетические
Жидкие диэлектрики
Жидкие диэлектрики можно классифицировать по различным признакам.
1. По химической природе:
б) синтетические жидкости (хлорированные и фторированные углеводороды, кремний- или фторорганические жидкости, различного рода производные на ароматической основе, сложные эфиры различных типов, полиизобутилены).
По специфике применения для:
б) выключателей и контакторных устройств регулирования напряжения под нагрузкой,
д) систем циркуляционного охлаждения и изоляции установок высокого напряжения.
3. По верхнему пределу допустимой рабочей температуры:
а) до 70 °С (нефтяные масла в конденсаторах),
б) до 95°С (нефтяные масла в трансформаторах, хлорированные углеводороды в конденсаторах),
в) до 135°С (некоторые синтетические и хлорированные углеводороды, некоторые эфиры кремниевой, фосфорной, органической кислот, полиоргано-силоксаны),
г) до 200 °С (некоторые типы фторуглеродов, хлор (фтор) органосилоксаны),
д) до 250 °С (полифилэфиры и специальные полиорганосилоксаны).
Классификация по верхнему пределу допустимой температуры зависит также от особенностей эксплуатации жидкого диэлектрика и требуемого срока службы.
4. По степени горючести:
Конкретные требования к жидкому диэлектрику определяются конструкцией и условиями применения оборудования, в котором он применяется, степенью экологической опасности. Общие требования можно сформулировать следующим образом:
1) высокая электрическая прочность,
4) высокая стабильность в условиях эксплуатации, хранения и технологической обработки,
5) высокая стойкость к воздействию электрического и теплового полей,
6) высокая стойкость против окисления,
7) определенное значение ε г с учетом особенностей электроизоляционной конструкции,
8) совместимость с применяемыми материалами,
11) экологическая безопасность,
12) низкая вязкость в диапазоне рабочих температур.
Современная техника изготовления силовых конденсаторов привела к изменению требований к пропитывающему веществу: оно осязательно изготавливается на основе ароматических соединений и должно иметь низкую вязкость, хорошую смачиваемость полипропиленовой пленки, незначительные ее растворение и набухание в пропитывающем веществе, наперед заданное значение взаимной растворимости пропитывающего вещества и полипропиленовой пленки, удовлетворительную стабильность при низких температурах, в том числе низкую температуру застывания, высокую газостойкость, нетоксичность, экологическую безопасность и хорошее биоразложение.
Жидкие диэлектрики, например, в трансформаторах выполняют дополнительную функцию, являясь охлаждающим агентом и обеспечивая отвод теплоты, выделяющейся внутри электрооборудования, что требует высокой теплоемкости и низкой вязкости при наименьших рабочих температурах.
Часто отказы электрооборудования сопровождаются искрением, дугообразованием, которые могут воспламенить жидкость, газообразные продукты ее испарения или разложения. Важно, чтобы диэлектрическая жидкость, ее пары или газообразные продукты разложения не воспламенялись при отказе электрооборудования, о ее сопротивлении воспламенению судят по степени ее негорючести.
Ни одни жидкий диэлектрик не соответствует всем этим требованиям одновременно. Приходится ориентироваться на важнейшие для данного конкретного случая применения требования, компенсируя отдельные недостатки ограничениями в условиях эксплуатации либо внося соответствующие изменения в конструкцию электрооборудования.
Например, обеспечение экологической безопасности привело сначала к снижению степени хлорирования и соответственному увеличению пожароопасности, а затем к почти повсеместному запрещению производства и применения полихлорированных дифенилов (ПХД). Практически все существующие их заменители горючи. Этот недостаток удалось в значительной степени компенсировать пересмотром конструкции корпуса электрооборудования в сторону снижения вероятности опасного его повреждения в аварийной ситуации.
Однако до сего времени в эксплуатации все еще находится большое количество электрооборудования, содержащего экологически опасные ПХД. Эксплуатация такого электрооборудования требует строгого соблюдения специальных инструкций. Принимаются меры к постепенной замене ПХД в трансформаторах экологически безопасными жидкостями. Содержащие ПХД остатки и вышедшее из строя оборудование уничтожаются.
Требование высокой ε г для конденсаторных жидких диэлектриков удается компенсировать за счет повышения их стойкости к воздействию электрического поля и соответствующего увеличения рабочей напряженности электрического поля.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Почему нефтяные диэлектрики нашли большее применение чем синтетические
Жидкие диэлектрики представляют собой электроизоляционные жидкости, используемые в электрических аппаратах высокого напряжения, а также в блоках электронной аппаратуры. Применение электроизоляционных жидкостей позволяет обеспечить надежную и длительную работу электрической изоляции, находящихся под напряжением элементов конструкций и отводить от них тепло, выделяющееся при работе.
Электроизоляционные жидкости по химической природе можно классифицировать на нефтяные электроизоляционные масла и синтетические жидкости различных типов. По специфике применения они делятся на жидкости для конденсаторов, кабелей, циркулярных систем охлаждения выпрямительных установок и турбогенераторов, масляных выключателей.
Конденсаторные масла отличаются от трансформаторных по температуре вспышки и вязкости.
Жидкие диэлектрики на основе кремнийорганических соединений ( полиорганосилоксанов ) являются нетоксичными и экологически безопасными. Эти жидкости представляют собой полимеры с низкой степенью полимеризации, в молекулах которых содержится повторяющаяся силоксанная группировка:
| | | ||||
| — | Si | — | O | -, |
| | |
атомы кремния которой связаны с органическими радикалами.
По своим диэлектрическим характеристикам полиорганосилоксановые жидкости приближаются к неполярным диэлектрикам. Полиорганосилоксановые жидкости используют в импульсных трансформаторах, специальных конденсаторах, блоках радио- и электронной аппаратуры и в некоторых других случаях.
Жидкие диэлектрики на основе фтороорганических соединений отличаются негорючестью, высокой химической, окислительной и термической стабильностью, высокими электрофизическими и теплопередающими свойствами. Они получили применение для наполнения небольших трансформаторов, блоков электронного оборудования и других электрических аппаратов в тех случаях, когда рабочие температуры велики для других видов жидких диэлектриков. Некоторые перфторированные жидкие диэлектрики могут использоваться для создания испарительного охлаждения в силовых трансформаторах. По диэлектрическим свойствам фторированные углеводороды могут быть отнесены к неполярным соединениям.
диэлектрические материалы. Жидкие диэлектрики
Раздел 4 «Диэлектрические материалы»
Тема занятия: «Жидкие диэлектрики»
Раздел 4 «Диэлектрические материалы»
Тема занятия: «Жидкие диэлектрики»
| Железо |
| Алюминий |
| Золото |
| Серебро |
| Ртуть |
| Германий |
| Кремний |
| Селен |
| Теллур |
| Сухое дерево |
| Резина |
| Пластмасса |
| Стекло |
| Каучук |
| Лаки |
| Керамика |
| Слюда |
Приложение 3
Дисциплина: «Электроматериаловедение»
Раздел 4 «Диэлектрические материалы»
Тема занятия: « Жидкие диэлектрики »
Памятка
2) В блоках электронной аппаратуры;
4) В масляных выключателях;
2) Конденсаторное масло;
2) Кремнеорганические жидкости (Октол);
3) Фторорганические жидкости.
Приложение 4
Раздел 4 «Диэлектрические материалы»
Тема занятия: «Жидкие диэлектрики»
Тест
Выберите правильный ответ:
1.Химический состав нефтяных масел определяется:
б) Наличием примесей
в) Состоянием окружающей среды
2.Старение масла вызывает:
б) Электрическое поле
в) Соприкосновение с металлическими частями электрооборудования
г) Все перечисленные факторы.
3. Недостатками нефтяных масел являются:
а) Высокая горючесть и невысокая температура вспышки паров
б) Малая величина диэлектрической проницаемости
в) Все перечисленные факторы
г) Факторы, не указанные в предыдущих ответах
4. Электрическая прочность – это:
а) Свойство, способность материала проводить электрический ток;
б) Напряженность электрического поля, приводящая к пробою;
в) Все перечисленные факторы
5. Достоинства нефтяных масел:
в) Низкая электрическая прочность.
6. Диэлектрические потери – это:
а) Рассеяния в окружающую среду часть поглощенной диэлектрическим материалом электрической энергии;
б) Напряженность однородного электрического поля, приводящие к пробою;
в) Электропроводность, связанная с направленным движением частиц в диэлектрике.
7.Носителем заряда в жидком диэлектрике, являются:
в) Нейтроны.
8. Жидкий диэлектрик представляет собой:
а) вещества органического происхождения;
в) низкомолекулярные вещества органического происхождения, которые могут быть полярными и неполярными.
Теперь поменяйтесь тестовыми заданиями группами (первая со второй, вторая с третьей, третья с первой) и оцените работы по заданным критериям. Каждая группа за правильный ответ будет оценена жетонами красного цвета.
| № | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| ответ | б | а | а | б | а | а | а | в |
| Кол-во баллов | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| До 3 баллов | — «неудовлетворительно» |
| 4 – 5 баллов | — «удовлетворительно» |
| 6 – 7 баллов | — «хорошо» |
| 8 баллов | — «отлично» |
Приложение 5
Дисциплина: «Электроматериаловедение»
Раздел 4 «Диэлектрические материалы»
Тема занятия: «Жидкие диэлектрики»
Демонстрационный имитационный эксперимент
«Определение свойств образцов материалов»
Ответить на вопросы:
1. Охарактеризовать электропроводные свойства образца, за которым вы наблюдали в ходе эксперимента
2. Назвать и описать явления, которые вы наблюдали
3. Какие законы соответствуют этим явлениям?
Раздел 4 «Диэлектрические материалы»
Тема занятия: «Жидкие диэлектрики»
Домашнее задание
Контрольные вопросы по теме: «Жидкие диэлектрики»
Раздел 4 «Диэлектрические материалы»
Тема занятия: «Жидкие диэлектрики»
Домашнее задание
Контрольные вопросы по теме: «Жидкие диэлектрики»
Почему нефтяные диэлектрики нашли большее применение чем синтетические
8. Антиокислительная присадка (ионол)
Каждый из компонентов масла играет определенную роль при эксплуатации. Парафины и циклопарафины обеспечивают низкую электропроводность и высокую электрическую прочность. Ароматические углеводороды уменьшают старение масла и увеличивают стойкость к частичным разрядам в объеме масла. Асфальто-смолистые, сернистые, азотистые соединения и нафтеновые кислоты являются примесями и не играют положительной роли. Асфальто-смолистые соединения ответственны за возникновение осадка в масле и за его цвет. Сернистые, азотистые соединения и нафтеновые кислоты ответственны за процессы коррозии металлов в трансформаторном масле.
Углеводороды парафинового ряда, кроме высокой химической устойчивости, обладают высокой температурой вспышки и рядом других положительных качеств, но теряют текучесть (застывают) уже при комнатной температуре. Поэтому большого содержания парафинов в масле не допускается. Более того, нефти с их большим содержанием (грозненская, сураханская) для приготовления масел не применяются.
Нафтеновые углеводороды менее устойчивы, чем парафины, и легко окисляются. Типичной нафтеновой нефтью является доссорская нефть, из которой готовится лучшее трансформаторное масло.
Ароматические углеводороды разделяются на углеводороды симметричного строения (бензол, нафталин, антрацен) и ароматики с длинными боковыми цепями (толуол). Первые являются одними из наиболее трудно окисляемых веществ. Эти ароматики являются ценной составной частью масла, так как защищают его от окисления. Вторые весьма легко соединяются с кислородом, причем их способность к самоокислению растет с увеличением числа и длины боковых цепей.
Первой операцией приготовления трансформаторного масла из нефти является фракционная перегонка под вакуумом. При перегонке нефть путем испарения разделяется на ряд фракций, каждая из которых содержит близкие по температуре кипения и сходные по свойствам углеводороды. На первом этапе от нефти отделяются наиболее легкие углеводороды: бензин, лигроин, керосин; затем перегоняются более тяжелые фракции, так называемый соляровый дистиллят, из которого и готовится масло. Перегонка не обеспечивает однородного состава масла, так как в дистиллят попадает целый ряд смежных фракций. Кроме того, в нем имеются вредные примеси, ухудшающие свойства масла и сокращающие срок службы. Для получения полноценного продукта погон нефти подвергается очистке от нефтяных кислот, смол, серы и ненасыщенных соединений. Эта операция называется рафинированием. Дистиллят в течение определенного времени обрабатывается крепкой серной кислотой, которая окисляет все непредельные соединения и смолы и превращает их в нерастворимый кислый гудрон, который выпадает в осадок. Кислый гудрон, находясь в контакте с маслом, разрушает основные углеводороды. Поэтому для уменьшения причиняемого им вреда обработка кислотой производится при возможно более низкой температуре и гудрон удаляется из масла как можно скорее. Общее количество кислоты достигает 12-14% от веса дистиллята. Для нейтрализации избытка серной кислоты, оставшейся в масле, и для удаления нафтеновых кислот масло обрабатывается водным раствором щелочи (едкого натра); образовавшиеся при этом соли, мыла и эмульсии отделяются отстаиванием. Оставшееся в масле незначительное количество солей и мыл ведет к его окислению, поэтому после отстоя масло должно быть тщательно промыто водой. Для полного удаления влаги промытое масло подвергается сушке продувкой воздуха. Окончательная очистка масла производится обработкой его при температуре 70-80°С отбеливающей землей (адсорбент). Отбеливающие земли или глины удаляют последние остатки смол и кислот, и масло получает свой приятный соломенный цвет.
Масло способно поглощать и растворять весьма значительные количества воздуха и других газов. При этом кислород не только растворяется, но и химически соединяется с маслом, образуя продукты окисления. Выделение газов из масла очень часто является признаком зарождающегося дефекта в обмотке трансформатора. В настоящее время разработан и используется способ определения дефектов в трансформаторе по наличию растворенных в масле газов, так называемый хроматографический анализ.
Существует большой разрыв между сроком службы трансформатора и сроком службы масла. Трансформатор может работать без ремонта 10-15 лет, в то время как масло уже через год требует очистки, а через 4-5 лет – регенерации. Мерами, позволяющими продлить срок эксплуатации масла, являются:
Антиокислительная присадка специально вводится в масло для предотвращения его окисления под действием локальных высоких температур и реакций с проводниковыми и диэлектрическими материалами.
Из родственных трансформаторному маслу по свойствам и применению жидких диэлектриков стоит отметить конденсаторные и кабельные масла.
Кабельные масла предназначены для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей. Основой их также являются нефтяные масла. От трансформаторного кабельные масла отличаются повышенной вязкостью, увеличенной температурой вспышки и уменьшенными диэлектрическими потерями. В качестве примера можно привести марки масел 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 негорючие жидкости. Жидких диэлектриков с такими свойствами достаточно много. Наибольшее распространение в энергетике и электротехнике получили хлордифенилы (хлорбифенилы). Это вещества, имеющие в своем составе двойное бензольное (или 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 (ε = 5 – 6) по сравнению с трансформаторным маслом из-за полярности связи электроотрицательного хлора с дифенильным кольцом. Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ немного 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.) широко использовались 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. В соответствии с Монреальским Протоколом хлордифенилы были ограничены сначала в производстве, а затем и в эксплуатации.
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. Эти жидкости не только негорючи, но и термостабильны до температуры более 400°С. Хотя теплопроводность фторуглеродов в два-три раза ниже, чем у трансформаторного масла, 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 и основное препятствие к более широкому использованию – очень высокая цена, 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.
© ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Редакционно-издательский центр
Отдел допечатной подготовки и программно-методического обеспечения
Уфа 2014
Почему нефтяные диэлектрики нашли большее применение чем синтетические
6. Жидкие диэлектрики
Общие сведения
Наиболее широкое распространение в электротехнических устройствах получили нефтяные (минеральные) электроизоляционные масла и синтетические жидкости.
Они выполняют функцию изолирующей, охлаждающей и дугогасящей среды и применяются как в чистом виде, так и в сочетании с волокнистыми и твёрдыми материалами, например, бумажно-масляная или маслобарьерная изоляция.
Поэтому при выборе изолирующей жидкости необходимо соблюдать следующие требования:
Не все жидкие диэлектрики удовлетворяют этим требованиям, поэтому в каждом конкретном случае предпочтение отдаётся тем свойствам, которые обеспечивают необходимую стабильность параметров, надёжность и долговечность изделия.
Минеральные (нефтяные) масла.
К этой группе относятся трансформаторное, конденсаторное и кабельное масла.
Трансформаторное масло находит наибольшее применение в электротехнике. Его получают из нефти посредством её ступенчатой перегонки и последующей тщательной очисткой от химически нестойких примесей. Назначение трансформаторного масла двояко: во-первых, масло, заполняя поры в волокнистой изоляции, а также промежутки между проводами обмоток и между обмотками и баком трансформатора, значительно повышает электрическую прочность изоляции; во вторых, оно улучшает отвод тепла, выделяемого за счёт потерь в обмотках и сердечнике трансформатора. Ещё одна важная область применения трансформаторного масла – масляные выключатели высокого напряжения. В масляных выключателях жидкий диэлектрик не только изолирует токопроводящие части, но и выполняет роль среды, гасящей электрическую дугу, которая возникает между контактами срабатывающего выключателя. Трансформаторное масло применяется также для заливки маслонаполняемых вводов, некоторых типов реакторов, реостатов и других электрических аппаратов.
Конденсаторное масло получают из трансформаторного путём дополнительной обработки под вакуумом с целью удаления воздуха (газов). К параметрам конденсаторного масла предъявляются повышенные требования, так как в процессе эксплуатации невозможно производить замену или регенерацию масла, и диэлектрические свойства его должны сохраняться в течение всего срока службы.
Пропитка изоляции конденсаторов маслом с высоким значением электрической прочности позволяет уменьшить толщину изоляции и увеличить коэффициент диэлектрической проницаемости изоляции, что сокращает массогабаритные показатели конденсаторов при тех же значениях ёмкости. Низкое значение тангенса угла диэлектрических потерь снижает потери, а следовательно, и нагрев изоляции и позволяет увеличить срок службы.
В конденсаторном масле не допускается содержание газов, так как в газовых включениях при высокой напряжённости электрического поля интенсивно развиваются ионизационные процессы, что может привести к пробою изоляции.
К кабельным маслам, как и к конденсаторному маслу, предъявляются высокие требования касательно стабильности и численного значения параметров, так как изоляция должна обеспечить длительный срок службы.
Однако есть и специфические требования, зависящие от конструкции изоляции и величины напряжения.
Так, для кабелей с бумажно-масляной изоляцией (БМИ) напряжением до 35 кВ масло должно обладать повышенной вязкостью, что исключает его стекание при прокладке кабеля на различных уровнях и образование «обедненных» участков изоляции, где возможны развитие разрядных процессов и пробой изоляции. Для увеличения вязкости в масло добавляют канифоль или другие загустители.
В маслонаполненных кабелях напряжением 110 кВ и выше токоведущие жилы выполняют в виде толстых труб, свитых из круглых или сегментных проводов. Внутрь этих труб подается масло под давлением. Проникая сквозь зазоры между проводами, масло пропитывает бумажную изоляцию. В кабелях, проложенных в стальных трубах, оно омывает внешнюю поверхность изоляции (здесь применяют менее вязкие масла).
В настоящее время во многих странах производство кабелей с БМИ прекращено. На смену им пришли кабели с твердой изоляцией на основе полиэтилена и других материалов. Твердая изоляция обладает более высокими электрическими свойствами, что позволяет уменьшить толщину изоляции (диаметр кабеля), увеличить строительную длину, токовые нагрузки и допустимую рабочую температуру и, главным образом, упростить процесс изготовления кабелей, их прокладку, разделку и эксплуатацию.
Все масла в процессе эксплуатации находятся под воздействием внешних факторов. Это вызывает старение масла.
Скорость старения масла возрастает:
— при доступе воздуха, так как старение масла в значительной степени связано с его окислением кислородом воздуха, особенно интенсивно идёт старение при соприкосновении масла с озоном;
— при повышении температуры (обычно наивысшей рабочей температурой масла считают 95º С);
— при соприкосновении масла с некоторыми металлами (медь, железо, свинец) и другими веществами – катализаторами старения;
— при воздействии света;
— при воздействии электрического поля.
Для восстановления свойств масла используют несколько способов:
— пропускают под давлением сквозь фильтрованную бумагу в специальных установках;
— воздействуют на масло центробежной силой в центрифуге;
— распыление нагретого масла в камере, заполненной азотом.
Синтетические жидкие диэлектрики
Синтетические жидкие диэлектрики нашли широкое применение в последние 50 лет. Главное их достоинство, по сравнению с нефтяными растительными жидкостями, − более высокая термостойкость, негорючесть и стабильность параметров. К ним относятся хлорированные углеводороды, кремнийорганические и фторорганические жидкости.
Хлорированные углеводороды получают из углеводородов путем замены в их молекулах некоторых (или всех) атомов водорода атомами хлора. Их достоинства − повышенное значение диэлектрической проницаемости, по сравнению с нефтяными маслами, и негорючесть. Поэтому они широко используются для пропитки силовых конденсаторов.
Недостатки хлорированных углеводородов: повышенная токсичность, зависимость диэлектрической проницаемости и вязкости от температуры и др. В настоящее время в некоторых странах их применение запрещено законом.
Кремнийорганические жидкости (силиконы (силоксаны)) − это продукт синтеза кремнистых и углеводородных соединений. Все кремнийорганические жидкости обладают высокими электроизоляционными свойствами, мало зависящими от напряжения, температуры, влажности окружающей среды, стойки к радиационному излучению.
Недостаток – высокая стоимость.
Фторорганические жидкости – это продукт синтеза углеводородов, в которых атомы водорода частично или полностью заменены атомами фтора. Способ получения фторорганических жидкостей сложный и требует дорогих исходных материалов и реактивов, что определяет их высокую стоимость и ограниченное применение.
Особенности: высокая термостойкость, хорошие теплопроводящие свойства, высокая электрическая прочность, малая вязкость. Не горючи, дугостойки, могут работать при температуре 200ºС и выше.
Однако эти жидкости летучи, поэтому применяются в герметизированных конструкциях.
Некоторые из этих жидкостей находят применение в холодильных установках в качестве хладогенов.