Статья посвящена трансформаторным маслам — неотъемлемому компоненту масляного трансформатора. Подробно описаны компоненты и свойства трансформаторных масел. Даны ссылки на нормативные документы, регламентирующие свойства, испытания и эксплуатацию трансформаторных масел. Изложена парадигма выбора трансформаторного масла, обеспечивающая, в конечно счете, надёжное электроснабжение.
Основные компоненты трансформаторного масла и связанные с ними эксплуатационные свойства
В технической литературе, рассматривающей применение трансформаторных масел в трансформаторах, подробно изложены как требования к ним, так и различные аспекты физико-химических свойств этого важного компоненты силового трансформатора [1-4].
Нормативными документами, регулирующими использование трансформаторного масла, являются документы [5-8].
Трансформаторное масло в процессе эксплуатации силового или распределительного трансформатора выполняет комплексную функцию, включающую четыре основных:
- обеспечение изоляции;
- охлаждение;
- гашение дуговых разрядов;
- растворение газов, возникающих при окислении масла, химическом разрушении целлюлозной изоляции и влаги.
Требования к трансформаторным маслам приведены в ГОСТ Р 54331-2011, который является модифицированным по отношению к международному стандарту МЭК 60 296:2003 «Жидкости для применения в электротехнике. Неиспользованные нефтяные изоляционные масла для трансформаторов и выключателей» (IEC 60296:2003 «Fluids for electrotechnical applications — Unused mineral insulating oils for transformers and switchgear»). В ГОСТ Р 54331-2011 включены требования только к ингибированным маслам, учитывающие потребности российской экономики и устанавливающие более жесткие требования к качеству продукции.
Более ранними стандартами, регламентирующими характеристики трансформаторных масел, являются ГОСТ 982-80 «Масла трансформаторные. Технические условия» и ГОСТ 10121-76 «Масло трансформаторное селективной очистки. Технические условия». ГОСТ 982-80 распространяется на трансформаторные масла сернокислотной и селективной очисток, вырабатываемые из малосернистых нефтей. ГОСТ 10121-76 распространяется на трансформаторное масло селективной очистки, содержащее не менее 0,2 % антиокислительной присадки (ионол, топанол-0 и др.).
Трансформаторные масла в соответствии с ГОСТ Р 54331-2011 характеризуются функциональными свойствами, характеристиками очистки и стойкости, рабочими характеристиками и характеристиками безопасности применения и защитой окружающей среды.
Функциональные свойства трансформаторных масел — это свойства, которые влияют на его функцию как изоляционной и охлаждающей жидкости. Они включают: вязкость, плотность, температуру текучести, содержание воды, тангенс угла диэлектрических потерь и напряжение пробоя.
Характеристиками очистки и стойкости к окислению являются характеристики масла, на которые влияют качество и тип очистки и добавленные присадки. К данным характеристикам относятся: внешний вид. поверхностное натяжение. Общее содержание серы, кислотность, коррозионная сера, содержание 2-фурфурола.
Рабочие характеристики — это свойства, влияющие на длительность работы масла в условиях эксплуатации и/или его реакцию на электрическое напряжение и температуру. Примерами таких характеристик являются: стойкость к окислению, газостойкость.
Характеристиками масла, связанными с безопасностью применения и защитой окружающей среды являются температура вспышки, плотность, содержание полициклических ароматических углеводородов, содержание полихлорированных бифенилов/терфенилов.
Чтобы проанализировать и оценить эксплуатационные свойства конкретной марки трансформаторного масла, необходимо, во-первых: знать состав этого масла; во-вторых, четко представлять за что «отвечает» каждый компонент, входящий в состав трансформаторного масла, в процессе эксплуатации трансформаторного масла в силовом или распределительном трансформаторе.
Состав трансформаторных масел приведен в таблице 1. Влияние компонентов трансформаторного масла на его свойства представлены в таблице 2.
Таблица 1. Состав трансформаторных масел
| № п/п | Компонент | Содержание, % |
|---|---|---|
| 1 | Парафины | 10-15 |
| 2 | Нафтены | 60-70 |
| 3 | Углеводороды ароматического ряда | 15-20 |
| 4 | Асфальты и смолы | 1-2 |
| 5 | Соединения серы | <1 |
| 6 | Соединения азота | <0.8 |
| 7 | Нафтеновые кислоты | <0.02 |
| 8 | Ионол (присадка антиокислительная) | 0.2-0.5 |
Таблица 2. Свойства компонентов трансформаторного масла
| № п/п | Компонент | Положительные свойства компонента | Негативные свойства компонента |
|---|---|---|---|
| 1 | Парафины | малая электропроводность, высокая электрическая прочность; высокая химическая стойкость; высокая температура вспышки | низкая текучесть при незначительном снижении температуры |
| 2 | Нафтены | ||
| 3 | Углеводороды ароматического ряда | уменьшение старения масла; повышение стойкости масла к частичным разрядам | |
| 4 | Асфальты и смолы | при окислении выпадают в осадок; ухудшают изоляционные свойства | |
| 5 | Соединения серы | имеют высокую коррозионную активность | |
| 6 | Соединения азота | имеют высокую коррозионную активность | |
| 7 | Нафтеновые кислоты | ||
| 8 | Ионол (присадка антиокислительная) | замедляет процесс старения трансформаторного масла |
Полный перечень трансформаторных масел, применявшихся и применяемых в нашей стране, их наименование, нормативные документы их изготовления, а также область их использования, представлены в таблице 3 [9].
Таблица 3. Трансформаторные масла, применявшиеся и применяемые в РФ
| № п/п | Марка масла | ГОСТ или ТУ на масло | Стабильность против окисления масла | Класс напряжения и тип электрооборудования |
|---|---|---|---|---|
| 1 2 3 4 5 6 | ГК ВГ СА Technol 2000 Nytro 11GX Nytro 10X | ТУ38.101. 1025-85 ТУ 38.401.978-93 ТУ 38.401. 1033-95 МЭК 296-82 МЭК 296-82 МЭК 296-82 | Высокая | Силовые и измерительные транс форматоры, реакторы, вводы до 1150 кВ включительно, масляные выключатели |
| 7 8 9 | Т-1500 У Т-1500 Т-750 (*) | ТУ38.40 1.58 107-94 ГОСТ 982-80 ГОСТ 982-80 | Средняя | То же |
| 10 11 | ТКп (*) ТАп (*) | ТУ38.101. 890-81 ТУ38.101.281-80 | Низкая | Силовые и измерительные трансформаторы, реакторы до 500 кВ вкл., масляные выключатели |
| 12 13 | ТСп ТКп | ГОСТ 10121-76 ТУ38.401.5849-92 | Низкая | Силовые и измерительные (трансформаторы, реакторы до 220 кВ вкл., масляные выключатели |
| 14 | АГК, Специальное арктическое | ТУ38. 101. 1277-89 | Высокая | Силовые трансформаторы реакторы до 750 кВ вкл. Для регионов с холодным климатом |
| 15 16 | MB (*) МВТ Специальные арктические | ТУ38.101.857-87 ТУ38.401.927-92 | Низкая Высокая | Масляные выключатели для регионов с холодным климатом |
Примечания к таблице 3:
- Масла под номерами 9, 10, 11, 15 больше не выпускаются.
- Испытания трансформаторного масла Nytro 10X должны выполняться в соответствии с требованиями ТУ 38.101.1025-85; трансформаторного масла Technol 2000 — ТУ 38.401.1033-95.
Основные показатели качества трансформаторных масел, представленных в таблице 3, приведены в таблице 4 [9]. Если обобщенно оценивать данные таблицы 4, то можно отметить, что наилучшими эксплуатационными свойствами обладают масла ГК и Nytro.
Таблица 4. Основные показатели качества неиспользованных трансформаторных масел
| Наименование показателя качества | Значение показателя качества | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ГК | СА | Т-1500 У (Уфа) | Т-1500 У (Н-Н) | Т-1500 | Т-750 | ТКп | ТКп | ТСп | ВГ | Nytro 11GX | Nytro 10Х | Tehnol 2000 | |
| (бак.) | (яросл.) | ||||||||||||
| 1. Вязкость, при −30 °С., мм2/с, не более | 1200 | 1200 | 1300 | 1300 | 1500 | 1600 | 1500 | 1500 | 1300 | 1200 | 1800 | 1800 | 1800 |
| 2. Тангенс угла диэлектрических потерь при 90 °С, %, не более | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0,5 | 0.5 | 0.5 | 2,2 | 2,2 | 1,7 | 0,5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| 3. Температура застывания, °С, не выше | -45 | -45 | -45 | -45 | -45 | -55 | -45 | -45 | -45 | -45 | -45 | -45 | -45 |
| 4. Температура вспышки в закрытом тигле, °С, не менее | 135 | 140 | 135 | 135 | 135 | 135 | 135 | 135 | 150 | 135 | 135 | 135 | 135 |
| 5. Содержание серы, %, не более | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 0,6 | ||||||||
| 6. Стабильность против окисления по ГОСТ 981-75: | |||||||||||||
| - температура, °С | 155 | 155 | 135 | 135 | 135 | 130 | 120 | 120 | 120 | 155 | 155 | 155 | 155 |
| - продолжительность, ч | 14 | 12 | 30 | 30 | 30 | 30 | 14 | 14 | 14 | 12 | 12 | 14 | 12 |
| - расход кислорода, см3/мин | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 200 | 200 | 200 | 50 | 50 | 50 | 50 |
| - выход летучих кислот, мг КОН/г, не более | 0.04 | 0.15 | 0.05 | 0.05 | 0.04 | 0.04 | 0.008 см. прим | 0.005см прим | 0.005см. прим | 0.04 | 0.15 | 0.04 | 0.15 |
| - кислотное число масла, мг КОН/г, не более. | 0.1 | 0.15 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.15 | 0.1 | 0.15 |
| - осадок, %, не более | 0.015 | 0.015 | 0.01 | 0.01 | ОТС | 0.015 | 0.015 | 0.015 | 0.015 | ||||
| 7. Газостойкость в электрическом поле в среде ионизированного водорода по ГОСТ 13003, мкл/мин | |||||||||||||
| - газовыделение | +26 | + 1.5 | - | +4.0 | - | - | - | - | - | - | +10 | +25 | +2 |
| - газопоглощение | - | - | -12.3 | - | -8.0 | -12 | -9 | -18 | -8.3 | - | - | - | - |
| 8. Стабильность против окисления по публикации МЭК 1125 «В», индукционный период окисления, ч | 200-250 | 122-144 | 90-97 | 86-99 | 60-70 | 80 | 70-80 | 30 | 30-40 | 120 | 120 | 320 | 330 |
| 9. Индукционный период окисления по ВТИ, часы, до выхода летучих кислот | |||||||||||||
| - 0.05мг КОН/г | 170 | 140 | 82 | - | 65 | 80 | 65 | 27 | 25 | - | 130 | 200 | 115 |
| - 0.25мг КОН/г | 190 | 150 | 140 | - | 90 | 90 | 90 | 40 | 50 | - | 140 | 220 | 128 |
| 10. Поверхностное натяжение на границе с водой, Нм-1×10-3 | 41 | 43 | 41 | 45 | 40 | 40 | 40 | 36 | 37 | - | 39 | 42 | 43 |
Так как трансформаторное масло является продуктом переработки нефти, то его свойства сильно коррелированы с природными свойствами той нефти, из которой его получают. Технология получения трансформаторного масла из нефти в данной статье подробно не рассматривается. Ниже отмечены лишь основные технологические способы и особенности изготовления трансформаторных масел, которые необходимы для определения парадигмы выбора трансформаторного масла применительно к конкретным условиям эксплуатации силового или распределительного трансформатора.
Трансформаторное масло получается путем перегонки и очистки солярового дистиллята — остаточной фракции после выделения более легких смесей углеводородов (лигроина, бензина и керосина). В зависимости от качества добываемой нефти, используются разные способы очистки солярового дистиллята — рафинирования.
При селективной очистке дистилляты нефти, выкипающие при атмосферном давлении в пределах около 300-400 °С очищаются фенолом. Фенол связывает смолы и соединения серы. Далее при низких температурах удаляются парафины. Последний этап очистки выполняется отбеливающей глиной. Но полученное такой селективной очисткой трансформаторное масло использовать нельзя, так как оно может быстро окислиться. Для повышения стойкости к окислению в него добавляется специальная присадка. Чаще всего применяют ионол.
Кроме фенольной очистки, применяется очистка фурфуролом. После очистки фурфуролом специальные присадки не требуются, так как фенол растворяет большую часть сернистых соединений (являющихся антиокислителями), оставляя лишь чуть больше 0,2 %. При фурфурольной очистке сохраняется до 0,6 % антиокислителей (более 60 % общей концентрации серы).
Гидроочистка трансформаторного масла применяется в различных сочетаниях с основными процессами получения масла. Обычно масла подвергают гидроочистке после очистки отбеливающими глинами. Целью гидроочистки трансформаторного масла является улучшение цвета и стабильности, улучшение характеристики вязкости, существенное уменьшение содержания сернистых соединений. Как правило, гидроочистке подвергаются депарафинизированные масла из дистиллятных рафинатов после очистки фенолом или фурфуролом, а также депарафинизированные масла из остаточных фракций после деасфальтизации пропаном и фенольной очистки.
В РФ наиболее широкое применение получили трансформаторные масла ГК, ВГ и Nytro (производство шведской компании Nynas). Масло ГК производится с 1984 г. на Ангарском нефтеперерабатывающем заводе (АНЗ) методом глубокого гидрирования (гидрокрекинга) при высоком давлении и последующей каталитической депарафинизации из сернистых парафинистых нефтей.
Масло ВГ (ТУ 38.401-58-177-96) выпускает ООО «ЛЛК Интернешнл» (компоненты поставляют заводы ПАО «ЛУКОЙЛ» «Лукойл-Нижегороднефтеоргсинтез» г. Кстово, «Лукойл-Волгограднефтепереработка» г. Волгоград, «Лукойл-Пермнефтеоргсинтез» г. Пермь). Исходными являются парафинистые нефти; технологические процессы с применением гидрокрекинга. Масло содержит присадку ионол.
Масла Nytro производятся на заводах компании Nynas, Швеция. Основные заводы находятся в Харбурге , Гетеборге и Нюнесхамне. Традиционно Nynas в основном использует тяжелую нефть из Венесуэлы в качестве исходного сырья, так как она обладает свойствами, которые идеально подходят для нафтеновых нафтеновых трансформаторных масел.
Характеристики масел ВГ и Nytro 10XN, декларируемые их производителями, представлены на рис. 1 и 2 (сканы реальных документов). Реальные протоколы испытаний этих масел, полученные по результатам испытаний, даны на рис. 3 и 4 (сканы реальных документов).
Сканы реальных документов приведены не случайно. Характеристики трансформаторного масла нельзя взять из сети Интернет и считать, что в приобретенных трансформаторах оно будет именно такого качества, как указано в рекламных буклетах. Как следует из вышеизложенного, качество конечного продукта — трансформаторного масла, — постоянно меняется в зависимости от:
- исходного продукта — нефти;
- завода-производителя, от его технологических процессов;
- условий хранения и транспортировки.
Поэтому при закупках силовых и распределительных трансформаторов необходимо иметь на руках документы, подтверждающие соответствие всех характеристик трансформаторного масла требованиям нормативных документов. Только в этом случае будет обеспечена надежность электроснабжения (при условии качества и надежности всех остальных частей трансформатора).
Парадигма выбора трансформаторного масла
Базовым положением парадигмы выбора трансформаторного масла является пункт 1.2 ГОСТ 15150-69 «Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды», который формулируется следующим образом:
«Изделия должны сохранять свои параметры в пределах норм, установленных техническими заданиями, стандартами или техническими условиями в течение сроков службы и сроков сохраняемости, указанных в технических заданиях, стандартах или технических условиях, после и (или) в процессе воздействия климатических факторов, значения которых установлены настоящим стандартом.
Изделия предназначаются для эксплуатации, хранения и транспортирования в диапазоне от верхнего до нижнего значения этих климатических факторов...».
Смысл данного положения заключается в том, что если для изделия в целом установлены конкретное климатическое исполнение и категория размещения, указанные на табличке трансформатора, то завод-изготовитель гарантирует, что все составные части трансформаторы будут гарантированно надежно функционировать в соответствующем диапазоне температур окружающей среды при соответствующих условиях размещения.
Ни один трансформаторный завод на сегодня не выпускает универсальные трансформаторы, которые могут эксплуатироваться в любых районах мира. Поэтому предприятия выпускают сегодня помимо линейки стандартных трансформаторов модификации для различных климатических условий эксплуатации. Все типы климатических условий и категории размещения оборудования стандартизированы в упомянутом выше ГОСТ 15150-69. Климатическое исполнение и категория размещения в соответствии с ГОСТ Р 52719 обязательно должны быть указаны на табличке трансформатора либо в соответствующей части полного обозначения трансформатора, либо в отдельном поле, и имеет буквенно-цифровой вид, как это показано на рис. 5. В этом обозначении в соответствии с ГОСТ 15150-69:
- буквы обозначают климатическое исполнение (т. е., фактически регион установки);
- цифра указывает на категорию размещения (т. е., где конкретно установлен трансформатор: на улице, в помещении и пр.).
В России основными климатическими исполнениями для силовых и распределительных трансформаторов являются «У» и «УХЛ», иногда встречается исполнение «М». Наиболее распространенные категории размещения 1 и 3. Подробные пояснения даны в таблицах 5 и 6.
Таблица 5. Пояснения к климатическим исполнениям
| У | Для макроклиматического района с умеренным климатом (эксплуатация на суше, реках, озерах) |
|---|---|
| УХЛ | Для макроклиматических районов с умеренным и холодным климатом (эксплуатация на суше, реках, озерах) |
| М | Для макроклиматического района с умеренно-холодным морским климатом (эксплуатация в районах с морским климатом) |
Таблица 6. Пояснения к категориям размещения
| 1 | Эксплуатация на открытом воздухе |
|---|---|
| 3 | Эксплуатация в закрытых помещениях (объемах) с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий, где колебания температуры и влажности воздуха и воздействие песка и пыли существенно меньше, чем на открытом воздухе, например, в металлических с теплоизоляцией, каменных, бетонных, деревянных помещениях (отсутствие воздействия атмосферных осадков, прямого солнечного излучения; существенное уменьшение ветра; существенное уменьшение или отсутствие воздействия рассеянного солнечного излучения и конденсации влаги) |
В зависимости от климатического исполнения и категории размещения определяются верхние и нижние температурные границы эксплуатации трансформаторов и параметры влажности. Соответствующие значения приведены в таблице 7.
Таблица 7. Температурные диапазоны эксплуатации и параметры влажности
| У1 | Температура от +40 до −45 °С, влажность до 100 % (25 °С) |
|---|---|
| УХЛ1 | Температура от +40 до −60 °С, влажность до 100 % (25 °С) |
| М1 | Температура от +40 до −40 °С, влажность до 100 % (25 °С) |
| У3 | Температура от +40 до −45 °С, влажность до 98 % (25 °С) |
| УХЛ3 | Температура от +40 до −60 °С, влажность до 98 % (25 °С) |
| М3 | Температура от +40 до −40 °С, влажность до 98 % (25 °С) |
Например, буквенно-цифровой код «У1», указанный на табличке трансформатора на рис. 5, означает, что трансформатор предназначен для эксплуатации на улице в районах с умеренным климатом. Температура эксплуатации от +40 до −45 °С, влажность до 100 % (25 °С).
Наибольшую сложность при составлении технического задания на закупку силового или распределительного масляного трансформатора очень часто представляет именно установка требования по трансформаторному маслу.
Для оптимального выбора трансформаторного масла необходимо представлять годовой температурный профиль региона, в котором предполагается эксплуатировать силовой или распределительный трансформатор. На рисунках 6-9 представлены четыре карты температурных профилей. Из ГОСТ 15150-69 представлены карты макроклиматического района холодного климата России (рис. 6) и макроклиматические районы земного шара (рис. 7). Более детально для России на рис. 8 приведены минимумы января, а на рис. 9 — абсолютные минимумы года. Такие температурные профили помогут не ошибиться с выбором конкретного трансформаторного масла.
В результате обобщения вышеприведенной информации и многолетнего опыта в сфере продаж силовых и распределительных трансформаторов, представляется возможным сформулировать общее правило выбора трансформаторного масла, которое должно быть залито заводом-изготовителем в закупаемый трансформатор:
При эксплуатации трансформатора за пределами макроклиматического района с холодным климатом на территории РФ (или в любой точке земного шара) целесообразно в большинстве случаев использовать трансформаторное масло с диапазоном рабочих температур климатического исполнения У. В пределах макроклиматического района с холодным климатом необходимо использовать трансформаторное масло с диапазоном рабочих температур УХЛ1. В соответствии с указанным правилом, трансформатор в пределах большей части федеральных округов (СЗФО, ЦФО, ПФО, СКФО, ЮФО, КФО) должен иметь климатическое исполнение соответственно У1. Необходимость климатического исполнения УХЛ1 следует рассматривать при эксплуатации на территории УрФО, СФО и ДВФО.
Заключение
Трансформаторное масло, наряду с активной частью, является важнейшим компонентом, обеспечивающим надежную работу трансформатора в самых сложных климатических условиях. Выбор трансформаторного масла — важный и ответственный момент при закупке трансформатора. Однако, необходимо точно представлять себе, на основе температурных профилей региона эксплуатации, в каком диапазоне температур будет работать трансформатор.
Автор выражает искреннюю благодарность руководству и ведущим специалистам завода «Трансформер» за предоставленные материалы и принципиальное, конструктивное обсуждение положений и выводов данной статьи.
Список литературы
- Липштейн Р. А., Шахнович М. И. «Трансформаторное масло». 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1983 год. Стр 296.
- Бурьянов Б. П. «Эксплуатация трансформаторного масла». — М.: Госэнергоиздат, 1951 год. Стр 264.
- Аптов И. С., Хомяков М. В. «Уход за изоляционным маслом». — Москва-Ленинград: Энергия, 1966 год. Стр 112.
- Тихомиров П. М. «Расчет трансформаторов». — М.: Энергия, 1976 год. Стр 544.
- ГОСТ 982-80 «Масла трансформаторные. Технические условия».
- ГОСТ 10121-76 «Масло трансформаторное селективной очистки. Технические условия».
- ГОСТ Р 54331-2011. «Жидкости для применения в электротехнике. Неиспользованные нефтяные изоляционные масла для трансформаторов и выключателей. Технические условия».
- РД 34.43.105-89 «Методические указания по эксплуатации трансформаторных масел».
- Об области применения и порядке смешения трансформаторных масел. Циркуляр Ц-01-98(Э). Российское акционерное общество энергетики и электрификации «ЕЭС России». Департамент стратегии развития и научно-технической политики, г. Москва. 28 апреля 1998 г. [Электронный ресурс]. Дата обращения 28.07.2020.
Автор: кандидат технических наук, независимый эксперт Савинцев Юрий Михайлович.
