ПОВЫШЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ БУМАЖНО-ПРОПИТАННОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Журавлева Н.М.¹, Кизеветтер Д.В.², Смирнова Е.Г.³,Резник А.С.⁴, Панин Н.С.⁵

¹Кандидат технических наук, ²Доктор технических наук, ⁴Инженер, ⁵Магистр, Санкт-Петербургский Политехнический Университет Петра Великого; ³Доктор технических наук Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени Кирова

ПОВЫШЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ БУМАЖНО-ПРОПИТАННОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Аннотация

В статье рассмотрены возможности повышения срока службы бумажно-пропитанной изоляции в силовых трансформаторах с помощью модификации целлюлозного компонента, а также с помощью внедрения непрерывного мониторинга состояния масла.

Ключевые слова: целлюлоза сосны, биополимеры, бумажно-пропитанная изоляция, мониторинг, силовой трансформатор.

Zhuravleva N.M.¹, Kiesevetter D.V.², Smirnova E.G.³, Reznik A.S.⁴, Panin N.S.⁵

¹Doctor of Technical Sciences, ¹Candidate of Technical Sciences, ²Doctor of Technical Sciences, ⁴Engineer, ⁵Master, Saint-Petersburg Polytechnical University of the Great Peter; ¹Doctor of Technical Sciences Saint Petersburg State Forest Technical University

THE INCREASEENG LIFETIME OF PAPER-IMPREGNATED INSULATION

Abstract

In the article are considered the possibilities of increasing the lifetime of paper-impregnated insulation of power transformers by modifying insulating paper with biopolymer and by monitoring of its state during the exploitation.

Keywords: pine cellulose, biopolymers, paper-impregnated insulation, monitoring, biopolymer, power transformer.

Современная электроэнергетика квалифицируется, как фундаментальная отрасль развития человечества [1]. От бесперебойного электроснабжения потребителей различного уровня ответственности (которое, вполне очевидно, связано со стабильной работой силовых трансформаторов - СТ), без преувеличения, зависит жизнедеятельность человека. Поэтому проблема повышения надежности и работоспособности СТ является несомненно актуальной и имеет важнейшее значение для практики. Основной причиной  отказов указанного энергетического оборудования (которые зачастую сопровождаются авариями и пожарами) признано старение электрической изоляции на основе пропитанной целлюлозной бумаги (ЦБ), в настоящее время не имеющей для данной отрасли высоковольтной техники конкурентоспособных аналогов. Ресурс СТ определяется состоянием целлюлозного компонента, так как пропитывающий жидкий диэлектрик (менее устойчивый к воздействию эксплуатационных факторов) можно и нужно своевременно заменять. Однако принятый мониторинг параметров масла требует остановки СТ и проводится редко (раз в 5 лет, если трансформатор снабжен фильтрами), а контролируемые показатели не в полной мере отражают реальную ситуацию. Действительно, коагуляция продуктов старения компонентов бумажно-пропитанной изоляции (БПИ) и механических примесей приводит к образованию и осаждению шлама (в том числе – на обмотках трансформатора [2], что чревато ростом электропроводности твердой изоляции), в то время как значение диэлектрических потерей масла оказывается заниженным. В этих условиях достоверный прогноз срок службы СТ весьма затруднен, тем более, что их ресурс, как известно [1], определяется не столько временем, сколько режимом эксплуатации, который в большей степени  непредсказуем.  Следовательно, для повышения срока штатного функционирования одного из основных (и дорогостоящих) элементов энергосистем – силовых трансформаторов необходим непрерывный мониторинг пропитывающей среды и совершенствование электрофизических свойств трансформаторной бумаги.

Решению первой задачи может способствовать применение непрерывного оптического контроля, в том числе – на базе предлагаемого нами метода с использованием   волоконно-оптического осветителя [3]. Что касается целлюлозного компонента, то его уникальной отличительной особенностью является тот, хорошо известный, факт, что основные электрические характеристики электроизоляционной бумаги (ЭИБ) в процессе эксплуатации практически не изменяются. Однако целлюлоза имеет низкую нагревостойкость: термоокислительная деструкция ЭИБ приводит к снижению средней степени полимеризации макромолекул целлюлозы и механической прочности материала (вплоть до его физического разрушения). Следовательно, необходим поиск путей повышения устойчивости  бумаги к длительному воздействию повышенных температур, одним из которых может являться модификация целлюлозной основы структурообразующими компонентами.

Достаточно давно известен способ структурирования целлюлозной основы ЭИБ биополимером хитозан (Сh) – полным структурным аналогом целлюлозы, получаемым в основном из хитина панцирей ракообразных [4]. Однако эффективность композита, как диэлектрика, существенно зависит от технологии введения Сh. Результаты исследований, представленные в настоящей публикации, посвящены новому виду модификации. Предлагается технология получения электроизоляционной бумаги [5], при которой полотно ЭИБ формируется двумя видами целлюлозы: традиционной растительной – РЦ (а именно, хвойной электроизоляционной целлюлозой сульфатной варки) и бактериальной (БЦ), синтезируемой в виде нано-гель-пленки особыми бактериями (в нашем случае - Acetobacter Xylinum) на субстратах, содержащих источники углерода, азота, витаминов и воду. Таким образом, целлюлозная основа ЭИБ состоит из волокон, характеризующихся не просто сродством, а являющихся химически идентичными компонентами различного природного происхождения. В настоящее время БЦ эффективно используется, в частности, в медицине и отличается от : высокой упорядоченностью структуры (вследствие прямолинейного движения бактерий в питательной среде); предельной малой толщиной волокна (0,01 – 0,1 мкм); тончайшей пористостью; повышенной химической чистотой, степенью кристалличности и механической прочностью. Вследствие перечисленных особенностей биополимера можно было ожидать и более высокую термостабильность модифицированной электроизоляционной бумаги по сравнению с прототипом традиционного исполнения.

При проведении сравнительных испытаний на устойчивость бумажно-пропитанной композиции к длительному воздействию повышенной температуры в качестве прототипа (образец №1) была выбрана ЭИБ промышленного изготовления из электроизоляционной целлюлозы сосны сульфатной варки (РЦ). Одновременно испытывались опытные виды бумаги, изготовленные в ЛТА:

№2 – из 100% БЦ; №3 – из 90 % РЦ + 10 % БЦ.

Для указанных видов бумаги оценивалась кратковременная электрическая прочность – Е_пр в системе электродов шар (диаметром 6 мм) – плоскость (диаметром 20 мм) – рисунок 1. Одновременно проводилось термостарение при температуре 140ºС в воздушной среде (в ходе которого оценивался предел механической прочности на разрыв – σ_р) и в среде трансформаторного масла марки ГК в условиях каталитического влияния меди(рис.2). На рисунке 3 представлены микрофотографии фрагментов рассматриваемых видов ЭИБ после 220 часов старения.

Приведенные результаты наглядно иллюстрируют перспективность предлагаемого вида модификации, так как обеспечивают повышение  как электрической, так и механической прочности ЭИБ

Рис. 1 - Функции нормального распределения E_пр

  

Рис. 2 - Зависимости предела механической прочности на разрыв образцов ЭИБ от времени термостарения

 

 

Рис. 3 - Микрофотографии (х 400) фрагментов ЭИБ состава:

1 – 100% ЭИЦ; 2 – 100 % БЦ; 3 – 90 % ЭИЦ + 10 % БЦ

Литература

1. А. Лоханин. Обзор докладов, представленных на 43 сессии международной конференции СИГРЭ по тематике исследовательского комитета А2 "Трансформаторы" // Электроэнергия. Передача и распределение. – 2010. – №3.
2. Васин, В.П. Ресурс изоляции силовых маслонаполненных трансформаторов / В.П. Васин, А.П. Долин // Электро. – 2008. – № 3. – С. 12 –17
3. К вопросу о диагностике состояния трансформаторного масла в процессе эксплуатации / А.Ю. Савина, Д.В. Кизеветтер, Н.М. Журавлева, А.В. Воробьев // НТВ СПбГПУ: Издво Политехн. ун-та.- 2013.-Т.3 (178).- С.118 – 125.
4. Способ изготовления электроизоляционной бумаги и картона /М.Н. Морозова, Н.М. Журавлева, Н.П. Осипова, Г.В. Михайлова, Д.М. Фляте, В.И. Ратников// АС № 1067114 от 15.01.84. Бюл. №2.
5. Способ получения электроизоляционной бумаги: пат. 2415221 Российская Федерация: МПК D 21 Н 27/12/ Н.М. Журавлева, Б.И. Сажин, Е.Г. Смирнова, А.К. Хрипунов, Т.В. Ткаченко. – заявл. 30.04.2010.; опубл. 27.03.2011.

References

1. A. Lohanin. Obzor dokladov, predstavlennyh na 43 sessii mezhdunarodnoj konferencii SIGRJe po tematike issledovatel'skogo komiteta A2 "Transformatory" // Jelektrojenergija. Peredacha i raspredelenie. – 2010. – №3.
2. Vasin, V.P. Resurs izoljacii silovyh maslonapolnennyh transformatorov / V.P. Vasin, A.P. Dolin // Jelektro. – 2008. – № 3. – S. 12 –17
3. K voprosu o diagnostike sostojanija transformatornogo masla v processe jekspluatacii / A.Ju. Savina, D.V. Kizevetter, N.M. Zhuravleva, A.V. Vorob'ev // NTV SPbGPU: Izdvo Politehn. un-ta. – 2013. – T.3 (178). – S.118 – 125.
4. Sposob izgotovlenija jelektroizoljacionnoj bumagi i kartona /M.N. Morozova, N.M. Zhuravleva, N.P. Osipova, G.V. Mihajlova, D.M. Fljate, V.I. Ratnikov// AS № 1067114 ot 15.01.84. Bjul. №2.
5. Sposob poluchenija jelektroizoljacionnoj bumagi: pat. 2415221 Rossijskaja Federacija: MPK D 21 N 27/12/ N.M. Zhuravleva, B.I. Sazhin, E.G. Smirnova, A.K. Hripunov, T.V. Tkachenko. – zajavl. 30.04.2010.; opubl. 27.03.2011.