Scientific journal

Научное обозрение. Педагогические науки

ISSN 2500-3402

ПИ №ФС77-57475

В современных отечественных высоковольтных аппаратах теплоотводящей и изолирующей средой служит преимущественно трансформаторное масло минерального происхождения, являющееся горючим, взрывоопасным и биологически неразложимым.

Главной частью трансформатора являются его обмотки, которые требуется защитить. В процессе понижения высокого в низкое напряжение аппарат генерирует много тепла. Если не удалять тепло, медь начнёт плавиться и электрический контакт будет потерян.

Надежная работа высоковольтных трансформаторов обусловлена применением масла, выполняющего следующие функции:

– охлаждение. Во время скачков напряжения вверх/вниз температура трансформаторных обмоток увеличивается, что требует надлежащего охлаждения;

– электрическая изоляция. Масло действует как изолятор между обмотками, увеличенное сопротивление изоляции помогает избежать короткого замыкания;

– мера безопасности. Газовая защита (по принципу Бухгольца) основана на подаче сигнала на отключение при появлении бурного газообразования, приводящего к короткому замыканию. Индикатор температуры масла описывает внутреннее состояние трансформаторного бака. Масло помогает избежать тяжелых потерь и повреждений аппаратов [1].

В трансформаторах мощностью 50–500 кВА применяют бумажно-масляную изоляцию, в основе которой лежит изоляционная бумага, пропитанная маслом. У трансформаторов мощностью до 20–30 кВА применяют большие сварные конструкции из стального листа с многочисленными трубами, параллельно выходящими из одной или нескольких её сторон. Магнитопровод с обмотками помещается в трубчатый бак. Масло окружает электрические обмотки, и забирает от них тепло. Через конвекцию, в горячем виде оно поднимается в верхнюю часть трубы, охлаждаясь, опускается вниз, и стекает обратно в резервуар с более низкой температурой. Затем всё повторяется по той же схеме.

Направленное масляное охлаждение обеспечивает равномерную теплоотдачу между обмоткой и маслом, которое имеет:

– очень хороший коэффициент теплопроводности (легко отводит тепло);

– высокую точку кипения, поэтому оно остается жидким внутри трансформатора.

Трансформаторное масло обеспечивает хорошие условия для среды гашения дуги. Изоляция сокращает потери меди за счет нагрева, уменьшает шум, создающийся в трансформаторе, приводит к снижению уровня вибрации. Масло не проводит электричество вообще, что наилучшим образом соответствует условиям короткого замыкания.

В настоящее время отечественной нефтеперерабатывающей промышленностью вырабатываются и поставляются следующие трансформаторные масла:

– ГК по ТУ 38.101.1025-85, в основном из западно-сибирских нефтей, вырабатываемая с применением процессов гидрокрекинга и каталитической депарафинизации. Выпускается на АО «Ангарская нефтехимическая компания».

– СА по ТУ 38.401.1033-95, в основном из западно-сибирских нефтей, вырабатываемая с применением процессов селективной очистки, низкотемпературной депарафинизации и специальной адсорбционной очистки. Выпускается АО «Новоуфимский нефтеперерабатывающий завод».

– Т-1500У по ТУ 38.401.58107-94, в основном из западно-сибирских нефтей, вырабатываемая с применением процессов селективной очистки, низкотемпературной депарафинизации и гидроочистки. Выпускается АО «Уфанефтехим» и ОАО «Нижегород-нефтеорсинтез».

– ТСп по ГОСТ 10121-76, в основном из западно-сибирских нефтей, вырабатываемая с применением процессов селективной очистки, низкотемпературной депарафинизации, контактной или гидроочистки. Выпускается АО «Уфанефтехим» и ОАО «Нижегород-нефтеорсинтез» и АО «Новоуфимский нефтеперерабатывающий завод», АО «Омск НПЗ».

– ТКп по ТУ 38.401.5849-92, в основном из анастасиевской нефти, вырабатываемое с применением процессов кислотно-щелочной очистки и контактной доочистки выпускается на Ярославском нефтезаводе им. Менделеева.

Практически с начала использования трансформаторного минерального масла (ТММ) в 90-е годы XIX в. начались взрывы и пожары на трансформаторах. В последние десятилетия XX в. Проблемы безопасности осложнились всё возрастающими экологическими требованиями, связанными с трудностями утилизации ТММ из-за его низкой биодеградационной способности [2]. Дефицит и рост стоимости углеводородного сырья, в том числе пригодного для изготовления ТММ, также ставят проблему его замены. Также существует проблема продления «времени жизни» трансформаторов с истекшим сроком службы, которая решается их перезаливкой, также необходимы жидкости нового поколения.

В настоящее время количество отработанных смазочных материалов (ОСМ) настолько велико, что они представляют опасность для окружающей среды. Из всех отходов нефтепродуктов, сбрасываемых в окружающую среду, 65 % составляют отработанные масла.

Мировое количество собираемых отработанных смазочных материалов составляет 20 млн т/год, всего лишь 15 % из них подвержены дальнейшей переработке. В Российский Федерации сбор и использование отработанных нефтепродуктов составляет 35 % от потребления свежих, тогда как в Германии – 55 %, США – 45 %, Швейцарии – 43 %.

В процессе эксплуатации трансформаторов залитые в них масла претерпевают глубокие изменения, которые обычно называют старением.

Для восстановления отработанных трансформаторных масел применяются разнообразные технологические операции, основанные на физических, физико-химических и химических процессах и заключаются в обработке масла с целью удаления из него продуктов старения и загрязнения. В качестве технологических процессов обычно соблюдается следующая последовательность методов:

– механический – для удаления из масла свободной воды и твердых загрязнений;

– теплофизический (выпаривание, вакуумная перегонка);

– физико-химический (коагуляция, адсорбция).

Отработанное масло классифицируется как опасные отходы класса 2 или 3 (высокоопасные или умеренноопасные). Отработанное масло несет в себе серьезную угрозу для окружающей среды и здоровья людей. Оно опаснее, чем сырая нефть, поскольку в нем содержатся измененные в ходе эксплуатации добавки, полиолефины, смолы, асфальтены, карбены, механические примеси и другие загрязнители.

Альтернативой нефтяным минеральным маслам могут стать жидкие изоляционные материалы на основе возобновляемого растительного сырья.

По своему химическому составу растительные масла представляют собой триглицериды – полные сложные эфиры глицерина и одноосновных карбоновых кислот, как насыщенных (стеариновой, пальмитиновой), так и непредельных (олеиновой, линоленовой) [3].

Специфический состав природных продуктов обуславливает их уникальные свойства смазочных материалов. Входящие в растительные масла жирные кислоты действуют как поверхностно-активные вещества (ПАВ), их сложные эфиры образуют смазочную пленку на поверхности трения, жирные спирты выступают в роли свободных растворителей.

Помимо экологического фактора следует учитывать и экономический фактор. Использование единственного нефтяного источника для производства масел, в скором будущем не будет себя оправдывать.

По данным нескольких источников к настоящему времени в мире находится в эксплуатации несколько десятков тысяч «зеленых» трансформаторов, работающих на трансформаторном растительном масле (ТРМ). В России пока не вырабатываются и не применяются изоляционные и смазочные материалы на основе растительных масел, хотя возможность производства биоматериала огромная.

Из вышеизложенного следует вывод об актуальности исследований в области применения растительного масла, как альтернативу минеральным смазочным материалам.

Мы провели исследования физико-химических свойств минерального трансформаторного масла ТСп по ГОСТ 10121-76 и масла семян рыжика озимого, провели сравнительный анализ физико-химических свойств минеральных и растительных масел.

Исследований проводились в соответствии техническими требованиями: ГОСТ 21046-86 «Нефтепродукты отработанные. Общие технические условия» [4], ГОСТ 10113 – 62 «Масло рыжиковое (техническое). Технические условия» [5].

Трансформаторное масло ТСп по ГОСТ 10121-76 производится в основном из Западно-сибирских нефтей, вырабатываемых с применением процессов селективной очистки, низкотемпературной депарафинизации, контактной или гидроочистки. Выпускается АО «Уфанефтехим» и ОАО «Нижегород-нефтеорсинтез» и АО «Новоуфимский нефтеперерабатывающий завод», АО «Омск НПЗ»

Рыжик озимый (Camelina silvestris L.) – масличное растение семейства крестоцветных, который по своим биологическим особенностям и благодаря короткому вегетационному периоду (295-305 дней) может возделываться практически повсюду, где возможно земледелие. Это однолетняя сельскохозяйственная культура с деревенеющими стеблями высотой до 1 м, стреловидными листьями и мелкими желтыми цветками, во множестве усеивающими побеги. Причудливый окрас семян рыжика, от яркого оранжевого до красноватого, подарил название этому представителю семейства крестоцветных. Рыжики – это растения стран с суровым климатом и холодными зимами. Считается, что чем более северным является регион произрастания растения, тем больше ненасыщенных кислот будет содержаться в масле. В качестве посевной культуры рыжик выращивают и у нас, и по всей Азии и Европе, и в североамериканских странах.

Результаты исследования физико-химических свойств минерального трансформаторного и растительного масел представлены в таблице.

Приведенные выше данные свидетельствуют о возможности технической эксплуатации масла рыжика. Отмечены некоторые преимущества растительного масла по сравнению с ТММ при их использовании в трансформаторах:

– экологическая чистота, обусловленная высокой способностью масла к биодеградации, снижение проблем утилизации;

– высокая температура воспламенения и вспышки, резко снижающие вероятность пожара и взрыва; возможность увеличения нагрузочной мощности;

– неисчерпаемые запасы сырья, возможность использовать генно-модифицированных растений, снижение стоимости при увеличении производства до уровня стоимости ТММ;

– возможность вторичного использования отработанного растительного масла (для получения биодизеля, лаков и красок);

– отсутствие вредного влияния на здоровье персонала;

– существенное уменьшение размеров трансформаторов благодаря новым компоновочным решениям, экономия площадей, занимаемых трансформаторами на подстанции.