Трансформаторное масло – это продукт, получаемый из нефти. Он используется в качестве электроизоляционного материала, теплоотводящей и дугогасящей среды, а также среды, защищающей твердую изоляцию от попадания воздуха и влаги. Как видим, перечень выполняемых задач достаточно широк, что выдвигает к свойствам трансформаторных масел определенные требования. В этой статье хотелось бы поговорить о том, что такое вязкость трансформаторного масла.

Среди прочих свойств электроизоляционных масел, вязкость является, пожалуй, одной из самых важных. Свежее масло, которое только заливается в трансформатор, должно иметь как можно меньшую вязкость. Это будет способствовать улучшению отведения тепла от обмоток.

Подобная ситуация наблюдается и в масляных выключателях. Их масло должно обладать большой подвижностью и малой вязкостью для того, чтобы сопротивление, оказываемое передвижным частям, было минимальным. Современные выключатели выдвигают новые требования к вязкости масел и зависимости ее повышения от понижения температуры.

Что такое вязкость масла?

Вязкость – одно из важнейших свойств трансформаторных масел, что связано с большим его влиянием на процессы теплообмена, протекающие в маслонаполненном оборудовании.

При выполнении инженерных расчетов используются понятия удельной, кинематической и динамической вязкости. Как и во многих случаях, при выборе масла для электротехнического оборудования приходится идти на компромисс. Все дело в том, что материал с высокой вязкостью хорошо влияет на электроизоляционные свойства, а низкая вязкость снижает охлаждающую способность. Поэтому на практике выбирается оптимальный вариант, который в состоянии обеспечить хорошее выполнение как первой, так и второй функции.

Поскольку условия работы силовых трансформаторов достаточно тяжелые и могут характеризоваться повышенными температурами, стоит учитывать изменение вязкости при нагревании. Повышение температуры приводит к уменьшению вязкости и наоборот.

Обычно в справочной литературе можно найти несколько значений вязкости трансформаторного масла, указанных для определенной температуры. Применяя известные математические методы (интерполяцию, экстраполяцию и т.п.) несложно найти значение вязкости при интересующей температуре, даже если она не указана в справочнике. Например, среднее значение кинематической вязкости для трансформаторного масла составляет (28‑30)∙10 -6 м 2 /с.

Условная и кинематическая вязкость трансформаторного масла

Такой параметр, как условная вязкость , определяют с помощью специального прибора – вискозиметра Энглера, по методике, изложенной в ГОСТ 6558-52. При этом смотрят на так называемое водное число вискозиметра: т.е. истечение 200 см дистиллированной воды при 20 ºС. Оно не должно быть меньше 50 и больше 52.

Кинематическую вязкость определяют с помощью капиллярного вискозиметра (вискозиметра Пинкевича), который имеет вид трубки У-образной формы. Методика измерений изложена в ГОСТ 33-82.

На практике при выборе вязкости масел необходимо искать компромисс, так как с одной стороны высокое ее значение хорошо влияет на электроизоляционные свойства, но ухудшает охлаждающую способность и увеличивает сопротивление движущимся частям механизмов. Малая вязкость оказывает противоположное влияние.

Как правило, разные сорта трансформаторных масел имеют и различную вязкость. Этот показатель существенно зависит от температуры (если масло нагревать, то его вязкость уменьшается), поэтому в справочной литературе в большинстве случаев указывают несколько значений этого показателя при разных температурах.

Например, при положительных рабочих температурах от 50 ºС до 90 ºС вязкость масел различного происхождения может отличаться примерно в два раза. Для различных масел при положительной температуре температурный градиент вязкости не превышает 1 мм 2 /с на 1 ºС.

В случае отрицательных температур вязкость разных сортов масел может возрастать очень неравномерно. Посудите сами: в интервале -20 ºС … -30 ºС температурный градиент вязкости составляет 60-70, -30 ºС … -40 ºС – 90-370, -40 ºС … -50 ºС – 800-6000, а в интервале -50 ºС … -60 ºС может достигать 50000 мм 2 /с на 1 ºС и выше.

Если изменение вязкости трансформаторных масел происходит в области низких температур, то в этом случае нужно учитывать такое явление, как аномалия вязкости. Также скидку на высокие значения вязкости нужно делать в том случае, если вводится в эксплуатацию мощный трансформатор с циркуляционным охлаждением. В таких аппаратах на протяжении длительного времени масло находится под воздействием низких температур.

В устройствах типа масляных выключателей или контакторов для регулирования напряжения под нагрузкой трансформаторов работоспособность также напрямую зависит от вязкости.

Измерение вязкости трансформаторных масел

Определение условной вязкости трансформаторных масел осуществляется при помощи специальных приборов – вискозиметров Энглера. Они состоят из латунного и металлического сосудов, калиброванной трубки, пробки и указательных штифтов.

Вязкость масла в градусах Энглера – это время, необходимое для истечения 200 миллилитров масла, нагретого до температуры 50ºС, деленное на время истечения такого же объема дистиллированной воды, но уже при температуре 20ºС.

Для нахождения динамической и кинематической вязкости используются специальные эмпирические формулы, которые учитывают силу, действующую на твердый шарик в масле, его радиус, скорость движения, радиус и высоту сосуда. Кинематическую вязкость получают путем деления известной динамической вязкости на плотность трансформаторного масла.

Кроме приборов Энглера для измерения условной вязкости могут также использоваться и другие вискозиметры: ротационные, шариковые, электроротационные, капиллярные и пластовискоизиметры.

Для сохранения оптимального численного значения вязкости трансформаторного масла на протяжении всего срока его эксплуатации необходимо использовать специальное оборудование. Все дело в том, что в ходе работы силовых трансформаторов на масла действует ряд неблагоприятных факторов: солнечный свет, высокие температуры, кислород воздуха, механические примеси и т.д. Совокупность этих факторов приводит к ухудшению эксплуатационных параметров масел и их отклонению от нормированных значений. В первую очередь речь идет о пробивном напряжении, кислотном числе, тенгенсе угла диэлектрических потерь, температуре вспышки. Не является исключением и вязкость.

Поэтому для сохранения всех эксплуатационных параметров трансформаторного масла на уровне нормированных значений необходимо выполнение определенных мероприятий: очистки, сушки и регенерации.

Компания GlobeСore предлагает широкий выбор оборудования, предназначенного для работы с трансформаторными маслами. Применение технологий GlobeCore позволяет не только поддерживать параметры трансформаторных масел на должном уровне, но и восстанавливать их в случае ухудшения.

Установки очистки, осушки и регенерации трансформаторных масел от компании GlobeCore – это энергоэффективное и экологичное решение проблемы поддержания и ухудшения качественных характеристик трансформаторных масел! Для обеспечения надежной работы Вашего маслонаполненного оборудования достаточно просто с специалистами нашей компании и с их помощью выбрать установку необходимой производительности.

Введение

Любой инженер-энергетик не понаслышке знает, что такое трансформатор, и как он устроен. Что же нужно для надежной работы трансформатора? Одним из критериев является трансформаторное масло. Данная работа поможет больше узнать про трансформаторное масло. Она расскажет не только о самом масле, но и о методах его сушки, а также о технических требованиях при эксплуатации.

Трансформаторное масло

Физические показатели

Плотность трансформаторных масел колеблется в пределах 800-890 кг/м 3 и зависит от его химического состава. Чем больше в масле полициклических ароматических и нафтеновых углеводородов, тем выше его плотность. Молекулярная масса трансформаторных масел колеблется в пределах 230-330 и зависит от их фракционного и химического состава. При близком фракционном составе чем больше в масле ароматических углеводородов, тем меньше молекулярная масса и плотность, то есть по мере углубления очистки масла снижается плотность и увеличивается его молекулярная масса.

Молекулярная масса масел определяется эбуллиоскопическим или криоскопическим методами. Оба метода основаны на законах о разбавленных растворах: первый на измерении повышения температуры кипения чистого растворителя, а второй на измерении понижения температуры кристаллизации чистого растворителя. Поскольку полициклические ароматические и нафтеноароматические углеводороды склонны к ассоциации, молекулярную массу определяют при разной концентрации масла в растворителе и истинную молекулярную массу рассчитывают экстраполяцией к нулевой концентрации.

Показатель преломления характеризует изменение скорости света при переходе из одной среды в другую и измеряется отношением синуса угла падения света к синусу угла его преломления. Показатель преломления зависит от длины волны света и температуры и при заданных значениях этих параметров является характеристикой вещества. Подобно плотности значение показателя преломления снижается при углублении очистки. При близких фракционном составе и вязкости масел показатель преломления удовлетворительно характеризует содержание ароматических углеводородов.

Вязкость характеризует свойство жидкости оказывать сопротивление при перемещении одной части жидкости относительно другой (рисунок 1).

Обычно пользуются понятием кинематической вязкости, представляющей собой отношение динамической вязкости к плотности; за единицу ее принимают в системе СИ 1 м 2 /с.

Вязкость иногда выражают в других единицах - градусах Энглера. За рубежом пользуются градусами Сейболта и Редвуда.

В практике часто важно знать вязкость масла при низких температурах, экспериментальное определение которой сложно. С этой целью определяют вязкость при двух положительных температурах, соединяют значения их прямой на номограмме и экстраполируют до искомой температуры (рисунок 1).

Рисунок 1

Следует учитывать, что номограмма построена исходя из предположения, что в принятом интервале температур масло проявляет себя как ньютоновская жидкость.

При температурах, близких к температуре застывания, проявляется аномалия вязкости. Пользоваться номограммой можно до температур на 10-15 °С выше температуры застывания.

На практике широкое применение нашел индекс вязкости по Дину и Девису. Эти авторы предложили сравнивать вязкость испытуемого масла с вязкостью масляных дистиллятов, полученных из американских нефтей Пенсильванского и Мексиканского заливов. Индекс вязкости первого масла принимается за 100, а второго за 0.

Все масла при 98,9 °С должны иметь одинаковую вязкость.

Плотность, показатель преломления и вязкость масел находятся в зависимости от химического и в первую очередь углеводородного состава масел при близком фракционном составе.

Температура вспышки трансформаторных масел определяется в закрытом тигле в аппарате Мартене--Пенского.

Температурой вспышки называется температура, при которой шары масла, нагреваемого в стандартных условиях, вспыхивают при поднесении к ним пламени.

Температура вспышки для обычных товарных масел колеблется в пределах 130--170, а для арктического масла--от 90 до 115 °С и зависит от фракционного состава, наличия относительно низкокипящих фракций и в меньшей степени от химического состава.

Температуры вспышки масел находятся в зависимости от упругости их насыщенных паров. Чем ниже упругость паров, чем выше температура вспышки, тем лучше можно дегазировать и осушать масло перед заливом в высоковольтное оборудование. Минимальная температура вспышки масел регламентируется не столько по противопожарным соображениям, сколько с точки зрения возможности глубокой их дегазации.

В отношении пожарной безопасности большую роль играет температура самовоспламенения; это температура, при которой масло при наличии воздуха загорается самопроизвольно без поднесения пламени. У трансформаторных масел эта температура около 350--400 °С.

У отечественных трансформаторных масел упругость насыщенных паров при 60 °С колеблется от 8 до 0,4 Па. У зарубежных масел, как правило, упругость паров ниже и составляет от 1,3 до 0,07 Па.

Зависимость поглощения (по энергии на 1 мггц для различных интенсивностей ультразвука от расстояния до излучателя (дистиллированная вода.  

В этой же связи стоит тот экспериментальный факт, что с уменьшением вязкости трансформаторного масла при его нагревании коэффициент поглощения не уменьшается (как это должно было бы быть для волн малой амплитуды), а увеличивается.  

Что касается изменения вязкости масел при низких температурах1, то, как следует из табл. 11, заимствованной из той же работы, резкое увеличение вязкости трансформаторного масла наблюдается уже при температурах ниже минус 30 С, а для турбинного Л при температуре минус 5 С.  

Для применения в силовых трансформаторах в СССР используют в основном совтол-10, представляющий собой смесь 90 % пента-хлордифенила и 10 % трихлорбензола, который имеет в рабочем интервале температур вязкость, близкую к вязкости трансформаторного масла. Однако по своим вязкостно-температурным свойствам совтол-10 значительно уступает гексолу, представляющему собой смесь 20 % пентахлордифенила и 80 % гексахлорбутадиена. Гек-сол не застывает при температуре до - 60 С и меньше подвержен влиянию загрязнений.  

Были проведены две серии опытов. Вязкость трансформаторного масла снижали добавлением в него растворителя - керосина и растворением в нем природного газа.  

Вязкость трансформаторного масла строго нормируется. Трансформаторное масло, поступающее на предприятия, тщательно сушат в специальных установках и многократно фильтруют. Пробивное напряжение масла перед заливкой в трансформатор должно быть не менее 50 кВ при расстоянии между двумя электродами в стандартном пробойнике 2 5 мм.  

В большинстве случаев для этой цели используется сухое трансформаторное масло (ГОСТ 982 - 56), обладающее хорошими электроизоляционными свойствами. Вязкость трансформаторного масла невелика, вследствие чего его конвекция и циркуляция обеспечивают хорошее охлаждение аппаратуры, что особенно важно для приборов с нагревающимися в процессе работы элементами. Масло также защищает аппаратуру от атмосферных влияний и от вредного действия химически агрессивной среды.  

Основным достоинством трансформаторного масла являются его высокие изоляционные свойства и способность предохранить от коррозии охлаждаемый тракт. Однако вязкость трансформаторного масла значительно выше вязкости воды. Поэтому для создания циркуляции масла, по эффективности соизмеримой с циркуляцией воды, требуются большие диаметры трубопроводов и более высокий напор. Давление масла в трубопроводе ограничено 3 - 4 кгс / см2, так как из-за хорошей смачиваемости металлических поверхностей, оно при больших давлениях способно просачиваться сквозь незначительные неплотности, практически всегда имеющие место в сочленениях трубопроводов.  

В технических нормах в качестве одного из параметров, характеризующих данное масло, указывается значение v20, однако на фиг. Поэтому вязкость очищенного трансформаторного масла при 20 С определим приближенно, используя, например, формулу (I, 56) Гросса.  

Эффективность теплоотвода. / - кремнийорганической жидкостью большой вязкости. 2 - трансформаторным маслом. 3, 4 и 5 - фторорганиче-скими жидкостями (С4Р9 зМ, CSF16O и C6F120.| Применение холодильной установки для охлаждения трансформатора.

Это может быть особенно ценным для трансформаторов предельных мощностей, которые иначе были бы нетранспортабельными. Нужно отметить, что вязкость трансформаторного масла возрастает при понижении температуры, поэтому коэффициент теплоотдачи от обмоток к маслу будет ниже, чем в обычных системах масляных трансформаторов.  

Если полость статора заполнена трансформаторным маслом, то во время пуска в зимнее время необходимо создать минимальную нагрузку или, если это допустимо, произвести пуск в режиме холостого хода и продолжать работу электродвигателя в этом режиме для прогрева всего объема масла до 15 - 20 С без подачи охлаждающей жидкости в систему охлаждения. Это необходимо по той причине, что вязкость трансформаторного масла при низких температурах велика и циркуляция его по всему контуру будет затруднена, что может привести к местным перегревам и к обугливанию изоляции обмотки даже в том случае, когда температура масла в точках замера еще не достигнет предельных значений.  

Эксплуатация электродвигателей, полость статора у которых заполнена трансформаторным маслом или для отвода тепла используется водяное охлаждение, в зимнее время на открытых площадках или в неотапливаемых помещениях имеет ряд отличительных особенностей. Это обусловлено тем, что при низких температурах вязкость трансформаторного масла повышается, а вода может замерзнуть в системе охлаждения, если не принять надлежащих мер предосторожности.  

Снижение вязкости при заданной температуре вспышки достигается сужением фракционного состава; внедрение этого мероприятия ограничено, так как при этом уменьшается выход масла. В последние годы за рубежом намечается тенденция снижения вязкости трансформаторных масел даже при условии некоторого понижения температуры вспышки.  

Трансформаторное масло представляет собой очищенную фракцию нефти, то есть является минеральным маслом. Его получают посредством перегонки нефти, где данная фракция кипит при 300 - 400°С. В зависимости от сорта исходного сырья свойства трансформаторных масел получаются различными. Масло отличается сложным углеводородным составом, где средний вес молекул варьируется от 220 до 340 а.е.м. В таблице приведены основные компоненты и их процент в составе трансформаторного масла.

Свойства трансформаторного масла, как электрического изолятора, определяются главным образом значением . Поэтому наличие воды и волокон в масле полностью исключается, поскольку любые механические примеси ухудшают данный показатель.

Температура застывания трансформаторного масла - от -45°С и ниже, это важно для обеспечения его подвижности в низкотемпературных условиях эксплуатации. Эффективному отводу тепла способствует наиболее низкая вязкость масла даже при температурах от 90 до 150°С в случае вспышек. Для разных марок масел эта температура может быть 150°С, 135°С, 125°С, 90°С, не ниже.

Крайне важным свойством трансформаторных масел является их стабильность в условиях окисления, трансформаторное масло должно сохранять требуемые параметры на длительный период работы.

Что касается конкретно РФ, то здесь все сорта трансформаторных масел, применяемых на промышленном оборудовании, обязательно ингибированы антиокислительной присадкой - ионолом (2,6-дитретичный бутилпаракрезол, известный еще как агидол-1). Присадка взаимодействует с активными пероксидными радикалами, возникающими в цепи окислительной реакции углеводородов. Так, ингибированные трансформаторные масла имеют при окислении ярко выраженный индукционный период.

Сначала восприимчивые к присадкам масла окисляются медленно, поскольку возникающие цепи окисления прерываются ингибитором. Когда присадка истощена, масло окисляется с обычной скоростью, как без присадки. Чем больше индукционный период окисления масла, тем выше и эффективность присадки.

Немало эффективность присадки связана и с углеводородным составом масла, и с наличием примесей неуглеводородного рода, способствующих окислению, коими могут выступать азотистые основания, нефтеновые кислоты и кислородосодержащие продукты окисления масла.

Когда нефтяной дистиллят очищают, содержание ароматических углеводородов снижается, устраняются неуглеводородные включения, и в итоге стабильность ингибированного ионолом трансформаторного масла повышается. Между тем, существует международный стандарт «Спецификация на свежие нефтяные изоляционные масла для трансформаторов и выключателей».

Трансформаторное масло обладает горючестью, оно биоразлагаемо, почти не обладает токсичностью и не вредит озоновому слою. Плотность трансформаторного масла лежит в пределах от 840 до 890 килограмм на кубометр. Одно из важнейших свойств - вязкость. Чем выше вязкость, тем выше электрическая прочность. Вместе с тем, для нормальной работы в и в выключателях, масло не должно быть очень вязким, иначе охлаждение трансформаторов не будет эффективным, а выключатель не сможет быстро разорвать дугу.

Здесь нужен компромисс относительно вязкости. Обычно кинематическая вязкость при температуре 20°С, у большинства трансформаторных масел лежит в диапазоне от 28 до 30 мм2/с.

Прежде чем заполнить маслом аппарат, масло очищают при помощи глубокой термовакуумной обработки. Согласно действующему руководящему документу "Объем и нормы испытаний электрооборудования" (РД 34.45-51.300-97), концентрация воздуха в трансформаторном масле, заливаемом в трансформаторы с азотной или пленочной защитой, в герметичные измерительные трансформаторы и в герметичные вводы, не должна быть выше 0,5 (определяется методом газовой хроматографии), а максимальное содержание воды - 0,001% массы.

Для силовых трансформаторов без пленочной защиты и для негерметичных вводов допустимо содержание воды не более 0,0025% массы. Что касается содержания механических примесей, определяющего класс чистоты масла, то оно не должно быть для оборудования напряжением до 220кВ хуже 11-го, а для оборудования напряжением выше 220 кВ - не хуже 9-го. Пробивное напряжение, в зависимости от рабочего напряжения, приведено в таблице.

Когда масло залито, то пробивное напряжение на 5 кВ ниже, чем у масла до заливки в оборудование. Допустимо снижение класса чистоты на 1 и увеличение процента воздуха на 0,5%.

Условия окисления (метод определения стабильности - по ГОСТу 981-75)

Температура застывания масла определяется при испытаниях, когда пробирку с загустевшим маслом наклоняют на 45°, и масло остается на том же уровне в течение минуты. Для свежих масел эта температура не должна быть ниже -45°С.

Данный параметр имеет ключевое значение для . Тем не менее, в разных климатических зонах требования к температуре застывания различны. Например, в южных регионах допускается применять трансформаторное масло с температурой застывания -35°С.

В зависимости от условий эксплуатации оборудования, нормативы могут варьироваться, возможны в некоторых пределах отступления. Так, например, арктические сорта трансформаторного масла не должны застывать при температуре выше -60°С, а температура вспышки снижается до -100°С (температура вспышки - температура, при которой нагретое масло производит пары, становящиеся легко воспламеняемыми при перемешивании с воздухом).

Вообще, температура вспышки не должна быть ниже 135°С. Также важны такие характеристики, как температура воспламенения (масло воспламеняется и горит при ней в течение 5 и более секунд) и температура самовоспламенения (при температуре 350-400°С масло воспламеняется даже в закрытом тигле при наличии воздуха).

Трансформаторное масло обладает теплопроводностью от 0,09 до 0,14 Вт/(м×К), и она снижается с ростом температуры. Теплоемкость же с ростом температуры возрастает, и может быть от 1.5 кДж/(кГ×К) до 2.5 кДж/(кГ×К).

С коэффициентом теплового расширения связаны нормативы по размерам расширительного бака, и данный коэффициент находится в районе 0,00065 1/К. Удельное сопротивление трансформаторного масла при 90°С и в условиях напряженности электрического поля 0.5 МВ/м в любом случае не должно быть выше 50 Гом*м.

Равно как и вязкость, удельное сопротивление масла с ростом температуры снижается. Диэлектрическая проницаемость - в пределах от 2,1 до 2,4. Тангенс угла диэлектрических потерь, как было сказано выше, связан с наличием примесей, так для чистого масла он не превышает 0,02 при 90°С в условиях частоты поля 50 Гц, а в окисленном масле может превышать 0.2.

Электрическую прочность масла измеряют во время испытаний на пробой 2,5 мм разрядника с диаметром электродов 25,4 мм. Результат не должен быть ниже 70 кВ, и тогда электрическая прочность составит не менее 280 кВ/см.

Несмотря на принятые меры, трансформаторное масло может поглощать газы, и растворять в себе значительное их количество. В обычных условиях в одном кубическом сантиметре масла легко растворится 0,16 миллилитров кислорода, 0,086 миллилитров азота и 1,2 миллилитра углекислоты. Очевидно, кислород начнет окислять мало. Если газы наоборот выделяются, это признак появления дефекта обмотки. Так, по наличию растворенных в трансформаторном масле газов, посредством хроматографического анализа выявляют дефекты трансформаторов.

Сроки службы трансформаторов и масла не связаны напрямую. Если трансформатор способен работать безотказно лет 15, то масло каждый год желательно очищать, а через 5 лет - регенерировать. Однако, для предотвращения быстрого истощения ресурса масла предусмотрены вполне определенные меры, принятие которых значительно продлит срок службы трансформаторного масла:

Установка расширителей с фильтрами для поглощения воды и кислорода, а также выделяемых из масла газов;

Избегание рабочего перегрева масла;

Периодические чистки;

Непрерывная фильтрация масла;

Введение антиокислителей.

Высокие температуры, реакции масла с проводниками и диэлектриками, - все это способствует окислению, которое и призвана предотвращать антиокислительная присадка, о которой упоминалось в начале. Но регулярная очистка все равно требуется. Качественная очистка масла возвращает его в пригодное для использования состояние.

Что же может послужить поводом для изъятия из эксплуатации трансформаторного масла? Это могут быть загрязнения масла постоянными веществами, наличие которых не привело к глубоким изменениям в масле, и тогда достаточно провести механическую очистку. Вообще, существует несколько методов очистки: механический, теплофизический (перегонка) и физико-химический (адсорбция, коагуляция).

Если произошла авария, резко снизилось пробивное напряжение, появился нагар, или хроматографический анализ выявил неполадки, трансформаторное масло очищают прямо в трансформаторе или в выключателе, просто отключив аппарат от сети.

При регенерации отработанного трансформаторного масла получают до 3 фракций базовых масел для приготовления других товарных масел, таких как моторные, гидравлические, трансмиссионные масла, смазочно-охлаждающие жидкости и пластичные смазки. В среднем после регенерации получается 70-85% масла, в зависимости от применяемого технологического способа. Химическая регенерация является при этом более дорогостоящей. При регенерации трансформаторного масла возможно получить до 90% базового масла идентичного по качеству свежему.

При установившемся режиме и естественном охлаждении трансформатора температура масла в каждой горизонтальной плоскости имеет неизменное значение (рис. 8-1).

Рис. 8-1. Температура масла по высоте бака трансформатора [Л. 8-1].

При этом следует заметить, что только в граничных слоях масла (толщиной около 3 мм), непосредственно омывающих поверхность катушек и бака, происходят колебания температуры. Для того чтобы обеспечить достаточную продолжительность жизни изоляции трансформатора, важно быстрее снижать температуру, т. е. более интенсивно отводить тепло от нагретого провода [Л. 8-1].

Величина коэффициента теплопередачи, помимо других переменных, определяется физическими свойствами теплоносителя: плотностью, теплоемкостью, теплопроводностью и вязкостью [Л. 8-2, 8-3].

Плотность товарных трансформаторных масел обычно варьирует в довольно узких пределах: 0,860-0,900.

С достаточной для многих практических задач точностью температурная зависимость плотности определяется приближенно по уравнению

https://pandia.ru/text/80/153/images/image291.gif" width="26" height="24"> - плотность при температуре 20° С; t - температура, для которой вычисляется плотность; α - температурная поправка плотности на 1°С (табл. 8-1).

Таблица 8-1. Средние температурные поправки плотности нефтяных масел [Л. 8-4].

Теплоемкость и теплопроводность трансформаторных масел зависят от температуры и связаны с плотностью масла.

На рис. 8-2 и 8-3 приведены соответствующие соотношения, заимствованные из [Л. 8-5].

Рис. 8-2. Коэффициент теплопроводности трансформаторных масел различной плотности в зависимости от температуры [Л. 8-5] .

Для определения коэффициента теплопроводности трансформаторных масел в интервале температур от 0 до +120° С можно пользоваться номограммами [Л. 8-6]; в необходимых случаях этот параметр определяют экспериментально [Л. 8-7].

Рис. 8-3. Удельная теплоемкость трансформаторных масел различной плотности в зависимости от температуры [Л..jpg" width="347" height="274">

Рис. 8-4. Практические коэффициенты теплоотдачи теплообменных аппаратов в зависимости от скорости потока и вязкости теплоносителя [Л. 8-9]. 1 - скорость потока 1,2 м/сек; 2 - то же 0,3 м/сек.

Вязкость чистых углеводородов изменяется в широких пределах в зависимости от величины и структуры молекулы. Различают динамическую вязкость η, выраженную обычно в сантипуазах (1 спз 10-3 кГ/мсек ), которая применяется для выражения абсолютных сил, действующих между слоями жидкости, и кинематическую вязкость. Последняя представляет собой отношение динамической вязкости жидкости при данной температуре к ее плотности при той же температуре: νк = η/ρ. Пользование νк весьма удобно при исследовании движения вязких жидкостей.

Увеличение молекулярного веса парафиновых углеводородов приводит к повышению вязкости. Для ароматических углеводородов с повышением длины боковой цепи вязкость увеличивается примерно по параболическому закону (относительно числа атомов углерода в боковых цепях) (рис. 8-5).

Рис. 8-5. Зависимости между вязкостью и длиной боковой цепи для алкилбензолов (пунктирная линия) и β-алкилнафталинов (сплошная линия) [Л. 8-10].

Наличие циклов в молекулах углеводородов приводит к повышению их вязкости. Чем сложнее строение кольца, тем больше вяз-Гость при данном молекулярном весе. Вязкость алкилзамещенных ароматических углеводородов возрастает с увеличением числа боковых цепей. [Л. 8-10. 8-13].

Установлена функциональная зависимость между параметрами, определяющими вязкостные свойства масла, и его углеводородным составом, которая подтверждена экспериментально на примере большого числа образцов масла. Указывается, что, используя такую зависимость, можно на основании данных структурно-группового анализа масла вычислить значения его вязкости при любой температуре, превышающей температуру застывания масла [Л. 8-14].

Исследования, проведенные с различными масляными дистиллятами отечественных нефтей [Л. 8-15], показывают, что наилучшими вязкостно-температурными характеристиками обладают фракции масел, содержащие нафтеновые и парафиновые углеводороды. Удаление парафиновой части из таких фракций приводит обычно к возрастанию уровня вязкости и улучшению низкотемпературных свойств масел.

Для ароматической фракции масла характерно улучшение вязкостно-температурных свойств при увеличении содержания углеводородов с большим количеством атомов углерода в цепях.

Приведенные данные свидетельствуют, что структура углеводородов определяет не только абсолютное значение вязкости их, но также и характер температурной зависимости вязкости. Эта характеристика имеет большое значение при применении масел в трансформаторах, устройствах для переключения под нагрузкой, а также в масляных выключателях.

Весьма важно, чтобы в условиях низких температур вязкость трансформаторного масла была как можно меньше; иными словами, кривая, характеризующая температурную зависимость вязкости масла, должна быть достаточно пологой. В противном случае при высокой вязкости масла в охлажденном трансформаторе будет затруднен отвод тепла от его обмоток в начальный период после включения, что приведет к их перегреву. В переключающих устройствах трансформаторов и масляных выключателях увеличение вязкости масла создает препятствие для перемещения подвижных частей аппаратуры, что влечет за собой нарушение нормальной работы. В связи с этим в некоторых стандартах на трансформаторное масло нормируется вязкость при температуре -30° С. Изменение вязкости трансформаторного масла в зависимости от температуры хорошо описывается уравнением Вальтера [Л. 8-16].

где ν - кинематическая вязкость, сст; Т - температура, °К; р и m - постоянные величины.

На основании этой формулы построена специальная номограмма, с помощью которой, зная вязкость масла при двух определенных температурах, можно приближенно установить вязкость его при любой заданной температуре [Л. 8-17]. В области высоких значений вязкости (т. е. при низких отрицательных температурах) номограммой можно пользоваться лишь до тех пор, пока масло остается ньютоновской жидкостью и не имеет места аномалия вязкости. При температуре ниже минус 20° С иногда наблюдаются отклонения значений вязкости от прямой на номограмме. Для большинства трансформаторных масел предел пользования номограммой соответствует вязкости примерно 1 000-1 500 сст. Другим недостатком номограмм такого рода является то, что двойное логарифмирование приводит к сглаживанию вязкостно-температурной зависимости и наклоны соответствующих прямых для различных масел мало различаются.

В некоторых случаях используют так называемую шкалу Ф [Л. 8-18]. При построении этой шкалы на ось абсцисс наносят температуру в равномерном масштабе. На ось ординат наносят шкалу вязкости таким образом, чтобы для данного трансформаторного масла, принятого за эталон, температурная зависимость вязкости характеризовалась прямой линией. Тогда для других трансформаторных масел зависимость вязкости от температуры также будет изображаться прямой линией. Это позволяет производить интерполяцию и экстраполяцию значений вязкости любого трансформаторного масла по двум опытным точкам (рис. 8-6).

Рис. 8-6. Шкала Ф для интерполяции и экстраполяции вязкости трансформаторных масел при различных температурах по двум опытным точкам; при построении шкалы в качестве эталона попользована опытная зависимость v=f(t) для товарного масла из бакинских нефтей.