Сорбент для непрерывной очистки трансформаторных масел

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для очистки эксплуатационных масел в непрерывно действующих термосифонных и адсорбционных фильтрах силовых трансформаторов и очистки партий масла, предназначенных к хранению.

Согласно [1] масляные трансформаторы с массой масла свыше 1000 кг должны быть снабжены фильтрами: термосифонными при видах охлаждения М и Д, адсорбционными - при остальных видах систем охлаждения и фильтрами очистки масла от механических примесей - при видах систем охлаждения ДЦ, НДЦ, Ц, НЦ. Система фильтров служит для непрерывной очистки масла от кислых и окисленных продуктов старения масла и бумажной изоляции, коллоидных соединений, в том числе продуктов коррозии конструкционных материалов, и воды в процессе эксплуатации. Силовые трансформаторы зарубежного производства в своей массе не оборудованы системой непрерывно действующих фильтров. Для масла этих трансформаторов применяются технологии периодической очистки масла сорбентами полярных соединений.

Основными показателями качества эксплуатационных трансформаторных масел, характеризующими состояние масла и его работоспособность, являются напряжение пробоя и кислотное число масла.

Степень развития в масле коллоидно-дисперсных процессов с образованием полярных соединений характеризуют такие показатели, как цвет, оптическая мутность и поверхностное натяжение масла на границе с водой [2].

Концентрация в масле кислых и окисленных продуктов старения бумажно-масляной изоляции, являющихся катализаторами шламообразования, характеризуется, в целом, кислотным числом. При этом показатель «кислотное число» не имеет корреляционных взаимосвязей с другими физико-химическими показателями эксплуатационных трансформаторных масел [2].

В соответствии с [3], значение показателя кислотного числа эксплуатационных масел должно быть не выше 0,1 мг КОН/г, ограничивающего область нормального состояния масла. Предельно допустимое значение данного показателя составляет 0,25 мг КОН/г. При этом замену силикагеля в фильтрах непрерывной очистки масла трансформаторов производят, как правило, при достижении кислотного числа 0,1-0,15 мг КОН/г. Обследование 211 трансформаторов с различными типами защиты масла от соприкосновения с воздухом, длительно (более 20 лет) эксплуатируемых в России, проведенное АО «НТЦ ФСК ЕЭС», показало, что значение кислотного числа не превышает, в среднем, 0.03 мг КОН/г при незначительной динамике его временных изменений. При этом только в четырех случаях значение этого показателя приближалось либо превышало 0,1 мг КОН/г, а в двух случаях оно достигало предельно допустимого уровня. Это указывает на то, что концентрация в масле кислых и окисленных продуктов деградации бумажной изоляции и масла при плановой замене силикагеля в фильтрах, которыми оснащены отечественные силовые трансформаторы, «по состоянию» достаточно мала.

При этом кислотное число, как показатель качества свежих отечественных трансформаторных масел, согласно [3], лежит в пределах 0,01-0,02 мг КОН/г в зависимости от марки масла. Таким образом, при оптимальной работе фильтров в трансформаторном масле поддерживается постоянно низкая концентрация катализаторов шламообразования, деструкции бумажной изоляции и дегидратации (выделения воды).

В длительно эксплуатируемых трансформаторах зарубежного производства кислотное число масла может достигать 0,15-0,35 мг КОН/г [4]. Так для 247 трансформаторов электроэнергетических систем Норвегии и Швеции этот показатель, в среднем, составил 0,157 мг КОН/г, а в единичных случаях для трансформаторов, эксплуатируемых в Германии, он достигал значения 0,35 мг КОН/г.

Указанные выше значения показателя кислотного числа длительно эксплуатируемых зарубежных трансформаторов превышают нормированное в [3] значение, ограничивающее область нормального состояния масла, а в ряде случаев - предельно допустимое значение показателя.

В процессе периодической сорбционной очистки масла длительно эксплуатируемых зарубежных трансформаторов значение кислотного числа снижается, примерно, до 0,009 мг КОН/г. Однако при дальнейшей эксплуатации трансформаторов данный показатель возрастает в 2-3 раза и более. Этот эффект связан с десорбцией кислых и окисленных продуктов старения масла и бумажной изоляции из обмотки за счет сил диффузии, возникающих вследствие большой разности концентраций продуктов старения в твердой изоляции и в масле. При этом основная масса полярных продуктов старения при отсутствии системы постоянно действующих фильтров сорбируется в обмотке и не извлекается из нее при периодической очистке масла.

Непрерывно действующая система фильтров очистки масла в отечественных трансформаторах отличается от принятой за рубежом периодической очистки масел тем, что способствует замедлению процессов деградации бумажной изоляции и масла и препятствует процессу шламообразования за счет поддержания в масле вплоть до исчерпания ресурса изоляции постоянно низкой концентрации катализаторов - полярных продуктов деградации масла и бумажной изоляции [5]. Однако применяемый в настоящее время в фильтрах непрерывной очистки масла традиционный сорбент малоэффективен для удаления из эксплуатационных масел продуктов развития коллоидно-дисперсных процессов загрязнения масел, кислых промоторов шламообразования и других полярных соединений. Это не позволяет:

- продлить периоды между ремонтами маслонаполненных трансформаторов, связанных с заменой сорбента в термосифонных и адсорбционных фильтрах;

- эксплуатировать трансформаторное масло и твердую изоляцию в зоне допустимых значений контролируемых показателей в течение всего жизненного цикла трансформатора без проведения специальных ремонтных мероприятий по регенерации или замене трансформаторного масла.

Наиболее близким к заявляемому материалу является силикагель марки КСКГ [6], использующийся для непрерывной очистки эксплуатационных трансформаторных масел в термосифонных и адсорбционных фильтрах силовых трансформаторов.

Недостаток данного материала, как было указано выше, заключается в его малой эффективности.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности непрерывной очистки трансформаторных масел и сохранение значений показателей очищенных масел при их хранении за счет применения сорбентов, модифицированных частицами соединений трехвалентного железа нанометрового размера.

Поставленная цель достигается тем, что в непрерывно действующих термосифонных и адсорбционных фильтрах очистки силовых трансформаторов и очистки партий масла, предназначенных к хранению, предлагается использовать сорбенты на основе крупнопористого силикагеля марки КСКГ, модифицированного частицами соединений железа нанометрового размера. Содержание железа в данном сорбенте составляет 5-10 масс. %.

Предлагаемый сорбент синтезировали в 2 стадии. На первой стадии осуществляли синтез прекурсоров сорбента, а на второй - синтез сорбента. Синтез прекурсоров сорбентов на основе КСКГ проводили путем его пропитки водным раствором азотнокислой соли трехвалентного железа с последующим высушиванием на воздухе при 150°С. Синтез сорбента осуществляли путем обработки прекурсоров водными растворами аммиака с концентраций 2 моль/л, выдерживания в течение 5-10 ч и прокаливанием на воздухе в течение 5 ч при температуре 600°С [7]. Таким образом, синтез сорбентов методом пропитки пористой матрицы водными растворами солей металлов - импрегнантов включает как сорбцию и ионный обмен, так и внедрение ионов импрегнантов в микро- и мезопоры матрицы. В результате возникает возможность синтеза сорбентов с высоким содержанием частиц соединений металлов нанометрового размера [8].

Достижение поставленной цели иллюстрируется нижеследующими примерами конкретного осуществления очистки и хранения эксплуатационных масел при применении предлагаемого сорбента.

Пример 1

В таблице 1 приведены значения показателей исходных загрязненных эксплуатационных масел марки ГК, а также после их взаимодействия в течение 1000 ч с силикагелем КСКГ и заявляемым сорбентом на основе крупнопористого силикагеля КСКГ, модифицированного частицами соединений железа нанометрового размера.

Значения показателя пробивного напряжения масла по ГОСТ 6581-75 определялись на приборе АИМ-90.

Значения показателя «оптическая мутность» определялись на приборе КФК-3 в соответствии с документом «Методические указания по определению оптической мутности трансформаторного масла герметичных вводов 110 кВ и выше, силовых трансформаторов и шунтирующих реакторов», внесенным в реестр действующих в электроэнергетике нормативно-технических документов приказом ОАО РАО «ЕЭС России» от 07.08.2007 г. №497.

Значения показателя «цвет» определялись в соответствии с ГОСТ 20284. «Нефтепродукты. Метод определения цвета на колориметре ЦНТ» с использованием фотоэлектроколориметра ФЭК 4М.

Значения показателя «кислотное число» масла определялись в соответствии с ГОСТ 5985-79. «Нефтепродукты. Метод определения кислотности и кислотного числа».

Значения показателя поверхностного натяжения масел на границе с водой определялись согласно Стандарту организации ОАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007-29.180.010.070-2011 «Методические указания по определению поверхностного натяжения трансформаторных масел на границе с водой методом отрыва кольца»посредством тензиометра "SIGMA - 702ЕТ" [9].

Предельно допустимые значения показателей эксплуатационных масел силовых трансформаторов составляют:

- по напряжению пробоя (для электрооборудования от 60 до 150 кВ) - 40 кВ [3];

- по кислотному числу - 0,25 мг КОН/г [3];

- по показателю «цвет» - 7,5 ед. Ц.Н.Т. [2];

- по показателю «оптическая мутность» - 200 м^-1 [2];

- по поверхностному натяжению трансформаторного масла на границе с водой - 22 мН/м [9].

Значения показателей качества эксплуатационных масел, ограничивающие область нормального состояния масла, составляют:

- по напряжению пробоя (для электрооборудования от 60 до 150 кВ) - 40 кВ[3];

- по кислотному числу - 0,10 мг КОН/г [3];

- по поверхностному натяжению трансформаторного масла на границе с водой - 28 мН/м [9].

Значения показателей исходных загрязненных масел, согласно таблице 1, хуже их предельно допустимых значений или приближены к ним, и, во всяком случае, находятся в интервале значений, ограничивающем область нормального состояния эксплуатационных трансформаторных масел.

Согласно данным таблицы 1, эффективность изменения показателя «Напряжение пробоя» для масла, очищаемого с применением предлагаемого сорбента, несколько ниже, чем для масла, очищаемого силикагелем КСКГ. Возможно, это обусловлено более высоким загрязнением эксплуатационного масла, использованного в опытах с заявляемым сорбентом, по сравнению с маслом, использованным в опытах с силикагелем КСКГ. Однако, так же, как и при использовании силикагеля КСКГ, применение нового сорбента в течение 1000 ч приводит загрязненное эксплуатационное масло к нормальному состоянию для электрооборудования от 60 до 150 кВ включительно и, по крайней мере, к предельно допустимому состоянию для использования в электрооборудовании от 220 до 500 кВ включительно.

Эффективность изменения в лучшую сторону показателей кислотного числа, цвета, оптической мутности и поверхностного натяжения на границе вода/масло при использовании заявляемого сорбента составила 100, более 200, более 300 и 90,2% соответственно, тогда как для использования сорбента КСКГ эффективность изменения этих показателей была существенно меньшей: 74,7; 27,3; 6,1 и 11,9% соответственно.

Пример 2.

Трансформаторное масло, очищенное на заявляемом сорбенте, как указано в примере 1, хранили без доступа воздуха и света в течение двух лет. После этого определяли значения показателей напряжения пробоя, кислотного числа, цвета, оптической мутности и поверхностного натяжения на границе вода/масло, как описано в примере 1.

Значения показателей масла, очищенного с применением предлагаемого сорбента, и после его хранения в течение двух лет, приведены в таблице 2.

Из данных таблицы 2 следует, что эксплуатационное трансформаторное масло, очищенное на вышеуказанном сорбенте, после двух лет хранения в отсутствие доступа воздуха и света находится в нормальном состоянии эксплуатационных масел для электрооборудования при работе на напряжениях от 60 до 150 кВ включительно. При этом некоторое уменьшение значений показателей кислотного числа и поверхностного натяжения на границе вода/масло при хранении масла, сопряженное с возрастанием значений показателей «Цвет» и «Оптическая мутность», связаны с крайне незначительной динамикой коллоидно-дисперсных процессов в сохраняемом эксплуатационном масле.

Полученные результаты указывают на то, что заявляемый сорбент существенно более эффективен для удаления из эксплуатационных масел кислых промоторов шламообразования и продуктов развития коллоидно-дисперсных процессов загрязнения масел, чем сорбент КСКГ, и может быть эффективно использован для применения в фильтрах непрерывной очистки масла силовых трансформаторов. Сохранение значения показателей масла после очистки на предлагаемом сорбенте и хранения масла в течение двух лет показывает на возможность его использования в качестве стабилизатора исходных трансформаторных масел, в том числе свежих.

Литература

1. ГОСТ Р 52719 - 2007. Трансформаторы силовые. Общие технические условия.

2. .L'vov S. Yu., Lyut'ko Е.О., Lankau Ya.V. et al. // Power Technology and Engineering, 2011. V. 45, №3. P. 240-244.

3. РД 34.45 - 51.300 - 97. Объем и нормы испытаний электрооборудования.

4. Berg О., Herdlevar K., Dahlund М. Et al // Theses Experiences from on-site transformer oil reclaiming. Session SIGRE 2002, 12-103.

5. Комаров В.Б., Ланкау Я.В., Львов М.Ю. и др. // Сборник материалов. 3-я Конференция «Консолидация усилий электроэнергетики и электротехники в условиях роста инвестиций. Перспективные технологии и электрооборудование» (ТРАВЭК). 28-29 Мая 2008 г. С. 114-115.

6. ГОСТ 3956-76. Силикагель технический. Технические условия (с изменениями N 1, 2, 3).

7. Кулюхин С.А., Селиверстов А.Ф., Коновалова Н.А. и др. // Тезисы докладов. XX Менделеевский съезд, 2016, Екатеринбург, Россия. Т. 2а. С. 399.

8. Khajeh М., Laurent S., Dastafkan K. // Chem. Rev. 2013. V. 113, N 10. P. 7728-7768.

9. Стандарт организации ОАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007-29.180.010.070-2011 «Методические указания по определению поверхностного натяжения трансформаторных масел на границе с водой методом отрыва кольца». Разработан ОАО «НТЦ Электроэнергетики» и ИФХЭ РАН, утвержден и введен в действие приказом ОАО «ФСК ЕЭС» №126 от 02.03.11. 16 с.