Минеральные масла получают методом дробной перегонки нефти. Химический состав их определяется составом нефти. Все нефтяные масла являются смесью различных углеводородов парафинового (метанового), нефтяного и ароматического рядов. Углеводороды парафинового ряда представляют собой соединения углеводорода и водорода в виде молекул цепочной структуры.
Н Н Н Н
| | | |
Н — C — C — C — … — С — Н
| | | |
Н Н Н Н
Как видно из этой формулы, цепочки могут быть различной длины в зависимости от количества соединенных между собой атомов углерода.
Углеводороды метанового ряда можно выразить общей формулой СnH2n+2, где n – целое число.
При этом до n=5 эти соединения (при комнатной температуре) представляют собой газообразные вещества, до n=15 – жидкости, а при n>15 – твердые вещества.
Углеводороды метанового ряда обладают хорошей химической стабильностью, т. е. стойкостью против окисления.
Нафтеновые углеводороды представляют собой соединения углерода с водородом в виде замкнутых колец с боковыми цепями.
СН — СН2 — СН3 СН — СН3
Н2С CH2 Н2С CH2
Н2С CH2 Н2С CH—CH3
CH2
Поэтому они часто называются циклическими углеводородами. Содержание их в масле достигает 70-85%.
Ароматические углеводороды тоже являются циклическими соединениями углерода с водородом, имеющими (аналогично нафтенам) небольшие боковые цепочки. Установлено, что удаление этих углеводородов из электроизоляционного масла приводит к быстрому окислению, однако чрезмерное количество ароматических углеводородов в составе масел понижает температуру вспышки паров масла и вызывает выпадение осадков.
В результате этого ухудшаются диэлектрические свойства масла.
Количество ароматических углеводородов в масле регулируется в зависимости от химического состава нефти. Представителем ароматических соединений является бензол, химическая формула которого такова:
CH
НС CH
НС CH
CH
Как видно из этой формулы, ароматические соединения в отличие от нафтенов имеют так называемую двойную связь между атомами углерода, что обеспечивает их стойкость против окисления.
Наши отечественные нефти, из которых изготавливают электроизоляционные масла, являются преимущественно нафтеновыми с содержанием ароматических углеводородов в пределах 10-15%, в некоторых из них имеются и парафиновые углеводороды.
Изготовление масла из нефти – сложный технологический процесс, состоящий из ряда физико-химических операций. Содержащиеся в нефти отдельные ее части кипят при разных температурах и поэтому могут быть из нее удалены раздельно – путем нагрева в вакууме до разных температур. При температурах ниже 300о С из нефти выделяются легкие продукты: бензин, лигроин, керосин. Из оставшейся части, называемой мазутом, при температуре выше 300оС выделяется соляровое масло. Путем последовательной обработки его кислотой и щелочью из него удаляют химически нестойкие соединения и получают электроизоляционное масло. Полученное масло промывают теплой дистиллированной водой, вводимой в масло в виде тонких струек. После отстоя и удаления посторонних продуктов промытое водой масло сушат и очищают отбеливающей глиной от химически нестойких веществ. Для этого в масло вводят отбеливающие глины или земли. Затем это масло фильтруют через слои фильтрованного картона, установленные в фильтр прессе.
Назначение и условия эксплуатации электроизоляционных масел в каждом отдельном случае их использования в электротехнических устройствах несколько отличаются друг от друга. Поэтому должны различаться и те требования, которые предъявляются к ним в отношении физико-химических свойств.
Трансформаторное масло выпускается согласно ГОСТ 982-56 двух марок: масло трансформаторное и масло трансформаторное с антиокислительной присадкой. В состав масла второй марки вводится антиокислительная присадка для стабилизации физико-химических свойств масла.
Все трансформаторные масла обычно делят на следующие группы:
1.Не бывшее в эксплуатации свежее масло, полученное с завода.
2.Чистое сухое масло. В эту группу входят:
а) еще не бывшее в эксплуатации;
б) масло, уже бывшее в эксплуатации, но восстановленное химически.
3. Масло, находящееся в эксплуатации.
4. Масло, изъятое из обращения и подлежащее восстановлению.
Свежее трансформаторное масло перед заливкой его в аппараты и трансформаторы подвергается испытанию соответственно требованию ГОСТ 982-56. Главные его показатели приведены в таблице 24.
Технические условия на свежее трансформаторное масло. Таблица 24
| Марки | Вязкость кинематическая, сст, при температуре 20оС 50оС | Кислотное число мг КОН/е, не более | Температура вспышки паров, не менее о С | Температура застывания, не более оС | Тангенс угла диэлектрических потерь tg £, не более | ||
| 20оС | 70оС | ||||||
| Масло без присадки . . . Масло с присадкой . . . | 99,6 99,6 | 0,05 0,03 | -45 -45 | 0,003 0,003 | 0,025 0,025 | ||
Как видно из таблицы, электрическая прочность свежего масла не нормируется. Эта характеристика нормируется «Правилами технической эксплуатации» лишь для сухого масла и масла, находящегося в эксплуатации.
Величины электрической прочности нормируются по величинам рабочих напряжений маслонаполненных аппаратов согласно таблицы 25.
Таблица 25
Электрическая прочность трансформаторного масла в зависимости от напряжения.
| Наименование масел | Рабочее напряжение аппарата, кВ | |||
| До 6 | До 35 | 110- 220 | 330 кВ и выше | |
| Эксплуатационное U пр , кВ /мм Свежее масло |
Кроме того, для эксплуатационного масла температура вспышки должна быть не ниже 135оС и кислотное число не выше 0,4 мг КОН/г.
Большие количества электроизоляционных нефтяных масел используют также в производстве силовых кабелей с бумажной изоляцией. В зависимости от конструкции кабелей масла делятся по вязкости, величине чуть ниже tg δ и температуре застывания на следующие три группы:
1) масла малой вязкости МН-2;
2) масла средней вязкости С-110 и С220;
3) масла вязкие П-28;
Маловязкое масло МН-2 применяется в маслонаполненных кабелях низкого и среднего давления (до 3 атм.). Малая вязкость масла (около 9сст при 50оС) для таких кабелей необходима, чтобы обеспечить подпитку кабеля маслом через сравнительно небольшие каналы в нем при всех эксплуатационных температурах.
Средневязкие масла С-110 и С-220 предназначаются для пропитки и заполнения маслонаполненных высоковольтных кабелей на напряжение 110 кВ и выше при давлении около 14 атм. Эти масла не содержат в своем составе ни ароматических углеводородов, ни асфальто- смолистых веществ. Они представляют собой технически чистую смесь нафтеновых и парафиновых углеводородов, поэтому обладают весьма устойчивыми диэлектрическими характеристиками, особенно величиной tgδ. Установлено, что чем больше вязкость таких масел, тем меньше величина tg δ.
Наиболее вязкое масло применяется для кабелей с бумажной изоляцией до 35 кВ, у которых пропитывающим жидким веществом является масло П-28 с растворенной в нем канифолью. Вязкость этой маслоканифольной пропиточной массы должна иметь резко падающую кривую зависимости ее температуры. В процессе производства кабеля при его пропитке при температурах 115-130оС необходима малая вязкость массы. В процессе эксплуатации при 65-80оС нужна, наоборот, высокая вязкость, затрудняющая передвижение пропиточной массы в кабеле, если он расположен вертикально или наклонно.
Наряду с высокой электрической прочностью для всех кабельных масел весьма важно, чтобы величина tg δ была малой и с повышением температуры не возрастала бы резко. Масла в кабелях соприкасаются с металлами – медью, свинцом, являющими катализаторами их окисления, поэтому необходимо, чтобы они обладали высокой химической устойчивостью против окисления в эксплуатационных условиях. Кроме того, в высоковольтных маслонаполненных кабелях недопустимы газовые пузырьки, ослабляющие электрическую прочность изоляции кабеля. При высоких напряженностях электрического поля в кабелях нафтеновые и парафиновые углеводороды могут разлагаться и выделять водород, т. е. образовать газовые пузырьки. В кабелях с вязкой пропиткой такие газовые выделения поглощаются канифолью; в маслонаполненных кабелях с высоким давлением процесс ионизации, в результате которого выделяется водород, отсутствует или значительно ослаблен давлением. Поэтому газовыделение – важныйпоказатель лишь для маслонаполненных кабелей низкого давления. В табл. 26 приведены основные характеристики двух кабельных масел.
Физические и электрические характеристики электроизоляционных масел*.
Таблица 26
| Показатели | МН-2 | С-110 |
| Вязкость,сст: при 20оС . . . . . . . . при 50оС . . . . . . . . при 100оС . . . . . . . . Температура вспышки, оС . Температура застывания, оС Электрическая прочность, кв/мм . . . . . tgδ при 50 гц, 100оС . . . . ρu при 20оС, Ом . ом . . . . | 37,3 9,6 - 135 °С - 45 0,003 1014-1015 | 680-800 80-120 15,0-17,5 - 15 0,003 1014-1015 |
Для высоковязкого масла П-28 данные не приведены, так как оно применяется в кабелях в виде маслоканифольной массы. Для сравнения с величиной вязкости других масел следует указать, что вязкость при 100оС наиболее высокая и равна 26-30 сст.
Применяемое в бумажно-масляных конденсаторах нефтяное масло служит электроизоляционным материалом, обеспечивающим высокие величины напряженности электрического поля. Поэтому для масла весьма важны электрические характеристики, а именно: малая величина tg £, высокая электрическая плотность, большое удельное объемное сопротивление. Диэлектрическая проницаемость жидкость диэлектриков для конденсатора желательна высокая, однако в нефтяных маслах этого достигнуть нельзя, так как масла – неполярные диэлектрики.
Конденсаторное масло получают в результате более тщательной очистки, чем трансформаторное масло. Очистка состоит из ряда последовательных химических обработок масла с помощью кислот, щелочей, промывки горячей водой, очистки отбеливающими глинами и отстоя.