Резник Александр Сергеевич. Повышение термостабильности компонентов высоковольтной бумажно-пропитанной изоляции путем структурной модификации целлюлозной бумаги : Резник Олександр Сергійович. Підвищення термостабільності компонентів високовольтної паперово-просоченою ізоляції шляхом структурної модифікації целюлозного паперу

Краткое описание

Резник Александр Сергеевич. Повышение термостабильности компонентов высоковольтной бумажно-пропитанной изоляции путем структурной модификации целлюлозной бумаги: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.09.02 / Резник Александр Сергеевич;[Место защиты: ФГАОУ ВО Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого], 2017

Содержание к диссертации

Введение
1.1.Силовые трансформаторы, как один из важнейших элементов энергосистем, и основные причины их отказов16
1.2 Свойства и старение компонентов бумажно-пропитанной изоляции 21
1.2.1. Электроизоляционная бумага 24
1.2.2. Трансформаторные жидкие диэлектрики 30
1.2.3. Ресурс бумажно-пропитанной изоляции
1.3. Диагностика состояния БПИ силового трансформатора 40
1.4. Модификация целлюлозной основы электроизоляционной бумаги 49
1.4.1. Модификация целлюлозной основы ЭИБ бактериальной целлюлозой
1.4.2. Модификация целлюлозной основы ЭИБ хитозаном 54
1.5. Заключение по литературному обзору и постановка цели и задач исследования 60
Глава 2. Методика исследования 64
2.1. Объект исследования 64
2.2. Методика проведения ускоренного термостарения 64
2.3. Стандартные методы испытания электроизоляционных материалов 65
2.4. Нестандартизованные методы испытания диэлектрических материалов 69
2.4.1. Методика определения электрической прочности бумаги 69
2.4.2. Методика определения средней степени полимеризации (СП) макромолекул целлюлозы 71
2.4.3. Методика оценки нагревостойкости электроизоляционных целлюлозных материалов 73
2.4.4. Методика определения светопропускания жидких диэлектриков 77
2.4.5. Методы спектрального анализа жидких диэлектриков 78
2.4.6. Анализ состояния диэлектрических материалов с применением увеличительной техники 82
2.4.7. Методика количественной оценки содержания шлама в жидком диэлектрике 83
2.4.8. Спектрально-корреляционный метод 86
2.4.9. Оценка состава по волокну электроизоляционной бумаги 87
Глава 3. Экспериментальная часть 89
3.1. Исследование совместимости электроизоляционной бумаги с жидкими диэлектриками различной химической природы 89
3.1.1. Сравнительная оценка совместимости электроизоляционной бумаги с трансформаторными жидкими диэлектриками MIDEL и нефтяным маслом марки ГК 90
3.1.2. Дополнительное исследование совместимости ЭИБ с жидким диэлектриком MIDEL eN 95
3.1.3. Сравнительная оценка влияния жидкой среды на механическую прочность ЭИБ 99
3.1.4. Изучение целесообразности использования смеси нефтяного масла марки ГК и синтетической пожаробезопасной жидкости MIDEL 7131 100
3.1.5. Количественная оценка содержания шлама в жидких диэлектриках 103
3.1.5. Выводы по разделу 3.1 105
3.2. Исследование совместимости электроизоляционной бумаги с
отечественными нефтяными маслами в процессе ускоренного термостарения
в контакте с медным катализатором 107
3.2.1. Исследование нагревостойкости жидких сред 107
3.2.2. Определение удельного объемного сопротивления нефтяных масел ГК и Т-1500у тц в процессе термостарения 110
3.2.4. Совместимость ЭИБ с нефтяным трансформаторным маслом Т 1500у ТЦ 113
3.2.5. Выводы по разделу 3.2 114
4.1. Изучение влияние параметров целлюлозного волокна на
работоспособность ЭИБ 116 4.1.1. Исследование нагревостойкости электроизоляционной бумаги с
различной исходной степенью полимеризации (СП0) макромолекул
целлюлозы 116
4.1.2. Оценка неоднородности бумажного полотна спектрально корреляционным методом 125
4.1.3. Выводы по разделу 4.1 129
4.2. Исследование электроизоляционной бумаги, в состав которой входит бактериальная целлюлоза (БЦ) 130
4.2.1. Влияние БЦ на электрическую и механическую прочность целлюлозных диэлектриков 130
4.2.2. Оценка нагревостойкости электроизоляционной бумаги из растительной и бактериальной целлюлозы 134
4.2.3. Изучение сорбционной активности целлюлозных диэлектриков из растительной и бактериальной целлюлозы по отношению к нефтяному маслу в присутствии медного катализатора 139
4.2.4. Исследование электрофизических свойств опытного образца целлюлозного материала из 100 % БЦ, полученного с использованием перспективного метода дезинтегрирования сырья 145
Впервые было проведено предварительное исследование опытных образцов из нано-гель-пленки бактериальной целлюлозы, полученных путем отлива целлюлозной суспензии на стекло (рис. 4.36) - разработка ИВС РАН [121]. Отличительная особенность материала из 100 % БЦ
состоит в применении для дезинтегрирования НГП промышленного блендера - модель ТМ767 (JTC Omni Blend 1). 145
4.2.5. Выводы по разделу 4.2 149
4.3. Модификация целлюлозной основы электроизоляционной бумаги хитин глюкановым комплексом (ХГК) 149
4.3.1. Оценка кратковременной электрической прочности и предела механической прочности на разрыв образцов ЭИБ в процессе термостарения 151
4.3.3. Оценка сорбционной активности ЭИБ, модифицированной ХГК 154
4.3.4. Состояние целлюлозной основы ЭИБ при термостарении в трансформаторных жидких диэлектриках 158
4.3.5. Выводы по разделу 4.3 161
4.4. Заключение по работе 162
Список обозначений нестандартных сокращений 164
Список использованной литературы 165

Диагностика состояния БПИ силового трансформатора
Нестандартизованные методы испытания диэлектрических материалов
Сравнительная оценка совместимости электроизоляционной бумаги с трансформаторными жидкими диэлектриками MIDEL и нефтяным маслом марки ГК
Модификация целлюлозной основы электроизоляционной бумаги хитин глюкановым комплексом (ХГК)

Введение к работе

Актуальность темы исследованияВ современном мире жизнедеятельность и развитие цивилизованных стран обеспечиваются надежным функционированием энергосистем,
фундаментальными, неотъемлемыми и весьма дорогостоящими элементами которых являются силовые трансформаторы (СТ) и кабели. В связи с особенностями экономического положения нашей страны спрос на СТ в России диктуется не только постоянным ростом потребления электроэнергии, но и требованиями по замене устаревшего оборудования, большая часть которого, согласно статистическим данным, исчерпала свой ресурс. Потребность в резервных единицах трансформаторной техники (для обеспечения бесперебойного снабжения электроэнергией потребителей различной степени ответственности) усугубляет дефицит указанных высоковольтных объектов. Поэтому на практике допустимое время эксплуатации трансформаторов определяется не столько Нормативными документами, сколько их фактическим состоянием, которое зависит от комплекса факторов, включая вероятное возникновение режимов короткого замыкания (КЗ).
Специалистами указывается, что среди наиболее значимых причин отказов СТ лидирует старение бумажно-пропитанной изоляции (БПИ), которая до настоящего времени в данной области силовой техники остается базовой (и по-прежнему находит широкое применение в кабельной промышленности) несмотря на ряд существенных недостатков. Хорошо известно, что жидкий диэлектрик (в отечественных СТ чаще всего нефтяное трансформаторное масло - ТМ) наиболее подвержен деструкции в процессе эксплуатации БПИ. В масле постепенно накапливаются продукты разрушения компонентов изоляции, формируется (и осаждается на конструктивных элементах и бумаге) шлам. Как следствие, растут электропроводность и диэлектрические потери, нарушается теплоотвод, возрастает интенсивность термоокислительных процессов. Сорбционная очистка пропитывающей жидкости электроизоляционной бумагой (ЭИБ), особенно модифицированной активными адсорбентами, позволяет несколько замедлить развитие негативных явлений. Однако вполне очевидно, что для снижения риска внезапных отказов необходим достоверный мониторинг состояния компонентов изоляции и своевременная замена ТМ (при достижении предельно допустимых значений его критериальных параметров). Таким образом, ресурс БПИ, а во многом и трансформатора в целом, преимущественно определяется старением целлюлозной
электроизоляционной бумаги (ЭИБ), отличающейся низкой нагревостойкостью. Сохраняя практически неизменными свои диэлектрические характеристики (такие как: tg, Епр,v,s, ), ЭИБ постепенно теряет механическую прочность вследствие химических (в частности, снижение средней степени полимеризации - СП) и структурных превращений целлюлозной основы материала, что особо опасно в случае воздействия динамических нагрузок при возникновении КЗ (непредсказуемость которых делает прогноз ресурса БПИ и СТ трудновыполнимой задачей).
В указанных условиях особое значение приобретает проблема повышения работоспособности силовых трансформаторов, а также усовершенствования методов их диагностики (с целью
предотвращения техногенных инцидентов). Решению перечисленных актуальных и практически значимых задач может способствовать: расширение представлений о предельном состоянии целлюлозных диэлектриков; оптимизация состава БПИ путем разработки электроизоляционных видов бумаги нового поколения (отличающихся высокими эксплуатационными характеристиками, повышенной нагревостойкостью и сорбционной активностью), а также повышение эффективности мониторинга трансформаторного масла, чему и посвящена диссертационная работа.
Цель работыНа основе сравнительных экспериментальных исследований (с использованием оптических методов диагностики) произвести оценку совместимости широко применяемых и перспективных жидких диэлектриков с новыми видами электроизоляционной бумаги, модифицированной структурообразующими биополимерами, расширить представления о факторах, влияющих на нагревостойкость электроизоляционной бумаги, и выработать рекомендации по увеличению срока службы компонентов высоковольтной бумажно-пропитанной изоляции.
В рамках указанной цели представляется необходимым решение следующихзадач:
1. Путем экспериментальных исследований изучить целесообразность широкого использования в базовой бумажно-пропитанной изоляции силовых трансформаторов перспективных для отечественного трансформаторостроения жидких пожаробезопасных диэлектриков.
2. Провести сравнительные испытания и дать заключение об интенсивности шламообразования в отечественных трансформаторных нефтяных маслах в условиях контакта с электроизоляционной бумагой при каталитическом влиянии медных проводников.
3. На основе анализа действующих критериев нагревостойкости ЭИБ и сравнительных испытаний электрофизических характеристик традиционных и опытных видов целлюлозного диэлектрика исследовать влияние структурообразующих природных биополимеров (отличающихся сродством к целлюлозе) на работоспособность компонентов БПИ.
4. Расширить представления об оптических методах диагностики и эффективности их использования для текущего контроля состояния изоляции силовых трансформаторов.
5. Сформулировать рекомендации по повышению ресурса компонентов высоковольтной бумажно-пропитанной изоляции.
Научная новизна работы
1. В результате впервые проведенных исследований предложен способ и показана целесообразность модификации целлюлозной основы электроизоляционной бумаги структурообразующим хитин-глюкановым природным комплексом (ХГК), способствующей повышению электрофизических и механических свойств ЭИБ, а также нагревостойкости компонентов бумажно-пропитанной изоляции (заявка № 2016149477, приоритет от 15.12.2016).
2. Путем сопоставления химических, механических и оптических характеристик электроизоляционной бумаги впервые показана эффективность неразрушающего спектрально- корреляционного метода оценки степени деградации целлюлозных диэлектриков.
3. Выявлено положительное влияние пропитывающей жидкости на основе натурального эфира MIDEL eN на предел механической прочности электроизоляционной бумаги в процессе теплового старения, что может быть связано с полимеризацией компонентов жидкости и влечет за собой упрочнение целлюлозной основы.
4. На основе сравнительных исследований жидких диэлектриков MIDEL и нефтяных трансформаторных масел показано, что применение в составе бумажно-пропитанной композиции синтетической жидкости MIDEL 7131 на основе сложных эфиров приводит к снижению интенсивности старения БПИ на 1,5-порядка.
5. Доказана и обоснована повышенная работоспособность ЭИБ с низкой СП целлюлозы.
6. Впервые выявлена повышенная нагревостойкость бумаги из 100 % бактериальной целлюлозы (БЦ) по сравнению с ЭИБ традиционного исполнения, а также с композитом из промышленной электроизоляционной целлюлозы сосны и БЦ.
7. Впервые экспериментально продемонстрировано, что использование размола нано-гель-пленки бактериальной целлюлозы промышленным блендером для формирования основы ЭИБ из указанного биополимера приводит к росту электрической и механической прочности бумаги.
8. Разработано устройство (патент РФ на полезную модель №141304, G01N 21/25, опубл. в 27.05.2014 г. Устройство для оперативного контроля качества технического масла), позволяющее расширить пределы измерения оптических характеристик жидкостей в видимом диапазоне длин волн.
Теоретическая и практическая значимость
1. Разработан способ повышения работоспособности компонентов бумажно-пропитанной изоляции путем модификации целлюлозной основы ЭИБ природным структурообразующим хитин- глюкановым комплексом (ХГК) из многотоннажных промышленных отходов производства лимонной кислоты, что имеет экологическую составляющую и позволяет более полно использовать природные ресурсы.
2. Экспериментально показана эффективность нового способа дезинтеграции нано-гель-пленки бактериальной целлюлозы (НГП БЦ), разработанного ИВС РАН, путем е размола блендером вместо традиционного роспуска в ролле Валлея (который затруднен морфологическими особенностями сырья), открывающего перспективы промышленного использования биополимера для производства целлюлозных диэлектриков с улучшенными электрофизическими характеристиками.
3. Предложена программа, позволяющая дать количественную оценку степени шламообразования в жидком диэлектрике действующего трансформатора на основе видеоинформации, в частности, полученной в ходе непрерывного мониторинга при помощи волоконно-оптического осветителя [патент РФ №122187].
4. Проведена оценка и дано заключение о совместимости отечественных трансформаторных масел с ЭИБ и медными проводниками, которая использована при разработке новых жидких диэлектриков.
5. Получены дополнительные сведения, расширяющие представления о перспективах использования пожаробезопасных жидких диэлектриков MIDEL в отечественном силовом трансформаторостроении и о возможности их совмещения с нефтяными маслами.
6. Показана и обоснована возможность эксплуатации ЭИБ с пониженной степенью полимеризации, что расширяет ресурс БПИ и, как следствие, СТ в целом (при услови