Коэффициент полезного действия трансформатора, как, в принципе, и любого другого устройства, никогда не достигает 100%. Это связано с тем, что в процессе эксплуатации возникают потери мощности трансформаторов. Эти потери имеют место в медных проводниках обмотки и сердечнике (магнитопроводе), который изготавливается из стали. В этой статье мы поговорим об еще одном виде потерь – диэлектрических потерях трансформаторного масла.

Причины нагрева и перегрева трансформаторов

Если потери в стали вызываются вихревыми токами и циклическим перемагничиванием (гистеризисом), то потери в меди появляются при прохождении тока по медному проводнику. Проводник имеет некоторое сопротивление, из-за которого возникает падение напряжения и, как следствие, потеря мощности. Происходит преобразование электрической энергии в тепловую – медный проводник нагревается. Чтобы трансформатор не перегревался и функционировал нормально, тепло нужно отвести. Для этой задачи используется трансформаторное масло, которое также выполняет функцию изоляции токонесущих частей трансформатора.

Пока масло находится в хорошем состоянии и отводит тепло, трансформатор не перегревается. Но со временем состояние масла ухудшается под влиянием высоких температур, высокой напряженности, увлажнения, загрязнения механическими примесями и окислительных процессов. Масло стареет и выполняет свои функции хуже. Поэтому важно знать, на сколько состарено масло и как хорошо оно справляется со своими задачами.

Оценка старения трансформаторного масла

Оценка замены трансформаторного масла выполняется по результатам отбора проб и их анализа в лаборатории или с помощью специальных приборов для экспресс-диагностики. При этом может проводиться как химическая оценка масла, так и оценка его физических свойств: числовая оценка цвета, тестирование масла на пробой, измерение кислотного числа, определение тангенса угла диэлектрических потерь, поверхностного натяжения, содержания воды и газов, содержания углеводородов и др.

В разной мере степень окисления и старения трансформаторного масла характеризуют тангенс угла диэлектрических потерь, кислотное число, поверхностное натяжение, мутность и цвет. При длительной эксплуатации существенное увеличение тангенса угла диэлектрических потерь больше характеризует старение, кислотное число – окисление, а мутность – коллоидное старение трансформаторного масла.

Что такое диэлектрические потери и диэлектрическая проницаемость трансформаторного масла

Если диэлектрик поместить в электрическое поле, то некоторая часть энергии поля пойдет на то, чтобы нагреть диэлектрик. Диэлектрические потери – это мощность, которая рассеивается в виде тепла в диэлектрике под действием электрического поля. Способность диэлектриков рассеивать энергию электрического поля оценивается с помощью тангенса угла диэлектрических потерь.

По измеренным значениям тангенса угла диэлектрических потерь можно выявить изменения свойств масла даже при небольшом количестве загрязнений.

Также в контексте свойств диэлектриков в общем и трансформаторного масла в частности используется такой параметр, как диэлектрическая проницаемость. Она может выражаться абсолютным или относительным значением. Относительная диэлектрическая проницаемость характеризует свойства диэлектрика и показывает во сколько раз сила взаимодействия между двумя электрическими зарядами в диэлектрической среде меньше, чем в вакууме.

В каких пределах должен находится тангенс угла диэлектрических потерь трансформаторного масла

Какие значение тангенса угла диэлектрических потерь стоит считать такими, при которых масло может и дальше использоваться в трансформаторе? В разных странах эти значения могут отличаться, поэтому здесь мы приведем ориентировочные значения:

• трансформаторы 110-150 кВ – не более 10% (при 70°С) и не более 15% (при 90°С);
• трансформаторы 220-500 кВ – не более 7% (при 70°С) и не более 10% (при 90°С);
• трансформаторы 750 кВ – не более 3% (при 70°С) и не более 5% (при 90°С).

Влияние различных примесей на диэлектрические потери трансформаторного масла

К увеличению диэлектрических потерь приводит наличие в масле:

• асфальто-смолистых веществ;
• мыл;
• воды.

Кислоты при комнатной температуре не повышают диэлектрические потери масла. Но при повышении температуры диэлектрические потери возрастают и тем больше, чем больше кислотное число масла.

Определения тангенса угла диэлектрических потерь по стандарту IEC 60247

В качестве примера рассмотрим определение тангенса угла диэлектрических потерь трансформаторного масла по методике, изложенной в стандарте IEC 60247. Она состоит из следующих шагов:

1. Поскольку значение тангенса угла диэлектрических потерь чувствительно к температуре, все измерения необходимо проводить только после достижения температурного равновесия.
2. Для выполнения пункта 1 масло в измерительной ячейке нагревается до необходимой температуры. Если нагрев выполняется в неавтоматическом режиме, то измерение рекомендуется начинать только по истечении 10 минут после достижения заданной температуры ±1°С.
3. Подача напряжения выполняется только при измерениях. Подаваемое напряжение должно создавать в масле напряженность электрического поля в интервале от 0,03 до 1 кВ/мм. Напряжение должно изменяться по синусоидальному закону с частотой 40-62 Гц.
4. По окончании начальных измерений масло сливается из измерительной ячейки.
5. Выполнение повторных измерений с теми же настройками и мерами предосторожности, что и для первой порции масла. Полученные значения тангенса не должны отличаться друг от друга более чем на 0,0001 плюс 25% более высокого значения этих двух определений.
6. Если условие из шага 5 выполнено, то измерения прекращают. Если условие не выполнено, то измерения проводят до тех пор, пока не будет получено два последовательных значения, которые удовлетворяют требованию. Их принимают в качестве результатов измерений.

Кроме измерений тангенса угла диэлектрических потерь стандарт IEC 60247 также регламентирует измерение таких параметров, как удельное сопротивления масла и диэлектрическая проницаемость. Эти показатели как вместе, так и по отдельности дают информацию относительно качества и степени загрязнения трансформаторного масла. На диэлектрическую проницаемость влияет наличие большого количества загрязнений, а на тангенс угла диэлектрических потерь и удельное сопротивление сильное влияние оказывают даже незначительные количества загрязняющих веществ.

Автоматическое измерение тангенса диэлектических потерь. Дельта-тестер TOR-3

Компанией GlobeCore производятся анализаторы трансформаторного масла на пробой TOR-80, анализаторы влаго- и газосодержания TOR-2, а также тестер диэлектрических потерь и диэлектрической прочности изоляционного масла TOR-3.

Tan delta тестер TOR-3 — основные особенности и преимущества:

• управление работой прибора TOR-3 осуществляется с помощью компьютера путем подачи команд на выполнение определенных действий, а дальше измерения идут в автоматическом режиме с выдачей результата на этот компьютер;
• для сокращения длительности измерений в приборе TOR-3 применяется измерительная ячейка, в которую наливается испытуемое масло, и система нагрева ячейки «изнутри». За счет этого нагрев и температурная стабилизация выполняются в ускоренном режиме. Прибор быстро выходит на заданные характеристики и уже через несколько минут начинает измерение значений тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости;
• погрешность измерений тангенса угла диэлектрических потерь не превышает ±1%+0,00008, а диэлектрической проницаемости – ±2%. Высокая точность и стабильность измерений достигается за счет новых технологий GlobeCore, использованных при разработке структуры эталонного конденсатора, а также предварительной калибровки пустой измерительной ячейки с помощью специальной компьютерной программы;
• для удобства эксплуатации прибора TOR-3 переход к испытанию следующих проб выполняется без извлечения ячейки. Достаточно с компьютера подать команду на открытие клапана слива масла в специальный лоток, после чего поместить в ячейку новую пробу;
• когда прибор выключен, его можно легко перемещать на рабочем столе или переносить по лаборатории, что достигается за счет компактного размещения всех электронных модулей, небольшой массы и интеграции ручек в корпус;
• наличие микропроцессора, цифро-аналогового преобразователя и высоковольтного усилителя позволяет генерировать тестовый сигнал нужной формы и работать в широком диапазоне амплитуд. Поэтому TOR-3 универсален и может использоваться для измерений тангенса угла диэлектрических потерь по стандартам с разными требованиями к тестовому напряжению;
• безопасность эксплуатации прибора достигается за счет изготовления корпуса и верхнего слоя крышки измерительной ячейки из прочного изолирующего материала.

Все технические характеристики прибора TOR-3 можно найти здесь. Если у вас возникли дополнительные вопросы, то их можно задать, воспользовавшись одним из контактов, размещенных в соответствующем разделе сайта.