Работя с диелектрични течности от 2014 г. Разливал съм ги, вдишвал съм ги (недей), виждал съм ги да се повреждат катастрофално и веднъж – ВЕДНЪЖ – трябваше да евакуирам сграда, защото някой реши, че ще е добре да използва грешен тип. Не беше добре.
Това е всичко, което бих искал някой да ми каже, преди да започна да работя с тези неща.
Какво дори е диелектрична течност?
Точно така. Знаете ли как електричеството преминава през метал? И как не провежда през… не-метал? Това е основната идея.
Диелектричната течност е течен изолатор. Не провежда електричество. Или технически го прави, но МНОГО зле, което за нашите цели означава, че не е така. Съпротивлението е като 10^12 ом-метра или повече. Сравнете това с мед при 10^-8. Огромна разлика.
Но ето нещо – не става дума само за изолация. Диелектричните течности изпълняват три функции:
Електрическа изолация- Спира тока да отива там, където не трябва
Охлаждане- Отдалечава топлината от горещите точки
Потискане на дъгата- Ако ИМА искра, тя я задушава
Този трети е критичен и повечето хора не го разбират. Въздухът всъщност е доста добър изолатор, докато не е така. Вземете достатъчно напрежение, въздухът се разпада, получавате дъга, нещата експлодират. Забавни моменти.
Течен диелектрик? Много по-високо напрежение на пробив. Говорим за 30-70 kV за 2,5 mm празнина в масло срещу около 8-10 kV във въздуха. Така че можете да опаковате електрическото оборудване много по-плътно.
Защо го използваме
Защото по принцип трябва.
Вижте голям трансформатор. Тези, които виждате на електрически стълбове или извън сгради. Вътре в тази метална кутия има куп медни намотки, увити около желязна сърцевина. Тези бобини стават ГОРЕЩИ. Като 80-90 градуса горещо при нормално натоварване, по-горещо при голямо натоварване.
Въздушно охлаждане? забрави го Не е достатъчно. Имате нужда от нещо, което:
Не провежда електричество
Има добър топлинен капацитет
Всъщност може да премества топлината (конвекция)
Няма да се запали лесно
Издържа десетилетия, без да се повреди
вода? Голям топлинен капацитет! Също така провежда електричество. Труден пас.
въздух? Не провежда, но пренася ужасна топлина.
масло? Не провежда (много), добър топлинен капацитет, тече лесно, сравнително безопасно. Победител победител.
Веднъж работих върху проект, при който клиентът настоя, че може да използва въздушно охлаждане на трансформатор 2 MVA. Спестих им около $3000 от петрола. Коства им $80 000, когато трансформаторът се повреди след 8 месеца. Медта буквално се разтопи. Имам снимки някъде.
Различните типове и защо имат значение
О, човече, добре, тук вече става сложно. Но ще се опитам да го запазя просто.
Минерално масло (трансформаторно масло)
Какво представлява: рафиниран петролен продукт
Плюсове: Евтин, работи отлично, използвам го от 100+ години
Минуси: Запалим (вид), опасения за околната среда, биоразградимостта е гадна
Използва се в: Повечето трансформатори, по-старо оборудване
Цена: Около $5-8 за галон в насипно състояние (цените се повишиха наскоро, неща във веригата за доставки)
Силиконова течност
Какво представлява: Синтетично полимерно масло (обикновено полидиметилсилоксан)
Плюсове: Висока точка на възпламеняване (300 градуса +), стабилен, не се окислява лесно
Недостатъци: Адски скъпо, ако гори, димът е токсичен
Използва се в: Вътрешни трансформатори, места, където рискът от пожар е критичен
Цена: $30-60 за галон
Забележка: Виждал съм силиконова течност да оцелява при пожари, които биха унищожили оборудване с минерално масло
Естерни течности
Естествен естер: Произведен от зеленчуци (соя, рапица, слънчоглед)
Синтетичен естер: Лабораторно-произведени подобни молекули
Плюсове: Биоразградим, висока точка на запалване, по-добър за околната среда
Недостатъци: Може да бъде чувствителен към влага, скъп, разгражда се по-бързо при някои условия
Цена: $15-40 за галон в зависимост от вида
Използва се в: Нови инсталации, преоборудване, навсякъде, където екологичните правила са строги
Флуорокарбонови течности
Какво представлява: Синтетични флуорирани съединения
Плюсове: Напълно незапалим-, невероятна температурна стабилност
Минуси: БЕЗУМНО СКЪПО, опасения за околната среда (някои са парникови газове)
Използва се в: военни, авиация, критични приложения
Цена: Не питайте. сериозно. Като $200+ за галон. Използвахме го веднъж по договор с DOD.
Има същогазоизолиран-неща (SF6), но това всъщност не е течност и освен това SF6 е ужасен за околната среда, така че се опитваме да го премахнем постепенно. Добро отърване честно.
Минерално масло срещу синтетично: Големият дебат
Постоянно ме питат за това. „Минерално масло ли да използвам или синтетично?“
Отговорът е: какъв е вашият бюджет и какво е приложението?
Използвайте минерално масло, когато:
Това е стандартен външен трансформатор
Бюджетът е ограничен
Вие сте добре с компромисите с околната среда
Рискът от пожар е управляем
Имате правилно задържане
Бих казал, че 80% от трансформаторите там все още са с минерално масло. Работи. Евтино е. Това е, което всеки знае как да се справи.
Използвайте синтетика (силикон/естер), когато:
Вътрешен монтаж
Пожарните кодове го изискват
Екологичните разпоредби го изискват
В близост до водоизточници или чувствителни зони
Можете да си го позволите
Един от клиентите ми премина от минерално масло към естествен естер за всички свои трансформатори, монтирани-на подложки. Цената се повиши с около 40% на единица. Но техните застрахователни разходи спаднаха с 15% и те получиха положителен PR за това, че са „зелени“. Имаше смисъл за тях.
Друг клиент се опита да евтино и използва минерално масло, където трябваше да използва силикон. Трансформаторът е бил в сутерена на сградата. Пожарникарят го хвана по време на проверка. Наложи се да източат целия и да го напълнят отново със силикон. Струва им около 25 000 долара за преоборудване плюс престой. Просто използвайте правилната течност от самото начало, хора.
Тогава научих за PCB по трудния начин
Добре, така че това е важно и също някак ужасяващо.
PCBs (полихлорирани бифенили) са били диелектричната течност. Като от 30-те до 70-те години на миналия век. Бяха невероятни – супер стабилни, висока диелектрична якост, незапалими. Идеално, нали?
Тогава разбрахме, че причиняват рак. И не се развалят. някога. Те просто се натрупват в околната среда и в живите същества. опа
САЩ ги забраниха през 1979 г. В крайна сметка повечето страни ги последваха. Но ето нещо – трансформаторите издържат 30, 40, 50 години. Така че ВСЕ ОЩЕ има оборудване с печатни платки в него.
Научих това по трудния начин през 2016 г. Правех поддръжка на това, което смятах за стар трансформатор с минерално масло. На етикета пишеше минерално масло. В документите пишеше минерално масло. Взех проба за тестване на диелектричната якост (стандартна процедура) и разбрах, че всъщност е аскарел – течност на базата на PCB-.
Някой го беше преименувал в някакъв момент. Вероятно за да се избегнат разходите за изхвърляне (изхвърлянето на печатни платки е скъпо и строго регулирано).
Трябваше да евакуираме сградата, да повикаме екип за опасни вещества, да направим тестове на почвата, цели девет ярда. Трябваше да премина медицински тестове, за да се уверя, че не съм изложен на опасни нива. Весела седмица.
Ако работите със стари трансформатори:
ВИНАГИ тествайте преди да приемете каква течност има вътре
Етикетите лъжат
ПХБ са по-тежки от минералното масло (специфично тегло ~1,5 срещу 0,88)
Ако намерите PCB, докладвайте. Не се опитвайте да го изхвърлите сами.
Все още има десетки хиляди PCB трансформатори в експлоатация
Това не е шега. ПХБ са наистина лоша новина. Познавам трима момчета, които развиха здравословни проблеми от излагане на PCB. Човек трябваше да се пенсионира рано.
Трансформаторно масло (най-често срещаният тип)
Позволете ми да говоря конкретно за трансформаторното масло, тъй като това е, с което повечето хора всъщност ще се справят.
Започва като суров петрол, бива рафиниран, хидрообработен, за да се отстранят сярата и ароматните съединения, след което се третира, за да се отстранят влагата и частиците. Това, което накрая получавате, е бистра до бледожълта течност, която е около 90% парафинови въглеводороди.
Ключови свойства:
Плътност: ~0,87 g/cm³ при 20 градуса
Вискозитет: 10-12 cSt при 40 градуса (основно като гъста вода)
Точка на запалване: 135-160 градуса (в зависимост от класа)
Точка на течливост: -40 градуса или по-ниска за степени на студен климат
Диелектрична якост: 30+ kV за 2,5 mm междина (прясно масло, правилно обработено)
Коефициент на разсейване:<0.5% at 90°C
Този фактор на разсейване е важен. Той измерва колко енергия маслото абсорбира и превръща в топлина. По-ниско е по-добре. Новото масло е 0,05%. Старото разградено масло може да бъде 5% или повече. Това е проблем.
Тествах трансформаторно масло, което беше в експлоатация от 1968 г. Беше КАФЯВО. Като coca-coca brown. Коефициентът на разсейване беше извън класациите. Диелектричната якост беше може би 15 kV. Този трансформатор беше бомба със закъснител.
Смениха го след моя сигнал. Също така е хубаво, защото открихме карбонизирана хартиена изолация вътре. Още една-две години и това нещо щеше да се провали катастрофално.
Къде всъщност ще намерите тези неща
Повече места, отколкото си мислите.
Електрически трансформатори- Очевидно. От малки подложки-за монтиране до масивни подстанции. Големите могат да имат 10000+ галона масло. Това е плувен басейн, пълен с масло.
Автоматични прекъсвачи- Прекъсвачите за високо напрежение често използват масло за потискане на дъгата. При прекъсване на верига 230 kV под товар се получава адска дъга. Маслото помага да се угаси.
Кондензатори- Някои по-стари кондензатори използват диелектрична течност. Повечето по-нови използват нещо друго, но все още има старо оборудване.
Кабели- Напълнените с масло-кабели са били обичайни за подземно предаване на електроенергия. Тръба с кабел вътре, пълна с масло под налягане. Ние ги премахваме постепенно, но те все още са в големите градове.
Потопяемо охлаждане за компютри- Това е по-ново и готино. Центровете за данни потапят цели сървъри в диелектрична течност. Не са необходими вентилатори, много по-добро охлаждане. Обиколих съоръжение, правещо това през 2023 г. Странно е да видиш дънна платка просто… да стои в чисто масло… да работи нормално.
Електрофилтри- Индустриална филтрация на въздуха. Те използват високо напрежение за зареждане на частици. Необходима е диелектрична течност за изолиране на частите с високо напрежение.
Медицинско оборудване- Рентгенови апарати, някои видове оборудване за изображения. Навсякъде, където имате нужда от високо напрежение в малко пространство.
EDM машини- Електроерозионна обработка. Те режат метал с помощта на контролирани искри под вода. Е, под диелектрична течност технически.
Веднъж видях и диелектрична течност, използвана като хидравлична течност. Това беше… интересно. И вероятно не е добра идея, но проработи. Гай беше в затруднено положение и това беше, което имаше. Не го препоръчвайте.
Неща за безопасност, които никой не ви казва (докато някой не пострада)
Така че ще бъда искрен с теб. Диелектричните течности са доста безопасни в сравнение с много индустриални химикали. Но не са безобидни.
Минерално масло:
Леко дразнене на кожата за някои хора
Не вдишвайте парата, ако е гореща (може да причини главоболие, гадене)
Адски хлъзгаво (Гледал съм как трима души се подхлъзват и падат)
Ако се запали… е, не трябва да се запалва лесно, но ако се запали, не използвайте вода. Използвайте пяна или CO2.
Горещата пара може да кондензира в белите ви дробове. Това е лошо.
Силиконови течности:
Доста не{0}}токсичен при нормални температури
Но ако горят (а те не горят лесно), продуктите от горенето включват формалдехид и други неприятни неща
Също изключително хлъзгав
Трудно се почиства (не се смесва с вода, не се изпарява)
Естерни течности:
Като цяло безопасно, направено от зеленчуци, нали?
Може да предизвика алергични реакции при някои хора (особено ако сте алергични към соя/семена)
Разгражда се по-бързо в присъствието на вода/кислород
Продуктите от разграждането могат да бъдат киселинни и да корозират метали
Флуорокарбони:
Предимно не{0}}токсичен
But some are greenhouse gases (GWP >10000)
Скъп за правилно изхвърляне
Общи неща за безопасност:
Носете ръкавици. Знам, че е болка, но трансформаторното масло по ръцете ви стига навсякъде. Вашият телефон, вашият волан, вашият обяд. Просто носете проклетите ръкавици.
Защита на очите при вземане на проби или работа с оборудване под налягане. Видях един човек да се напълни с горещо трансформаторно масло, когато един клапан се повреди. Той беше добре, но можеше да е лошо.
Правилна вентилация в затворени помещения. Маслените пари са по-тежки от въздуха и се натрупват в ниски места. Виждал съм хора да припадат от излагане на пари в трансформаторни трезори.
Знайте с какво работите. Старото оборудване може да има печатни платки, дори ако е обозначено по друг начин. Първо тествайте.
Осигурете ограничаване на разлива. Когато трансформаторът се повреди, той може бързо да изтече стотици галони. Имате нужда от берми, системи за задържане, абсорбиращи материали.
Веднъж реагирах на повреда на трансформатор, когато 500 галона минерално масло изтекоха в канализация за дъждовна вода. Стигна до рекичка, преди да успеем да го спрем. Разходите за почистване бяха над 200 000 долара. EPA НЕ беше доволен. Компанията беше глобена със 75 000 долара.
Всичко, защото защитната берма имаше пукнатина, която никой не забеляза.
Тестване и защо вашият трансформатор умря
Ето нещо за диелектричните течности – те стареят. Деградират. Самото масло може да е добре, но натрупва замърсители:
Влага (от дишане през вентилационни отвори)
Частици (от износване)
Киселини (от окисление)
Разтворени газове (от частичен разряд и прегряване)
Тестваме всички тези неща. Или трябва. Много места не тестват достатъчно редовно и след това се изненадват, когато трансформаторът се повреди.
Тестове, които правим:
Диелектрична якост- Колко напрежение може да издържи? Трябва да бъде 30+ kV за добро масло. Под 20 kV и съм загрижен. Под 15 kV и това оборудване се нуждае от внимание СЕГА.
Тествам това с преносим тестов комплект. Приложете напрежение от 3 kV в секунда до повреда. Направете го три пъти, осреднете резултатите. Отнема около 10 минути. Може да ви спаси от повреда на трансформатор за $100 000.
Анализ на разтворен газ (DGA)- Това е доброто нещо. Когато изолацията на трансформатора се счупи или когато има дъгова дъга, той произвежда газове. Те се разтварят в маслото. Ние ги извличаме и анализираме:
Водород (H2) - общо прегряване, корона
Метан (CH4) - леко прегряване
Етан (C2H6) - прегрява ~300 градуса
Етилен (C2H4) - прегряване ~500 градуса +
Ацетилен (C2H2) - дъга
Въглероден оксид/диоксид - разграждане на целулоза
Всеки газ разказва история. Висок ацетилен? Имаш дъга. Високо етилен? Сериозно прегряване. Много CO? Вашата хартиена изолация се готви.
Диагностицирах проблеми с трансформатора дистанционно само като гледах резултатите от DGA. „Вашият ацетилен е 300 ppm? Имате хлабава връзка, образуваща дъга вътре. Изключете го.“
Съдържание на влага- Трябва да е под 35 ppm за добра изолация. Над 50 ppm и вашата диелектрична якост пада значително. Над 100 ppm и си търсите проблеми.
Влагата навлиза през дихателни отвори, през уплътнения, от разрушаване на изолацията. Това е постоянна битка.
Видях трансформатор, който стоеше неизползван две години. Никой не го е поддържал, вентилационният отвор беше прострелян, влезе влага. Съдържанието на влага беше над 200 ppm. Диелектричната якост беше 8 kV. Дори не можахме да го захранваме безопасно. Трябваше да рециклирам маслото и да го изсуша. Отне три дни.
Киселинност (число на неутрализация)- Измерва киселинното съдържание. Прясното масло е като 0,01 mg KOH/g. Над 0,15 и започва да се окислява. Над 0,40 и се влошава значително.
Фактор на мощността/фактор на разсейване- Колко енергия маслото губи като топлина. Ново масло<0.05%. Above 0.5% at 90°C and there's contamination.
Междуфазово напрежение- Измерва повърхностното напрежение на границата масло-вода. Звучи странно, но е добър индикатор за продукти на окисление. Прясното масло е 40+ dynes/cm. Под 25 и е влошено.
Правим тези тестове всяка година на критично оборудване, на всеки 2-3 години за по-малко критични неща. На някои места тествайте на тримесечие. Някои места никога не се тестват.
Познайте кои имат повече неуспехи?
Екологичният ъгъл (сложно е)
Добре, значи тук нещата се объркват. Екологично казано.
Минерално масло:
Произведено от изкопаеми горива (лошо за въглероден отпечатък)
Необходими са десетилетия за биоразграждане в околната среда
Токсичен за водните организми в големи количества
Разливите са сериозни екологични инциденти
НО: сравнително стабилен, не произвежда нормално вредни разпадни продукти
Естествени естери:
Произведено от възобновяеми ресурси (добре!)
Биоразгражда се бързо (90%+ за 28 дни)
По-ниска токсичност за околната среда
НО: изисква селско стопанство (използване на земя, вода, пестициди)
Преработката има своя екологична цена
Синтетични естери:
Лабораторно-направено (енергийно интензивно)
Променлива биоразградимост
Като цяло по-добре от минералното масло
Но производството има екологични разходи
Силикони:
Наистина не се разгражда био
Но също така не произвеждайте токсични разпадни продукти
Много стабилен в околната среда (добър и лош)
Флуорокарбони:
Много от тях са мощни парникови газове
Може да остане в атмосферата в продължение на десетилетия
Опитвайки се постепенно да премахна най-лошите
Търси алтернативи
Реалността е, че няма идеално решение. Всеки тип има компромиси.
Работих по проект, при който преоборудвахме 50 трансформатора от минерално масло към естествен естер. PR беше страхотен – „100% биоразградим!“ "Екологично!" Компанията получи награди.
Но никой не спомена:
Минералното масло трябваше да бъде изхвърлено (изгорено)
Естественият естер струва 3 пъти повече
Това изискваше по-често тестване и поддръжка
Трансформаторите бяха малко по-горещи
Естерът идва от соеви зърна, отгледани... някъде (не питахме много)
Беше ли по-добре за околната среда като цяло? Вероятно. може би Честно казано не знам. Анализът на жизнения цикъл би бил сложен.
Това, което знам е, че предотвратяването на разливи е по-важно от вида на течността. Добре-поддържаната система за минерално масло с подходящо задържане е по-добра от естествена естерна система, която изпуска.
Алтернативи и технологии
Някои интересни неща се случват:
Сухи-трансформатори- Изобщо няма течност. Използвайте въздух или газ за охлаждане. Работи чудесно за по-малки единици, но ефективността пада при големи. По-скъп първоначално, но без поддръжка на течности.
Вакуумна изолация- Вместо течност, използвайте вакуум. Звучи налудничаво, но работи. Основно за специализирани приложения.
Нанофлуидни диелектрици- Добавяне на наночастици към традиционните течности за подобряване на свойствата. Все още предимно изследователски етап, но обещаващ. Виждал съм резултати от тестове, показващи 30-40% по-добър топлопренос. Може да позволи по-малки трансформатори.
Течности на-биологична основа- Отвъд естерите. Разглеждане на-течности, получени от водорасли, модифицирани растителни масла, други възобновяеми източници. Предизвикателството е съчетаването на производителността и цената на традиционните течности.
SF6 алтернативи- Тъй като SF6 е ужасен парников газ, много работа върху алтернативи. Сух въздух с високо налягане, смеси азот/CO2, нови синтетични газове с по-нисък GWP.
По-добър мониторинг- Онлайн сензори за непрекъснат мониторинг. DGA сензори, които анализират газове в реално-време. Сензори за влага. Сензори за температура навсякъде. Целта е да се предвидят провалите, преди да се случат.
Тествах онлайн DGA система през последната година. Това е доста страхотно – взема проби от газовото пространство на всеки час, изпраща данни в облака, предупреждава, ако нещо изглежда нередно. Хвана начална повреда в 2 сутринта в събота. Този трансформатор щеше да се повреди до понеделник сутринта, ако не бяхме получили сигнала.
Цената все още е висока ($5-10k за единица), но намалява. Обзалагам се, че след 5-10 години това ще бъде стандарт за критично оборудване.
Какво всъщност препоръчвам
Ще бъда честен с теб.
Ако посочвате нов трансформатор:
Местоположение на закрито? Използвайте силикон или синтетичен естер. Ухапете куршума за цената. Рискът от пожар не си струва.
Местоположение на открито с добро задържане? Минералното масло е добре. Работи.
Близо до екологично чувствителни зони? Естествен естер.
Бюджетът няма обект? Синтетичен естер или сух-тип.
Ако поддържате съществуващо оборудване:
ТЕСТВАЙТЕ ВАШЕТО МАСЛО. Най-малко годишно. Тримесечно за критични неща.
Водете подробни записи. Проследявайте тенденциите. Един лош резултат от теста може да е аномалия. Една тенденция е проблем.
Сменете маслото, преди да стане много лошо. Опитът да се възстанови силно разграден петрол е скъп.
Отстранете незабавно течовете. Малките течове стават големи течове.
Вентилационните отвори имат значение. Използвайте обезвъздушители и ги сменяйте редовно.
Температурата има значение. Горещите точки убиват трансформаторите. Монитор на темп.
Ако имате работа със старо оборудване:
Не приемайте нищо. Етикетите лъжат. Тествайте го.
Ако са построени преди 1980 г., бъдете много внимателни с PCB.
Старо не означава лошо. Виждал съм трансформатори от 50-те години на миналия век, които все още работят добре, защото бяха добре-поддържани.
Понякога преоборудването с нова течност има смисъл. Понякога замяната е по-добра. Направете сметката.
Какво НЕ трябва да правите:
Не смесвайте видове течности, освен ако наистина не знаете какво правите
Не използвайте автомобилно масло или хидравлична течност като трансформаторно масло (да, виждал съм някой да опитва това)
Не пренебрегвайте резултатите от теста
Не пропускайте поддръжката, за да спестите пари
Не приемайте, че "беше добре от 20 години" означава, че ще е добре още 20
О, и ако бягатегрузило EDMмашини, обърнете внимание на качеството на вашата диелектрична течност. Виждал съм магазини да изгарят електроди, защото течността им е замърсена. Филтрирайте го. Тествайте го. Тази течност върши същата работа като трансформаторното масло – изолира, като същевременно управлява топлината и потискането на дъгата. Важат същите принципи. Не евтино.