Диссертация (Разработка и обоснование применения критерия оценки состояния бумажно-масляной изоляции трансформаторов по содержанию метанола в трансформаторном масле), страница 3

Наличие этихвеществ оказывает большое влияние, как на физико-химические свойства волокна, так ина свойства вырабатываемой из него бумаги.Лигнин представляет собой органическое вещество, которое содержится вдревесине в количество около 30% и обуславливает ее жесткость и твердость. Варка11древесины для получения целлюлозы в основном имеет целью удаление лигнина,остаточное количество которого в целлюлозе в значительной степени сказывается насвойствах бумаги [19]. Для большинства сортов бумаги содержание лигнина в целлюлозеоколо 4% считается пределом, установленным нормами [19]. Соответствующимирежимами варки и отбелки лигнин можно удалить до следовых количеств, но при этомначинает деградировать основная часть целлюлозы.

Содержание остаточного количествалигнина в целлюлозе служит показателем пригодности целлюлозы для производства техили иных видов бумаги. По этому показателю можно косвенно судить о ряде особыхсвойств целлюлозы. В зависимости от количества лигнина, остающегося в целлюлозе, т.е.в зависимости от степени провара техническая целлюлоза разделяется на жесткую,среднюю и мягкую [19].На рис.1.4 приведено строение целлюлозного волокна, из которого следует, чтомолекулы целлюлозы по-разному связаны во волокне. Помимо лигнина в составизоляционной бумаги входят ещё и гемицеллюлозы - короткие полисахариды, которыевместе с лигнином отвечают за механическую прочность ствола дерева.

Степеньполимеризации полисахаридов ниже 200. Например, у сульфатной целлюлозы лигнин игемицеллюлозы распределены равномерно по толщине клеточной стенки и довольнотруднодоступны. Гемицеллюлозы располагаются преимущественно в аморфныхобластях целлюлозного волокна и на поверхности кристаллитов.Рисунок 1.4 Строение целлюлозного волокна [11]12Втаблице1.1представленхимическийсоставизоляционнойбумаги,производимой в разных странах [19, 28, 31, 43, 53, 68, 69, 101].Таблица 1.1 - Химический состав изоляционной бумаги [19, 28, 31, 43, 53, 68, 69, 101]КомпонентыволокнистогополуфабрикатаЦеллюлозаГемицеллюлозаЛигнинСтраны - производители изоляционной бумагиРоссия[19, 28]Австралия[31]Венгрия[43, 69]Франция[53, 101]Канада[68]85 – 93 %4 – 14 %3 – 4,5 %78 – 80 %10 – 20 %2–6%80 %12 %8%90 %6–7%3–4%95–97 %4%3%Из приведенной таблицы следует, что компонентный состав изоляционных бумаг,изготавливаемых в разных странах, существенно отличаются по процентномусодержанию.

Например, содержание целлюлозы в изоляционной бумаге российскогопроизводства составляет (85-93)% при содержании лигнина от 3-х до 4,5% игемицеллюлозы от 4-х до 14%. А в изоляционной бумаге австралийского производствасодержание целлюлозы составляет не более 80% при содержании гемицеллюлозы почтив 2 раза превышающей аналогичный показатель в бумаге российского производства.Отличие по химическому составу этих изоляционных бумаг объясняется, в основном,различиями в исходном сырье и технологии производства в каждой стране.1.2 Процесс и продукты старения БМИВ настоящее время принята модель теплового старения БМИ силовыхтрансформаторов, блок-схема которой представлена на рис. 1.5 [23]. Как видно изприведенной блок-схемы основные механизмы старения бумаги связаны с тремяхимическими процессами - протеканием реакций гидролиза, пиролиза и окисления.

Этаинформация подтверждается в работах других исследователей, в частности, в работе [32]отмечено, что реакции пиролиза протекают при температурах выше 140°С, поэтому дляоценки состояния изоляции бездефектных СТ старение при пиролизном разложениибумаги учитывать нецелесообразно.13Рисунок 1.5 Модель теплового старения БМИ силового трансформатора [23]Основным показателем, по которому оценивается состояние изоляционной бумаги,является степень ее полимеризации. Для новой бумаги чаще всего это значение находитсяв диапазоне 1000-1300 единиц [59]. При достижении СП порядка 200-300 единиц бумагатеряет механические прочностные свойства, становится хрупкой [59] и дальнейшаяэксплуатациявысоковольтногомаслонаполненногооборудованиястановитсяневозможной.Всоответствиис[32]основнымфактором,влияющимнаскоростьдеполимеризации бумаги, является температура наиболее нагретой точки (Тннт).

Онаявляется катализатором, как для реакции гидролиза, так и для реакций окисления бумагии масла. В соответствии с уравнением Монтзингера [32] повышение/понижениетемпературы Тннт относительно установленной номинальной температуры на 6°Сприводит к повышению/понижению скорости старения в 2 раза:Tномннт TннтV 2(1.1)614Для изоляционной бумаги класса нагревостойкости А номинальная температураТннт составляет 98°С, для класса Е - 110°С.Степеньполимеризациибумагиизменяетсявовремениподтепловымвоздействием в соответствии с уравнением [32]:E a11RT Ae tDPt DPнач(1.2)где Т - температура в градусах Кельвина, R - универсальная газовая постоянная,Еа - энергия активации, А - предэкспоненциальный множитель.Значения энергии активации Еа и предэкспоненциального множителя Аустановлены экспериментально.

По данным Эмсли [32] Еа составляет в среднем111±6 кДж/моль.Таким образом, срок службы изоляции СТ определяется в основном температуройнаиболее нагретой точки и длительностью этого температурного воздействия.На основании обобщения многочисленных экспериментальных данных в [32]показано, что на процессы старения большое влияние оказывает влажность изоляции.Практика показывает, что увеличение влажности вдвое вызывает сокращение срокаслужбы также в 2 раза. При росте влажности изоляционной бумаги с 0,5 до 1,0 % срокслужбы сокращается вдвое, до 2 % - вчетверо. Влагосодержание в бумаге может быть иболее 5 %, однако в областях, наиболее подверженных старению - наиболее нагретыхобластях обмотки - значение влагосодержания не превышает 2 % [32]. Это связано сизменением равновесного влагосодержания между бумагой и маслом под тепловымвоздействием. При повышении температуры влага из бумаги уходит в масло. В связи сэтим рассмотрение влияния влагосодержания в бумаге свыше 2 % не представляетпрактического интереса.

Учёт влагосодержания достигается скорректированнымизначениями энергии активации Еа и предэкспоненциального множителя А в уравнении(1.2). Касательно влагосодержания следует отметить, что со снижением СПувеличивается способность бумаги абсорбировать влагу. Также экспериментальнодоказано, что наряду с влагой присутствие низкомолекулярных водорастворимых кислотускоряет процесс деполимеризации за счёт высокой абсорбции их бумагой.Присутствие кислорода также увеличивает скорость деполимеризации бумаги засчёт двух факторов [58]. Во-первых, кислород участвует в окислении масла собразованием воды и водорастворимых кислот, которые участвуют в гидролизном15старении бумаги, во-вторых, кислород участвует в старении изоляционной бумаги впроцессе окисления.

Экспериментальные данные, обобщённые в [32], доказывают, чтоскорость старения изоляционной бумаги в масле с доступом кислорода в 2-3 раза выше,чем под вакуумом.В соответствии с экспериментами, описанными в работе [39], воздействиеэлектрического поля не оказывает существенного влияния на снижение СП изоляционнойбумаги. На рис. 1.6 качественно показано воздействие различных влияющих факторов наскорость реакции. Пунктирной линией показано влияние увеличения влагосодержания наскорость реакции.Рисунок 1.6 Качественная зависимость скорости реакции при различных влияющих настарение факторах (нагрев, вода, кислород) [32]Ещё одним не явным фактором, влияющим на скорость старения изоляционнойбумаги, является наличие разных по физическому строению областей целлюлозы (см.рис.

1 3). При проведении экспериментов по ускоренному старению было обнаружено,что при начальном снижении СП индекс растяжения бумаги практически не изменяется(см. рис. 1.7) [32, 81]. Это объясняется тем, что, по-видимому, сначала разрушаетсягемицеллюлоза и паракристаллическая целлюлоза, понижая общую СП, а целостностькристаллической целлюлозы, более прочной по своему физическому строению,обеспечивает механическую прочность.16Рисунок 1.7 Зависимость индекса растяжения от СП [32, 81]Следует отметить, что процесс старения целлюлозы широко представлен влитературе, однако, вместе с целлюлозой разрушаются гемицеллюлозы и лигнин, однаков технической литературе процессы разрушения этих компонентов описаны внедостаточной степени.На рис.

1.8 показаны основные продукты старения целлюлозы: вода, фурановыепроизводные, кислоты, оксид и диоксид углерода. Эти данные согласуются с литературой[32], однако по продуктам старения гемицеллюлоз и лигнина сведения в ней отсутствуют.В литературе [24] приведены сведения о том, что в результате частичногоотщепленияметоксильныхгрупплигнинаобразуетсяметанол,азасчётдеацетилирования гемицеллюлоз образуется уксусная кислота. Схема образованиянизкомолекулярных продуктов из компонентов целлюлозно-бумажной изоляциипредставлена на рис. 1.8.17Рисунок 1.8 Схема образования низкомолекулярных продуктов из компонентовцеллюлозно-изоляционной бумаги [32]На рис.