Я работаю с диэлектрическими жидкостями с 2014 года. Я проливал их, дышал ими (не делайте этого), видел, как они катастрофически выходили из строя, и однажды – ОДИН РАЗ – мне пришлось эвакуировать здание, потому что кто-то решил, что можно использовать неправильный тип. Это было нехорошо.
Это все, что я хотел бы, чтобы кто-нибудь сказал мне, прежде чем я начал работать с этим материалом.
Что такое диэлектрическая жидкость?
Именно так. Вы знаете, как электричество проходит через металл? И как он не проходит через… не-металл? Это основная идея.
Диэлектрическая жидкость является жидким изолятором. Он не проводит электричество. Или технически это работает, но ОЧЕНЬ плохо, что для наших целей означает, что это не так. Сопротивление составляет 10^12 Ом-метров или выше. Сравните это с медью при 10^-8. Огромная разница.
Но вот в чем дело – дело не только в изоляции. Диэлектрические жидкости выполняют три задачи:
Электрическая изоляция- Не позволяет току идти туда, куда ему не следует
Охлаждение- Отводит тепло от горячих точек
Подавление дуги- Если есть искра, она гаснет
Третий пункт имеет решающее значение, и большинство людей его не понимают. Воздух на самом деле является довольно хорошим изолятором, пока это не так. Поднимите достаточное напряжение, воздух выйдет из строя, возникнет дуга, все взорвется. Веселые времена.
Жидкий диэлектрик? Гораздо более высокое напряжение пробоя. Мы говорим о 30–70 кВ для зазора в масле 2,5 мм по сравнению с 8–10 кВ в воздухе. Таким образом, вы можете упаковать электрооборудование намного плотнее.
Почему мы это используем
Потому что мы должны, по сути.
Посмотрите на большой трансформатор. Те, что вы видите на опорах электропередач или снаружи зданий. Внутри этой металлической банки находится связка медных катушек, намотанных на железный сердечник. Эти катушки нагреваются. Примерно 80-90 градусов при нормальной нагрузке, выше при большой нагрузке.
Воздушное охлаждение? Забудь это. Недостаточно. Вам нужно что-то, что:
Не проводит электричество
Имеет хорошую теплоемкость
Действительно может перемещать тепло (конвекция)
Не загорится легко
Служит десятилетиями, не разрушаясь
Вода? Отличная теплоемкость! Также проводит электричество. Тяжелый проход.
Воздух? Не проводит, но ужасная теплоотдача.
Масло? Не проводит (сильно), хорошая теплоемкость, легко течет, относительно безопасен. Победитель победитель.
Однажды я работал над проектом, когда клиент настоял на возможности использования воздушного охлаждения в трансформаторе мощностью 2 МВА. Сэкономили около 3000 долларов на масле. Это обошлось им в 80 000 долларов, когда трансформатор вышел из строя через 8 месяцев. Медь буквально расплавилась. Где-то у меня есть фотографии.
Различные типы и почему они имеют значение
Ох чувак, ладно, тут все становится сложнее. Но я постараюсь сделать это проще.
Минеральное масло (трансформаторное масло)
Что это: нефтепродукты.
Плюсы: Дешево, отлично работает, пользуюсь уже 100+ лет.
Минусы: огнеопасно (вроде как), экологические проблемы, биоразлагаемость — отстой.
Используется в: большинстве трансформаторов, старом оборудовании.
Стоимость: около 5-8 долларов за галлон оптом (цены недавно выросли из-за цепочки поставок).
Силиконовая жидкость
Что это: синтетическое полимерное масло (обычно полидиметилсилоксан).
Плюсы: Высокая температура вспышки (300 градусов+), стабильна, трудно окисляется.
Минусы: Чертовски дорого, если горит, то дым токсичен.
Используется в: внутренних трансформаторах, местах, где риск пожара является критическим.
Стоимость: 30-60 долларов за галлон.
Примечание. Я видел, как силиконовая жидкость выдерживала пожары, которые могли уничтожить оборудование, работающее с минеральным маслом.
Эфирные жидкости
Натуральный эфир: изготовлен из овощей (соевые бобы, рапс, подсолнечник).
Синтетический эфир: в лаборатории-получены похожие молекулы.
Плюсы: биоразлагаемый, высокая температура воспламенения, безопасен для окружающей среды.
Минусы: может быть чувствителен к влаге, стоит дорого, в некоторых условиях быстрее разлагается.
Стоимость: 15–40 долларов за галлон в зависимости от типа.
Используется в: новых установках, модернизации, везде, где действуют строгие экологические нормы.
Фторуглеродные жидкости
Что это: Синтетические фторированные соединения.
Плюсы: абсолютно не-воспламеняющийся, невероятная температурная стабильность.
Минусы: БЕЗУМНО ДОРОГО, экологические проблемы (некоторые из них являются парниковыми газами).
Используется в: военной сфере, авиации, критических приложениях.
Стоимость: Не спрашивайте. Серьезно. Примерно $200+ за галлон. Мы использовали его однажды по контракту Министерства обороны.
Есть такжегазовая-изоляциявещество (SF6), но на самом деле это не жидкость, а также SF6 вреден для окружающей среды, поэтому мы пытаемся отказаться от него. Скатертью дорога, честное слово.
Минеральное масло против синтетического: большие дебаты
Меня постоянно об этом спрашивают. «Должен ли я использовать минеральное масло или синтетическое?»
Ответ: какой у вас бюджет и какое приложение?
Используйте минеральное масло, когда:
Это стандартный уличный трансформатор.
Бюджет ограничен
Вы согласны с экологическими компромиссами
Риск пожара управляем
У вас есть надлежащее сдерживание
Я бы сказал, что 80% трансформаторов по-прежнему работают на минеральном масле. Оно работает. Это дешево. Это то, с чем каждый знает, как справиться.
Используйте синтетические материалы (силикон/эстер), когда:
Внутренняя установка
Этого требуют пожарные нормы
Экологическое законодательство требует этого
Рядом с источниками воды или чувствительными зонами
Вы можете себе это позволить
Один из моих клиентов перешел с минерального масла на натуральный эфир для всех своих трансформаторов, монтируемых на подставке-. Стоимость выросла примерно на 40% за единицу. Но их расходы на страхование снизились на 15%, и они получили положительный пиар за то, что они «зеленые». Для них это имело смысл.
Другой клиент попытался сэкономить и использовать минеральное масло вместо силикона. Трансформатор находился в подвале здания. Начальник пожарной охраны поймал его во время проверки. Пришлось все слить и залить силиконом. Модернизация и время простоя обошлись им примерно в 25 000 долларов. Просто используйте правильную жидкость с самого начала.
В тот раз я узнал о печатных платах на собственном горьком опыте
Хорошо, это важно и в то же время немного пугающе.
ПХД (полихлорированные бифенилы) раньше были диэлектрической жидкостью. Например, с 1930-х по 1970-е годы. Они были потрясающими: суперстабильными, с высокой диэлектрической прочностью, негорючими. Идеально, правда?
Потом мы выяснили, что они вызывают рак. И они не ломаются. Всегда. Они просто накапливаются в окружающей среде и в живых существах. Упс.
США запретили их в 1979 году. В конечном итоге большинство стран последовали их примеру. Но вот в чем дело – трансформаторы служат 30, 40, 50 лет. Итак, ВСЕ ЕЩЕ существует оборудование с печатными платами.
Я усвоил это на собственном горьком опыте в 2016 году. Выполнял техническое обслуживание того, что я считал старым трансформатором на минеральном масле. На этикетке было написано минеральное масло. В документах было указано минеральное масло. Взял образец для проверки диэлектрической прочности (стандартная процедура) и обнаружил, что на самом деле это аскарел — жидкость на основе ПХД-.
В какой-то момент кто-то переименовал его. Вероятно, чтобы избежать затрат на утилизацию (утилизация ПХД стоит дорого и строго регулируется).
Нам пришлось эвакуировать здание, вызвать защитную бригаду, провести анализ почвы на всех девяти ярдах. Мне пришлось пройти медицинское обследование, чтобы убедиться, что я не подвергаюсь воздействию опасных уровней. Веселая неделя.
Если вы работаете со старыми трансформаторами:
ВСЕГДА проверяйте, прежде чем предположить, какая жидкость там находится.
Этикетки лгут
ПХД тяжелее минерального масла (удельный вес ~ 1,5 против 0,88).
Если вы обнаружите печатные платы, сообщите об этом. Не пытайтесь избавиться от него самостоятельно.
В эксплуатации все еще находятся десятки тысяч трансформаторов для печатных плат.
Это не шутка. ПХБ – это очень плохая новость. Я знаю трех парней, у которых возникли проблемы со здоровьем из-за воздействия ПХД. Пришлось рано уйти на пенсию.
Трансформаторное масло (самый распространенный тип)
Позвольте мне рассказать подробнее о трансформаторном масле, поскольку именно с ним на самом деле сталкивается большинство людей.
Сначала сырая нефть очищается, подвергается гидропереработке для удаления серы и ароматических веществ, а затем обрабатывается для удаления влаги и частиц. В итоге вы получите прозрачную или бледно-желтую жидкость, примерно на 90% состоящую из парафиновых углеводородов.
Ключевые свойства:
Плотность: ~0,87 г/см³ при 20 градусах.
Вязкость: 10-12 сСт при 40 градусах (в основном как густая вода).
Температура вспышки: 135-160 градусов (зависит от марки)
Температура застывания: -40 градусов или ниже для сортов с холодным климатом.
Диэлектрическая прочность: 30+ кВ для зазора 2,5 мм (свежее, правильно обработанное масло)
Коэффициент рассеивания:<0.5% at 90°C
Фактор рассеивания важен. Он измеряет, сколько энергии масло поглощает и преобразует в тепло. Ниже лучше. Новое масло вроде 0,05%. Старое деградировавшее масло может составлять 5% и выше. Это проблема.
Я тестировал трансформаторное масло, находившееся в эксплуатации с 1968 года. Оно было КОРИЧНЕВОГО. Как кока-коричневая кола. Коэффициент рассеивания зашкаливал. Диэлектрическая прочность составляла около 15 кВ. Этот трансформатор был бомбой замедленного действия.
Они заменили его после моего отчета. И это хорошо, потому что внутри мы обнаружили изоляцию из карбонизированной бумаги. Еще год-два, и эта штука потерпела бы катастрофический провал.
Где вы на самом деле найдете эти вещи
Больше мест, чем вы думаете.
Электрические трансформаторы- Очевидно. От небольших площадок-креплений до массивных подстанций. В больших может быть 10,000+ галлонов масла. Это бассейн, полный нефти.
Автоматические выключатели- В высоковольтных выключателях для гашения дуги часто используется масло. При разрыве цепи 230 кВ под нагрузкой получается адская дуга. Масло помогает его погасить.
Конденсаторы- В некоторых старых конденсаторах использовался жидкий диэлектрик. Большинство новых используют что-то другое, но вокруг все еще есть старое оборудование.
Кабели- Масло-кабели раньше использовались для подземной передачи электроэнергии. Труба с кабелем внутри, заполненная маслом под давлением. Мы постепенно отказываемся от них, но они все еще остаются в крупных городах.
Погружное охлаждение для компьютеров- Это новинка и очень крутая. Центры обработки данных погружают целые серверы в диэлектрическую жидкость. Вентиляторы не нужны, охлаждение намного лучше. Я посетил предприятие, занимающееся этим в 2023 году. Странно видеть материнскую плату, которая просто… сидит в прозрачном масле… работает нормально.
Электростатические осадители- Промышленная фильтрация воздуха. Они используют высокое напряжение для зарядки частиц. Нужна диэлектрическая жидкость для изоляции частей под высоким напряжением.
Медицинское оборудование- Рентгеновские аппараты-, некоторые типы визуализирующего оборудования. Везде, где вам нужно высокое напряжение в небольшом пространстве.
Электроэрозионные станки- Электроэрозионная обработка. Они режут металл, используя контролируемые искры под водой. Ну, технически под диэлектрической жидкостью.
Я также однажды видел, как диэлектрическая жидкость использовалась в качестве гидравлической жидкости. Это было… интересно. И, возможно, это была не очень хорошая идея, но она сработала. Гай был в затруднительном положении, и это было то, что у него было. Не рекомендую.
Вещи безопасности, о которых вам никто не расскажет (пока кто-нибудь не пострадает)
Итак, я буду с тобой искренен. Диэлектрические жидкости довольно безопасны по сравнению со многими промышленными химикатами. Но они не безобидны.
Минеральное масло:
У некоторых людей вызывает легкое раздражение кожи.
Не вдыхайте пар, если он горячий (может вызвать головную боль, тошноту).
Чертовски скользко (я видел, как три человека поскользнулись и упали)
Если он загорится… ну, он не должен легко загореться, но если это произойдет, не используйте воду. Используйте пену или CO2.
Горячий пар может конденсироваться в легких. Это плохо.
Силиконовые жидкости:
Практически не-токсично при нормальной температуре.
Но если они горят (а горят они нелегко), то в продуктах сгорания оказывается формальдегид и другие гадости.
Еще очень скользкий
Трудно отмывается (не смешивается с водой, не испаряется)
Эфирные жидкости:
В целом безопасно, сделано из овощей, верно?
Может вызывать аллергические реакции у некоторых людей (особенно если у вас аллергия на сою/семена)
Разлагается быстрее в присутствии воды/кислорода.
Продукты разложения могут быть кислотными и разъедать металлы.
Фторуглероды:
В основном-нетоксичны
But some are greenhouse gases (GWP >10000)
Дороговато утилизировать правильно
Общие сведения о безопасности:
Наденьте перчатки. Я знаю, это больно, но трансформаторное масло, попавшее на руки, проникает повсюду. Твой телефон, твой руль, твой обед. Просто наденьте эти чертовы перчатки.
Защита глаз при отборе проб или работе с оборудованием под давлением. Я видел, как парень залил лицо горячим трансформаторным маслом, когда вышел из строя клапан. С ним было все в порядке, но могло быть и плохо.
Правильная вентиляция закрытых помещений. Пары масла тяжелее воздуха и скапливаются в низких местах. Я видел, как люди теряли сознание от воздействия паров в трансформаторных хранилищах.
Знайте, с чем вы работаете. Старое оборудование может содержать печатные платы, даже если оно маркировано иначе. Сначала протестируйте.
Иметь локализацию разлива. Когда трансформатор выходит из строя, из него может быстро вытечь сотни галлонов. Вам нужны бермы, системы локализации, абсорбирующие материалы.
Однажды я отреагировал на отказ трансформатора, когда 500 галлонов минерального масла вытекло в ливневую канализацию. Он достиг ручья прежде, чем мы смогли его остановить. Стоимость очистки составила более 200 000 долларов. Агентство по охране окружающей среды было НЕдовольно. Компания была оштрафована на 75 тысяч долларов.
А все потому, что в защитной берме была трещина, которую никто не заметил.
Тестирование и почему ваш трансформатор умер
Вот что касается диэлектрических жидкостей: они стареют. Они деградируют. Само масло может быть и в порядке, но оно накапливает загрязнения:
Влага (от дыхания через вентиляционные отверстия)
Частицы (от износа)
Кислоты (от окисления)
Растворенные газы (от частичного разряда и перегрева)
Мы тестируем все это. Или нам следует. Во многих местах испытания проводятся недостаточно регулярно, а затем удивляются, когда трансформатор выходит из строя.
Тесты, которые мы проводим:
Диэлектрическая прочность- Какое напряжение он выдерживает? Должно быть 30+ кВ для хорошего масла. Ниже 20 кВ, и я обеспокоен. Ниже 15 кВ это оборудование требует внимания СЕЙЧАС.
Я проверяю это с помощью портативного тестового набора. Подавайте напряжение 3 кВ в секунду до пробоя. Сделайте это три раза, усредните результаты. Это занимает около 10 минут. Может спасти вас от поломки трансформатора стоимостью 100 000 долларов.
Анализ растворенных газов (DGA)- Это хорошая вещь. Когда изоляция трансформатора разрушается или возникает искрение, образуются газы. Они растворяются в масле. Извлекаем их и анализируем:
Водород (H2) - общий перегрев, коронный разряд
Метан (CH4) - незначительный перегрев
Этан (C2H6) - перегрев ~300 градусов
Этилен (C2H4) - перегрев ~500 градусов +
Ацетилен (C2H2) - искрение
Угарный газ/диоксид - разложение целлюлозы
Каждый газ рассказывает свою историю. Высокий ацетилен? У вас есть дуга. Высокий этилен? Серьезный перегрев. Много CO? Ваша бумажная изоляция готовится.
Я диагностировал проблемы с трансформатором удаленно, просто просматривая результаты DGA. «У вас концентрация ацетилена 300 частей на миллион? У вас неплотное соединение, внутри горит дуга. Выключите его».
Содержание влаги- Для хорошей изоляции значение должно быть ниже 35 ppm. При концентрации выше 50 ppm ваша диэлектрическая прочность значительно падает. Выше 100 частей на миллион – и вы напрашиваетесь на проблемы.
Влага попадает через вентиляционные отверстия, через уплотнения, в результате разрушения изоляции. Это постоянная битва.
Я видел трансформатор, который не использовался уже два года. Его никто не обслуживал, вентиляционное отверстие пробито, попала влага. Содержание влаги было более 200 ppm. Диэлектрическая прочность составляла 8 кВ. Мы даже не смогли безопасно подать на него питание. Пришлось собрать масло и высушить его. Прошло три дня.
Кислотность (число нейтрализации)- Измеряет содержание кислоты. Свежее масло содержит около 0,01 мг КОН/г. Выше 0,15 и он начинает окисляться. Выше 0,40 он значительно ухудшается.
Коэффициент мощности/коэффициент рассеяния- Сколько энергии масло тратит в виде тепла. Новое масло<0.05%. Above 0.5% at 90°C and there's contamination.
Межфазное натяжение- Измеряет поверхностное натяжение на границе раздела масла-воды. Звучит странно, но это хороший индикатор продуктов окисления. Свежее масло составляет 40+ дин/см. Ниже 25 и оно деградирует.
Мы проводим эти испытания ежегодно для критически важного оборудования и каждые 2–3 года для менее критического оборудования. В некоторых местах тестирование проводится ежеквартально. В некоторых местах никогда не тестируют.
Угадайте, у кого больше неудач?
Экологический аспект (это сложно)
Ладно, здесь все становится грязным. Экологически говоря.
Минеральное масло:
Изготовлено из ископаемого топлива (вредно для углеродного следа)
На биоразложение в окружающей среде уходят десятилетия
В больших количествах токсично для водной флоры и фауны.
Разливы являются серьезным экологическим инцидентом.
НО: относительно стабилен, обычно не выделяет вредных продуктов распада.
Натуральные эфиры:
Изготовлено из возобновляемых ресурсов (хорошо!)
Быстро биоразлагается (90%+ за 28 дней)
Снижение экологической токсичности
НО: требуется сельское хозяйство (землепользование, вода, пестициды)
Переработка имеет свои экологические издержки
Синтетические эфиры:
Лабораторное-изготовление (энергоемкое)
Переменная биоразлагаемость
В целом лучше, чем минеральное масло
Но производство имеет экологические издержки
Силиконы:
На самом деле не биоразлагается
Но также не производите токсичные продукты распада.
Очень стабилен в окружающей среде (хорошей и плохой)
Фторуглероды:
Многие из них являются мощными парниковыми газами.
Может сохраняться в атмосфере десятилетиями
Попытка отказаться от худших
Ищем альтернативы
Реальность такова, что идеального решения не существует. У каждого типа есть компромиссы.
Я работал над проектом, в рамках которого мы переоборудовали 50 трансформаторов с минерального масла на натуральный эфир. Пиар был великолепен: «100% биоразлагаемый!» «Экологично!» Компания получила награды.
Но никто не упомянул:
Минеральное масло пришлось утилизировать (сжечь).
Натуральный эфир стоит в 3 раза дороже.
Требовалось более частое тестирование и обслуживание.
Трансформаторы стали немного нагреваться
Эфир был получен из соевых бобов, выращенных… где-то (мы не особо спрашивали).
Было ли это лучше для окружающей среды в целом? Вероятно. Может быть. Честно говоря, я не знаю. Анализ жизненного цикла будет сложным.
Что я ДЕЙСТВИТЕЛЬНО знаю, так это то, что предотвращение разливов имеет большее значение, чем тип жидкости. Ухоженная-система минерального масла с надлежащей герметизацией лучше, чем система на основе натуральных эфиров, которая протекает.
Альтернативы и технологии
Происходят некоторые интересные вещи:
Трансформаторы сухого-типа- Совсем нет жидкости. Для охлаждения используйте воздух или газ. Отлично работает для небольших единиц, но эффективность падает на больших. Первоначально дороже, но без обслуживания жидкостей.
Вакуумная изоляция- Вместо жидкости используйте вакуум. Звучит безумно, но это работает. В основном для специализированных приложений.
Наножидкостные диэлектрики- Добавление наночастиц в традиционные жидкости для улучшения свойств. Все еще в основном на стадии исследований, но многообещающе. Я видел результаты испытаний, показавшие улучшение теплопередачи на 30-40%. Можно было бы позволить использовать трансформаторы меньшего размера.
Жидкости на биологической-основе- Помимо сложных эфиров. Рассматриваем жидкости,-полученные из водорослей, модифицированные растительные масла и другие возобновляемые источники. Задача состоит в том, чтобы обеспечить соответствие характеристик и стоимости традиционных жидкостей.
Альтернативы SF6- Поскольку SF6 – ужасный парниковый газ, ведется большая работа над альтернативами. Сухой воздух под высоким давлением, смеси азота и CO2, новые синтетические газы с более низким ПГП.
Улучшенный мониторинг- Онлайн-датчики для непрерывного мониторинга. Датчики DGA, которые анализируют газы в-реальном времени. Датчики влажности. Датчики температуры повсюду. Цель состоит в том, чтобы предсказать сбои до того, как они произойдут.
В прошлом году я тестировал онлайн-систему DGA. Это очень круто — каждый час производит отбор проб свободного пространства газа, отправляет данные в облако, предупреждает, если что-то не так. Обнаружил зарождающуюся неисправность в 2 часа ночи в субботу. Этот трансформатор вышел бы из строя к утру понедельника, если бы мы не получили предупреждение.
Стоимость по-прежнему высока (5-10 тысяч долларов за единицу), но падает. Могу поспорить, что через 5-10 лет это станет стандартом для критически важного оборудования.
Что я на самом деле рекомендую
Буду откровенен с тобой.
Если вы указываете новый трансформатор:
Внутреннее расположение? Используйте силикон или синтетический эфир. Скусите пулю по стоимости. Риск пожара того не стоит.
Место на открытом воздухе с хорошей герметизацией? Минеральное масло подойдет. Оно работает.
Рядом с экологически чувствительными районами? Натуральный эфир.
Бюджет не имеет значения? Синтетический сложный эфир или сухой-тип.
Если вы обслуживаете существующее оборудование:
ПРОВЕРЬТЕ СВОЁ МАСЛО. Минимум ежегодно. Ежеквартально для важных вещей.
Ведите подробные записи. Отслеживайте тенденции. Один плохой результат теста может быть аномалией. Тенденция – это проблема.
Замените масло, прежде чем оно станет совсем плохим. Попытки восстановить сильно деградировавшую нефть обходятся дорого.
Немедленно устраняйте утечки. Маленькие утечки становятся большими утечками.
Дыхательные отверстия имеют значение. Используйте осушающие сапуны и регулярно меняйте их.
Температура имеет значение. Горячие точки убивают трансформаторов. Следить за температурой.
Если вы имеете дело со старым оборудованием:
Ничего не предполагайте. Этикетки врут. Проверьте это.
Если устройство было построено до 1980 года, будьте особенно осторожны с печатными платами.
Старый не значит плохой. Я видел трансформаторы 1950-х годов, которые до сих пор работают нормально, потому что за ними хорошо-обслуживаются.
Иногда имеет смысл дооснастить новой жидкостью. Иногда замена лучше. Посчитайте.
Чего НЕ делать:
Не смешивайте типы жидкостей, если вы действительно не знаете, что делаете.
Не используйте автомобильное или гидравлическое масло в качестве трансформаторного масла (да, я видел, как кто-то пробовал это).
Не игнорируйте результаты тестов
Не пропускайте техническое обслуживание, чтобы сэкономить деньги
Не думайте, что фраза «все было хорошо 20 лет» означает, что все будет хорошо еще 20 лет.
О, и если ты бежишьгрузило электроэрозионноемашин, обратите внимание на качество диэлектрической жидкости. Я видел, как в магазинах прогорали электроды, потому что их жидкость была загрязнена. Отфильтруйте это. Проверьте это. Эта жидкость выполняет ту же функцию, что и трансформаторное масло: изолирует, одновременно регулируя нагрев и подавление дуги. Применяются те же принципы. Не скупитесь.