Temat: Ciecze elektroizolacyjne (bez mineralnych). 18.06.2011r
Przygotowali: Grzegorz Kulis, Michał Sulawiak
W urządzeniach elektrotechnicznych w wielu przypadkach zachodzi konieczność stosowania cieczy stanowiących izolatory elektryczne. Izolatory tego typu są nazywane cieczami izolacyjnymi, olejami izolacyjnymi bądź też olejami elektroizolacyjnymi. Ich użycie może wystąpić w transformatorach, łącznikach elektrycznych, kondensatorach, kablach i w innych niewymienionych urządzeniach elektrotechnicznych, gdzie spełniać będą funkcje:
Izolatora elektrycznego
Cieczy chłodzącej
Środka ochrony przed korozją i rdzewieniem
Ciecze (oleje) izolacyjne powinny mieć następujące właściwości:
Stosunkowo małą lepkość, zapewniające efektywne chłodzenie
Dobre właściwości izolacyjne charakteryzowane napięciem przebicia i stratnością dielektryczną
Niską temperaturę płynięcia zapewniającą pracę w ujemnych temperaturach otoczenia
Bardzo dobrą odporność na utlenianie co zapewniłoby długotrwałą pracę bez konieczności wymieniania
Bardzo dobre właściwości deemulgujące co zapewniłoby łatwą separację wody w sytuacjach przypadkowego zawodnienia
Brak zanieczyszczeń takich jak: wolna lub zdyspergowana woda, zanieczyszczenia stałe, rozpuszczone gazy, metale w stężeniach śladowych, substancje kwaśne itp.
Możliwie wysoką temperaturę zapłonu w celu zmniejszenia zagrożeń pożarowych
Takich właściwości doszukać się możemy w następujących cieczach izolacyjnych:
Oleje mineralne
Oleje silikonowe (syntetyk)
Syntetyczne węglowodory: alkilobenzeny, alkilodifenylonaftaleny, alkilonaftaleny, polibuteny itp. (syntetyki)
Nowe askarele (syntetyki)
Oleje roślinne
Do najczęściej stosowanych syntetycznych cieczy elektroizolacyjnych należą chlorowane dwufenyle. Stanowią one mieszaniny chloro pochodnych dwufenylu
o różnych zawartościach chloru, głównie pięciochlorodwufenyl. W porównaniu z olejami mineralnymi cechuje je:
niepalność,
wyższa odporność cieplna
brak wytrącania osadu jako produktu starzenia
niezmienność lepkości i kwasowości podczas eksploatacji
większa przenikalność elektryczna
Chlorowane dwufenyle są o ok. 1,5-krotnie cięższe i znacznie droższe od olejów mineralnych, ponadto większość z nich wykazuje wyższą temperaturę krzepnięcia. Działają drażniąco na skórę, a przy nieostrożnym obchodzeniu się z nimi bywają powodem uczuleń. Ujemną ich cechą z punktu widzenia ochrony środowiska jest zdolność do odkładania się w żywych organizmach, co się wiąże z bardzo powolną ich biodegradacją. Z tego względu stosowanie chlorowanych dwufenyli w elektrotechnice ogranicza się do tych urządzeń, których eksploatacja, a także późniejsze ich złomowanie, są w odpowiedni sposób kontrolowane.
Chlorowane dwufenyle stosuje się przede wszystkim jako syciwo do kondensatorów energetycznych; ze względu na niepalność służą także do napełniania transformatorów pracujących wewnątrz budynków.
Do rzadziej stosowanych syntetycznych, trudnopalnych cieczy dielektrycznych należą oleje silikonowe (głównie liniowe polimetylo- lub polimetylofenylosiloksany). Istnieje duża rozmaitość tych olejów o szerokim zakresie lepkości. Wykazują one małą zależność lepkości od temperatury; w zakresie temperatur dodatnich odznaczają się natomiast stosunkowo dużą chłonnością wody. Temperatura krzepnięcia jest bardzo niska (ok. -85C), górna zaś graniczna temperatura pracy dochodzi do 200C. Wytrzymałość dielektryczna olejów silikonowych jest mniejsza niż wytrzymałość olejów mineralnych. Starzenie się olejów silikonowych polega na ich polimeryzacji, w której wyniku przechodzą w stan zestalony o cechach kauczuku. Proces polimeryzacji można znacznie opóźnić, hermetyzując olej.
Kolejną syntetyczną cieczą elektroizolacyjną są nowe askarele (ciecze askarelowe). Stanowią one roztwory bifenyli oraz chlorobenzenów. Uznaje się, że nowe askarele nie powinny zawierać związków uznawanych za szkodliwe dla środowiska. Są one niepalne, a także nie wydzielają gazów wybuchowych pod wpływem łuku elektrycznego. Charakteryzują się małą zmiennością lepkości w funkcji temperatury. Ich właściwości zależą od liczby atomów chloru w cząsteczkach. Nowe askarele znalazły szerokie zastosowanie jako ciecze izolacyjne: oleje do transformatorów i łączników, jako syciwa w produkcji kondensatorów papierowych.
Syntetycznym olejem elektroizolacyjnym są również estry organiczne produkowane na bazie jedno- lub wielowodorotlenowych alkoholi oraz jedno- lub wielozasadowych alifatycznych kwasów karboksylowych. Cechą charakterystyczną estrów syntetycznych jest stosunkowo duża przenikalność dielektryczna co jest korzystne, ponieważ jej wartość jest zbliżona do przenikalności dielektrycznej izolacji stałej w transformatorze. Estry syntetyczne posiadają wyższą lepkość niż olej mineralny w całym zakresie temperaturowym. Duża wartość współczynnika przewodnictwa cieplnego, która charakteryzuje ten płyn, powoduje dużą zdolność do odprowadzania ciepła od uzwojeń transformatora do otaczającej atmosfery. Estry syntetyczne są w pełni mieszalne z mineralnym olejem transformatorowym. Wykazują też dobre właściwości smarne, i dlatego mogą być stosowane w transformatorach wyposażonych w konwencjonalne pompy olejowe. Ulegają łatwej biodegradacji i nie stwarzają zagrożenia dla środowiska, szczególnie dla wód. Wadą estrów jest ich wysoka rozpuszczalność w wodzie. Z uwagi na wyższą odporność hydrolityczną oraz odporność na procesy starzeniowe i destrukcję w polu elektrycznym, coraz większe znaczenie uzyskują estry polialkoholi i kwasów monokarboksylowych. Wadą olejów estrowych jest wpływ wilgoci na destrukcję oleju. Charakter chemiczny estrów czyni je podatnymi na hydrolizę, w wyniku której powstają kwaśne produkty rozkładu. Doświadczenia blisko trzydziestu ostatnich lat potwierdziły przydatność tego typu cieczy w zastosowaniach elektrycznych. Olej estrowy posiada nieco wyższy współczynnik stratności dielektrycznej od oleju mineralnego, jednak wartości napięcia przebicia są porównywalne. Oleje estrowe okazały się stosunkowo niewrażliwe na śladową obecność wody, w związku z tym woda wydzielająca się w trakcie eksploatacji transformatora (np. z celulozy) nie wpływa znacząco na pogorszenie parametrów dielektrycznych. Stwierdzono również pozytywny wpływ oleju estrowego na osuszenie celulozowych elementów izolacji uzwojeń. Jednak nadal bardzo ważnym elementem pozostaje ochrona oleju przed wodą z zewnątrz.
Ostatnią grupą cieczy elektroizolacyjnych są oleje roślinne. W początkowym okresie zastosowanie olejów roślinnych w urządzeniach elektrycznych było ograniczone do sporadycznych przypadków. Przykładem może być zastosowanie oleju rycynowego do impregnacji kondensatorów. Zainteresowanie biodegradowalnymi olejami elektroizolacyjnymi wzrosło w latach 80. po odkryciu bardzo szkodliwego oddziaływania PCB na organizmy żywe i środowisko naturalne, co spowodowało wycofanie z produkcji olejów zawierających PCB (oleje estrowe). Z początkiem lat 90. podjęto próby szerszego zastosowania olejów roślinnych do celów elektroizolacyjnych, głównie jako olej transformatorowy. Zainteresowanie to wynikało z poszukiwań alternatywnych zamienników dla drogich, syntetycznych olejów estrowych. Bazowe oleje do produkcji naturalnych estrów pozyskuje się na drodze tłoczenia nasion roślin oleistych. Ich zaletami są powszechna dostępność oraz to, że w odróżnieniu od olejów mineralnych pozyskiwane są z zasobów odnawialnych. Podatność naturalnych olejów estrowych na utlenianie oraz wysokie temperatury płynięcia było główną przeszkodą do ich stosowania w charakterze olejów dielektrycznych. Stosuje się go w kondensatorach pracujących w układach impulsowych. Oleje te wykazują również zadowalającą trudnopalność (temperatura palenia powyżej 300°C).