УДК 69

DOI 10.21661/r-554211

Охрименко А.И.

# ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ В ТРАНСФОРМАТОРНОМ МАСЛЕ

**Аннотация:** в статье речь пойдет о проблемах использования минерального трансформаторного масла как нефтепродукта, соответственно, цель исследования – выбор способа решения данных проблем: либо путем использования растительного трансформаторного масла, изготовленного из различных растительных культур, содержащих природное растительное масло (семена рапса, подсолнуха, сои), которое при добавлении специальных компонентов (изоляторы и антиокислители), может использоваться в качестве трансформаторного, либо комбинированного использования трансформаторного минерального масла и растительного масла.

**Ключевые слова:** минеральное трансформаторное масло, растительное трансформаторное масло, комбинированная масленая смесь, биодеградация, современный парк трансформаторов.

В начале – несколько слов об использовании минерального трансформаторного масла (далее – ТММ). Во всех современных маслонаполненных высоковольтных аппаратах масло используется как основной диэлектрик для повышения электрической прочности, является теплоотводящей и изолирующей средой, а в высоковольтных масляных выключателях масло выполнят дугогасящую функцию. В последнее время в силовых трансформаторах, напряжением до 220 кВт включительно, чаще всего используют ТММ марки ТСп. Величина некоторых показателей и общее состояние трансформаторного масла характеризуют изменение режима работы аппаратов и их исправность.

Например, при повреждении межлистовой изоляции стали сердечника местный нагрев стали вызывает снижение температуры вспышки масла, а электрическая дуга, возникшая при каком-либо коротком замыкании внутри бака, приводит к разложению масла, выделению газов и падению температуры вспышки.
Высокая температура масла свидетельствует о перегрузке трансформатора или неисправности системы охлаждения [5].

Говоря о проблемах использования трансформаторного масла, необходимо сказать, что ТММ – горючий, взрывоопасный и биологически трудноразложимый продукт.

Практически с начала использования ТММ в 90-е годы ХІХ в. начались взрывы и пожары на трансформаторах. В последние десятилетия ХХ в. проблемы безопасности осложнились всё возрастающими экологическими требованиями, связанными с трудностями утилизации ТММ из-за его низкой биологической разложимости. В настоящее время, например, в силовых трансформаторах по всему миру используется 3–4 млрд. л ТММ. По данным ОАО «Холдинг МРСК» только на подстанциях 6–10/0,4 кВ до 2025 г. необходимо заменить около 290 тыс. силовых трансформаторов [6].

Международная электротехническая комиссия рекомендует при реконструкции объектов, осуществлять перевод сетей на более высокий класс напряжения, с приближением трансформаторных подстанций к потребителю. Это обусловливает необходимость создания безопасного и экологически чистого оборудования нового поколения. Существует проблема продления «времени жизни» трансформаторов с истекшим сроком службы, которая решается их перезаливкой, для чего также необходимы жидкости нового типа.

Проблема замены минерального трансформаторного масла только на первый взгляд кажется простой. Критика недостатков несложное занятие. Несмотря на свои недостатки ТММ используется в электротехнике, достаточно давно и эффективно. Есть ли реальная альтернатива использованию ТММ?

1) Использование в электротехнике синтетических жидкостей на основе полихлордифенилов (совтол, аскарели). В данное время находятся под запретом к применению из-за высокой токсичности и низкой биодеградационной способности.

2) Жидкости на основе эфира пентаэретрита и синтетических жирных кислот (ПЭТ) типа Midel 7131, кремнийорганические жидкости являются менее
горючими по сравнению с ТММ, однако в процессе старения наблюдается рез-
кий рост вредных соединений, возникновение желатина из-за окисления свинца,
олова и пр. Стоимость этих жидкостей существенно больше, чем ТММ, а их про-
изводство является вредным.

3) Перфторуглеводородные жидкости (ПФУЖ) типа фожалин, БАФ и др. являются полностью негорючими (класс L по классификации МЭК). Использование ПФУЖ, синтезированных в 50-е годы прошлого столетия, ограничилось специальными малогабаритными устройствами силовой радиоэлектроники из-за их очень высокой стоимости.

Например, замена ТММ на ПФУЖ, например, в малогабаритном трансфор-
маторе ОАО «Электрозавод» типа ТМГ-100/10-У 1 привела бы к его удорож-
нию с 95 тыс. руб. до 5,5 млн. руб., т.е. почти в 60 раз.

4) Что касается концепции некоторых авторов о замене жидкой изоляции на электрогазовую или твёрдую. Эффективность использования подобной изоляции в трансформаторах крайне низка (например, допустимая длительности перегрузок аппаратов с такой изоляцией минимальна).

Реальной альтернативой выступает внедрение в качестве охлаждающей и изолирующей среды в трансформаторах находят жидкие изоляционные композиции на основе возобновляемого растительного сырья.

В западной литературе для названия таких композиций наиболее широко используется словосочетание «natural esters» (природные эфиры). Одним из первых был выдан патент на новую изоляционную композицию в США в 1998 г [8], а в 1999 г. – на трансформатор с такой композицией [9].

После этого появились десятки патентов, сообщений об исследованиях и применении таких композиций преимущественно в силовых распределительных трансформаторах. Создали и выпустили на рынок трансформаторное растительное масло (далее – TPM) и трансформаторы с этой изоляцией: «Cooper Power Systems» (США) – композиция «Envirotemp FR 3» на основе рапсовых семян (патент 1999 г.); «ABB Power T&D Company Inc.» (США) – композиция «BIOTEMP» на основе семян подсолнечника и сои (патент 1999 г.); «M&I MATERIALS»
(Англия) – «Midel®eN» на основе рапсовых семян. Фирмы «Siemens», «Merlin Gerin», «Schneider Electric», «AREVA» и др. также ведут работы в этом направлении.

В данной статье можно упомянуть Проект СЕМІГ Исследования и разработки (Бразилия) в области передачи и распределения электроэнергии в сотрудничестве с АВВ, мировым лидером по производству оборудования для электрических сетей. Целью проекта, который не имеет аналогов в мире, было заполнить трансформатор на 100% растительным маслом в сочетании с Номех, изоляцией последнего поколения, которая обеспечивает силовым трансформаторам коэффициент усиления до 40%.

Есть сообщения о разработке, изготовлении и поставке фирмой «AREVA» распределительных трансформаторов на 132 кВ, 90 МВ-А с объёмом TPM порядка 30 т, шунтирующего реактора на 245 кВ, 22 МВ-А, с изоляцией TPM типа Envirotemp FR,3 и др. По оценкам экспертов, к настоящему времени в мире находится в эксплуатации несколько десятков тысяч «зелёных» трансформаторов с TPM [6].

В таблице 1 приведены основные параметры ТММ и TPM, их сравнительная характеристика и заключение о преимуществе использования того или другого трансформаторного масла.

<caption>Таблица 1</caption>

Сравнительные свойства минерального
и растительного трансформаторного масла, их смеси

<table><thead><tr><th>Показатели</th><th>TMM</th><th>TPM</th><th>Смесь</th><th>Преимущества технологического, экологического и экологического характера</th></tr></thead><tbody><tr><td>Температура вспышки, °С</td><td>135</td><td>300–320</td><td>220</td><td>Снижение вероятности пожара и взрыва, возможность увеличения нагрузочной способности при использовании TPM</td></tr><tr><td>Температура воспламенения, °С</td><td>160–165</td><td>360–370</td><td>300</td><td>Возможность использования ТММ в зимнее время на Крайнем Севере</td></tr><tr><td>Температура застывания, °С</td><td>45–50</td><td>-25–30</td><td>-40</td><td>Более высокая кинематическая вязкость и плотность создает дополнительные расходы при транспортировке и хранении TPM</td></tr><tr><td>Кинематическая вязкость, сСт, при 20°C 100°C</td><td>28–30, 2,3–2,5</td><td>80–85, 2–15</td><td>50, 2–10</td><td></td></tr></tbody></table>
<table><tr><td>Плотность, кг/м³</td><td>800-900</td><td>920</td><td>850-920</td><td></td></tr><tr><td>Коэффициент объ-емного расширення, 10<sup>-4</sup>, град<sup>-1</sup></td><td>7-9</td><td>5-7</td><td>6-8</td><td>При хранении TPM возникает меньше потерь вследствие «малого» и «большого» дыхание</td></tr><tr><td>Коэффициент теп-лопроводности, Дж/м·с·град</td><td>0,15</td><td>0,17</td><td>0,16</td><td>ТММ более подходящая охлаждающая среда</td></tr><tr><td>Удельная теплоем-кость, Дж/г·град</td><td>1,7-2,3</td><td>2-2,3</td><td>1,9-2,2</td><td></td></tr><tr><td>Поверхностное натяжение, Н/м</td><td>34-48</td><td>25</td><td>29-34</td><td></td></tr><tr><td>Кислотное число, мг КОН/г</td><td>0,01-0,02</td><td>0,03-0,1</td><td>0,03</td><td>Более высокое кислотное число создает дополнительные затраты на введение антиокислительных присадок для TPM</td></tr><tr><td>Гигроскопичность, ppm</td><td>0,2-0,3</td><td>1-2</td><td>0,3-1,5</td><td>Более высокая гигроскопичность TPM, способствующая уменьшению влагосодержания в твёрдой изоляции, уменьшению потерь, увеличение срока службы изоляции, поскольку трансформаторы с высоким влагосодержанием не могут выдерживать нагрузки без риска.</td></tr><tr><td>Пробивное напря-жение [МЭК 60156], кВ</td><td>70</td><td>65</td><td>67</td><td></td></tr><tr><td>Удельное сопротив-ление Ом/м</td><td>2·10<sup>14</sup></td><td>2·10<sup>15</sup></td><td>5·10<sup>14</sup></td><td></td></tr><tr><td>Диэлектрическая проницаемость</td><td>2,2-2,3</td><td>2,8-3,1</td><td>2,2-2,8</td><td></td></tr><tr><td>Газообразование под воздушным ЧР, ppm: H<sub>2</sub> CO<sub>2</sub></td><td>9000 1000</td><td>6000 100</td><td>7000 500</td><td>У ТММ значительно выше, что создает дополнительные расходы и повышенную взрывоопасность</td></tr><tr><td>Способность к би-одеградации, ч/21день</td><td>30%</td><td>100%</td><td>50%</td><td>Высокая экологическая чистота, снижение расходов на утилизацию TPM</td></tr></table>

Кроме этого, использование TPM имеет следующие плюсы:

1) практически неограниченные запасы сырья, возможность использования генно-модифицированных растений, снижение стоимости при увеличении производства до уровня стоимости ТММ;

2) возможность вторичного использования отработанного TPM (для биодизеля, лаков и красок);
3) отсутствие вредного влияния на здоровье персонала;

4) существенное уменьшение размеров трансформатора благодаря новым компоновочным решениям, экономия площадей, занимаемых трансформаторами на подстанциях и т. д.

В то же время при использовании ТММ, показатели тангенса угла диэлектрических потерь (tg d) или тангенса дельта (IEEE) [6] как важная электротехническая характеристика, значительно ниже. Более низкое значение данного показателя, который определяется как отношение активной составляющей тока утечки через изоляцию к его реактивной составляющей, говорит о более высокой эффективности использования ТММ, в связи с меньшими затратами, поскольку уровень изоляции – основной показатель надежности функционирования силовых трансформаторов, и другого оборудования высокого напряжения. Высоковольтные вводы и кабели с высоким значением тангенса угла диэлектрических потерь изоляции при высокой температуре могут получить повреждения из-за «теплового пробоя». У ТММ тангенс угла потерь составляет при 25°С – 0,0001–0,0003, при 90°С – 0,005–0,022; у ТРМ, соответственно – 0,0005–0,004 и 0,018–0,06 [8].

Использование ТММ экономически и технологически обосновано, обладает прекрасными диэлектрическими свойствами, стабильностью против окисления, совместимостью с целлюлозной изоляцией при относительно низкой цене. Вместе с тем, как уже было отмечено к ТММ есть ряд претензий по эксплуатационной и экологической безопасности [2].

В заключение хотелось бы сказать, что несмотря на многочисленные плюсы ТРМ, достаточную «пропиаренность» ТММ на Западе, широкого промышленного использования ТРМ как в России, так и в других странах в данное время не наблюдается. Это объясняется, как видится, следующими причинами:

1) Себестоимость, а, следовательно, и цена на рынке ТММ ниже, чем ТРМ;

2) Система производства, использования ТММ отработана годами, задействованы сотни предприятий, десятки тысяч специалистов и рабочих, технологий и мощностей;
3) У ТММ есть собственные преимущества, о которых было сказано выше, например, возможность использования в условиях реальной русской зимы.

Есть ли выход? Представляется, что решение всех вышеуказанных проблем заключается в комбинированном использовании ТММ и TPM тем более, что действующий парк трансформаторов позволяет использовать TPM как в чистом, так и смешанном виде.

Смешение растительного масла с ТММ в пропорции не более 1:1 позволяет:

1) без добавления специальных присадок использовать эту смесь в качестве трансформаторного масла, что повышает экономическую эффективность

2) повысить свойства ТММ, в тоже время TPM, а также безопасность при обслуживании ТММ;

Эту смесь можно назвать комбинированная масленая смесь (КМС) и определить пропорции соотношения растительного масла в ТММ от 10 до 50%. Использовать же смесь TPM и ТММ можно в любых пропорциях без ограничений. Также растительным маслом можно «омолаживать», то есть улучшать ТММ бывшее в употреблении.

В основах государственной политики в области экологического развития РФ на период до 2030 года, сказано, что одним из механизмов роста экологически ориентированной экономики является внедрение инновационных ресурсосберегающих, экологически безопасных и эффективных технологий на базе единой технологической платформы с активным участием государства, бизнеса, науки и образования, общественных организаций [5].

Представляется, что на уровне Правительства России в программе социально-экономического развития РФ, необходимо указать в качестве одного из приоритетов в сфере развития промышленности использование растительных, биоразлагающих компонентов, оказание мер материального стимулирования (путем налоговых льгот, грантов и др.) предприятий, использующих данные компоненты.

Также, можно предложить сделать из Иркутской области «пилотный» регион, не забывая о том, что большинство промышленных предприятий находятся
на Байкальской природной территории, где стимулировать использование дан-
ных экологически чистых компонентов не только и не столько за счет средств
федерального и регионального бюджета, сколько за счет экологических, приро-
доохранных фондов регионального, национального и международного уровня.
Учитывая, что предприятия, осуществляющие свою деятельность в пределах
Байкальской природной территории. должны проходить обязательную экологи-
ческую экспертизу [4], закрепить в законодательстве норму, согласно которой,
предприятия, применяющие инновационные экотехнологии, проходят экспер-
тизу в упрощенном порядке.

Список литературы

1. Аникеева Н.А. Исследование характеристик растительных масел для вы-
соковольтного маслонаполненного электрооборудования. Диссертация на соис-
кание ученой степени кандидата экономических наук / Н.А. Аникеева [Элек-
тронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.dissercat.com. (дата обращения
09.03.2021).

2. Аникеева М.А. Исследование растворимости газов в рапсовом масле как электроизоляционном материале / М.А. Аникеева, С.М. Коробейников // Теплофизика высоких температур. 2020. – Т. 54, №1

3. Менахин Л.П. Новые типы трансформаторов с экологически чистыми не-
токсичными с повышенной взрыво- пожаробезопасностью жидкими композици-
ями на основе возобновляемого растительного сырья / Л.П. Менахин, А.Л. Па-
нин, Ю.В. Торшин, В.А. Шарковский // VII Междунар. научно-техн. конф. «Си-
ловые трансформаторы и системы диагностики». – М., 2010.

4. Об охране озера Байкал: федер. Закон РФ от 1 мая 1999 г. №94-ФЗ // Рос. газ. – 1999. – 7 мая; 2016. – 23 нояб.

5. Основы государственной политики в области экологического развития РФ на период до 2030 г.: указ Президента РФ от 30 апр. 2012 г. // Рос. Газ. – 2012. – 6 мая.
6. Объем и нормы испытаний электрооборудования. Издание шестое с изменениями и дополнениями – М.:НЦ ЭНАС, 2004 [Электронный ресурс] – URL: https://www.etlpro.ru/articles/html/04/ (дата обращения 15 мая 2021 г.).

7. Торшин Ю.В. Создание и применение изоляционных масел на основе возобновляемого растительного сырья / Ю.В. Торшин, В.А. Шарковский // Электротехника. – 2011. – №9. – С. 46–53 [Электронный ресурс] – Режим доступа: https:// www transform.ru/production/prod00011.article/ (дата обращения 15.03.2021).

8. M. Karlstrom, M. Ohlen, P. Werelius, Company MEGGER Ltd. Частотная характеристика диэлектрика и зависимость тангенса дельта от температуры [Электронный ресурс] – URL: https://www.electropergam.ru. (дата обращения 21 мая 2021 г.).

9. Pat. 576451» l»S. Ds'rectric Fluid for use in Power Distribution Equipment G Goedde. G.Gauger. J.Lapp, A. Yerges. June 16. 1999 [Электронный ресурс] – URL:https://www.lyondellbasell.com/en/polymers/.(дата обращения 21 мая 2021 г.).

10. Pat. 584901» US. Electrical Transformers Containing Electrical Insulation Fluid Comprising High Oleic Acid Oil Compositions T. Oommen. C.Clibome. September 7, 1999 [Электронный ресурс] URL:https://www.lyondellbasell.com/en/polymers/. (дата обращения 21 мая 2021 г.).

Охрименко Александр Иванович – магистрант, ФГБОУ ВО «Иркутский государственный технический университет», Иркутск, Россия.