СПОСОБ ЗАМЕДЛЕНИЯ ОКИСЛЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРНОГО МАСЛА
TRANSFORMER OIL OXIDATION RETARDATION

Изобретение относится к электротехнической промышленности, в частности к области эксплуатации трансформаторного масла в электроустановках, и может быть использовано при хранении масла.
Известен способ замедления окисления масла, основанный на добавлении присадок (антиокислителей) к маслам, которые захватывают свободные радикалы масла. К таким присадкам относят ингибиторы окисления, обрывающие окислительные цепи, действуют как деактиваторы свободных радикалов и как вещества, взаимодействующие с гидроперекисями с образованиями неактивных продуктов. [Липштейн Р.А. Трансформаторное масло / Р.А.Липштейн, М.И.Шахнович. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоиздат, 1983. - С.76].
Недостатки способа:
1. необходимость подбора антиокислителя и оптимальной концентрации его к каждому базовому маслу вследствие избирательного действия антиокислителя по отношению к маслам различного происхождения.
2. плохая растворимость большинства замедлителей в нефтяных маслах и способность многих из них образовывать осадки в масляных растворах при старении (что недопустимо в случае изоляционных масел).
Наиболее близкий по технической сущности является способ, предложенный В.С.Ивановым, использовать антиокислительные присадки совместно с термосифонным фильтром [Иванов В.С. Стабилизация и восстановление энергетических масел / В.С.Иванов. - М.: Госэнергоиздат, 1958.]
Применение таких фильтров привели к длительному сохранению качества масел в пределах норм на свежее, отпала необходимость в отключении аппаратуры, снятия нагрузки и расходования электроэнергии на регенерацию масла, а также устранились затруднения, связанные со сбором, транспортированием и хранением отработанного масла.
Метод непрерывной регенерации масел с помощью термосифонного фильтра более эффективен по сравнению с периодической регенерацией масла.
Термосифонный фильтр представляет собой цилиндрический аппарат, заполняемый крупнозернистыми адсорбентами, присоединяемый к трансформатору для его постоянного обслуживания [Шашкин П.И. Регенерация отработанных нефтяных масел / П.И.Шашкин, И.В.Брай. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1970. - С.229].
Принцип действия адсорбентов основан на наличии на поверхности огромного количества пронизывающих их капилляров. Вследствие чего сорбенты обладают весьма большой удельной поверхностью.
В качестве адсорбента используют силикагель, отбеливающую глину и т.п.
Недостатки данного способа:
1. использовать сорбент для захвата свободных радикалов;
2. периодическая замена сорбента;
3. не используются ионы трансформаторного масла;
4. не используются пондеромоторные силы, вызванные вращающимся магнитным полем.
Технической задачей изобретения является замедление окисления трансформаторного масла путем рекомбинации свободных радикалов масла во вращающемся магнитном поле.
Технический результат достигается тем, что способ замедления окисления трансформаторного масла, находящегося в электроустановке, предусматривает операции: производят размещение полого усеченного конуса с отверстием на вершине на торце волновода, осуществляют размещение волновода с полым усеченным конусом в электроустановке, заполненной трансформаторным маслом,
- при этом с поверхности волновода и полого усеченного конуса стекают ионы, формируя в окружающем пространстве вращающееся магнитное поле,
- при этом свободные радикалы, находящиеся в хаотичном состоянии, переходят на силовые линии вращающегося магнитного поля,
- при этом расстояние между свободными радикалами сокращается, свободные радикалы объединяются в кластеры,
- при этом происходит рекомбинация свободных радикалов в нейтральные молекулы,
- при этом снижается концентрация свободных радикалов в трансформаторном масле,
- при этом в результате снижения концентрации свободных радикалов происходит замедление окисления трансформаторного масла.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявленном способе замедления окисления трансформаторного масла используется вращающееся магнитное поле, которое вытягивает свободные радикалы из молекулярной структуры масла на силовые линии магнитного поля, сокращая расстояние между ними, что приводит к рекомбинации свободных радикалов в нейтральные молекулы.
Таким образом, предлагаемый способ соответствует критерию «Новизна».
Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что замедление окисления трансформаторного масла путем снижением концентрации свободных радикалов рекомбинацией известно, в структуру масла добавляется антиокислитель (например, ионол) или сорбент.
Однако неизвестно, что замедление окисления масла можно достичь рекомбинацией свободных радикалов по бимолекулярной реакции, воздействовав на структуру масла вращающимся магнитным полем.
Также неизвестно, что вращающееся магнитное поле создается потоком ионов, стекающего с поверхности полого усеченного конуса, соединенного с волноводом.
Накопление заряда на поверхности полого усеченного конуса, соединенного с волноводом, осуществляется ионами, находящиеся в трансформаторном масле.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Изобретательский уровень».
Основные положения физической сущности замедления окисления трансформаторного масла:
1. Скорость окисления масла зависит от концентрации в нем свободных радикалов и кислорода.
2. Свободные радикалы - это парамагнетики (молекулы, находящиеся в электронно-возбужденном состоянии), обладающие собственным магнитным моментом.
3. Свободные радикалы могут взаимодействовать друг с другом.
4. Под влиянием вращающегося магнитного поля свободным радикалам сообщаются дополнительные пондеромоторные силы.
5. В трансформаторном масле всегда находится: растворенный воздух, пузырьки ионизируемого газа, молекулярная вода.
6. Полый усеченный конус, соединенный с волноводом, размещается в электроустановке с маслом.
7. Вытесненный объем молекул и ионов из области размещения полого усеченного конуса с волноводом распределяется на поверхности указных фигур.
8. В отверстии на вершине полого усеченного конуса увеличивается концентрация ионов, что снижает вязкость среды и образуется поток заряженных частиц с увеличенной плотностью, согласно эффекту стекания зарядов с острия.
9. Рассматривается поток одного компонента - поток отрицательных ионов.
10. Вокруг потока отрицательных ионов создается вращающееся магнитное поле, которое вытягивает парамагнитные, диамагнитные молекулы из хаотичного расположения в область поля.
11. В процессе вытягивания свободных радикалов, расстояние между ними сокращаются, что приводит к бимолекулярной реакции между ними.
Выше изложенные положения можно применить для замедления окисления трансформаторного масла.
Обоснование способа.
А. Принцип замедления окисления трансформаторного масла.
Процесс окисления масла можно предотвратить, если добиться снижение концентрации радикалов или практически полного удаления из масла растворенного в нем кислорода, а также исключить возможность соприкосновения масла с кислородом.
На этих принципах основано действие присадок к маслам, захватывающие свободные радикалы, а также применение герметичных трансформаторов, в которых масло тем или иным способом защищено от контакта с окружающим воздухом. Перечисленные методы замедляют окисления масла [Шляпников Ю.А. Антиокислительная стабилизация полимеров / Ю.А.Шляпников, С.Г.Кирюшкин, А.П.Марьин. - М.: Химия, 1986. - С.133].
Также концентрация радикалов в масле снижается в процессе гибели свободных радикалов по бимолекулярной реакции между двумя свободными радикалами (квадратичный обрыв):
<mrow><mrow><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>R</mi><mo>*</mo><mo>+</mo><mi>R</mi><mo>*</mo><mo>→</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>R</mi><mo>*</mo><mo>+</mo><mi>R</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo>*</mo><mo>→</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>R</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo>*</mo><mo>+</mo><mi>R</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo>*</mo><mo>→</mo></mtd></mtr></mtable><mo>}</mo></mrow><mtext> </mtext><mo>−</mo><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mi>е</mi><mi>к</mi><mi>у</mi><mi>л</mi><mi>я</mi><mi>р</mi><mi>н</mi><mi>ы</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>д</mi><mi>у</mi><mi>к</mi><mi>т</mi><mi>ы</mi></mrow>
Эти реакции происходят с малой энергией активации, в 1-2 ккал/моль [Эмануэль Н.М. Цепные реакции окисления углеводородов в жидкой фазе / Н.М.Эмануэль, Е.Т.Денисов, З.К.Майзук. - М.: Наука, 1965. - С.110].
В жидкой фазе свободные радикалы расположены хаотично и далеко друг от друга, из-за высокой вязкости среды, бимолекулярная реакция между радикалами затруднена.
Известно, что свободные радикалы относятся к парамагнетикам [Каменчук Я.А. Отработанные нефтяные масла и их регенерация (на примере трансформаторных и индустриальных масел): автореф. Дис. … канд. хим. наук (31.01.2007) / Каменчук Яна Александровна: Институт химии нефти СО РАН - Томск, 2007. - С.8].
Парамагнетики обладают собственными магнитными моментами.
В отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетик не намагничен, так как из-за теплового движения собственные магнитные моменты атомов ориентированы совершенно беспорядочно.
Под действием внешних полей парамагнетики ориентируются по полю и тем самым создают результирующее поле, превышающее внешнее. Парамагнетики втягиваются в магнитное поле, где расстояние между ними сокращается и происходит рекомбинация свободных радикалов в нейтральные молекулы.
Рекомбинация радикалов обусловливается в основном влиянием дипольного момента. Роль внешнего поля заключается в поляризации свободных радикалов и молекул воды [Мартьшенко А.Г. Очистка нефтепродуктов в электрическом поле постоянного тока / А.Г.Мартьшенко, В.П.Коноплев, Г.П.Ширяева. - М.: Изд-во Химия, 1974. - С.12].
В. Принцип создания вращающегося магнитного поля.
На основании теоремы Остроградского-Гаусса в жидкой фазе размещенное твердое тело вытесняет объем зарядов, который распределяется на поверхности этого тела
где dV - замкнутая поверхность, ограничивающая 3-мерную область V,
a
n
- поток векторного (электрического) поля через замкнутую поверхность.
Находим заряд на поверхности устройства
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munder><mo>∫</mo><mi>S</mi></munder><mrow><msub><mi>c</mi><mrow><mi>V</mi><mi>q</mi></mrow></msub></mrow></mrow></mstyle><mi>d</mi><mi>S</mi><mo>=</mo><msub><mi>c</mi><mrow><mi>V</mi><mi>q</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mo>∑</mo><mi>S</mi><mo>,</mo><mtext>                                    (2)</mtext></mrow>
где Q - заряда на поверхности устройства.
Напряженность устройства определяется из выражения:
<mrow><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>→</mo></mover><mo>=</mo><mfrac><mi>Q</mi><mrow><msub><mi>e</mi><mn>0</mn></msub><mi>S</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                          </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где E - напряженность электрического поля.
Также из электростатики известно, что распределение заряда на заряженном проводнике максимально на острие, поэтому отрицательные ионы концентрируются в отверстии у вершины полого усеченного конуса.
Для усиления заряда на вершине полого усеченного конуса, конус соединен с волноводом. Усиление происходит за счет увеличения площади контактной поверхности устройства.
При наличии градиента концентрации ионов N в отверстии у вершины полого усеченного конуса (grad n) возникает поток частиц, плотность которого в направлении оси усеченного полого конуса равна
<mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>N</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>S</mi><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>D</mi><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                (4)</mtext></mrow>
где D - коэффициент диффузии.
Так как ион обладает зарядом, то благодаря диффузии возникает диффузный ток, плотность j которого равна
где e - заряд электрона [Гершензон Е.М. Молекулярная физика: учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / Е.М.Гершензон, Н.Н.Малов, А.Н.Мансуров. - М.: Изд-во Академия, 2000. - С.97-98].
Высокая напряженность на вершине полого усеченного конуса в трансформаторном масле приводит к потоку отрицательных ионов аналогично эффекту стекания заряда с острия [Иванов И.М. Электротехника: учеб. пособие / И.М.Иванов, Я.Д.Мац, М.М.Могилевский, Ю.Б.Россов; под общ. ред. И.М.Ивановым, М.М.Могилевским. - М.: Изд-во военное м-во обороны СССР, 1966. С.54].
Увеличение концентрации ионов в отверстии на вершине конуса способствует уменьшению вязкости среды, из-за разной вязкости среды образуется начальная скорость потока отрицательных ионов внутри конуса с волноводом.
Таким образом, в результате стекания заряда получен поток ионов с вершины конуса.
Поток отрицательных ионов в молекулярной структуре трансформаторного масла порождает магнитное поле.
Из первого уравнения Максвелла известно, что любой электрический ток окружается вращающимся магнитным полем, которое вытягивает и поляризует полярные молекулы на магнитный силовые линии
<mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∮</mo><mrow><mi>H</mi><mi>d</mi><mi>L</mi><mo>=</mo><mo>∑</mo><mi>I</mi><mo>,</mo><mtext>                                             (6)</mtext></mrow></mrow></mstyle></mrow>
где H - напряженность магнитного поля по замкнутому контуру; I - сумма сил токов в этом контуре [Эберт Г. Краткий справочник по физике / Г.Эберт- перевод со 2-е изд. Под ред. К.П.Яковлева - М.: Физматгиз, 1963. - С.434]. Также известно непрерывное обращение магнита вокруг проводника с постоянным электрическим током [Faraday М. Description of an electro-magnetical apparatus for the exhibition of rotatory motion // Quart. J. Sci., 1822, XII, p.283-285].
В нашем случае электрический ток - это поток отрицательных ионов, постоянный магнит - это свободные радикалы (парамагнетики).
Вращающееся магнитное поле инициирует вращающий момент у свободных радикалов с силой согласно формуле:
<mrow><msub><mi>F</mi><mi>л</mi></msub><mo>=</mo><mi>q</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>υ</mi><mo>×</mo><mi>B</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext>                                            (7)           </mtext></mrow>
где B - магнитная индукция поля, υ - скорость свободного радикала в масле.
Магнитная индукция находится по формуле
<mrow><mi>B</mi><mo>=</mo><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><mi>H</mi><mo>,</mo><mtext>                                                 (8)</mtext></mrow>
0
где µ - магнитная постоянная, H - напряженность магнитного поля.
Напряженность магнитного поля определяется выражением:
<mrow><mi>H</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow></mfrac><mfrac><mi>i</mi><mi>d</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                              (9)</mtext></mrow>
где i - ток находится из полости потока ионов j по формуле (5); d - расстояние от потока ионов до контролируемой точки.
В результате свободные радикалы будут перемещаться по спирали радиусом R и совершать полные обороты с циклотронной частотой ω
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>m</mi><mo>⋅</mo><mi>υ</mi></mrow><mrow><mi>q</mi><mo>⋅</mo><mi>B</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                               (10)</mtext></mrow>
<mrow><mi>ω</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>q</mi><mo>⋅</mo><mi>B</mi></mrow><mi>m</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                               (11)</mtext></mrow>
где m - масса свободного радикала.
Таким образом, влияние вращающегося магнитного поля сводится к сближению свободных радикалов с дальнейшей их рекомбинацией, что говорит об ускорении квадратичного обрыва цепного окисления и о замедлении окисления масла.
На фиг.1 изображено стекание отрицательных ионов через отверстие с вершины полого усеченного конуса.
На фиг.2 изображено вытягивание и объединение свободных радикалов в кластеры, и образование структурных ассоциаций молекул воды на силовых линиях вращающегося магнитного поля.
На фиг.3 изображено размещение полого усеченного конуса, соединенного с волноводом, в электроустановке с трансформаторным маслом.
На фиг.1 показано: 1 - полый усеченный конус, 2 - отверстие в вершине конуса, 3 - отрицательные ионы, 4 - поток отрицательных ионов, 5 - силовые линии вращающегося магнитного поля, 6 - стекание отрицательных ионов, 7 - свободные радикалы, 8 - молекулы воды, 9 - стабильные углеводородные молекулы трансформаторного масла.
На фиг.2 показано: 3 - отрицательные ионы, 4 - поток ионов, 5 - силовые линии вращающегося магнитного поля, 7 - свободные радикалы, 8 - молекулы воды, 9 - стабильные углеводородные молекулы трансформаторного масла, 10 - нейтральные молекулы, образованные рекомбинацией свободных радикалов (в кластерах), 11 - структурная ассоциация молекул воды.
На фиг.3 показано: 1 - полый усеченный конус, 3 - отрицательные ионы, 4 - поток отрицательных ионов, 9 - стабильные углеводородные молекулы трансформаторного масла, 10 - нейтральные молекулы, образованные рекомбинацией свободных радикалов (в кластерах), 11 - структурная ассоциация молекул воды, 12 - волновод, 13 - область распространения потока ионов, 14 - электроустановка.
Пример осуществления способа.
Первая операция. Предварительно в волновод (полую трубку) 12 (фиг.3), встраивают полый усеченный конус 1 (фиг.3), затем волновод с конусом размещают в электроустановке 14 (фиг.3) с трансформаторным маслом (например, соосно).
Вторая операция. При этом осуществляется формирование потока ионов 4 (фиг.1) через отверстие в вершине конуса 2 (фиг.1) за счет стекания отрицательных ионов 6 (фиг.1) с внешней и внутренней поверхностей волновода 12 (фиг.3) и полого усеченного конуса 1 (фиг.1).
Третья операция. При этом появляется вращающееся магнитное поле 5 (фиг.2), которое втягивает свободные радикалы 7 (фиг.2) и молекулы воды 8 (фиг.2) в область распространения потока ионов 13 (фиг.3), дополнительно сообщая им пондсромоторные силы.
Четвертая операция. При этом сокращается расстояние между свободными радикалами 7 (фиг.2), радикалы объединяются в кластеры, превращаясь в нейтральные молекулы 10 (фиг.2), а молекулы воды 8 (фиг.2) образуют структурные ассоциации 11 (фиг.2).
Пятая операция. При этом снижается концентрация свободных радикалов 7 (фиг.3) в масле и замедляется окисление стабильных углеводородов молекул трансформаторного масла 9 (фиг.3), находящихся в электроустановке 14 (фиг.3).