При эксплуатации изоляционные свойства трансформаторного масла ухудшаются: оно загрязняется, увлажняется, накапливает продукты окисления, в результате чего масло теряет свои химические и электрофизические свойства и стареет.
Кроме того, масло стареет также за счет совместного воздействия на него кислорода воздуха и электрического поля. Окислению способствуют высокие температуры, солнечный свет, наличие растворимых в масле солей металла, являющихся катализаторами окисления.
При наличии электрического поля в масле доля влаги растет по сравнению с наличием влаги при отсутствии электрического поля. Известно, что капли влаги и частицы загрязнений располагаются в электрическом поле вдоль его силовых линий, что приводит к резкому снижению электрической прочности масла.
Очистка масла от механических примесей и влаги осуществляется центрифугированием и фильтрованием через бумажные фильтры. Эффективная очистка получается при использовании центрифуги в комбинации с фильтр-прессом. Этот способ нашел широкое применение при очистке масла в трансформаторах до 110 кВ. В трансформаторах 220 кВ и выше, где к маслу предъявляются повышенные требования в части содержания газов, очистка производится в процессе ремонта; при этом одновременно осуществляются процессы сушки, фильтрации и дегазации масла, а при необходимости и насыщение его азотом (инертным газом).
В настоящее время получил распространение способ осушки масла при помощи цеолитов, которые по своему составу являются водными алюмосиликатами кальция или натрия. Они содержат огромное количество пор с разными молекулами. При фильтровании масла через слой высушенного цеолита находящаяся в масле влага проникает в поры и в них удерживается. Отработанные цеолиты восстанавливаются в стационарных установках продувкой горячим воздухом.
Регенерация представляет собой восстановление окисленного масла, то есть удаление из него продуктов старения. На практике применяется регенерация эксплуатационных масел с кислотным числом, не превышающим 0,3–0,4 мг КОН/г масла.
Для регенерации применяют различного рода адсорбенты естественного и искусственного происхождения. Восстанавливающие свойства адсорбентов основаны на способности за счет действия сил межмолекулярного притяжения осаждать на их поверхности продукты старения.
В качестве естественных адсорбентов применяются отбеливающая земля "зикеевская опока", искусственных - крупнопористый (КСК) и мелкопористый (КСМ) силикагель. Иногда применяется активный оксид алюминия, обладающий адсорбционной способностью по отношению к кислым продуктам старения масла.
При регенерации масло прокачивается через наполненный адсорбентом бак-адсорбер.
Наряду с перечисленными выше применяются специальные устройства для защиты масла в трансформаторах, такие, например, как расширитель трансформатора или воздухоочистительные фильтры.
Расширитель трансформатора, помимо основной функции по компенсации изменения объема масла в масляной системе трансформатора вследствие колебания температуры, позволяет также уменьшить площадь открытой поверхности масла, соприкасающейся с воздухом, что снижает степень окисления, увлажнения и загрязнения масла. Влага и механические примеси, попадая в расширитель из воздуха, осаждаются в его нижней части, откуда удаляются при ремонте трансформатора.
Воздухоочистительные фильтры устанавливают на опускных ("дыхательных") трубах расширителей. В нижней части фильтра размещается масляный затвор, работающий по принципу сообщающихся сосудов, который очищает проходящий через него воздух от механических примесей и устраняет прямой контакт масла в расширителе с окружающей средой. Корпус фильтра заполняется силикагелем, осаждающим на своей поверхности частицы воды, содержащиеся в воздухе. С понижением температуры трансформатора объем масла в нем уменьшается, вследствие чего в расширителе создается разрежение и изменяется соотношение уровней масла в затворе. Когда уровень масла во внешней полости затвора упадет настолько, что обнажится край затворного цилиндра, порция атмосферного воздуха пройдет через затвор и далее через поглотитель влаги, попадая в расширитель. При нагревании трансформатора масло начнет оказывать давление на воздушную подушку и в расширителе процесс пойдет в обратном направлении.
Воздухоосушающая способность фильтра определяется визуально по изменению цвета индикаторного силикагеля с голубого на розовый. Розовый цвет силикагеля свидетельствует о его увлажнении и необходимости замены всего силикагеля.
Срок службы силикагеля в воздухоочистительных фильтрах зависит от объема масла в трансформаторе и колеблется от 1 до 2 лет. Замена масла в масляных затворах производится через 2–3 года.
Для непрерывной регенерации масла в трансформаторах широко применяются адсорбционные и термосифонные фильтры, которые выполняют в виде металлических цилиндров, заполненных сорбентом, поглощающим продукты окисления и влагу из циркулирующего через них масла.
Адсорбционные фильтры применяют в системах охлаждения ДЦ и Ц, где обеспечивается принудительная прокачка масла через фильтры.
Термосифонные фильтры применяют в системах охлаждения М и Д, где масло перемещается сверху вниз вследствие разности плотностей нагретого и охлажденного масла.
Сорбентом в этих фильтрах служит силикагель КСК или активный оксид алюминия. Замена сорбента производится после того, как кислотное число превысит 0,1–0,12 мг КОН/г масла.
Для устранения контакта масла в расширителе трансформатора с атмосферным воздухом и предотвращения тем самым загрязнения и окисления масла применяется азотная защита. В качестве такой защиты на практике наиболее часто применяется система низкого давления (давление азота не более 3 кПа) с применением эластичной емкости.
Основным элементом системы является эластичный резервуар, выполненный из резинотканевой пластины (газонепроницаемый химически стойкий материал) и соединяемый газопроводом с расширителем трансформатора. Система заполняется азотом, давление которого незначительно превышает нормальное атмосферное давление при всех температурных изменениях уровня масла в расширителе. При нагреве трансформатора уровень масла в расширителе поднимается и заполняющий его азот переходит в эластичный резервуар, объем которого увеличивается. При понижении уровня масла в расширителе азот переходит в него из эластичного резервуара, стенки которого опадают. Газоосушитель служит для поглощения влаги, которая может попасть в газовую систему из масла или изоляции, а также из газового баллона во время подпитки системы азотом.
На ПС с двумя и более трансформаторами применяется групповая азотная защита с питанием от одного эластичного резервуара.
Дегазация масла производится под вакуумом на специальных установках, насыщение азота - продувками. При 3–4 продувках кислород в масле почти полностью замещается азотом. Содержание кислорода в газовом пространстве расширителя должно быть не более 1 %. При большем содержании кислорода азотная защита масла становится неэффективной.
Обслуживание азотной защиты заключается в следующем:
при осмотре устройства проверяется уровень масла в расширителе трансформатора, наполнение эластичных резервуаров азотом, цвет силикагеля в осушителе;
если объем эластичных резервуаров мал и не соответствует уровню масла в расширителе, проверяется внешнее состояние эластичных резервуаров и герметичность соединений всей газовой системы;
при необходимости производится подпитка газовой системы азотом из баллонов. Для этого отключается газовая защита трансформатора, закрывается кран и система через редуктор и кран заполняется азотом из баллонов до тех пор, пока объем эластичного резервуара не станет соответствовать уровню масла в расширителе. Подключение эластичного резервуара к трансформатору производится в обратном порядке. Затем окончательно подключается к трансформатору его газовая защита.
Необходимость в подпитке азотом возникает, как правило, не чаще 1 раза в месяц. При надежной герметичности соединений всех узлов в надмасляном пространстве подпитку азотом производят 1 раз в год.
Пробы азота отбирают через каждые 6 мес. Если в газовой смеси обнаруживается более 3 % кислорода, при открытом вентиле производится 10-минутная продувка надмасляного пространства в расширителе чистым и сухим азотом. Газовая защита выводится из работы на все время продувки.
Доливка масла в трансформатор, имеющий азотную защиту, производится через нижний сливной кран.
Для герметизации масла трансформатора применяется пленочная защита в виде подвижной пленки, помещаемой в расширитель трансформатора и изолирующей масло в расширителе от соприкосновения с атмосферным воздухом. Пленочная защита выполняется в виде эластичного компенсатора, изменяющего свой объем при температурных колебаниях объема масла в трансформаторе, или в виде эластичной мембраны, плавающей на поверхности масла и свободно изгибающейся при изменении объема масла в расширителе. При этом в надмасляном пространстве трансформатора сохраняется нормальное атмосферное давление.
Уровень масла в расширителе контролируется по стрелочному указателю, рычаг которого опирается на поверхность пленки. Трансформатор с пленочной защитой заполняется дегазированным маслом с обязательным периодическим контролем его газосодержания.