Статьи

Механизм процесса окисления трансформаторных масел

Когда трансформатор работает, находящееся в нём масло подвержено серьёзным изменениям. Эти процессы в обиходе принято называть «старением». Ничего удивительного: речь идёт о существенном изменении химических свойств и электрофизических параметров, влияющих на работоспособность вещества. Чем дольше оно используется, тем труднее ему противостоять воздействию высокого напряжения.
Признаки старения многообразны. Деградирующее трансформаторное масла хуже изолирует электрический ток, а на обмотках и магнитопроводе собирается значительное количество осадка. Эти отложения затрудняют отвод тепла. Изоляция, сделанная из целлюлозы, при контакте со старым маслом портится быстрее, её защитные характеристики перестают соответствовать норме.
Традиционные трансформаторы особенно чувствительны к росту температуры. Чем она выше, тем активнее стареет масло. Этот эффект связан с параллельным воздействием молекул кислорода и электромагнитных полей. Однако эксперты не сомневаются, что основную роль играет процесс окисления. Ему особенно подвержены углеводороды, смолы, а также сернистые компоненты.

Как это происходит

Принятые в наши дни модели окисления углеводородов базируются на разработках выдающихся физиков ХХ столетия — Баха, Энглера, велик также вклад знаменитого Николая Семёнова и его учеников. В ходе лабораторных опытов выяснилось, что первыми химически стабильными веществами, появляющимися в ходе окисления, оказываются гидроперекиси.
Органические перекиси принято считать результатом преобразования перекиси водорода. В её составе 1 или 2 водородных атома замещаются радикалами. В зависимости от этого, формируется соединение типа R-OO-H или R1-OO-R2. Именно радикалы имеют огромную роль во всех стадиях окислительного процесса.
Как установил ещё Семёнов в 1920-х годах, при разветвлённой цепной реакции в любом веществе формируются активные частицы. Это те самые свободные радикалы, о которых так много говорят сейчас. Чем интенсивнее ветвится цепь, тем больше растёт их число.
При этом запустить процесс может совсем небольшое количество действующих агентов. Неважно, возникла ли она вследствие нагрева или воздействия солнечного света — результат окажется одинаковым: радикалы начнут размножаться.

Цепные реакции могут разворачиваться по 3 основным сценариям:

1).Взаимодействуя со спокойной молекулой, радикал формирует второй такой же радикал — тогда цепь неразветвлённая.
2).Появляется 2 свободных радикала и более, и все они успевают инициировать следующую цепочку превращений.
Но второй вариант, разветвлённая цепная реакция, тоже внутренне неоднороден. В одном случае преобразования происходят быстрее, чем обрываются химические связи. Процесс идёт максимально бурно. В другом подтипе свободные радикалы появляются медленнее, чем разрушаются, и лавинообразное превращение исключено.
3).Бывает и так, что главная цепь не ветвится, но появляющийся в результате этой реакции продукт способен быстро формировать новые радикалы. Поначалу процесс происходит медленно, однако затем он ускоряется. В специальной литературе такие изменения принято называть реакцией с вырожденным разветвлением, и как раз при окислении углеводородов они максимально часты.

Исследования показали, что в жидком агрегатном состоянии углеводороды всегда окисляются по цепному типу. Однако инициирующие само изменение свободные радикалы существенно отличаются. В одних случаях это углеводородные, а в других — перекисные вещества.
Если какое-то вещество распадается легко и быстро, то окисление будет идти ускоренными темпами. Любое вещество, удерживающее радикалы, приостанавливает процесс (именно так работают заводские присадки к моторным и другим маслам).

Само инициирование свободных радикалов, порождающее цепи, может происходить в виде бимолекулярной или тримолекулярной реакции.
Установлено, что при термическом разложении, идущем в бескислородной среде, радикалы появляются, но процесс идёт по мономолекулярной схеме, медленно.
Современная теория окислительных процессов основана на достоверно измеренном уменьшении расхода энергии при реакции в жидких углеводородах по отношению к точно таким же процессам в газе.

Этот феномен химики объясняют тем, что в жидкостях формируются небольшие ядра («псевдокристаллы»). При их зарождении выделяется энергия, которая повышает степень свободы молекулы и возбуждает один из её атомов. Описываемая модель позволила автору теоретической разработки сформулировать уравнение, показывающее постоянную реакции формирования радикальных частиц. В ходе лабораторных опытов формирование свободнорадикальных компонентов происходит в точностью с той же скоростью, которая предсказана теоретически. Это позволяет считать, что было дано полное объяснение несоответствию степени окислительной стойкости углеводорода и энергии, тратящейся на разрушение химических связей.