Хроматографический анализ газов растворенных в трансформаторном масле

студент, специальность Электроснабжение (по отраслям) ВТЖТ – филиал РГУПС,

преподаватель, ВТЖТ – филиал РГУПС,

Хроматографический анализ газов растворенных в трансформаторном масле

Среди современных устройств электроснабжения самым востребованным служит силовой трансформатор.

Его действие заключается в преобразовании системы тока переменного одного напряжения в систему тока переменного другого напряжения. При этом менять величину напряжения трансформатор может в любую сторону – и как в большую, и так и в меньшую сторону.

В самых разных областях использования — электронике, электроэнергетике, радиотехнике трансформатор необходим для преобразования переменного напряжения и гальванической развязки.

В основу конструкции трансформатора входят:

1. Магнитопровод, который изготавливаетсячаще всего, из тонких листов стали электротехнической или возможно и ферромагнитного материала в форме геометрической. Основное назначение магнитопровода для создания в нём поля магнитного трансформатора. Магнитопровод зависит от конструкции и материала и набирается из пластин, может магнитопровод прессоваться, может навиваться из ленты тонкой, может собираться из двух, четырех и более «подков».

2. Обмотки представляют собой совокупность витков, которые образуют электрическую цепь, для суммирования ЭДС, создаваемые в витках.

3. Каркас, необходимый для обмоток трансформатора чаще производится из обычного плотного картона или специального электрокартона. Размеры каркаса зависят от размеров стального сердечника трансформатора.

4. Резервуар для масла трансформаторного, представляет собой бак, необходимый длясоздания физической защиты для компонента активного, а также необходим бак для опорной конструкции всех устройств вспомогательных и для аппаратуры управления.

6. Система охлаждения, необходимая для охлаждения трансформатора во время его работы в связи с нагревом обмоток и магнитопровода, возникающих из-за потерь энергии в них. Изоляция ограничивает максимальный нагрев элементов трансформатора, и эксплуатационный срок службы изоляции находится в зависимости от температуры нагрева.

Для изоляции частей и узловтрансформаторов силовых, находящихся под влиянием напряжения, убрать тепло от элементов, которые подвергаются нагреву в результатеэксплуатации, а также уберечь изоляцию от влияния влаги используют масло трансформаторное.

Трансформаторное масло представляет собой минеральное маслохорошей чистоты и малой вязкости, применяемое для заливки в измерительных и силовых трансформаторах, оборудованийс реакторами, а также выключателей масляных. Служит трансформаторное масло для обеспечения изоляции частей и узлов силового трансформатора, которые находятся под напряжением, для отвода тепла от частей трансформатора, нагревающихся во время работы, а еще для защиты изоляции от увлажнения. Основное назначение трансформаторного маслаэто обеспечение функции дугогасящей среды.

Специальный метод, служащий для выявления дефектов и повреждений конструкции узлов электрооборудования является хроматографический анализ газов растворенных в масле. Хотя этот метод не позволяет оценить качество и состояние самого масла. Такой анализ трансформаторов напряжением от 110 кВ необходимо проводить раз в шесть месяцев и чаще.

С помощью хроматографического анализа можно:

— разбираться при изучении места повреждения;

— следить за развитием процессов в оборудовании;

— диагностироватьожидаемый характер дефекта и степень возникшего повреждения;

— на начальной стадии развития обнаруживать дефекты, которые невозможно обнаружить обычными способами.

Во время анализа трансформаторного масла применяется комплекс химических, физических, и электрических тестирований всех величин.

Анализ натяжения поверхностного, температуры застывания, плотности относительной, вязкости, цвета, это все относится к физическим испытаниям.

Содержание воды, число кислотное, окисление ингибитора и полихлорированные бифенилы, это все оценивают с помощью химических тестов.

Анализ пробивного напряжения диэлектрика и коэффициента мощности относятся к электротехническим испытаниям.

Эти основные тесты выполняются на постоянной основе.

Все перечисленные испытания позволяютинформироватьо качестве масла.К сожалению, с помощью этих испытаний нет возможностипредоставитьполную диагностику от требований эксплуатации или здоровью аппаратов электрических.

Все же есть методика, применяемая для оценки трансформаторного масла, и результатоценки в дальнейшем возможно применитьдля диагностирования рабочего состояния электрооборудования. Такой метод выполняется в соответствии с методом «анализа растворенных газов в масле» и основой его является газовая хромография.

На протяжении десятилетий для анализа газов из нефтепродуктов находила применение газовая хромография.

В настоящее время эту методику называют «анализ растворенных газов в масле» и изготавливают в соответствии со стандартами ASTM D3612 или IEC 60567. Этот метод является самым востребованным диагностическим тестом для анализа трансформаторного масла в связи с тем, что разрушаетсяизоляция трансформатора от перегрузки или сильного перегрева. И в этом случае газ помогает указать на причины и условия происхождения повреждений.

В низких концентрациях можно обнаружить растворенные газы, и в результате возможно заблаговременное вмешательство до отказа электрооборудования, а также во время планового технического обслуживания.

Эта методика позволяла предоставить подробную диагностическую информацию для обнаружения образовывающих повреждений и оказалась настолько успешной, что и другие лаборатории стали использовать ее в своих исследованиях. Она стала самым важным тестом для изоляционных жидкостей в электрическом оборудовании, так как предполагает извлечение или поглощение (абсорбцию) газов из масла, и впрыскивание их в газовый хроматограф.

Для того, чтобы определить степень концентрации газа используется пламенно-ионизационный детектор и детектор теплопроводности. Самый сложный этап в этой процедуре это извлечение газа из масла.

Обработка проб масла должна проходить в условиях высокого вакуума в герметичной стеклянной системе, и только таким образом возможно извлечение наибольшей части газа. Далее газ собирается и замеряется в специально градуированной трубке, затем газ выводится из градуированной колонки через перегородку газонепроницаемым шприцем и мгновенновпрыскивается в GC.

Читайте также:  Стол подъемный с регулировкой высоты

Недостатком этого процесса является применение ртути в данном измерительном приборе, потому что ртуть является опасной для жизни людей. Именно поэтому были произведены дополнительных два метода извлечения газа, в которых отсутствует ртуть.

Один из таких методов называется метод прямой инъекции ASTM D3612B. В этом методе внутри газового хроматографапроисходитизвлечение газов из масла и анализ газов, поскольку этот метод подразумевает впрыскивание образца масла в контур хроматографа.

Замер масла с контура передается через серию клапанов к металлической сфере испарителя во время запуска хроматографа, далее газоноситель переходит через испаритель и достает растворенные газы из масла. Эти газы переносятся в хроматографическую колонку, в которой происходит их дробление и они проходят через датчик. Потом масло смывается с поверхности сферы и происходит выдувка масла из системы до ввода последующей пробы.

Можно рассмотреть еще один современный метод, называемый методом парофазы ASTM D3612C или методом свободного пространства. Эта технология сложилась надежным методом сравнительно недавно, хотя применялась в течение десяти лет для анализа растворенных газов.

Суть этого метода заключается во введении посчитанного объема масла в герметичную и очищенную емкость. Далее проба масла разогревается и смешивается для равновесия между газовой и жидкой фазами. Через некоторое время доля газа удаляется из испытательной емкости с помощью автоматического пробоотборника и инъецируется в газовый хроматограф. Этот метод ASTM D3612A применяется давно.

Исходя из вышесказанного, укажем достоинства и недостатки методов

К достоинствам этих методовотносятся:

— методвозможно автоматизировать, и этоуменьшает риск ошибки оператора при обработке модели в процессе подготовки и инъекции;

— пробу масла можно доставать в любой промежуток времени без остановки оборудования для обслуживания технического, что облегчает диагностику и определение потенциальных неисправностей.

К недостаткам этих методов можно отнести то, что методы не гарантируют абсолютное извлечение всех газов из масла. На это процесс влияет коэффициент растворимости каждого газа и его необходимо учитывать на заключительном этапе определения концентрации.

Основной частью оценки эффективности условий эксплуатации электрооборудованияявляетсяанализ масла.

И, исходя из этих примеров, анализ наличия газов в масле этосамый важный и эффективный диагностический тест для определения обширного круга проблем.

Список литературы:

  1. Чернов Ю.А. Электроснабжение железных дорог: учеб. пособие. — М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2016. — 406 с.
  2. Ковалев И.Н. Электроэнергетические системы и сети: учебник. — М.: ФГБОУ «УМЦ ЖДТ», 2015. — 363 с.

Необходимость контроля за изменением состава масла в процессе эксплуатации трансформаторов ставит вопрос о выборе такого аналитического метода, который смог бы обеспечить надежное качественное и количественное определение содержащихся в трансформаторном масле соединений. В наибольшей степени этим требованиям отвечает хроматография, представляющая собой комплексный метод, объединивший стадию разделения сложных смесей на отдельные компоненты и стадию их количественного определения. По результатам этих анализов проводится оценка состояния маслонаполненного оборудования.

Хроматографический анализ газов, растворенных в масле, позволяет выявить дефекты трансформатора на ранней стадии их развития, предполагаемый характер дефекта и степень имеющегося повреждения. Состояние трансформатора оценивается сопоставлением полученных при анализе количественных данных с граничными значениями концентрации газов и по скорости роста концентрации газов в масле. Этот анализ для трансформаторов напряжением 110 кВ и выше должен осуществляться не реже 1 раза в 6 месяцев [1, 14].

Основными газами, характеризующими определенные виды дефектов в трансформаторе, являются: водород Н 2 , ацетилен С 2 Н 2 , этан С 2 Н 6 , метан СН 4 , этилен С 2 Н 4 , окись СО и двуокись СО 2 углерода.

Водород характеризует дефекты электрического характера (частичные, искровые и дуговые разряды в масле); ацетилен – перегрев активных элементов; этан – термический нагрев масла и твердой изоляции обмоток в диапазоне температур до 300°С; этилен – высокотемпературный нагрев масла и твердой изоляции обмоток выше 300°С; окись и двуокись углерода – перегрев и разряды в твердой изоляции обмоток.

С помощью анализа количества и соотношения этих газов в трансформаторном масле можно обнаружить следующие дефекты в трансформаторе.

1 . Перегревы токоведущих частей и элементов конструкции магнитопровода . Основные газы: этилен или ацетилен. Характерные газы: водород, метан и этан. Если дефектом затронута твердая изоляция, заметно возрастают концентрации окиси и двуокиси водорода.

Перегрев токоведущих частей может определяться: выгоранием контактов переключающих устройств; ослаблением крепления электростатического экрана; ослаблением и нагревом контактных соединений отводов обмотки низкого напряжения или шпильки проходного изолятора ввода; лопнувшей пайкой элементов обмотки; замыканием проводников обмотки и другими дефектами.

Перегрев элементов конструкции магнитопровода может определяться: неудовлетворительной изоляцией листов электротехнической стали; нарушением изоляции стяжных шпилек, ярмовых балок с образованием короткозамкнутого контура; общим нагревом и недопустимыми местными нагревами от магнитных полей рассеяния в ярмовых балках, бандажах, прессующих кольцах; неправильным заземлением магнитопровода и другими дефектами.

2. Дефекты твердой изоляции . Эти дефекты могут быть вызваны перегревом изоляции от токоведущих частей и электрическими разрядами в изоляции. При перегреве изоляции от токоведущих частей основными газами являются окись и двуокись углерода, их отношение

СО 2 /CO, как правило, больше 13; характерными газами с малым содержанием являются водород, метан , этилен и этан; ацетилен , как правило, отсутствует.

Читайте также:  С чем можно пожарить макароны

При разрядах в твердой изоляции основными газами являются ацетилен и водород, а характерными газами любого содержания — метан

и этилен. При этом отношение СО 2 /CO , как правило, меньше 5.

3. Электрические разряды в масле . Это частичные, искровые и дуговые разряды. При частичных разрядах основным газом является водород; характерными газами с малым содержанием — метан и этилен. При искровых и дуговых разрядах основными газами являются водород

и ацетилен; характерными газами с любым содержанием — метан и этилен.

После выявления дефекта и его подтверждения не менее чем двумятремя последующими измерениями следует планировать вывод трансформатора из работы прежде всего с дефектами группы 2. Чем раньше выведен из работы трансформатор с развивающимся дефектом, тем меньше риск его аварийного повреждения и объем ремонтных работ.

Если по результатам диагностики трансформатор должен быть выведен из работы, но по каким-то объективным причинам это невозможно осуществить, его следует оставить на контроле с учащенным отбором проб масла и хромотографическим анализом газов.

Хроматографический анализ газов, растворенных в масле, позволяет выявлять не только развивающиеся дефекты в трансформаторе, но и общее состояние изоляции его обмоток. Объективным показателем, позволяющим оценить степень износа изоляции обмоток трансформатора, является степень ее полимеризации, снижение которой

прямо характеризует глубину физико-химического разрушения (деструкции) изоляции в процессе эксплуатации. Деструкции целлюлозной изоляции сопутствует рост содержания в трансформатором масле окиси и двуокиси углерода и образование фурановых производных. В частности, наличие суммарной концентрации СО и СО 2 более 1% может свидетельствовать о деградации целлюлозной изоляции. Образование фурановых производных является прямым следствием старения бумажной изоляции.

Метод жидкостной хроматографии позволяет определять и контролировать требуемое содержание в трансформаторном масле антиокислительных присадок, защищающих масло и другие изоляционные материалы трансформатора от старения.

9.8. Ремонт трансформаторов

Трансформаторы являются наиболее сложным оборудованием систем электроснабжения. Ремонт трансформатора, связанный с его разгерметизацией, выемкой и ремонтом активной части, требует высокой квалификации ремонтного персонала, больших материальных и временных затрат.

Вывод трансформатора в ремонт через определенный календарный промежуток времени не может считаться достаточно оправданным, поскольку в плановый ремонт может быть выведен вполне работоспособный трансформатор. Поэтому текущие и капитальные ремонты трансформаторов систем электроснабжения проводят в соответствии с их действительным техническим состоянием (система РТС).

Для оценки действительного состояния трансформатора при его техническом обслуживании периодически проводятся профилактические проверки, измерения, испытания, диагностирование. При обнаружении явных или прогнозировании развивающихся дефектов, которые могут привести к отказу трансформатора планируется вывод его в ремонт.

Предварительно проводится ряд организационно-технических мероприятий, обеспечивающих четкое выполнение ремонтных работ: подготовка помещения (площадки), грузоподъемных механизмов, оборудования, инструментов, материалов, запасных частей. Кроме того, составляются ведомость объема работ и смета, которые являются исходными документами для определения трудовых и денежных затрат, сроков ремонта, потребности в материалах.

Любой ремонт трансформатора, связанный с разгерметизацией и выемкой активной части относится к капитальному. В зависиости от состояния активной части различают:

капитальный ремонт без замены обмоток;

капитальный ремонт с частичной или полной заменой обмоток, но без ремонта магнитной системы;

капитальный ремонт с заменой обмоток и частичным или полным ремонтом магнитной системы.

Ремонт трансформаторов мощностью до 6300 кВ . А выполняется, как правило, на специализированных ремонтных предприятиях. Ремонт трансформаторов большей мощности, у которых затраты на транспортировку могут превосходить стоимость ремонта, выполняется непосредственно на подстанциях. В этом случае персонал специализированного ремонтного предприятия выезжает к месту установки трансформатора.

По завершению ремонта активная часть трансформатора промывается сухим трансформаторным маслом. Для старого электрооборудования со сроком службы более 25 лет следует использовать интенсивную промывку активной части, добавляя в промывочное масло специальные присадки, обладающие повышенной растворяющей способностью. Это позволяет интенсифицировать процесс выделения из изоляции и активной части трансформатора воды, механических примесей, продуктов старения масла и твердых изоляционных материалов, что положительно сказывается на характеристиках изоляции.

Твердая изоляция обмоток трансформатора обладает гигроскопичностью. В период выполнения ремонтных работ на открытой активной части изоляция обмоток впитывает влагу из окружающей среды. Поэтому по окончании ремонта возникает вопрос о необходимости сушки изоляции обмоток трансформатора.

Трансформаторы, у которых при ремонте выполнялась полная или частичная замена обмоток, подлежат обязательной сушке. Трансформаторы, прошедшие ремонт без замены обмоток, могут быть включены в работу без сушки изоляции при условиях, что:

характеристики изоляции не выходят за пределы нормированных значений;

продолжительность пребывания активной части на открытом воздухе Т откр при определенной его влажности не превышает значений, приведенных в табл. 4.1.

Сушка изоляции существляется ее нагреванием в вакуумных шкафах, сухим горячим воздухом в специальных камерах, в собственном баке (без масла).

Вакуум ускоряет испарение влаги и облегчает условия ее выделения из изоляции. Предварительно нагретую активную часть трансформатора помещают в вакуумный шкаф. Выдерживая определенный режим температуры и вакуума, проводят сушку изоляции. Этот способ сушки достаточно сложный, требует значительных затрат и применяется, как

Хроматографический анализ газов растворенных в трансформаторном масле

правило, на заводах-изготовителях трансформаторов и крупных ремонтных предприятиях.

При сушке изоляции сухим нагретым воздухом активную часть трансформатора помещают в теплоизолированную и защищенную изнутри от возгорания камеру. В нижнюю часть камеры с помощью воздуходувки подается нагретый сухой воздух, удаляемый через вытяжное отверстие в верхней части камеры.

Читайте также:  Большие ванночки для купания детей

Одним из наиболее распространенных в эксплуатации является способ сушки изоляции в собственном баке без масла с применением вакуума, допустимого для конструкции бака. На поверхности бака 1 (рис. 9.6) размещается намагничивающая обмотка 2, подключаемая к источнику переменного напряжения U . Между баком и обмоткой прокладывается слой теплоизоляции (асбест или стеклоткань).

При протекании по обмотке переменного тока в стальных конструкциях трансформатора возникает переменный магнитный поток. Токи, индуктируемые этим потоком, нагревают трансформатор. Влага из изоляции обмоток испаряется.

В отверстие в крышке бака трансформатора вставляется вытяжная труба 3, через которую пары влаги вытягиваются в приемник конденсата 5 вакуум-насосом 4. Этот насос создает внутри бака разряжение, допустимое для данной конструкции бака.

Рис. 9.6. Принципиальная схема сушки изоляции трансформатора

В [9, 10] приводятся аналитические выражения для расчета параметров намагничивающей обмотки.

При всех способах сушки с помощью термодатчиков

контролируется температура активной части трансформатора, которая должна быть в пределах 95…105 о С.

В процессе сушки периодически измеряется сопротивление изоляции. При проведении измерений питание намагничивающей

Хроматографический анализ газов растворенных в трансформаторном масле

Хроматографический анализ газов растворенных в трансформаторном масле

Хроматографический анализ растворенных газов (ХАРГ) — один из методов оценки состояния трансформатора на основании анализа трансформаторного масла. Он применяется в качестве средства ранней диагностики развивающихся дефектов оборудования. Современные технические средства позволяют вести мониторинг без привлечения специального лабораторного оборудования. Приборы выполняют отбор проб непрерывно, что дает возможность проследить за динамикой неполадок и вовремя принять соответствующие меры.

К типичным газам, образующимся из минерального масла и целлюлозы (бумаги и картона) в трансформаторах, относятся:

— углекислый газ (CO₂).

Дополнительно всегда присутствуют кислород и азот, а их концентрация изменяется в зависимости от герметичности корпуса трансформатора.

Дефекты трансформаторов, определяемые с помощью хроматографического анализа растворенных газов

Процедура ХАРГ позволяет выявить содержание различных веществ в масляной смеси. Исходя из их количества можно сделать выводы о тех или иных неполадках. Приведем примеры взаимосвязи превышения концентрации газов, растворенных в трансформаторе, и наиболее характерных дефектов:

  • водород (H2) — частичные, искровые, дуговые разряды;
  • метан (CH4) — дефекты термического характера, связанные с перегревом масла и изоляции в диапазоне 400–600 градусов Цельсия;
  • этан (C2H6) — аналогичные неполадки, но при температуре до 400 градусов Цельсия;
  • этилен (C2H4) — перегрев свыше 600 градусов;
  • ацетилен (С2Н2) — возникновение электрической дуги, искрения;
  • угарный газ (CO) и углекислый газ (СО2) — старение и возникновение влаги на твердой изоляции или в масле.

Некоторые газы, растворенные в трансформаторе (этилен и ацетилен), также могут свидетельствовать о перегреве контактов переключающих устройств, нагреве места крепления электростатического экрана и шпильки проходного изолятора, замыкании проводников обмотки и других дефектах.

Оборудование для проведения хроматографического анализа растворенных газов

Современные приборы не требуют отправки проб в лабораторию. Хроматографы обеспечивают непрерывный онлайн-мониторинг, отбирая пробы с заданной периодичностью. Большинство современных приспособлений, в том числе марки Serveron, обладают следующими функциями и особенностями:

  • измерение содержания основных газов (включая водород, кислород, углекислый газ, метан, азот и другие);
  • погрешность не более 5 %;
  • измерение содержания влаги в масле;
  • определение температуры среды;
  • отбор проб с периодичностью от 2 до 24 часов, автоматический переход на учащенный анализ при возникновении превышений концентрации;
  • функция автоматической калибровки;
  • экспертное программное обеспечение;
  • минимальная требовательность к обслуживанию.

Конструктивно оборудование для хроматографического анализа растворенных газов представляет собой систему трубок, пробоотборное устройство и электронный аналитический блок. Пробоотборное устройство и аналитический блок заключены в единый корпус.

Хроматографический анализ газов растворенных в трансформаторном масле

1. Описание инструментов АРГ, которые применяются в хроматографах Serveron — треугольник/пятиугольник Дюваля, коэффициенты Роджерса.

Хроматографический анализ газов растворенных в трансформаторном масле

Приборы для хроматографического анализа растворенных газов, предлагаемые на сайте компании «БО-ЭНЕРГО», имеют необходимые сертификаты и соответствуют отраслевым требованиям. Они работают по термокондуктометрическому принципу — измеряют теплопроводность газа и носителя, определяя разницу между показателями.

Преимущества онлайн — хроматографического анализа растворенных газов

Метод позволяет непрерывно контролировать концентрации газов, растворенных в трансформаторном масле. Визуализацию и интерпретацию результатов измерений можно проводить без привлечения сторонних специалистов. Программное обеспечение, поставляемое в комплекте с оборудованием, позволяет получить полную диагностическую информацию о состоянии трансформатора.

Преимущества хроматографического онлайн-анализа растворенных газов и лабораторного ХАРГ.

  • Лабораторные измерения АРГ обычно проводятся один раз в год или в два года.
  • Большинство отказов происходит неожиданно и за относительно короткий промежуток времени (несколько дней или даже часов) с незначительными предпосылками или вообще без них.
  • Онлайн-АРГ позволяет выявить как постепенные, так и резкие изменения тенденций содержания всех газов.
  • Выявляет связь газовых аномалий с внешними параметрами и событиями, такими как нагрузка на трансформатор, температура масла, изменение состояния переключателя отводов под нагрузкой и т. д.

Пример сравнения тренда

Хроматографический анализ газов растворенных в трансформаторном масле

Рис.1 Сравнение тренда измеряемого газосодержания этана и данных химической лаборатории