Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Инфракрасная спектроскопия при решении вопросов контроля качества трансформаторного масла
1.1 Трансформаторное масло как углеводородная жидкость
1.2 Особенности эксплуатации трансформаторного масла в маслонаполненном электрооборудовании
Связь между электрофизическими и спектральными характеристиками эксплуатационных трансформаторных масел
Тангенс угла диэлектрических потерь и спектральные характеристики трансформаторного масла
- Трансформаторное масло как углеводородная жидкость
- Особенности эксплуатации трансформаторного масла в маслонаполненном электрооборудовании
- Тангенс угла диэлектрических потерь и спектральные характеристики трансформаторного масла
Введение к работе
Актуальность работы. Особенностью развития электроэнергетики на настоящем этапе является применение последних достижений науки, современных технологий и материалов.
Новые технологии в производстве, преобразовании и передаче электроэнергии на основе широкого внедрения устройств на цифровой базе существенно повысили надежность энергосистем.
Однако, как и ранее, базовым элементом электроэнергетики являются силовые трансформаторы, объемной составной частью которых является трансформаторное масло. Трансформаторное масло - специфический углеводородный продукт, на который возложены основные функции по изоляции и теплосъему активных потерь в трансформаторе. Столь противоречивые требования к трансформаторному маслу требуют особого внимания и подхода к условиям его эксплуатации.
В процессе эксплуатации жидкий диэлектрик подвергается воздействию высокой налряжешюсти электрического и температурного полей, а также находится в непрерывном контакте с конструктивными элементами трансформатора. Это ускоряет старение жидкого диэлектрика, вызывает изменение его физико-химического состава, в результате чего продукты старения в свою очередь способствуют ухудшению его электроизоляционных свойств.
Проводимые в настоящее время в соответствии с РД 34.45-51.300-97 «Объемы и нормы испытаний электрооборудования» физико-химические анализы, как правило, констатируют уже свершившийся факт ухудшения того или иного параметра, не выявляя при этом причин, приведших к ним.
Неминуемое старение трансформаторного масла определяет надежность всей электроэнергетики в целом, поэтому без модернизации методов контроля состояния трансформаторного масла обеспечить безаварийную работу электроэнергетики невозможно.
В связи с этим актуальным является разработка методов контроля трансформаторного масла для оценки его эксплуатационных свойств, определения структурно-группового состава в условиях эксплуатации и контроля процессов регенерации при ремонте трансформатора.
Наиболее простыми, с точки зрения проведения измерений, а также более информативными являются методы спектроскопии. Анализ методом спектроскопии в видимой и ближней инфракрасной области более быстрый, простой и точный. Измеренные спектры могут дать информацию, как о физических свойствах масла, так и о структурно-групповом составе трансформаторного масла. Поэтому актуальной является цель работы.
Цель работы - разработка методов контроля состояния трансформаторного масла для оценки его эксплуатационных свойств, определения структурно-группового состава и мониторинга процессов регенерации при ремонте трансформатора посредствам спектрального анализа масла в диапазоне оптического излучения в видимой и ближней инфракрасной областях.
Для реализации сформулированной цели необходимо решить следующие основные задачи:
1. Разработать методику оценки спектров пропускания трансформаторных масел в видимой и ближней инфракрасной областях.
-
Исследовать взаимосвязь между тангенсом угла диэлектрических потерь и параметрами спектральной характеристики трансформаторного масла.
-
Разработать метод преобразования спектральных характеристик для исключения влияния фонового поглощения в начальной части спектра.
-
Исследовать спектральные свойства индивидуальных углеводородов для определения структурно-группового состава трансформаторного масла.
-
Разработать экспресс-метод определения процентного содержания ионола но спектру пропускания концентрированного раствора трансформаторного масла, используемого для ввода антиокислителыюй присадки в бак силового трансформатора.
Объект исследования. Объектом исследования в представленной работе является диэлектрическая жидкость - трансформаторное масло, используемое в силовых маслонаполненных трансформаторах в качестве изолирующей и охлаждающей среды.
Методы исследования. В работе использованы оптические методы исследования веществ, современная теория поглощения света, теория математического планирования эксперимента. Исследования проводились с применением численных методов и программ для ЭВМ, натурных экспериментов на образцах трансформаторных масел, находившихся в эксплуатации или ремонте. Эксплуатационные характеристики проб масел определялись стандартными методами по существующим ГОСТам.
Научная новизна полученных результатов:
-
Впервые разработан способ эксплуатационного контроля состояния трансформаторных масел методами оптической спектроскопии путем определения спектральпой характеристики пробы на границе диапазона зоны пропускания, с последующим вычислением крутизны характеристики и длины волны отсечки пропускания, которые используются для количественной оценки степени старения трансформаторного масла.
-
Впервые установлена корреляционная связь между тангенсом угла диэлектрических потерь и длиной волны отсечки спектральной характеристики для эксплуатационных трансформаторных масел.
-
Предложена усовершенствованная методика аппроксимации и преобразования спектральных характеристик для исключения влияния фонового поглощения дисперсных частиц на полосы поглощения углеводородных составляющих трансформаторного масла.
-
Разработан новый метод определения составляющих структурно-группового состава на основании данных об оптической плотности метиленовых (нафтеновых), метальных (парафиновых) и ароматических групп по пробам масла, разбаатенных бензолом.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
Получен градуировочный график для определения процентного содержания ионола по спектру оптического пропускания концентрированного раствора ионола в масле, удобный для применения в практике эксплуатации.
-
Предложена методика контроля глубины регенерации трансформаторного масла по показателю длины волны отсечки спектральной характеристики.
-
Предложена методика контроля характеристик трансформаторного масла
в процессе ремонта трансформатора на основе разностных спектрограмм, полученных па каждой стадии процесса регенерации.
-
Экспериментально определено, что при дуговом разложении трансформаторного масла происходит уменьшение коэффициента пропускания в диапазоне длин волн более 550 нм спектральной характеристики, что может быть использовано для диагностики наличия дуговых разрядов в маслонаполненном оборудовании.
-
Предложена методика эксплуатационного контроля содержания окисленных форм, пригодная к использованию в течение всего периода срока эксплуатации маслонаполненного оборудования.
На защиту выносятся:
1. Способ количественной оценки степени старения трансформаторного
масла по крутизне и длине волны отсечки спектральной характеристики начального
участка зоны пропускания.
-
Способ аппроксимации спектра поглощения трансформаторного масла степенной функцией, аргументом которой яатяется отношение длины волны к длине волны отсечки (ко) спектральной характеристики, позволяющий достичь максимального приближения к исходному спектру.
-
Способ определения составляющих структурно-группового состава трансформаторного масла на основании данных об оптической плотности метиленовых (нафтеновых), метальных (парафиновых) и ароматических групп по разбавленным бензолом пробам масла.
-
Способ математической обработки спектров пропускания трансформаторных масел для определения массового содержания ионола в концентрированных растворах трансформаторных масел.
Обоснованность и достоверность результатов и выводов подтверждается использованием спектрофотометра, полностью соответствующего условиям Европейских стандартов, апробированных спектрофотометрических методов анализа, корректностью исходных предположений и допущений, успешной реализацией ряда основных положений работы в практических исследованиях проб трансформаторного масла с реально действующего оборудования.
Личный вклад автора. Личный вклад соискателя заключается в анализе справочной, монографической и периодической литературы, вошедшей в литературный обзор, разработке теоретических моделей и методик, проведении лабораторных исследований спектров проб, обработке и анализе полученных данных.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
Третьей молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2008); Тринадцатой, Пятнадцатой и Семнадцатой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2007, 2009, 2011); Пятой международной научно-технической конференции «Электрическая изоляция-2010»(Санкт-Петербург, 2010); Международной научно-практической конференции «Трансформаторы: эксплуатация, диагностирование, ремонт и продление срока службы» (Екатеринбург,2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том
числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК (2 в издании, рекомендованном ВАК по специальности диссертации), 1 патенте на изобретение.
Соответствие диссертации научной специальности. Диссертация соответствует специальности 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий и затрагивает следующие области исследования:
способ эксплуатационного контроля состояния трансформаторных масел путем определения крутизны характеристики и длины волны отсечки пропускания; способ аппроксимации спектра поглощения трансформаторного масла степенной функцией, аргументом которой является отношение длины волны к длине волны отсечки (Х0) спектральной характеристики, позволяющий достичь максимального приближения к исходному спектру; метод определения структурно-группового состава на основании данных об оптической плотности метиленовых (нафтеновых), метильных (парафиновых) и ароматических групп, по пробам масла разбавленных бензолом соответствуют п. 1 «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» Паспорта специальности;
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, библиографии. Работа изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков и 11 таблиц; библиографический список включает 102 наименования.
Трансформаторное масло как углеводородная жидкость
Для трансформаторов, которые проработали много лет и прошли множество ремонтов, сопровождавшихся периодической доливкой или частичной и даже полной заменой масла однозначно определить марку масла достаточно сложно.
В полном объеме сведения можно получить только на заводах изготовителях оборудования, что через 20-40 лет после изготовления весьма проблематично. Уверенно говорить можно, только о марке масла, которое было залито в трансформатор на заводе изготовителе на основании отметки сделанной в заводском паспорте трансформатора, или же в документации шефмонтажа при первом включении трансформатора.
Получение сведений о восстановительных ремонтах само по себе не вызывает возражений, но реальное получение этих сведений сопровождается зачастую с непреодолимыми трудностями связанными, как правило, с периодическими структурными реорганизациями предприятий, сопровождающимися потерей документации. В эксплуатационных условиях уровень масла в трансформаторах постепенно понижается вследствие испарения масла и его периодических отборов для испытаний. В связи с этим приходится периодически производить доливку масла.
В связи с этим, говоря о марке залитого в трансформатор масла, следует подразумевать некоторую базовую составляющую исходного масла с добавками целого набора товарного трансформаторного масла различных годов производства разрешенных к доливке в данный тип трансформатора. Это могут быть масла товарных марок Гк, Т-1500, Т-750, ТКп, ТАп, ТСп, Вг изготовленных по ГОСТ или ТУ различных годов.
В период бурного развития энергетики прошлого века широко применялись импортные масла, которые также рекомендовались к смешиванию в любых соотношениях с маслами ТКп и ТСп [8; 9]. Эту специфическую особенность необходимо учитывать при оценке состояния трансформаторного масла, так как в некоторых случаях смешение масел может привести к ухудшению качества масла.
«Объемы и нормы испытаний электрооборудования» жестко регламентируют в общей сложности 11 показателей качества эксплуатационных масел, однако по данным показателям качества не всегда представляется возможным однозначно определить тип эксплуатируемого масла [10].
Важной частью механизма профилактического обслуживания является регенерация трансформаторного масла. Трансформаторное масло должно быть очищено до того, как оно достигнет уровня ухудшения, что может привести к причине повреждения трансформаторной изоляции.
Очистка трансформаторного масла, включая регенерацию, является профилактическим инструментом обслуживания трансформатора с целью продления его жизни.
Цель профилактического ремонта с регенерацией трансформаторного масла - удалить остатки продуктов старения из твердой изоляции и масла до того, как они повредят трансформаторную изоляционную систему.
Регенерация - сложный физико-химический процесс, который может привести к необратимым качественным изменениям трансформаторного масла. Поэтому необходим контроль характеристик трансформаторного масла на каждом этапе регенерации.
В этой связи становится актуальным диагностика масла методами оптической абсорбционной спектроскопии [11]. Эти методы могут быть применены непосредственно в лабораториях энергетических предприятий стандартными спектрофотометрами. 1.3 Старение трансформаторного масла и методы ее оценки
При эксплуатации трансформаторного масла под воздействием различных эксплуатационных факторов происходит старение масла, связанное с процессами окисления углеводородного состава.
Вопросы окисления углеводородов нефтяных изоляционных масел рассмотрены в трудах множества исследователей. Так ряд исследователей [12], длительное время изучавшие окисляемость различных индивидуальных углеводородов и их смесей, пришли к следующим выводам относительно окисления в стандартных условиях ароматических углеводородов. 1. Ароматические углеводороды, лишенные боковых цепей, весьма стойко противостоят окислительному воздействию кислорода. 2. Окисление этих углеводородов в основном идет по пути образования различных продуктов уплотнения и лишь в незначительной степени сопровождается расщеплением ядер. 3. Ароматические углеводороды с боковыми цепями и многоядерные углеводороды, ядра в которых соединены алифатическими цепями, значительно менее стойки по отношению к кислороду. 4. Процесс окисления таких углеводородов идет обычно по боковым цепям или звену, соединяющему бензольные кольца. 5. С увеличением числа боковых цепей и их длины, а также разветвленности увеличивается склонность этих соединений к окислению, причем процент кислых продуктов растет, а процент продуктов уплотнения падает. 6. В нафтеновых углеводородах наиболее, уязвимым звеном является группа СН, по месту которой и происходит присоединение кислорода, нередко сопровождающееся расщеплением нафтенового кольца. Нафтеновые углеводороды окисляются легче, чем ароматические, причем окисляемость их также растет с увеличением числа и длины боковых цепей. Основным продуктом окисления нафтеновых углеводородов являются кислоты и оксикислоты. 7. Парафиновые углеводороды при окислении образуют преимущественно низкомолекулярные кислые и нейтральные продукты окисления [7]. При окислении трансформаторных масел происходит накопление в них смолистых веществ, образующихся в результате окислительной полимеризации и конденсации продуктов окисления. На начальных стадиях окисления содержание в трансформаторном масле смолистых веществ невелико, и они полностью растворимы в нем. По мере развития процесса окисления количество смолистых веществ увеличивается, и снижается их растворимость в масле. Накопление в трансформаторном масле продуктов окисления резко ухудшает его изоляционные свойства [13].
Окисление масел представляет собой сложный, многостадийный свободно радикальный процесс, происходящий в присутствии кислорода воздуха, то есть происходит разрушение химических связей между атомами в молекулах [13; 14]. Скорость реакции окисления углеводородов резко возрастает с повышением температуры. Контакт с металлом оказывает каталитическое воздействие на процесс окисления. Присутствие ароматических углеводородов с двойной связью в боковой цепи, которые обладают высокой реакционной способностью, в трансформаторных маслах также способствуют его ускоренному окислению.
Особенности эксплуатации трансформаторного масла в маслонаполненном электрооборудовании
Для трансформаторов, которые проработали много лет и прошли множество ремонтов, сопровождавшихся периодической доливкой или частичной и даже полной заменой масла однозначно определить марку масла достаточно сложно.
В полном объеме сведения можно получить только на заводах изготовителях оборудования, что через 20-40 лет после изготовления весьма проблематично. Уверенно говорить можно, только о марке масла, которое было залито в трансформатор на заводе изготовителе на основании отметки сделанной в заводском паспорте трансформатора, или же в документации шефмонтажа при первом включении трансформатора.
Получение сведений о восстановительных ремонтах само по себе не вызывает возражений, но реальное получение этих сведений сопровождается зачастую с непреодолимыми трудностями связанными, как правило, с периодическими структурными реорганизациями предприятий, сопровождающимися потерей документации. В эксплуатационных условиях уровень масла в трансформаторах постепенно понижается вследствие испарения масла и его периодических отборов для испытаний. В связи с этим приходится периодически производить доливку масла.
В связи с этим, говоря о марке залитого в трансформатор масла, следует подразумевать некоторую базовую составляющую исходного масла с добавками целого набора товарного трансформаторного масла различных годов производства разрешенных к доливке в данный тип трансформатора. Это могут быть масла товарных марок Гк, Т-1500, Т-750, ТКп, ТАп, ТСп, Вг изготовленных по ГОСТ или ТУ различных годов.
В период бурного развития энергетики прошлого века широко применялись импортные масла, которые также рекомендовались к смешиванию в любых соотношениях с маслами ТКп и ТСп [8; 9]. Эту специфическую особенность необходимо учитывать при оценке состояния трансформаторного масла, так как в некоторых случаях смешение масел может привести к ухудшению качества масла.
«Объемы и нормы испытаний электрооборудования» жестко регламентируют в общей сложности 11 показателей качества эксплуатационных масел, однако по данным показателям качества не всегда представляется возможным однозначно определить тип эксплуатируемого масла [10].
Важной частью механизма профилактического обслуживания является регенерация трансформаторного масла. Трансформаторное масло должно быть очищено до того, как оно достигнет уровня ухудшения, что может привести к причине повреждения трансформаторной изоляции.
Очистка трансформаторного масла, включая регенерацию, является профилактическим инструментом обслуживания трансформатора с целью продления его жизни.
Цель профилактического ремонта с регенерацией трансформаторного масла - удалить остатки продуктов старения из твердой изоляции и масла до того, как они повредят трансформаторную изоляционную систему.
Регенерация - сложный физико-химический процесс, который может привести к необратимым качественным изменениям трансформаторного масла. Поэтому необходим контроль характеристик трансформаторного масла на каждом этапе регенерации.
В этой связи становится актуальным диагностика масла методами оптической абсорбционной спектроскопии [11]. Эти методы могут быть применены непосредственно в лабораториях энергетических предприятий стандартными спектрофотометрами. 1.3 Старение трансформаторного масла и методы ее оценки При эксплуатации трансформаторного масла под воздействием различных эксплуатационных факторов происходит старение масла, связанное с процессами окисления углеводородного состава. Вопросы окисления углеводородов нефтяных изоляционных масел рассмотрены в трудах множества исследователей. Так ряд исследователей [12], длительное время изучавшие окисляемость различных индивидуальных углеводородов и их смесей, пришли к следующим выводам относительно окисления в стандартных условиях ароматических углеводородов. 1. Ароматические углеводороды, лишенные боковых цепей, весьма стойко противостоят окислительному воздействию кислорода. 2. Окисление этих углеводородов в основном идет по пути образования различных продуктов уплотнения и лишь в незначительной степени сопровождается расщеплением ядер. 3. Ароматические углеводороды с боковыми цепями и многоядерные углеводороды, ядра в которых соединены алифатическими цепями, значительно менее стойки по отношению к кислороду. 4. Процесс окисления таких углеводородов идет обычно по боковым цепям или звену, соединяющему бензольные кольца. 5. С увеличением числа боковых цепей и их длины, а также разветвленности увеличивается склонность этих соединений к окислению, причем процент кислых продуктов растет, а процент продуктов уплотнения падает.
Тангенс угла диэлектрических потерь и спектральные характеристики трансформаторного масла
В начальной части спектра трансформаторного масла в ультрафиолетовом и видимом диапазоне, имеются особенности, заключающиеся в монотонном гладком характере спектральной характеристики.
Экспоненциально спадающие гладкие спектры поглощения характерны для свежих трансформаторных масел марок Вг и Гк. Аналогичный характер зависимости поглощения от длины волны излучения наблюдается и у «старых» эксплуатационных масел.
Спектры поглощения свежих трансформаторных масел марок Вг (ТУ 38.401978-98), Гк (ТУ 38.101.1025-85. 98) и эксплуатационного масла марки ТКп (ГОСТ 982-68) с присадкой ДБК 0,2%, срок эксплуатации 23 года в трансформаторе ТДТН-16000/110/35/6 кВ представлены на рисунок 3.1.
Гладкая форма спектра может быть следствием процессов поглощения и рассеяния света. Таким образом, измеряемая оптическая плотность есть сумма плотностей, обусловленная светорассеянием и молекулярным поглощением.
У эксплуатационных масел можно наблюдать более гладкие спектры, так как увеличение составляющей обусловленной светорассеянием сглаживает, маскирует полосы поглощения малой интенсивности.
Спектры поглощения свежих трансформаторных масел Вг, Гк и эксплуатационного масла марки ТКп с присадкой ДБК 0,2% (длина оптического пути Зсм) Плавное уменьшение оптической плотности D с ростом длины волны X, можно объяснить отчасти молекулярным поглощением, отчасти дисперсностью системы, то есть рассеянием излучения на коллоидных частицах, состоящих из молекул воды, самого масла и продуктов окисления масла, а также взвешенных твердых частиц - продуктов разложения изоляционных и конструкционных материалов [60].
Анализируя спектральные характеристики свежих и эксплуатационных масел можно заметить пропорциональное уменьшение пропускания на характерных длинах волн в диапазоне 800-980 нм.
Такое изменение нельзя объяснить простым уменьшением концентрации углеводородного состава масла. Его следует рассматривать как результат влияния фонового поглощения дисперсных частиц.
На рисунке 3.2 представлена фотография кюветы с трансформаторным маслом в боковом свете, где наблюдается "эффект Тиндаля". При фокусировании света в кювете с эксплуатационным маслом и наблюдении в перпендикулярном лучу направлении в масле видна светящаяся, в форме конуса, полоса узкая со стороны входа света и более широкая на выходе, что указывает на присутствие дисперсных частиц, рассеивающих свет. Теория светорассеяния была разработана Д. Рэлеем (1871). Из теории Рэлея следует ряд выводов. Так, при равенстве показателей преломления среды и частиц в гетерогенной системе может отсутствовать рассеяние света [20; 61; 62]. Светорассеяние пропорционально концентрации частиц, квадрату объема частицы (или шестой степени их радиуса) и обратно пропорционально четвертой степени длины волны падающего света. Отсюда можно заключить, что наиболее интенсивно происходит рассеяние света при малых длинах волн. Также, согласно теории Рэлея, максимальное светорассеяние происходит в системах с размером частиц г (2+4)- Ю м, что соответствует коллоидной степени дисперсности. При размерах частиц более 0,1-Х, световой волны возрастает роль процессов отражения света. В растворах исчезает светорассеяние и появляется мутность [63; 64]. Рис 3.2. Прохождение светового луча через кювету с эксплуатационным трансформаторным маслом марки Вг. С увеличением размеров частиц закон Рэлея не соблюдается, и интенсивность рассеянного света становится обратно пропорционально длине волны в степени, меньшей, чем четвертая. Если выполняется условие 2л;г/Х 0,3 радиус частиц г значительно меньше длины световой волны и показатели преломления частиц и среды не сильно различаются, для описания светорассеяния в системе можно воспользоваться следующим эмпирическим уравнением, предложенным Геллером [64; 65]: DA=K-rn где Dx - оптическая плотность; X - длина волны падающего света; п - коэффициент, величина которого меняется в соответствии с радиусом частиц; К - константа, не зависящая от длины волны. При определении количественных характеристик углеводородного состава трансформаторного масла уровень фонового поглощения является неблагоприятным фактором, так как не позволяет сравнивать значения оптических плотностей на характерных длинах волн, свежих и эксплуатируемых трансформаторных масел. Можно исключить из спектра составляющую, обусловленную светорассеянием и молекулярным поглощением на дисперсных частицах, представляющую собой тренд. Вычитая из каждой точки исходной спектральной характеристики значение аппроксимирующей функции, получим исправленный на тренд спектр [22].
Для анализа спектров трансформаторного масла необходимо математически описать начальную часть спектральной характеристики общей аппроксимирующей функцией, без разделения на составляющие молекулярного поглощения и рассеяния излучения на дисперсных частицах.
