Введение к работе
Актуальность проблемы. Силовое маслонаполненное трансформаторное оборудование является одним из ключевых звеньев задачи обеспечения надежного электроснабжения потребителей. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что наиболее целесообразным является эксплуатация трансформаторного оборудования по его состоянию, в результате чего реальный срок службы трансформаторов может в два и более раз превышать нормативно установленный. В этих условиях особую роль приобретает контроль состояния силовых трансформаторов, поскольку с увеличением возраста оборудования растет и риск его повреждения.
Вопросами контроля и диагностики маслонаполненного оборудования в разное время занимались отечественные и зарубежные исследователи. Значительный вклад в эту область исследований внесли такие специалисты как Соколов В.В., Львов Ю.Н., Овсянников А.Г., Алексеев Б.А., Львов М.Ю., Давиденко И.В., Бережной В.Н., Осотов В.Н., Duval M., Hoehlein I. и другие.
Известно, что наиболее тяжелые последствия аварийных повреждений трансформаторов, как правило, связаны с дефектами в изоляции, основу которой составляют минеральное изоляционное масло и изоляционная бумага. С учетом того, что исследования качества масла позволяют выявлять до 80% дефектов трансформатора, а состояние бумажной изоляции во многом определяет возможность его дальнейшей эксплуатации, контроль качества изоляционного масла и бумаги является одной из важнейших составляющих контроля технического состояния маслонаполненного трансформаторного оборудования.
Принципиальным недостатком большинства существующих методов исследования масла и бумаги является необходимость проведения сложных лабораторных видов анализа, которые затруднительно реализовать в виде экспресс-методов. Кроме того, по результатам нормированных испытаний характер и глубина деструктивных изменений углеводородной основы изоляционных масел, как правило, остается невыясненной.
Определение характера и глубины деструкции масляной и бумажной изоляции может быть основано только на исследовании изменений в углеводородной основе изоляционных материалов. Для подробного изучения состава различных материалов, как правило, используются спектральные методы исследования. Из всех спектральных методов для определения качества изоляционного масла и бумаги можно выделить оптическую спектроскопию, обладающую такими достоинствами как точность, низкая себестоимость и высокая скорость проведения исследований, что особенно важно для лабораторий энергетических предприятий. Использование волоконно-оптических зондов позволяет проводить экспресс-анализ без отбора проб масла и бумаги, а также организовать on-line мониторинг на работающем оборудовании, что позволит контролировать состояние масляной и бумажной изоляции трансформаторного оборудования в реальном масштабе времени.
В настоящее время оптические методы имеют ограниченное применение для контроля качества минеральных масел. Для определения же качества бумажной изоляции оптические методы до сих пор не использовались.
В последние годы в зарубежных энергосистемах наметилась тенденция к широкому использованию новых изоляционных масел на основе синтетических и натуральных сложных эфиров, обладающих определенными преимуществами по сравнению с нефтяными минеральными маслами. Физико-химические свойства эфирных жидкостей отличаются от минеральных масел. В результате этого контроль состояния, как изоляции, так и трансформаторного оборудования в целом, основанный на традиционных критериях, либо не эффективен, либо нуждается в существенной корректировке. Использование методов оптической спектроскопии позволяет преодолеть ограниченность существующих методов контроля.
Объектом исследования является маслонаполненное трансформаторное электрооборудование.
Предметом исследования являются оптические методы контроля технического состояния маслонаполненных трансформаторов.
Цель работы – разработка концепции оптического контроля технического состояния маслонаполненного трансформаторного оборудования, а также способов контроля качества масляной и бумажной изоляции путем комплексного использования оптической спектроскопии.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие основные задачи.
-
Определить информативность основных эксплуатационных показателей качества минеральных изоляционных масел для первичного экспресс-анализа.
-
Исследовать влияние особенностей химического состава минеральных масел на их спектры пропускания в видимой и ближней инфракрасной (ИК) областях спектра. Изучить характер изменения спектра пропускания масел в этом оптическом диапазоне при различных условиях деградации масла.
-
Определить систему параметров регистрации оптических спектров поглощения минеральных изоляционных масел в ИК области спектра.
-
Используя установленные параметры, провести исследование ИК спектров поглощения минеральных изоляционных масел и выявить основные критерии деградации углеводородной основы масел.
-
Разработать оптимальные методы люминесцентных исследований минеральных масел. На основе результатов люминесцентного анализа масел выявить влияние процесса окисления на особенности изменений состава ароматической фракции масел, разработать критерии глубины окисленности масел по изменению их спектра люминесценции.
-
Исследовать влияние термодеструкции бумаги на изменение ее ИК спектров отражения и люминесценции. Разработать методы контроля состояния бумажной изоляции по ИК спектрам, спектрам люминесценции и спектрам возбуждения люминесценции.
-
Исследовать влияние химического состава масла и бумаги на их цветовые характеристики. Разработать методы определения степени деградации масла в процессе термоокислительной деструкции и степени полимеризации бумаги по координатам цветности.
-
Провести анализ физико-химических свойств изоляционных масел на основе натуральных сложных эфиров и изменения этих свойств при эксплуатации в электрооборудовании.
-
На основе проведенных исследований разработать общую концепцию оптического контроля технического состояния маслонаполненного трансформаторного оборудования.
Методы исследования.
Решение поставленных задач потребовало использования различных методов оптической спектроскопии, а также методов статистической диагностики применительно к силовому трансформаторному оборудованию, относящемуся к категории сложных технологических объектов.
При обработке результатов экспериментов использовались методы математической статистики, в частности, регрессионный анализ.
Научная новизна работы.
-
Разработана общая концепция оптического контроля технического состояния маслонаполненного трансформаторного оборудования на основе анализа характерных особенностей оптических спектров пропускания (поглощения), люминесценции и отражения изоляционного масла и бумаги, позволяющего выявлять в оборудовании дефекты термического и разрядного характера, а также определять степень деструкции изоляционной системы трансформаторов.
-
Установлено, что для первичного экспресс-анализа и мониторинга трансформаторного оборудования достаточно контролировать с помощью оптических измерений наиболее информативные показатели качества масла, к которым относятся кислотное число, мутность, тангенс угла диэлектрических потерь и влагосодержание, и определять по спектру пропускания масла наличие в оборудовании дефектов термического и разрядного характера.
-
Обнаружено различное влияние термоокислительных и разрядно-дуговых процессов на изменение спектра пропускания минерального изоляционного масла в видимой области, что позволяет одновременно идентифицировать наличие в электрооборудовании дефектов термического и разрядного характера, а также определять степень окисления минеральных масел.
-
С помощью ИК спектров поглощения эксплуатационных минеральных масел установлено, что старение масел в оборудовании сопровождается не только увеличением в них содержания ненасыщенных углеводородов, но и пропорциональным ростом концентрации моноароматических соединений, изменение количества которых необходимо учитывать как при интерпретации результатов хроматографического анализа растворенных в масле газов, так и при оценке влагосодержания бумажной изоляции по результатам определения влагосодержания масла, поскольку увеличение в масле концентрации ароматических углеводородов уменьшает его газовыделение и повышает растворимость воды.
-
Путем исследования спектров пропускания минеральных изоляционных масел в видимой области спектра показано, что увеличение содержания в масле
смолисто-асфальтеновых веществ приводит к снижению коэффициента пропускания масла в районе 430 – 440 нм, а также уменьшению координаты цветности z масла, что позволяет контролировать изменение в масле количества смолисто-асфальтеновых соединений по спектру пропускания, а также с помощью колориметрических измерений.
-
На основе анализа ИК спектров поглощения эксплуатационных минеральных масел в районе 1659 см-1 обнаружена полоса поглощения C=O групп хиноидных соединений, образующихся из молекул ингибитора окисления ионола, что позволяет по интенсивности этой полосы поглощения определять общее количество сработавшего ионола.
-
Установлено, что процесс деградации бумаги приводит к характерному изменению ее ИК спектра отражения, спектра люминесценции и спектра возбуждения люминесценции, а также снижению интенсивности люминесценции, что позволяет определять состояние бумажной изоляции с помощью люминесцентного и ИК анализа.
-
В результате анализа физико-химических свойств жидких диэлектриков на основе натуральных сложных эфиров установлено, что определяющим фактором, повышающим склонность к окислению сложных эфиров, является степень ненасыщенности углеродных цепочек их молекул, исходя из чего показана возможность определения стабильности против окисления эфирных изоляционных масел по интенсивности полосы поглощения ненасыщенных связей C=C в ИК спектре масла.
Практическая значимость работы
-
Продемонстрированные в работе методы определения по спектру пропускания минерального масла в области 300 – 1000 нм кислотного числа масел, концентрации в них ингибитора окисления ионола, а также содержания смолисто-асфальтеновых веществ значительно проще и быстрее химических методов анализа, а также обладают простотой технической реализации для проведения измерений на работающем оборудовании без отбора проб масла.
-
Замена химического метода определения кислотного числа минеральных масел различными вариантами оптических исследований впервые позволяет включить этот диагностический признак в число определяемых параметров при непрерывном мониторинге состояния маслонаполненного электрооборудования.
-
Анализ спектров пропускания минерального масла в видимой области позволяет определять наличие и интенсивность развивающихся в трансформаторном оборудовании дефектов термического и разрядно-дугового характера.
-
Определены критерии контроля глубины деструкции углеводородной основы минеральных масел, которые позволяют своевременно осуществлять процедуру очистки либо замены состаренного минерального масла.
-
Возможность определения концентрации сработавшего в масле ингибитора окисления ионола позволяет получить интегральную оценку о тепловом режиме работы трансформаторного оборудования.
-
Разработанные методы определения степени полимеризации бумажной изоляции с помощью ИК и люминесцентного анализа по сравнению с используемым вискозиметрическим методом позволяют существенно ускорить
анализ, оценить количество продуктов окисления масла, адсорбированных в
бумаге, а также проводить исследования без отбора образцов бумаги из
оборудования, сохраняя целостность изоляционной системы
маслонаполненного электрооборудования.
-
Контроль состояния изоляционной системы оборудования может осуществляться на основе колориметрических измерений, в том числе с использованием устройств оцифровки изображения, что в целом существенно упрощает процедуру контроля технического состояния маслонаполненного трансформаторного оборудования.
-
Разработан критерий определения стабильности против окисления изоляционных масел на основе натуральных сложных эфиров по ИК спектру масла.
-
Методы определения электроизоляционных показателей качества, а также температуры вспышки минерального масла по его спектрам пропускания и люминесценции позволяют использовать при экспресс-анализе только оптические спектральные методы.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в ЗАО Венчурная Компания «Силеста» и ООО «Диагностические комплексы и системы – Татарстан» в виде методов контроля качества изоляционного масла и бумаги при обследованиях силовых трансформаторов (акты о внедрении приведены в приложении диссертации).
Личный вклад автора. Диссертация является результатом личных исследований автора, которые проводились под его руководством или при непосредственном участии. Результаты, определяющие научную новизну и практическую значимость работы, получены соискателем лично. В опубликованных в соавторстве работах автору принадлежит постановка задачи, анализ и интерпретация результатов исследований.
На защиту выносятся
-
Концепция контроля технического состояния маслонаполненного электрооборудования, основанная на оптическом измерении наиболее информативных показателей качества минерального изоляционного масла и масла на основе натуральных сложных эфиров.
-
Методы определения в минеральном масле концентрации ингибитора окисления ионола, кислотного числа, содержания смолисто-асфальтеновых веществ по спектру пропускания масла в области 300 – 1000 нм, спектру люминесценции, а также по цветовым характеристикам масел.
-
Метод обнаружения и идентификации в трансформаторном оборудовании дефектов термического и разрядно-дугового характера, основанный на определении коэффициента пропускания изоляционного масла на длинах волн 700 и 850 нм.
-
Методы определения по ИК спектру минерального масла его кислотного числа, содержания отдельных продуктов окисления, количества сработавшего ингибитора окисления – ионола, а также критерии контроля глубины деструкции углеводородной основы и идентификации марки масла.
-
Методы определения степени полимеризации (степени деградации бумажной изоляции) по: изменению в ИК спектре отражения бумаги полосы
поглощения карбонильных C=O групп; интенсивности люминесценции; изменению спектра люминесценции и спектра возбуждения люминесценции, а также изменению координат цветности бумаги.
6. Критерий оценки стабильности против окисления изоляционных масел на основе натуральных сложных эфиров, основанный на определении интенсивности ИК полосы поглощения C=C ненасыщенных связей.
Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов
обеспечиваются корректным использованием методов оптической спектроскопии и статистической диагностики, воспроизводимостью полученных результатов спектральных исследований изоляционных масел и бумаги, а также непротиворечивостью экспериментальных результатов и сделанных на их основе выводов известным теоретическим положениям и экспериментальным результатам других авторов.
Апробация работы. Основные материалы работы были представлены на следующих научно-технических конференциях, семинарах и симпозиумах:
Российском национальном симпозиуме по энергетике (Казань, 2001); 1-й Международной научно-практической конференции «Эффективные энергетические системы и новые технологии» (Казань, 2001); XII и XIV Международных научно-технических конференциях «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (Бенардосовские чтения) (Иваново, 2005 и 2007); Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы» (Оренбург, 2007); IX симпозиуме «Электротехника 2030» (Москва, 2007); Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования» (Томск, 2008); Международной научно-технической конференции «Энергетика – 2008: инновации, решения, перспективы» (Казань, 2008); Международном энергетическом форуме «ТЭК России в XXI веке» (Москва, 2010); Всероссийской конференции «Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения» (Уфа, 2010); научно-практическом семинаре «Общие проблемы диагностики силового электрооборудования» (Ангарск, 2008); 5-й Международной научно-технической конференции «Электрическая изоляция – 2010» (Санкт-Петербург, 2010); XI Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики» (Саранск, 2013); научно-практическом семинаре Общественного Совета Сибири и Востока по проблемам оптического контроля оборудования в разных спектральных диапазонах и диагностики электрических установок (Новосибирск, 2012); научно-практической конференции «Эффективность передачи и распределения электроэнергии» (Казань, 2014), 20-й Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике (Москва, 2014), научно-практическом семинаре «Современные методы диагностирования электрооборудования» (Красноярск, 2014).
Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 31 публикации, в том числе в 17 публикаций в рецензируемых научных изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, двух патентах, двух монографиях.
Соответствие диссертации научной специальности. Диссертация соответствует специальности 05.11.13 – «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий».
Разработка концепции оптического контроля технического состояния маслонаполненного трансформаторного оборудования и методов определения качества масляной и бумажной изоляции трансформаторов, а также внедрение этих методов в практическую эксплуатацию соответствуют п. 1 «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» и п. 3 «Разработка, внедрение и испытание приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами» Паспорта специальности.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 290 страницах машинописного текста и состоит из введения, семи глав, заключения, основных результатов и выводов, списка литературы из 225 наименований, 105 рисунков, 15 таблиц и приложения.
