Диагностика масла

Опубликовано: 28 Август 2011

Л. Г. Сидельников, А. М. Сидунин, А. Ю. Сыкулов, ООО «ТестСервис»

В настоящее время результаты диагностики масла принято считать основными при анализе технического состояния силовых трансформаторов и прогнозировании причин имеющихся дефектов. Прогнозирование причин дефектов осуществляется на основании обширных экспериментальных исследований и построенных на их основе эмпирических зависимостей. Во многих странах применяются различные методы и критерии оценки масла, общепризнанная научно обоснованная методика пока отсутствует. В качестве исходных данных используются результаты физико-химического анализа, хроматографический анализ на содержание в масле газов, а также фуранов и другого рода примесей.
Масло в трансформаторе используется как диэлектрик и в качестве теплоносителя. Тепловизионное обследование трансформатора – отдельная задача. Диэлектрические свойства масла исследуются путем измерения его физических характеристик. На физические характеристики масла оказывают влияние вода и присутствующие в нем газы, а также продукты распада твердой изоляции и примеси. Методики и критерии оценки масла по всем параметрам в комплексе широкого применения в практике исследований не получили из-за отсутствия необходимой для этого функции качества. Вместе с тем разработка такой функции, методик и критериев оценки по ней качества масла является перспективным направлением.
Достаточно полный обзор методов, применяемых в диагностике масла силовых трансформаторов, представлен в [1]. В соответствии с этим обзором методикой МЭК 599, принятой в 1978 г., для анализа технического состояния масла используются отношения газов СH4/H2, C2H4/C2H6, C2H2/C2H4 и в качестве вспомогательного, для оценки старения бумаги, отношение CO2/CO. В новом стандарте МЭК 60599 добавлено отношение C2H2/H2, для оценки проникновения газов из РПН, если это возможно по конструкции трансформатора.
По методике IEEE оценка производится по трем соотношениям концентрации газов, C2H2/C2H4, СH4/H2, C2H4/C2H6, без учета предыдущих измерений и предыстории. Оценка выполняется по предельным значениям отношений. В соответствии с методикой CEGB при оценке технического состояния масла рассматриваются отношения СH4/H2, C2H6/CH4, C2H4/C2H6, C2H2/C2H4. Кроме того, существуют методика Шлизингера, методика, используемая в Канаде, и т. д.
В соответствии с методикой, принятой в России, РД 153-34.0-46.302-00, оценка масла выполняется по СH4/H2, C2H4/C2H6, C2H2/C2H4 и дополнительно по CO2/CO. В ООО «ТестСервис» диагностика масла в основном производится по семи газам и семи их отношениям, приведенным ниже. Дополнительно оценка возможна по 21 отношению растворенных в масле газов.
Несмотря на то, что диагностика масла теоретически позволяет выявить до 80 % возникающих в трансформаторах проблем, практически эту работу способно выполнить квалифицированно небольшое количество специалистов. Обилие методик и способов оценки технического состояния масла только подчеркивает нерешенность проблемы. Представляется, что проблему диагностики масла можно рассматривать по ряду отдельных направлений.
Первое направление рассчитано на специалистов-экспертов высокой квалификации, способных на базе имеющегося богатого практического опыта не только оценить техническое состояние масла, но и достаточно точно указать причины проблем. При этом совершенно не важны предыстория трансформатора, режимы его работы. Специалисты такого класса пользуются, как правило, методиками эмпирического характера, дополняя их интуицией и практикой исследований. Недостатком такого подхода является уникальность специалистов-экспертов.
Второе направление может быть реализовано путем определения зависимостей развития дефектов. Так как дефекты в конструкциях трансформаторов имеют случайный характер, то закономерности их развития могут быть определены с использованием аппарата теории вероятности и математической статистики. Для решения этой задачи необходима достаточно большая статистика исследований масла. Кроме того, задача сложна из-за большого числа факторов, влияющих на техническое состояние масла. Но при успешном исходе появляется возможность составления алгоритмов и программ для автоматизации процесса диагностики трансформаторного масла.
И третье направление возможно при эксплуатации трансформатора в основном без нарушения допустимых режимов его работы. В этом случае процесс разложения масла на газы является естественным. В результате исследований, выполненных в Татэнерго, было установлено, что периодическая очистка масла от кислорода и водорода позволяет восстанавливать его первоначальные свойства. Следовательно, эксплуатация трансформаторов может выполняться достаточно долго – значительно дольше его паспортного ресурса эксплуатации. Учитывая то, что большое число трансформаторов выработали свой паспортный ресурс эксплуатации, такой подход является весьма перспективным.
Наиболее оптимальным и перспективным является также совместное развитие второго и третьего подходов в эксплуатации и диагностике трансформаторного масла. Естественно, это не исключает необходимость в специалистах- экспертах высокой квалификации.
На предприятии ООО «ТестСервис» работа, связанная с диагностикой силовых трансформаторов пока по-прежнему ориентирована на специалистов-экспертов. Вместе с тем ведется работа по сбору информации о результатах диагностики масла для последующей статистической обработки и выявления закономерностей изменений его свойств.
В настоящее время с учетом данных последнего хроматографического анализа масла из бака и вводов ВН трансформатора проводятся обработка и сравнительный анализ результатов хроматографического содержания газов, растворенных в масле. Обработка результатов анализов производится на ЭВМ с помощью имеющегося программного обеспечения специализированной химической лабораторией. В технических отчетах, представляемых заказчику, протоколы лаборатории приводятся в качестве приложения.
Обычно анализируются концентрация водорода H2, метана СH4, этана C2H6, этилена C2H4, ацетилена C2H2, окиси углерода СО, диоксида углерода CO2, а также отношения C2H2/C2H4, СH4/H2, C2H4/C2H6, C2H2/C2H6, H2/СH4, C2H2/ H2, CO2/CO. Концентрации водорода, метана, этана, этилена, ацетилена, окиси углерода и диоксида углерода являются факторами иди переменными функции качества масла:

Кроме того, существует корреляция между перечисленными концентрациями газов, которая приблизительно описывается отношениями концентраций, т. е.

Обозначим х1 = H2, х2 = СH4, х3 = C2H6, х4 = C2H4, = C2H2, х6 = СО, х7 = = CO2, тогда матрице вида

соответствует матрица отношений концентраций газов х/х/ вида

X1/.X2

H2

CH4

C2H6

C2H4

C2H2

CO

CO2

H2

1

H2/CH4

H2/C2H6

H2/C2H4

H2/C2H2

H2/CO

H2/CO2

CH4

CH4/H2

1

CH4/C2H6

CH4/C2H4

CH4/C2H2

CH4/CO

CH4/CO2

C2H6

C2H6/ H2

C2H6/CH4

1

C2^C2U4

C2H6/ C2H2

C2H6/ CO

C2H6/CO2

C2H4

C2H4/H2

C2H4/CH4

C2H4/C2H6

1

C2H4/ C2H2

C2H4/CO

C2H4/CO2

C2H2

C2H2/H2

C2H2/CH4

C2H2/C2H6

C2H2/C2H4

1

C2H2/CO

C2H2/CO2

CO

CO/H2

CO/CH4

CO/C2H6

CO/C2H4

CO/C2H2

1

CO/CO2

CO2

CO2/H2

CO2/CH4

CO2/C2H6

CO2/C2H4

CO2/C2H2

CO2/CO

1

Соотношения концентраций газов, выделенные тоном, являются факторами функции F2 и их предельные значения определены. В то же время СH4/H2 и H2/ СH4 дублируют друг друга. Учитывая, что элементы верхней треугольной матрицы являются обратными к элементам нижней треугольной матрицы, можно рассматривать лишь отношения, лежащие ниже главной диагонали. Тогда отношение H2/СH4 из F2 можно исключить. Соотношения газов, не входящие в качестве факторов в функцию F2, также могут быть приняты во внимание при анализе, если учесть предельные значения самих газов. Ниже приведена табл. 1 значений хроматографического анализа масла из бака трансформатора, взятого в качестве примера. В этой же таблице имеются предельные значения концентраций рассматриваемых газов.
Таблица 1

Хроматографический анализ масла из бака трансформатора

Наименование показателя

Газ

H2

СH4

C2H6

C2H4

C2H2

СО

СO2

водород

метан

этан

этилен

ацетилен

окись углерода

двуокись углерода

Норма, % об.

0,01

0,01

0,005

0,01

0,001

0,06

0,8

Концентрация, % об.

0,00616

0,01984

0,01413

0,07018

0,00085

0,02599

1,00481

Превышение, о. е.

0,616

1,984

2,826

7,018

0,85

0,4332

1,256

Характер

Малое содер-
жание

Высокое содер-
жание

Высокое содер-
жание

Основной газ

Малое содер-
жание

Малое содер-
жаниее

Высокое содер-
жание

Предельные значения отношений перечисленных газов ниже главной диагонали можно свести в табл. 2.
Таблица 2
Предельные значения отношений газов в масле трансформатора

Отношение газов

СH4/

C2H6/

C2H4/

C2H2/

СО/

СO2/

СО/

 

H2

H2

H2

H2

H2

H2

C2H2

Предельное значение

1,0

0,5

1,0

0,1

6,0

80,0

60,0

Отношение газов

C2П/

C2H4/

C2H2/

СО/

СO2/

C2H4/

СO2/

 

СH4

СH4

СH4

СH4

СH4

C2H6

C2H2

Предельное значение

0,5

1,0

0,1

6,0

80,0

2,0

800,0

Отношение газов

C2H2/

СО/

C2H2/

СО/

СO2/

СO2/

СO2/

 

C2H6

C2H6

C2H4

C2H4

C2H4

C2H6

СО

Предельное значение

0,2

12,0

0,1

6,0

80,0

160,0

13,333

С помощью хроматографического анализа растворенных газов в трансформаторах можно обнаружить две группы дефектов.
Группа 1. Перегревы токоведущих соединений и элементов конструкции остова. Основные газы: C2H4 – в случае нагрева масла и бумажно-масляной изоляции выше 600 °С или C2H2 – в случае перегрева масла, вызванного дуговым разрядом. Характерными газами в обоих случаях являются H2, СH4 и C2H6.
Причины перегрева токоведущих соединений:

  1. нагрев и выгорание контактов переключающих устройств;
  2. ослабление и нагрев места крепления электростатического экрана;
  3. обрыв электростатического экрана;
  4. ослабление винтов компенсаторов отводов низкого напряжения (НН);
  5. ослабление и нагрев контактных соединений отвода НН и шпильки проходного изолятора;
  6. нарушение пайки элементов обмотки;
  7. замыкание параллельных и элементарных проводников обмотки и др.

Перегрев металлических элементов конструкции остова возможен:

  1. при неудовлетворительной изоляции листов электротехнической стали;
  2. нарушении изоляции стяжных шпилек пли накладок, ярмовых балок с образованием коротко замкнутого контура;
  3. общем нагреве и недопустимых местных нагревах от магнитных полей рассеяния в ярмовых балках, бандажах, прессующих кольцах и винтах;
  4. неправильном заземлении магнитопровода;
  5. нарушении изоляции амортизаторов и шипов поддона реактора, домкратов и прессующих колец при распрессовке и др.

Группа 2. Электрические разряды в масле. Электрические разряды в масле могут быть разрядами большой и малой мощности. При частичных разрядах основным газом является H2, характерными газами с малым содержанием – СH4 и C2H2. При искровых и дуговых разрядах основными газами являются H2 или C2H2, а характерными газами с любым содержанием – СH4 и C2H4.
Превышение граничных концентраций СО и CO2 может свидетельствовать об ускоренном старении и/или увлажнении твердой изоляции. При перегревах твердой изоляции основным газом является диоксид углерода. Основные (ключевые) газы, наиболее характерные для определенного вида дефекта, перечислены ниже. Дефекты электрического характера: водород – частичные, искровые и дуговые разряды; ацетилен – электрическая дуга, искрение. Дефекты термического характера:
этилен – нагрев масла и бумажно-масляной изоляции выше 600 °С; метан – нагрев масла и бумажно-масляной изоляции в диапазоне температур (400-600) °С или нагрев масла и бумажно-масляной изоляции, сопровождающийся разрядами;
этан – нагрев масла и бумажно-масляной изоляции в диапазоне температур (300-400)°С;
оксид и диоксид углерода – нагрев твердой изоляции.
Вид и характер развивающихся дефектов определяется, кроме того, по соотношению концентраций следующих газов: H2, СH4, C2H2, C2H4 и C2H6 (табл. 3).
Таблица S
Соотношение пар растворенных в масле трансформатора газов

Соотношения пар газов

C2H2/ C2H4

СH4/ H2

C2H4/ C2H6

C2H2/ C2H6

H2/ СH4

C2H2/H2

СO2/СО

Значение

0,01211

3,2208

4,9667

0,0602

0,3105

0,1379

38,6614

При этом рекомендуется использовать такие результаты анализа растворенных газов, в которых концентрация хотя бы одного из них была больше соответствующего граничного значения в 1,5 раза. Вид развивающихся в трансформаторах дефектов (тепловой пли электрический) можно ориентировочно определить по отношению концентраций пар из четырех газов: H2, СH4, C2H2, C2H4.
Если , то прогнозируется электрический «разряд»,

а при соотношенияхвероятной причиной является
тепловой «перегрев». Если при этом концентрация СО < 0,05 % об., то прогнозируется «перегрев масла», а если концентрация СО > 0,05 % об. – «перегрев твердой изоляции».
Условия прогнозирования наличия «перегрева» и «разряда» одновременно:

или

Отношение CO2/CO дополнительно уточняет характер дефектов:

  1. если повреждением не затронута твердая изоляция, то 5 < CO2/CO < 13;
  2. если повреждением затронута твердая изоляция, то CO2/CO < 5 иди СO2/ СО> 13.

В соответствии с прогнозом хроматографического анализа по методике РД 34.46.303-00 для приведенного примера присутствуют следующие признаки:
Группа дефектности – 1 (перегрев конструкций, токоведущих соединений), да.
Группа дефектности – 2 (электрические разряды в масле), нет. Вид дефекта перегрев
Дефект электрического характера нет Дефект термического характера да Твердая изоляция затронута
Основной газ этилен
Расчетная температура в зоне нагрева 700 °С (РД34.46.302-89).
Степень точности прогноза по РД 34.46.303-00 достаточная для диагностики концентрации газов. На рис. 1, 2 приведены графики концентрации водородосодержащих и оксидных газов в относительных к предельной норме единицах для приведенного примера диагностики.

Рис. 1. Содержание растворенных в масле газовСодержание растворенных в масле газов
Горизонтальной линией обозначена граница предельного содержания растворенных в масле газов.
Графики соотношений пар растворенных в масле трансформатора газов
Рис. 2. Графики соотношений пар растворенных в масле трансформатора газов
В соответствии с новой методикой РГ СИГРЭ 15.01 отношение C2H4/C2H6 (этилен/этан) представляет собой отношение ненасыщенных углеводородов к насыщенным и выявляет термические воздействия. Обычно его значение должно быть больше единицы. Ненасыщенные углеводороды образуются главным образом при перегревах масла, что подтверждается значением анализа по C2H4.
Отношение C2H2/C2H6 считается ключевым для определения электрических разрядов. Если эта величина больше единицы, то дефект присутствует. Результаты анализа наличие электрических разрядов не подтверждают.
Если отношение H2/СH4 больше 10, то это указывает на наличие частичных разрядов в масле. Результаты анализа это явление отрицают. Значения C2H2/ H2, равные двум и более, и концентрации C2H2 не менее 0,00003 отн. ед. означают проникновение газов из РПН в общий бак. В данном случае этот процесс отсутствует.

Алексеев Б. А. Контроль состояния (диагностика) крупных силовых трансформаторов. М.: Изд- во НЦ ЭНАС, 2002. (Основное электрооборудование в энергосистемах: обзор отечественного и зарубежного опыта).

Ещё по теме:

написано в рубрике: Статьи
Метки: ,

Оставить отзыв