Краткие теоретические сведения. Хроматографический анализ масла

При возникновении дефектов в маслонаполненной изоляции происходит изменение физических характеристик и химического состава масла. Обширные дефекты в такой изоляции могут быть выявлены при проведении общего химического анализа нефтяного масла или измерении его электрической прочности и tg . Наименьшие допустимые значения пробивного напряжения масла в стандартном разряднике составляют 20 кВ для оборудования до 35 кВ и 35 кВ для оборудования до 220 кВ.

В последнее время все более широкое распространение находит методика выявления повреждений в силовых трансформаторах по результатам анализа растворенных в масле газов. Идея метода основана на предположении, что повреждение в трансформаторе сопровождается выделением различных газов, отсутствующих в масле при нормальной работе. Эти газы первоначально растворяются в масле и в газовое реле трансформатора практически не попадают. Выделив эти газы из масла и проведя их анализ, можно обнаружить повреждения на разной стадии их возникновения.

Отбор масла из работающего трансформатора производится специальными маслоотборниками поршневого типа таким образом, чтобы исключалось его соприкосновение с окружающей воздушной средой для предотвращения неконтролируемых потерь растворенных в масле газов в процессе отбора. Масло помещается в замкнутый объем, и газ над поверхностью масла подвергается анализу на хроматографе.

Необходимость выявления дефекта на ранних стадиях его развития требует обработки данных хроматографического анализа. Оценка состояния маслонаполненного оборудования осуществляется, как правило, на базе четырех критериев.

5.1.1Критерий предельных концентраций

Предельные концентрации устанавливаются путем статистической обработки результатов анализа и корректируются не более одного раза в 3 года. Накопленный опыт позволяет определить достаточно устойчивую зависимость значений предельных концентраций от класса напряжений, конструктивных особенностей и сроков эксплуатации. Превышение предельных концентраций определяет переход к более учащенному контролю, расширению применяемых методов диагностики и тщательному учету условий эксплуатации между отборами проб масла. При этом определяют концентрации водорода Н₂, метана СН₄, этилена С₂Н₄ этана С₂Н₆, ацетилена С₂Н₂, окиси и двуокиси углерода СО, СО₂ и других газов. Сильные повреждения изоляции, сопровождающиеся резким выделением большого количества газа и вызывающие срабатывание газового реле, характеризуются высоким содержанием водорода и ацетилена и обычно сопровождаются наличием углекислого газа. Относительно большая концентрация насыщенных и ненасыщенных углеводородов (но не ацетилена) в сочетании с небольшим процентом водорода указывает на тепловое разложение масла вследствие перегрева металлических частей; если присутствует заметное количество СО и СО₂, то это означает, что происходит разложение целлюлозы; резкое увеличение СО₂ и Н₂ может говорить о сильном локальном перегреве, сопровождающемся обугливанием масла.

Если количества СО₂ в 10…20 раз больше, чем СО при отсутствии других газообразных продуктов разложения, то причиной является термическое разложение целлюлозы. При высоких температурах обнаруживается небольшое количество водорода, а содержание кислорода заметно снижено. Наличие водорода и небольшого количества этилена и СО₂ показательно для частичных разрядов. В случае слабого искрения обнаруживается небольшое количество ацетилена. Присутствие ацетилена говорит о развивающемся повреждении внутри трансформатора, который должен быть выведен из эксплуатации и тщательно осмотрен.

5.1.2 Критерий скорости нарастания концентраций газов

Если прирост содержания газов составляет более 10% в месяц, трансформатор ставится на учащенный контроль даже в том случае, если не превышены предельные концентрации. Достоверность оценки состояния с помощью этого критерия значительно выше по углеводородным газом и СО, чем по водороду и оксиду углерода, потери которых в пробе масла при некоторых условиях соизмеримы с численным значением этого критерия.

5.1.3 Критерий отношений концентраций газов

Критерий основан на использовании 3-х отношений пар газов: С₂Н₂/С₂Н₄, СН₄/Н₂ и С₂Н₄/ С₂Н₆. Например, выполнение условия С₂Н₂/ С₂Н₄<<0,1 и условия СН₄/Н₂>1 надежно указывает на дефект термического характера, а отношение С₂Н₄/ С₂Н₆ характеризует температуру перегрева. Наиболее частыми причинами возникновения указанных отношений являются: возникновение нарушений в изоляции трансформаторного железа, нагрев и выгорание контактов РПН, нарушение изоляции стяжных шпилек и ярмовых балок с образованием короткозамкнутого контура, нагрев контактов соединений отводов НН. Другим способом диагностики является построение диаграмм состояния, форма которых связана с определенным видом дефекта. При построении таких диаграмм на оси ординат откладывается отношение измеренной концентрации газовой компоненты А_i к максимальной концентрации одного из пяти газов А _max, а на оси абсцисс – газовые компоненты в следующей последовательности: Н₂, СН₄, С₂Н₆, С₂Н₄, С₂Н₂. Так, например, по двухпиковой форме диаграммы состояния можно диагностировать перегревы контактных соединений, что неоднократно подтверждалось при внутренних осмотрах трансформаторов.

5.1.4 Критерий равновесия

Используется в случаях срабатывания газовой защиты. Он основан на сопоставлении результатов анализа масла из газового реле и из пробы. На базе этого критерия неоднократно давались заключения о возможности включения трансформаторов в работу, в частности, безошибочно определялся дефект электрического характера, когда повторное включение трансформатора могло бы привести к увеличению очага повреждения.

Основными ограничениями применения сформулированных критериев является необходимость создания алгоритмов, которые бы явились основой автоматизированных систем оценки состояния.Перечисленные критерии оценки трансформаторов определяют перечень признаков, которые могут быть представлены в виде кодированной последовательности, несущей информацию о конкретном событии.

При отсутствии дефектов (в нормальном режиме работы) концентрацию каждого из газов в каждом последующем анализе целесообразно представить в виде суммы нескольких компонент: концентрацией, полученной в предыдущем анализе, и приращением (вариацией) концентрации. При этом приращение может быть как положительным (обусловленным нормальным старением), так и отрицательным – в случае преобладания диффузии газов из масла в атмосферу. Еще одним слагаемым вариации концентраций газов является суммарная погрешность методики проведения хроматографического анализа (ошибки при отборе пробы, изменение концентраций газов при транспортировке, систематические и случайные погрешности методики проведения анализа и т.п.).

Таким образом, значения концентраций газов, получаемых в результате хроматографического анализа, есть сумма нескольких составляющих, часть из которых чисто случайные величины. Результирующее значение, следовательно, также будет случайной величиной.

При возникновении дефекта общую концентрацию газа необходимо представить в виде суммы следующих компонент:

- концентрация газа, измеренная в предыдущем анализе (фоновая компонента);

- приращение концентраций в безаварийном режиме до момента начала развития дефекта (шумовая компонента). Является суммой прироста концентрации газа в безаварийном режиме и суммарной погрешности методики хроматографического анализа;

- приращение концентрации газа, обусловленное собственно дефектом (сигнальная компонента).

Далее сумму первых двух компонент будем обозначать как помеховую составляющую концентрации газа, полученную в результате хроматогра-фического анализа.

Сигнал в общем случае появляется (дефект начинает развиваться) в промежутке между отборами проб. При наличии дефекта соотношение шумовой и сигнальной составляющих определяется степенью повреждения и длительностью его существования.

Таким образом, приращения концентрации газов, обусловленные дефектом, маскируются помеховой компонентой, что не позволяет однозначно обнаружить дефект, особенно на ранних стадиях его развития, и приводит к ошибочным решениям.

Рассмотренный случай является классической ситуацией для теории распознавания, применение которой позволяет обеспечить обоснованное принятие решений с заранее заданными вероятностями ошибок в обстановке с нечеткими исходными условиями. Исследование хроматографического анализа масла производится на приборе – хроматограф.