Контроль состояния трансформаторного масла методами спектроскопии в видимой и инфракрасной областях

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, объёмной 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 напряженности 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.

2. Исследовать взаимосвязь между тангенсом угла диэлектрических потерь и параметрами спектральной характеристики трансформаторного масла.

3. Разработать метод преобразования спектральных характеристик для исключения влияния фонового поглощения в начальной части спектра.

4. Исследовать спектральные свойства индивидуальных углеводородов для определения структурно-группового состава трансформаторного масла.

5. Разработать экспресс-метод определения процентного содержания ионола по спектру пропускания концентрированного раствора трансформаторного масла, используемого для ввода антиокислительной 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:

1. Впервые разработан способ эксплуатационного контроля состояния трансформаторных масел методами оптической спектроскопии путем определения спектральной 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.

2. Впервые установлена корреляционная связь между тангенсом угла диэлектрических потерь и длиной волны отсечки спектральной характеристики для эксплуатационных трансформаторных масел.

3. Предложена усовершенствованная методика аппроксимации и преобразования спектральных характеристик для исключения влияния фонового поглощения дисперсных частиц на полосы поглощения углеводородных составляющих трансформаторного масла.

4. Разработан новый метод определения составляющих структурно-группового состава на основании данных об оптической плотности метиленовых (нафтеновых), метальных (парафиновых) и ароматических групп по пробам масла, разбавленных бензолом.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Получен градуировочный график для определения процентного содержания ионола по спектру оптического пропускания концентрированного раствора ионола в масле, удобный для применения в практике эксплуатации.

2. Предложена методика контроля глубины регенерации трансформаторного масла по показателю длины волны отсечки спектральной характеристики.

3. Предложена методика контроля характеристик трансформаторного масла в процессе ремонта трансформатора на основе разностных спектрограмм, полученных на каждой стадии процесса регенерации.

4. 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.

5. 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.

2. Способ аппроксимации спектра поглощения трансформаторного масла степенной функцией, аргументом которой является отношение длины волны к длине волны отсечки (Х, 0) спектральной характеристики, позволяющий достичь максимального приближения к исходному спектру.

3. 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.

4. 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 пропусканияспособ аппроксимации спектра поглощения трансформаторного масла степенной функцией, аргументом которой является отношение длины волны к длине волны отсечки (А, 0) спектральной характеристики, позволяющий достичь максимального приближения к исходному спектруметод определения структурно-группового состава на основании данных об оптической плотности метиленовых (нафтеновых), метальных (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 таблицбиблиографический список включает 102 наименования.

Выводы.

1. Предложен экспресс-метод определения процентного содержания ионола по спектру пропускания концентрированного раствора трансформаторного масла, используемого для ввода антиокислительной присадки в бак трансформатора.

2. Получено уравнение, выражающее зависимость концентрации ионола в трансформаторном масле от значения разности спектра пропускания *ионола,%=0,6838-(1Г. Получено градуировочное уравнение для определения концентрации ионола по результатам измерений разницы оптических плотностей сШ959, ^иопола,%=1 57,27' (Ш959.

3. Предложена методика определения ароматических углеводородов в трансформаторном масле методом добавок, как наиболее перспективная методика экспресс контроля эксплуатационных параметров масла.

4. Предложена методика эксплуатационного контроля содержания окисленных форм, пригодная к использованию в течение всего периода срока эксплуатации маслонаполненнош оборудования.

5. Предложена методика контроля глубины регенерации трансформаторного масла по показателю длины волны отсечки спектральной характеристики, пригодная для оперативного контроля качества очистки масла в процессе его регенерации.

6. Предложена методика контроля характеристик трансформаторного масла в процессе ремонта трансформатора на основе разностных спектрограмм, полученных на каждой стадии процесса регенерации, позволяющая выявить малые изменения структурного состава трансформаторного масла при регенерации и могущая служить документальным подтверждением качества проведенных работ.

7. Использование спектральных методов контроля качества трансформаторного масла позволило выявить отклонения в технологии введения ионола в трансформаторное масло, что привело к потере части стабилизирующей способности присадки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные научные и практические результаты диссертации состоят в следующем:

1. Оценка спектров трансформаторных масел может быть по выполнена с помощью касательной, к спектральной характеристике в зоне пропускания, представляемой уравнением Т=А Х-В. При этом, масло характеризуется двумя параметрами: тангенсом угла наклона касательной к оси X, tg а=А и длиной волны отсечки Хо=В/А, что позволяет оперативно выявлять малейшие изменения, происходящие в масле.

2. Основной причиной, определяющей рост тангенса угла диэлектрических потерь и смещение границы, отделяющей зону полного поглощения от зоны пропускания в длинноволновую область, является формирование мицеллярных нанофаз. По результатам практических измерений выявлена корреляционная связь между тангенсом угла диэлектрических потерь и длиной волны отсечки, спектральных характеристик эксплуатационных масел вида.

8 (?1о)=0,104-^ - 48,02, коэффициент корреляции 7?=0,98.

3. Уменьшение коэффициента пропускания трансформаторного масла в диапазоне длин волн более 550 нм свидетельствует о наличии дуговых разрядов в маслонаполненном оборудовании.

4. Предложена в качестве аппроксимирующей, степенная функция вида Е>а (Х)=Сэ (У КТ, аргументом которой является отношение длины волны к длине волны отсечки (Хо) спектральной характеристики, позволяющий достичь максимального приближения к исходному спектру.

Разработана методика преобразования спектров, позволяющая исключить влияние фонового поглощения дисперсных частиц, тренда нулевой линии при вычислении количественных характеристик ароматических, парафиновых и нафтеновых компонент трансформаторного масла.

5. Предложено упрощенное аппроксимирующее уравнение полосы поглощения «левого» плеча полосы поглощения группы СНъ, для выделения амплитуды полосы поглощения ароматических углеводородов.

6. Разработана методика для определения составляющих структурно-группового состава на основании данных об оптической плотности метиленовых групп (СН2) по полосе поглощения 929 нм, метальных групп (СЩ) по полосе поглощения 916 нм, и ароматических групп (СН) по полосе поглощения 874 нм, полученных для трех проб масла, связывающих функцию отклика с факторами позволяющими сформировать систему линейных уравнений для определения составляющих структурно-группового состава. Полученная на основе метода планирования экспериментов математическое описание процесса является открытой формой для расширения количества входящих в нее элементов структурно-группового состава.

7. Предложен экспресс-метод определения процентного содержания ионола по спектру пропускания концентрированного раствора трансформаторного масла, используемого для ввода антиокислительной присадки в бак трансформатора.

8. Определена зависимость концентрации ионола в трансформаторном масле от значения разности спектра пропускания в виде АГионола5о/о=0,683 8 -&-Т. Получено градуировочное уравнение для определения концентрации ионола по результатам измерений разницы оптических плотностей сШ959 ионола,%=157,27- (Ш959.

9. Предложена методика определения ароматических углеводородов в трансформаторном масле методом добавок, как наиболее перспективная методика экспресс контроля эксплуатационных параметров масла.

10. Предложена методика эксплуатационного контроля содержания окисленных форм пригодная к использованию в течение всего периода срока эксплуатации маслонаполненнош оборудования.

11. Предложена методика контроля глубины регенерации трансформаторного масла по показателю длины волны отсечки спектральной характеристики, пригодная для оперативного контроля качества очистки масла в процессе его регенерации.

12. Предложена методика контроля характеристик трансформаторного масла в процессе ремонта трансформатора на основе разностных спектрограмм, полученных на каждой стадии процесса регенерации, позволяющая выявить малые изменения структурного состава трансформаторного масла при регенерации и могущая служить документальным подтверждением качества проведенных работ.

Результаты теоретических и практических исследований, полученные в настоящей работе, показывают перспективность организации системы мониторинга качества трансформаторного масла, в виде спектральных характеристик, как своеобразного отпечатка образа характеризующего индивидуальные особенности трансформаторного масла.

Спектральная характеристика создает документальное подтверждение, удостоверяя состояние трансформаторного масла на каждом этапе эксплуатации, ремонта трансформатора, с полным, на сколько это возможно, исключением влияния человеческого и технологического факторов.

Проведение дальнейших исследований с целью создания базы спектрограмм трансформаторных масел позволит создать эффективную методику оценки их эксплуатационного состояния.

В заключении, я хочу поблагодарить моего научного руководителя Козлова Владимира Константиновича за оказанное терпение, руководство и постоянное внимание к работе.