Раздел 2.Определение характера дефекта в силовом трансформаторе по отношению концентраций пар газов.

Лабораторная работа № 7.

Тема: «Определение состояния маслонаполненного электротехнического оборудования по результатам хроматографического анализа газов растворённых в трансформаторном масле (ХАРГ)»

Теория вопроса:

Введение

В процессе эксплуатации силовых трансформаторов трансформаторное масло выполняет функции диэлектрика и охлаждающей среды. Но у трансформаторного масла есть еще одна важная функция - оно является диагностической средой. Большинство развивающихся дефектов, приводящих в дальнейшем к повреждению оборудования, может быть своевременно выявлено контролем состояния трансформаторного масла. Развитие таких дефектов, как локальные перегревы токоведущих соединений и элементов конструкции остова, разряды в масле, искрение в контактных соединениях, загрязнение и увлажнение изоляции, попадание воздуха, окисление и старение самого масла и твердой изоляции в различной мере сказываются на изменении свойств трансформаторного масла. Таким образом не вскрывая силового трансформатора можно чётко определить его техническое состояние. К физико - химическим показателям трансформаторногомасла, которые используются для оценки состояния трансформаторов в эксплуатации относятся: кислотное число, содержание водорастворимых кислот и щелочей, влагосодержание, газосодержание масла

Хроматографический анализ газов, растворенных в масле (ХАРГ), обладает высокой чувствительностью к развивающимся дефектам в трансформаторе, связанных с такими факторами, как электрические разряды в изоляции и локальные перегревы. Применение анализа растворенных в масле газов основано на том, что при появлении местных нагревов или электрических разрядов масло и соприкасающаяся бумажная изоляция разлагаются, а образующиеся газообразные продукты растворяются в масле.

Основные (ключевые) газы - наиболее характерные для определенного вида дефекта:

Дефекты электрического характера:

водород (H₂), - частичные разряды, искровые и дуговые разряды;

ацетилен ( C₂H₂), - электрическая дуга, искровые разряды;

Дефекты термического характера:

этилен (C₂H₄), - нагрев масла и бумажно-масляной изоляции выше 600°С;

метан (CH₄), - нагрев масла и бумажно-масляной изоляции в диапазоне температур (400-600)°С или нагрев масла и бумажно-масляной изоляции, сопровождающийся разрядами;

этан (C₂H₆), - нагрев масла и бумажно-масляной изоляции в диапазоне температур (300-400)°С;

оксид и диоксид углерода (CO; СO₂) - старение и увлажнение масла и/или твердой изоляции;

диоксид углерода (СO₂) - нагрев твердой изоляции.

Содержание фурановых производных является показателем, который косвенно может свидетельствовать о деструкции бумажной изоляции. Термолиз, окисление и гидролиз изоляции, вызывая частичное разрушение макромолекул целлюлозы, приводят к образованию компонентов фуранового ряда, которые выделяются в трансформаторное масло.

Следует отметить, что такие физико-химические показатели, как кислотное число, содержание водорастворимых кислот и щелочей, влагосодержание и газосодержание масла являются традиционными в практике эксплуатации силовых трансформаторов на протяжении многих лет, а различные аспекты их применения достаточно подробно описаны в многочисленной литературе. Поэтому в дальнейшем остановимся на более подробном рассмотрении применения хроматографического анализа газов, растворенных в масле, и показателей оценки состояния бумажной изоляции маслонаполненного оборудования. В таблице № 1 приведены основные методики ХАРГ.

Таблица 1. Отношения пар характерных газов основных существующих методик ХАРГ.

 

Методика	Используемые отношения пар характерных газов
Дорненбурга	СН2/Н2,С2Н2/ С2Н4, С2Н6/ С2Н2, С2Н2// СН4
Мюллера	СН4/Н2, С2Н4/С2Н6, СО/СО2, С2Н6/С2Н2
Роджерса	СН4/Н2, С2Н2/С2Н4, С2Н4/С2Н6, С2Н6/СН4
МЭК	CH4/H2,C2H2/C2H4,C2H4 /C2H6
ВЭИ	СН4/Н2, С2Н4/СН4, С2Н6/СН4, С2Н2/С2Н4, С2Н6/С2Н2, С2Н4/С2Н6

По результатам ХАРГ оказалось, что наибольшую диагностическую ценность при определении характера развивающегося дефекта имеет методика МЭК (IЕС 60599), которая рекомендована к применению в энергетике Российской федерации. (Используется в Российской программе «Альбатрос»). С помощью ХАРГ в силовых трансформаторах можно обнаружить две группы дефектов:

- перегревы токоведущих соединений и элементов конструкции остова,

- электрические разряды в масле

Для диагностики развивающихся дефектов в силовых трансформаторах используются следующие основные критерии:

1. критерий граничных концентраций;

2. критерий отношения пар характерных газов.

3. критерий скорости нарастания газов;

Таблица № 2. Граничные концентрации растворенных в масле газов.

 

	Концентрации газов, % об.
Оборудование	Н2	СН4	С2Н2	С2Н4	С2Н6	CO	СO2
Трансформаторы напряжением 110-500 кВ	0,01	0,01	0,001	0,01	0,005	0,05* 0,06	0,6(0,2)* 0,8(0,4)
Трансформаторы напряжением 750 кВ	0,003	0,002*	0,001	0,002	0,001	0,05	0,40
Реакторы напряжением 750 кВ	0,01	0,003	0,001	0,001	0,002	0,05	0,40

Для СО - в числителе приведено значение для трансформаторов с азотной или пленочной защитами масла, в знаменателе - для трансформаторов со свободным дыханием. Для С0₂ - в числителе приведены значения для трансформаторов со свободным дыханием при сроке эксплуатации до 10 лет, в знаменателе - свыше 10 лет. В скобках приведены те же данные для трансформаторов с пленочной или азотной защитами масла.

 

Лабораторная работа № 7.

Тема: «Определение состояния маслонаполненного электротехнического оборудования по результатам хроматографического анализа газов растворённых в трансформаторном масле (ХАРГ)»

Теория вопроса:

Введение

В процессе эксплуатации силовых трансформаторов трансформаторное масло выполняет функции диэлектрика и охлаждающей среды. Но у трансформаторного масла есть еще одна важная функция - оно является диагностической средой. Большинство развивающихся дефектов, приводящих в дальнейшем к повреждению оборудования, может быть своевременно выявлено контролем состояния трансформаторного масла. Развитие таких дефектов, как локальные перегревы токоведущих соединений и элементов конструкции остова, разряды в масле, искрение в контактных соединениях, загрязнение и увлажнение изоляции, попадание воздуха, окисление и старение самого масла и твердой изоляции в различной мере сказываются на изменении свойств трансформаторного масла. Таким образом не вскрывая силового трансформатора можно чётко определить его техническое состояние. К физико - химическим показателям трансформаторногомасла, которые используются для оценки состояния трансформаторов в эксплуатации относятся: кислотное число, содержание водорастворимых кислот и щелочей, влагосодержание, газосодержание масла

Хроматографический анализ газов, растворенных в масле (ХАРГ), обладает высокой чувствительностью к развивающимся дефектам в трансформаторе, связанных с такими факторами, как электрические разряды в изоляции и локальные перегревы. Применение анализа растворенных в масле газов основано на том, что при появлении местных нагревов или электрических разрядов масло и соприкасающаяся бумажная изоляция разлагаются, а образующиеся газообразные продукты растворяются в масле.

Основные (ключевые) газы - наиболее характерные для определенного вида дефекта:

Дефекты электрического характера:

водород (H₂), - частичные разряды, искровые и дуговые разряды;

ацетилен ( C₂H₂), - электрическая дуга, искровые разряды;

Дефекты термического характера:

этилен (C₂H₄), - нагрев масла и бумажно-масляной изоляции выше 600°С;

метан (CH₄), - нагрев масла и бумажно-масляной изоляции в диапазоне температур (400-600)°С или нагрев масла и бумажно-масляной изоляции, сопровождающийся разрядами;

этан (C₂H₆), - нагрев масла и бумажно-масляной изоляции в диапазоне температур (300-400)°С;

оксид и диоксид углерода (CO; СO₂) - старение и увлажнение масла и/или твердой изоляции;

диоксид углерода (СO₂) - нагрев твердой изоляции.

Содержание фурановых производных является показателем, который косвенно может свидетельствовать о деструкции бумажной изоляции. Термолиз, окисление и гидролиз изоляции, вызывая частичное разрушение макромолекул целлюлозы, приводят к образованию компонентов фуранового ряда, которые выделяются в трансформаторное масло.

Следует отметить, что такие физико-химические показатели, как кислотное число, содержание водорастворимых кислот и щелочей, влагосодержание и газосодержание масла являются традиционными в практике эксплуатации силовых трансформаторов на протяжении многих лет, а различные аспекты их применения достаточно подробно описаны в многочисленной литературе. Поэтому в дальнейшем остановимся на более подробном рассмотрении применения хроматографического анализа газов, растворенных в масле, и показателей оценки состояния бумажной изоляции маслонаполненного оборудования. В таблице № 1 приведены основные методики ХАРГ.

Таблица 1. Отношения пар характерных газов основных существующих методик ХАРГ.

 

Методика	Используемые отношения пар характерных газов
Дорненбурга	СН2/Н2,С2Н2/ С2Н4, С2Н6/ С2Н2, С2Н2// СН4
Мюллера	СН4/Н2, С2Н4/С2Н6, СО/СО2, С2Н6/С2Н2
Роджерса	СН4/Н2, С2Н2/С2Н4, С2Н4/С2Н6, С2Н6/СН4
МЭК	CH4/H2,C2H2/C2H4,C2H4 /C2H6
ВЭИ	СН4/Н2, С2Н4/СН4, С2Н6/СН4, С2Н2/С2Н4, С2Н6/С2Н2, С2Н4/С2Н6

По результатам ХАРГ оказалось, что наибольшую диагностическую ценность при определении характера развивающегося дефекта имеет методика МЭК (IЕС 60599), которая рекомендована к применению в энергетике Российской федерации. (Используется в Российской программе «Альбатрос»). С помощью ХАРГ в силовых трансформаторах можно обнаружить две группы дефектов:

- перегревы токоведущих соединений и элементов конструкции остова,

- электрические разряды в масле

Для диагностики развивающихся дефектов в силовых трансформаторах используются следующие основные критерии:

1. критерий граничных концентраций;

2. критерий отношения пар характерных газов.

3. критерий скорости нарастания газов;

Таблица № 2. Граничные концентрации растворенных в масле газов.

 

	Концентрации газов, % об.
Оборудование	Н2	СН4	С2Н2	С2Н4	С2Н6	CO	СO2
Трансформаторы напряжением 110-500 кВ	0,01	0,01	0,001	0,01	0,005	0,05* 0,06	0,6(0,2)* 0,8(0,4)
Трансформаторы напряжением 750 кВ	0,003	0,002*	0,001	0,002	0,001	0,05	0,40
Реакторы напряжением 750 кВ	0,01	0,003	0,001	0,001	0,002	0,05	0,40

Для СО - в числителе приведено значение для трансформаторов с азотной или пленочной защитами масла, в знаменателе - для трансформаторов со свободным дыханием. Для С0₂ - в числителе приведены значения для трансформаторов со свободным дыханием при сроке эксплуатации до 10 лет, в знаменателе - свыше 10 лет. В скобках приведены те же данные для трансформаторов с пленочной или азотной защитами масла.

 

Раздел 2.Определение характера дефекта в силовом трансформаторе по отношению концентраций пар газов.

Вид и характер развивающихся в трансформаторе дефектов определяется по отношению концентраций следующих газов: Н₂, CH₄, C₂H₂, С₂Н₄ и С₂Н₆.

При этом рекомендуется выполнять повторные измерения при получении результатов ХАРГ, в которых концентрация хотя бы одного газа (из пяти, перечисленных выше газов) была больше соответствующего граничного значения в 1,5 раза.

Вид развивающихся в трансформаторах дефектов (тепловой или электрический) можно ориентировочно определить по отношению концентраций пар из четырех газов: Н₂, CH₄, C₂H₂, С₂Н₄.

Условия прогнозирования "разряда":

 

C₂H₂ / С₂Н₄ ≥ 0,1 (1) и СН₄ / Н₂ ≤0,5 (2)

 

Условия прогнозирования "перегрева":

 

C₂H₂ /С₂Н₄ < 0,1 (3) и CH₄ / Н₂ > 0,5 (4)

Если при этом концентрацияСO < 0,05% об, то прогнозируется "перегрев масла", а если концентрация С0 > 0,05% об - "перегрев твердой изоляции".

Условия прогнозирования "перегрева" и "разряда":

C₂H₂ /С₂Н₄ ≥ 0,1 (1.) и CH₄ / Н₂ > 0,5 (4.)

или

C₂H₂ /С₂Н₄ < 0,1 (1) и СН₄ / Н₂ ≤0,5 (2)

Характер развивающихся в трансформаторах дефектов определяется в соответствии с таблицей 3 по отношению концентраций пар из пяти газов: Н₂, CH₄, C₂H₂, С₂Н₄ и С₂Н_6. Отношение СО₂/СО дополнительно уточняет характер дефектов, приведенных в таблице 3:

- если повреждением не затронута твердая изоляция, то

5£СO₂/СO£13; (5)

- если повреждением затронута твердая изоляция, то

СO₂/СО < 5 или СO₂/СО > 13 (6)

При интерпретации полученных значений отношений СO₂/СО необходимо учитывать влияние эксплуатационных факторов.

Следует иметь в виду, чтоСО₂ и СО образуются в масле трансформаторов при нормальных рабочих температурах в результате естественного старения изоляции.

Таблица 3. Определение характера дефекта в трансформаторе по отношению концентраций пар газов.

 

№ п/п	Характер прогнозируемого	Отношение концентраций характерных газов	Типичные примеры
	дефекта	С2Н2 С2Н4	СН4 Н2	С2Н4 С2Н6
1.	Нормально	<0,1	0,1-1	< 1	Нормальное старение
2.	Частичные разряды с низкой плотностью энергии	<0,1	<0,1	< 1	Разряды в заполненных газом полостях, образовавшихся вследствие не полной пропитки или влажности изоляции.
3.	Частичные разряды с высокой плотностью энергии	0,1-3	<0,1	< 1	То же, что и в п.2, но ведет к оставлению следа или пробою твердой изоляции.
4.	Разряды малой мощности	>0,1	0,1-1	1-3	Непрерывное искрение в масле между соединениями различных потенциалов или плавающего потенциала. Пробой масла между твердыми материалами.
5.	Разряды большой мощности	0,1-3	0,1-1	> 3	Дуговые разряды; искрение; пробой масла между обмотками или катушками или между катушками на землю.
6.	Термический дефект низкой температуры (<150°С)	<0,1	0,1-1	1-3	Перегрев изолированного проводника.
7.	Термический дефект в диапазоне низких температур (150-300°С)	<0,1	> 1	<1	Местный перегрев сердечника из-за концентрации потока. Возрастание температуры "горячей точки".
8.	Термический дефект в диапазоне средних температур (300-700°С)	<0,1	> 1	1-3	То же, что и в п.7, но при дальнейшем повышении температуры "горячей точки".
9.	Термический дефект высокой температуры (>700°С)	<0,1	> 1	> 3	Горячая точка в сердечнике; перегрев меди из-за вихревых токов, плохих контактов; циркулирующие токи в сердечнике или баке.

Содержание СО₂ в масле зависит от срока работы трансформатора и способа защиты масла от окисления. В трансформаторах со "свободным дыханием" СO₂ может попасть в масло из воздуха приблизительно до 0,03%об.