На протяжении последних десятилетий при проведении диагностических исследований трансформаторов, обязательным становится использование хроматографического анализа масла. Прежде всего, это относится к определению наличия в нем растворенных газов.

Кто выполняет работу?

Крайне важно при этом провести правильный отбор проб, с последующей доставкой их в специализированные лаборатории для последующих испытаний. Наряду с персоналом, обслуживающим данное оборудование, такую процедуру (по забору проб) могут выполнять приглашенные специалисты. Тем более что сегодня, наряду с государственными структурами, данный вид услуг предлагают независимые компании.

Например, заключение договора на обслуживание с АНО «Центр химических экспертиз», позволит рассчитывать на своевременное проведение качественного хроматографического анализа масла.

Для чего проводятся испытания?

Это тем более важно, поскольку далеко не всегда удается получить полную и достоверную информацию путем обычных физико-химических испытаний. Зачастую только хроматография дает исчерпывающую информацию о степени и видах повреждений силового трансформатора:

• перегрев, как следствие ускорение процессов старения (относятся к дефектам твердой изоляции);
• перегревается металл, наблюдаются частичные разряды, др.

Избежать либо свести к минимуму возможность создания аварийной обстановки и призвано проведение дополнительного вида исследований хроматографического анализа масла. По его результатам станет гораздо проще выяснить причину появления дефектов, разработать своевременные, соответствующие обстановке, рекомендации по устранению.

Метод дефектоскопии, основанный на хроматографическом анализе растворенных в масле газов (ХАРГ)

Этот метод позволяет выявить дефекты в силовых трансформаторах, а также во вводах на ранней стадии развития.

Лабораторные исследования, проведенные в ряде стран, а также анализ спектра газов в трансформаторах и вводах позволили установить характеристические газы, специфичные для того или иного вида повреждения: водород (Н 2), углеводородные газы: метан (СН 4); этилен (С 2 Н 4); этан (С 2 Н 6), двуокись углерода (СО 2) и окись углерода (СО), ацетилен (С 2 Н 2). Таким образом, по характеристическим газам можно предположить вид развивающегося дефекта. Газоадсорбционная хроматография основана на разделении компонентов газовой смеси при помощи различных адсорбентов - пористых веществ с сильно развитой поверхностью.

Выделенные из масла газы обычно анализируются газовым хроматографом с детектором по теплопроводности.

Структурная схема хроматографической установки приведена на рис.3.4.

Рис.4.

1 - баллон с газом-носителем; 2 - устройство для введения пробы (дозатор); 3 - разделительная колонка; 4 - детектор; 5 - регистратор; 6 - устройство для извлечения газа из масла.

Процесс газовой хроматографии состоит из двух этапов: разделение анализируемой смеси на компоненты (качественный анализ) и определение их концентраций (количественный анализ).

Анализируемая смесь газов (проба) вводится в поток газа-носителя, который с постоянной скоростью пропускается через разделительную колонку, содержащую адсорбент. Различия в физико-химических свойствах отдельных газов смеси вызывают различия в скорости их продвижения через адсорбент (пористое вещество с сильно развитой поверхностью). Поэтому на выходе разделительной колонки будут последовательно появляться составляющие анализируемой пробы (в смеси с газом-носителем). Эти составляющие имеют различную теплопроводность, что позволяет, детектором формировать соответствующие сигналы, регистрируемые специальным устройством (обычно самопишущим потенциометром).

Последовательность (время) выхода из разделительной колонки конкретных газов известна (для данных условий анализа). Это дает информацию о составе анализируемой смеси. Для получения количественных данных интегратором определяется площадь пиков хроматограммы, которая на основании данных калибровки приводится к значениям концентрации соответствующих газов. Возможности разделения компонентов газовой смеси определяются характеристиками разделительной колонки: ее наполнителем (адсорбентом), длиной и температурным режимом.

Газ-носитель должен быть инертным по отношению к анализируемым веществам и примененным адсорбентам. Он также должен обеспечивать нормальную работу детектора.

Назначение детектора состоит в преобразовании поступающих на его вход отдельных компонентов газовой смеси в электрические сигналы, которые регистрируются на ленте электронного потенциометра в виде последовательно расположенных импульсов напряжения, получивших название хроматограммы.

Принцип действия часто применяемого детектора-катарометра основан на индикации изменения теплопроводности проходящих сквозь него газов (детектор по теплопроводности). Чувствительные элементы катарометра - резисторы расположены в камерах, по которым проходит поток газов. Два рабочих резистора обтекаются газом, выходящим из разделительной колонки; два других резистора - чистым газом-носителем. Резисторы включены в мостовую измерительную схему и нагреваются протекающим по ним током. При появлении в рабочей камере компонента анализируемой смеси, который изменяет теплопроводность газа в камере, изменяются условия теплопередачи от рабочих резисторов к ее стенке. При этом изменяются сопротивления рабочих резисторов и измерительный мост разбалансируется. Напряжение на диагонали моста, соответствующее концентрации данного компонента смеси, записывается регистратором.

Анализ извлеченной смеси газов производится по методике, определяемой типом примененного хроматографа и составом контролируемых газов. Результаты анализа регистрируются на диаграммной ленте. Состав анализируемой смеси определяется по времени и последовательности появления пиков на хроматограмме. Калибровка производится или эталонной смесью газов с известной концентрацией компонентов, или по одному газу (обычно азоту или воздуху) с соответствующим пересчетом по коэффициентам чувствительности.

Методика диагностики повреждений по хроматографическому анализу растворенных в масле газов является многокритериальной:

Если анализ газов показал состояние "опасности" или "повреждений", чаще проводится хроматографический контроль;

по характеристическим газам определяют вид развивающего дефекта;

по отношению концентраций газов этот дефект уточняется;

по скорости нарастания концентрации газов за определенный промежуток времени оценивается степень опасности развивающегося дефекта и даются рекомендации.

Преимущества метода ХАРГ: позволяет обнаружить довольно широкий класс дефектов, высокая вероятность совпадения прогнозируемого и фактического дефектов. В настоящее время применяют ХАРГ вместе с измерением tgд изоляции как основные методы диагностики вводов в процессе эксплуатации.

Недостатки: отбор масла под рабочим напряжением вводов невозможен вследствие особенностей конструкций их маслоотборных устройств. Необходимость частого отбора пробы масла неприемлема, особенно для герметичных конструкций.

Малый объем масла во вводах 110-220 кВ существенно затрудняет регулярный контроль путем отбора и анализа проб масла. Полная отдача сильфонов, компенсирующих температурное изменение объема масла в конструкциях серийных вводов 110-150 кВ, составляет 1,5-2,0 л, так что после отбора пробы (0,5 л) возникает необходимость последующего трудоемкого долива масла и соответствующего дорогостоящего приспособления. Характеристика пробы масла не всегда соответствует его фактическому состоянию в оборудовании, поскольку часть примесей может не попадать в пробу.

Методика выделения газов существенно влияет на точность определения концентраций контролируемых газов. Расхождения в методике выделения нередко являются причиной значительных расхождений в результатах анализа, проведенных в разных лабораториях. Кроме того, газосодержание масла конкретного ввода и скорость его изменения зависят от большого количества факторов. К ним относятся различия конструктивных материалов, режимы нагрузки, класс напряжения и т.п. Поэтому к граничным нормам следует относиться как к величине, отражающей компромисс между желанием выявить дефекты и затратами на контроль. Высокая чувствительность метода ХАРГ увеличивает вероятность ложной отбраковки, т.к. с учетом сравнительно небольшого объема масла во вводе, позволяет обнаружить дефект, который из-за малого его развития может и не приводить к аварийному повреждению ввода.

Эффективность контроля при этом в значительной мере определяется опытом персонала. Так, в частности, нормальное состояние ввода можно констатировать и в случае превышения нормы концентрации ряда газов, если скорости изменения этих концентраций малы. Однако при скорости изменения концентрации, превышающей нормированную предельную, малое абсолютное превышение концентрации не может быть признаком отсутствия дефекта.

Необходимо также отметить о сложности и высокой стоимости хроматогра-фической установки и трудности ее наладки и освоения.

Непрерывный мониторинг технического состояния силовых трансформаторов по всем ключевым параметрам включает в себя контроль:

• нагрузки по току;
• уровня масла, а также его температуры;
• температуры обмотки;
• сигнализации и др.

Предлагаемые системы мониторинга трансформаторов могут работать как в автономном режиме, так и с интеграцией в АСУТП предприятия. Оперативная работа с архивами и динамический анализ данных позволяют оптимизировать нагрузку и продлить срок службы энергетического оборудования.

Мы предлагаем внедрение следующих систем мониторинга:

• Qualitrol 509 серии ITM (контроль состояния масляных трансформаторов);
• 118 ITM (непрерывное наблюдение за «сухими» силовыми установками);
• 506 VTM/507 ITM (дистанционная регистрация параметров фиксированного оборудования);
• T/Guard 408 (оптоволоконная система контроля температуры силовых установок посредством специальных датчиков).

Хроматографический анализ трансформаторного масла

Исследование трансформаторного масла на наличие растворенных газов также является одним из ключевых параметров контроля состояния силовых маслонаполненных трансформаторов. По присутствию растворенных опасных газов и их концентрации можно на ранней стадии выявить неисправности конструктивных узлов маслонаполненных трансформаторов и шунтирующих реакторов.

Наиболее востребованным методом непрерывной диагностики является хроматографический онлайн-анализ растворенных газов в трансформаторном масле. В линейке продукции «БО-ЭНЕРГО» представлены поточные онлайн-хроматографы «Серверон», контролирующие от 2 до 8 ключевых газов, изготовленные в соответствии с ТУ-4215-001-70110824-2014 и внесенные в Государственный реестр средств измерений (свидетельство № US.C.31.004.A №56677.

Какие дефекты выявляются хроматографическим анализом трансформаторного масла?

Состояние оборудования оценивается по наличию газов, их концентрации и по скорости ее роста. Если в исследуемой жидкости присутствует водород (H₂), то вероятны дефекты электрического характера, а именно - дуговые и искровые разряды.

Избыток этана (C₂H₆) свидетельствует о появлении термических неисправностей, например, о нагреве изоляции до +300…+400°C. Наличие метана (CH₄) в охлаждающей жидкости сигнализирует о более высокой температуре - до +600°C. Если по результатам мониторинга в трансформаторном масле обнаружен газ этилен (C₂H₄), то перегрев сильный, выше +600 °C.

Присутствие растворенного ацетилена (С₂Н₂) свидетельствует о регулярно возникающем искрении и проскакивающей электрической дуге. Причиной может быть нарушение изоляции стяжных шпилек, листов технической стали или некорректное заземление магнитопровода.

Если в исследуемой жидкости выявлено присутствие СО или СО₂, то это сигнал об ускоренном старении или увлажнении твердой электрической изоляции.

Для силовых агрегатов мощностью свыше 110 кВт хроматографический анализ трансформаторного масла рекомендуется проводить не реже 1 раза в полгода. Наличие специальных вводов дает возможность брать пробы без остановки оборудования.

Диагностика силовых трансформаторов

Рассматриваемые технологии, включая хроматографический анализ трансформаторного масла онлайн, являются неразрушающими методами контроля состояния энергетического оборудования.

Диагностика силовых трансформаторов по такой методике обеспечивает следующие преимущества:

• оценку технического состояния без вывода из эксплуатации;
• выявление неисправностей на ранних стадиях;
• наблюдение за всеми процессами внутри системы;
• определение оптимальных сроков ремонта.

Трансформаторы напряжением 110 кВ мощностью менее 60 МВА и блочные трансформаторы собственных нужд - через 6 мес. после включения и далее не реже 1 раза в 6 мес.;

Трансформаторы напряжением 110 кВ мощностью 60 МВА и более, а также все трансформаторы 220 - 500 кВ в течение первых суток, через 1, 3 и 6 мес. после включения и далее - не реже 1 раз в 6 мес.

Трансформаторы напряжением 750 кВ - в течение первых суток, через 2 недели, 1, 3 и 6 месяцев после включения и далее - не реже 1 раза в 6 мес.

Периодичность ХАРГ для трансформаторов с развивающимися дефектами определяется динамикой изменения концентраций газов и продолжительностью развития дефектов. Все дефекты в зависимости от продолжительности развития можно подразделить на:

мгновенно развивающиеся дефекты - продолжительность развития которых имеет порядок от долей секунды до минут,

быстро развивающиеся дефекты - продолжительность развития которых имеет порядок от часов до недель,

медленно развивающиеся дефекты - продолжительность развития которых имеет порядок от месяцев до нескольких лет.

Методом хроматографического анализа растворенных в масле газов обнаруживаются медленно развивающиеся дефекты, возможно - быстро развивающиеся дефекты и нельзя определить мгновенно развивающиеся дефекты.

В случае выявления дефекта (A i >A г pi . и/или V отн i > 10% в мес.) необходимо выполнить 2-3 повторных анализа растворенных газов (с периодичностью анализов, указанных в Разделе 3) для подтверждения вида и характера дефекта и принятия решения о дальнейшей эксплуатации трансформатора и/или выводе его из работы. Где A г pi .- граничная концентрация i -го газа, %об; A i - измеренное значение концентрации i -го газа, %об;

Минимальное время повторного отбора пробы масла (T id) для проведения анализа можно рассчитать по формуле:

Т id = β * М А i / V абс i (9)

Где β -коэффициент кратности последовательных измерений (принимать b = 5); М А i - предел обнаружения в масле i -го газа, %об;

Предел обнаружения определяемых в масле газов (М А i) должен быть не выше:

Для водорода - 0,0005 %об.

Для метана, этилена, этана - 0,0001 %об.

Для ацетилена - 0,00005 %об.

Для оксида и диоксида углерода - 0,002 %об.

(Методические указания для проведения лабораторных и контрольных работ по ХАРГ)

5.1. Если в результате анализа А i

5.2. Если в результате анализа A i >A г pi и V отн i < 10%в месяц, то провести повторный отбор пробы масла и хроматографический анализ растворенных в нем газов для подтверждения результатов измерения и соответственно:

5.6. Если после проведения дегазации концентрации газов меньше соответствующих граничных значений и не увеличиваются, то это свидетельствует об отсутствии повреждения. Такой трансформатор снимается с контроля, и дальнейшая периодичность отбора проб масла устанавливается один раз в 6 мес.

5.7. Если же после проведения дегазации масла вновь наблюдается рост концентрации растворенных газов при повторных ХАРГ со скоростью:

V отн i >10% в месяц, то следует планировать вывод трансформатора из работы;

V отн i <10% в месяц, то трансформатор остается в работе на учащённом контроле по АРГ.

5.8 Если A i >A rpi и V отн i ≤ 0, то следует проверить влияние эксплуатационных факторов согласно Раздела 4 и при их отсутствии можно предположить, что дефект развивается "вглубь" (выгорание контактов переключающих устройств, листов магнитопровода, металлических шпилек и т.д.). В этом случае необходимо планировать вывод трансформатора из работы.

Для РПН в навесных баках в целях определения возможного перетока газов вследствие нарушения герметичности между баками контактора и трансформатора необходимо отобрать одновременно пробу масла из баков контактора и трансформатора. Примеры решения задач по результатам ХАРГ представлены в Приложении 1.