УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА ГАЗОВ В ТРАНСФОРМАТОРНОМ МАСЛЕ
FACILITY FOR ANALYSIS OF GASES IN TRANSFORMER OIL

Изобретение относится к устройствам для анализа содержания газов в маслонаполненном оборудовании, в частности в трансфоматорах.
Известны различные устройства диагностики трансформаторов посредством анализа данных, полученных с датчиков температуры, уровня масла, давления (см. «Силовые трансформаторы», Энергоатомиздат, 2004 г., стр.428-430).
Однако при такой оценке состояния оборудования невозможно быстро и четко определить момент возникновения опасной ситуации при эксплуатации трансформатора, что может привести к выходу его из строя и возникновению аварии.
Наиболее близким к предложенному является устройство для анализа газов, растворенных в трансформаторном масле, описанное в патенте US 2005/0086998 А1, МКИ G01N 7/00, которое содержит устройство для отбора проб газов, растворенных в трансформаторном масле, где газы диффундируют через полимерную мембрану и попадают на газоанализатор, а затем, после обработки и формирования сигнала, в микропроцессор, который анализирует ситуацию и выдает сигнал в блок индикации.
Недостатком известного устройства является то, что скорость диффузии разных газов через полимерную мембрану различна, а это искажает истинную картину концентраций различных газов, растворенных в трансформаторном масле, а следовательно, не позволяет достичь высокой точности измерения. Кроме того, известная одноканальная схема формирования сигнала не позволяет исключить шумовую составляющую в составе анализируемого сигнала, что также снижает точность измерения.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности и достоверности измерений.
Указанная техническая задача достигается тем, что в устройстве для анализа газов в трансформаторном масле, содержащем блок отбора проб газов, контактирующий с анализируемым трансформаторным маслом и с газоанализатором, перед которым расположен блок прокачки газа, а выход газоанализатора соединен со входом блока обработки и формирования сигнала, содержащий аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен со входом блока вычисления концентрации анализируемого газа, соединенного с блоком индикации и блоком управления, устройство для анализа газов в трансформаторном масле снабжено, по крайней мере, одним дополнительным анализатором газа, а блок отбора проб газов выполнен в виде, по крайней мере, двух петель из политетрафторэтиленовых капиллярных трубок, которые контактируют с соответствующим газоанализатором, а поверхность петель имеет возможность контакта с анализируемым трансформаторным маслом, блок прокачки газа выполнен в виде, по крайней мере, двух реверсивных насосов, один входной канал каждого из которых контактирует с анализируемой газовой смесью на выходе капилляров блока отбора проб газа, а второй - с атмосферным воздухом, а электрический вход соединен с блоком управления, блок обработки и формирования сигнала содержит, по крайней мере, два идентичных канала, состоящих из блока памяти концентрации анализируемого газа, блока памяти электрического сигнала от атмосферного воздуха, блока вычитания и аналого-цифрового преобразователя, при этом первые входы обоих блоков памяти соединены с выходом анализатора газа, вторые - с выходом блока управления, а выходы - с соответствующими входами блока вычитания, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, кроме этого, в качестве газоанализатора по крайней мере в одном канале используют сенсор на основе структуры металл/диэлектрик/полупроводник с дополнительным слоем из протонпроводящего твердого электролита, а в другом - полупроводниковый или электрохимический сенсор.
Предложенное устройство поясняется чертежами. На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для анализа газов в трансформаторном масле. Она содержит:
1. Блок отбора проб газов.
2
2. Канал смеси воздуха и водорода (Н).
3. Канал смеси воздуха и оксида углерода (СО).
4. Канал воздуха без присутствия водорода и СО.
5. Блок реверсивных насосов.
6. Анализатор газа (сенсор) (преобразователь воздуха в электрический сигнал).
7. Анализатор газа (сенсор) (преобразователь воздуха в электрический сигнал).
8. Блок обработки и формирования сигнала.
9. Блок памяти электрического сигнала смеси воздуха и водорода.
10. Блок памяти электрического сигнала воздуха без присутствия водорода.
11. Блок памяти электрического сигнала смеси воздуха и СО.
12. Блок памяти электрического сигнала воздуха без присутствия СО.
13. Схема сравнения (блок выделения сигнала водорода).
14. Схема сравнения (блок выделения сигнала СО).
15. Блок управления (управляет реверсом насоса и порядком работы блоков памяти для запоминания того или иного сигнала).
16. АЦП (аналого-цифровой преобразователь канала водорода).
17. АЦП (аналого-цифровой преобразователь канала СО).
18. Вычислитель.
19. Исполнительное устройство (сигнализатор или что-либо иное).
2
Представленная на фиг.1 блок-схема соответствует выполнению устройства в случае анализа двух газов - водорода (Н) и оксида углерода (СО). Принципиально предложенная схема может содержать и один канал измерения, однако точность и достоверность такой схемы невелики. Возможна также и трех- и более канальная схема, но в таком случае возрастает техническая сложность ее реализации. Поэтому на чертеже представлен наиболее перспективный случай выполнения устройства - двухканальная схема устройства для анализа газов. При этом для характеристики ситуации предлагается проводить анализ по двум наиболее характерным газам - водороду и оксиду углерода, выделяющимся на ранней стадии процесса термодеструкции (разложения от повышенной температуры) масла, что позволит предотвратить развитие опасной ситуации.
2
На фиг.2 приведен пример конструктивного выполнения блока отбора проб газов 1 в случае анализа ситуации по двум газам, например водороду (Н) и оксиду углерода (СО), совмещенного с реверсивными насосами (позиция 5 на фиг.1) и анализаторами газа (сенсорами, позиция 6 и 7 на фиг.1). Устройство содержит корпус 20, закрываемый крышкой 21, в котором размещены реверсивные насосы 22 (позиция 5 на фиг.1), анализатор газа водорода 23 (сенсор, позиция 6 на фиг.1), анализатор газа оксида углерода 24 (сенсор, позиция 7 на фиг.1), выходные штуцеры 25, входные фильтры 26, разделительная прокладка 27, уплотнительная втулка 28, резиновые прокладки 29, капилляр для диффузного водорода 30, капилляр для диффузного углерода 31, втулка 32, винты 33. Втулка 32 ввинчивается в стандартный полуторадюймовый отвод на трансформаторе.
Устройство работает следующим образом.
2
При помощи блока отбора проб газа 1 на анализатор газа 6 (сенсор) посредством реверсивных насосов 5 через каналы 2 и 3 (см. фиг.1) по команде с блока управления 15 попеременно подается то смесь воздуха с водородом (Н) по каналу 2, то чистый атмосферный воздух. На анализатор газа 7 (сенсор) аналогично подается поочередно смесь воздуха с оксидом углерода, выделенная в блоке отбора проб газов 1, либо атмосферный воздух. Электрический отклик газовых анализаторов 6 и 7 (сенсоров) на эти сигналы запоминается по команде с блока управления 15 в блоках памяти 9 и 10, 11 и 12. Причем в блоках 9 и 11 запоминаются сигналы от смеси воздуха с газом, а в блоках 10 и 12 - сигналы от атмосферного воздуха без газа. В блоках вычитания 13 и 14 эти сигналы вычитаются, и на выходе блоков вычитания 13 и 14 мы имеем полезный сигнал, свободный от шумовой составляющей, которую дает атмосферный воздух. После преобразования в аналого-цифровых преобразователях полезный сигнал подается на вход блока вычисления концентрации газа 18, и результат отображается на исполнительном устройстве 19, в качестве которого может использоваться как пассивное устройство отображения информации (дисплей), так и активное сигнальное устройство оповещения об опасной ситуации.
Отбор проб газа производится при помощи блока отбора проб газа 1 (см. фиг.1), конструктивное выполнение которого совместно с блоком прокачки газа, выполненным в виде реверсивных насосов 5 (фиг.1) (на фиг.2 позиция 22), и анализаторами газа (сенсоры) (позиции 6 и 7 на фиг.1 или позиции 23, 24 на фиг.2). При этом внешнюю сторону проточных политетрафторэтиленовых трубок 30 и 31 обтекает поток масла с растворенным газом, а по внутренней стороне проходит поток воздуха с известным расходом, продуваемым реверсивными насосами через входные фильтры 26.
За счет разницы концентраций на внешней и внутренней стороне стенок капиллярных трубок газы из масляной среды переходят в воздушную внутреннюю и выносятся принудительным потоком воздуха из блока отбора проб газа. Градиент концентрации между масляной средой и внутренней средой трубки сохраняется благодаря постоянному уносу газа из внутренней части трубки. Параметры трубки -длина и толщина стенок - рассчитываются исходя из условий оптимального проникновения конкретного анализируемого газа. Для увеличения объема газа, поступающего из внешней масляной среды, количество и длину капиллярных трубок можно увеличивать.
Поясним, каким образом вычисляется количество газа, прошедшего через каждую капиллярную трубку.
1. Коэффициент диффузионной проницаемости Р для полимерной разделительной мембраны определяется по формуле:
3
2
где Р - коэффициент диффузионной проницаемости, см×см/МПа×см×с;
Δр - упругость паров вещества при температуре диффузии, МПа;
3
Q - количество газа или паров, см;
х - толщина мембраны, см;
t - время диффузии, с;
2
S - площадь поверхности разделяющей мембраны, см.
В качестве разделяющей мембраны используется трубка ТФ-4СК (фторопласт).
Некоторые экспериментально полученные для фторопласта данные о коэффициенте
газопроницаемости легких газов представлены в таблице 1.
Таблица 1
Коэффициент диффузионной проницаемости Р×10<sup>-7</sup> см<sup>3</sup>см/см<sup>2</sup>сМПа, экспериментальные данные
Материал
O<sub>2</sub>
N<sub>2</sub>
Н<sub>2</sub>
СО
СН<sub>4</sub>
Фторопласт
6,4
2,3
17,0
1,0
1,3
2. Материал капилляра - трубка катионообменная ТФ-4СК (ОАО «Пластополимер», г. Санкт-Петербург).
Основные характеристики трубки ТФ-4СК приведены в таблице 2.
Таблица 2
№ п.п.
Наименование показателя
Фактическое значение показателя
1
Диаметр внутренний, мм
0,65±0,10
2
Толщина стенки, мм
0,15±0,05
3
Полная обменная емкость по
0,85
иону водорода, мг-экв/г
3. Длина капилляра-мембраны
Ограничение длины капилляра-мембраны связано с ростом концентрации азота и кислорода в трансформаторном масле за счет диффузии компонентов воздуха через стенки капилляра.
В соответствии с законом Фика скорость диффузии вещества через разделительную полимерную мембрану (капилляр) рассчитывается исходя из уравнения (1):
м
м
-5
Исходя из принятого нижнего значения количество воздуха в трансформаторе с объемом масла V может увеличиваться со скоростью 0,1 V л/год или 0,315×10 мл/с. Учитывая, что парциальное давление основных компонентов, входящих в состав воздуха, составляет  =0,078 МПа и =0,021 МПа, рассчитываем скорость потока воздуха через капилляр:
Из (3) вычисляем максимально возможное соотношение S/x
3
2
где Р - коэффициент диффузионной проницаемости (смсм/смсМПа);
м
3
V - объем масла в трансформаторе (м).
Отношение S/Vx - является геометрической характеристикой капилляра и зависит, как видно из (5) и (6), только от d - внутреннего диаметра капилляра, и х - толщины стенки капилляра.
м
Рассчитаем оптимальную длину капилляра из трубки ТФ-4СК для объема масла в трансформаторе V.
2
2
S=0015 см×10,04 см/см=0,15 см,
из (5) определяем длину капилляра
L=S/π×d=0,15/3,14×0,065=0,73 см.
Степень наполнения капилляра веществом определяется соотношением PS/(Vx).
Газопроницаемость Р определяется выбранным материалом (фторопласт), отношение S/x определяется по формуле (4).
2
Рассчитаем количество газа (Н), прошедшее через капилляр длиной L.
-7
-7
3
Q/t=17×10×0,1×10,04=17,07×10 см.
Рассчитаем количество газа (СО), прошедшее через капилляр длиной L.
-7
-7
3
Q/t=1,0×10×0,1×10,04=1,004×10 см.
В качестве устройства, используемого для детектирования водорода в газе, целесообразно использовать анализатор газа (сенсор) на основе структуры металл/диэлектрик/полупроводник (МДП) с дополнительным слоем протонпроводящего твердого электролита (то есть на основе структуры металл/твердый электролит/диэлектрик/полупроводник (МЭДП)). Эти анализаторы газа (сенсоры) работают при комнатной температуре и могут производиться с использованием кремниевой технологии. Эти анализаторы газа (сенсоры) даже при комнатной температуре обладают высокой селективностью и чувствительностью к водороду, при этом время отклика при комнатной температуре равно примерно 1 мин.
Исследования показали, что материал твердого электролита, используемого в МЭДП сенсорах, целесообразно выбирать из группы материалов:
- «НАФИОН»;
- сурьмяная кислота;
- гидрофосфат циркония;
- электролит на основе эфира поливинилового спирта и гетерополикислоты.
В качестве анализатора газа (сенсора) на оксид углерода (СО) целесообразно использовать полупроводниковый или электрохимический сенсор.
Предложенное устройство позволяет достаточно быстро, точно и эффективно контролировать процессы, происходящие в трансформаторном масле при работе устройств. Это дает возможность своевременно принять меры для предотвращения аварийных ситуаций в трансформаторных блоках и избежать значительных энергетических и материальных потерь, а также повысить степень безопасности людей. Несомненным преимуществом устройства является и его невысокая стоимость.