Способ определения влагосодержания трансформаторного масла
METHOD FOR DETERMINING MOISTURE CONTENT OF TRANSFORMER OIL

Изобретение относится к технике диагностирования маслонаполненного силового электрооборудования, в частности к определению влагосодержания в изоляционных маслах. Изобретение позволяет определять малое количество воды в изоляционных жидкостях при низком влагосодержании и может быть использовано как экспресс-анализатор состояния трансформаторного масла.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ измерения влагосодержания и определения примесей трансформаторного масла (патент на изобретение RU 2723163 C1, 09.06.2020, МПК G01N 31/16, G01N 27/44). Сущность данного изобретения состоит в том, что измерение влагосодержания отработанного трансформаторного масла осуществляют путем кулонометрического титрования по Карлу Фишеру. При этом образец трансформаторного масла подвергается последующему воздействию сверхвысокочастотного излучения (СВЧ-излучение) мощностью 1000 Вт в течение 40 минут, а влагосодержание измеряется до и после обработки. Разница между измерениями показывает абсолютное влагосодержание. Недостатком способа является длительное время определения влагосодержание и необходимость СВЧ обработки анализируемого образца.
Известен способ определения влагосодержания изоляционных жидкостей титрованием по Карлу Фишеру [1,2], волюметрический или кулонометрический. Точность определения доли воды превышает 1 м.д. (миллионных долей). Недостаток данного метода заключается в том, что он практически не чувствителен к диспергированной воде, которая не может взаимодействовать с реагентом Карла Фишера. Кроме того, присутствие в эксплуатируемых в реальных условиях трансформаторных маслах разнообразных примесей, например, кислот, оснований, альдегидов, кетонов, кристаллогидратов, значительно снижает точность этого метода.
Известно широкое использование колориметрического метода с применением хлорида кобальта для определения доли воды в веществе [3].
В основу изобретения положена задача создания способа определения влагосодержания трансформаторного масла в УФ и видимой области спектра колориметрическим способом, использование которого позволит повысить качество диагностики исследуемого трансформаторного масла.
2
2
2
При эксплуатации трансформаторного масла (ТМ) в силовом оборудовании электроэнергетических систем допускается присутствие влаги порядка 10 грамм воды на тонну масла, т.е. допустимая доля воды (W) - 10 миллионных долей (м.д.) [1,2]. При бóльших концентрациях воды возникает риск выхода из строя силовых трансформаторов, что осложняет их дальнейшую эксплуатацию и, следовательно, работоспособность всей энергосистемы. Хлорид кобальта (II) (CoCl) – один из самых часто используемых оптических сенсоров воды [4-6]. Он гигроскопичен, а его кристаллогидраты CoCl⋅nНО (n=1, 2, 4, 5, 6) отличаются способностью изменять свой цвет в зависимости от количества кристаллизационной воды (сине-фиолетовый моногидрат; фиолетовый дигидрат; темно-красный тетрагидрат; красный пентагидрат; розовый гексагидрат).
Задачей заявляемого изобретения является создание способа определения влагосодержания трансформаторного масла, в котором устранены недостатки аналога и прототипа.
Техническим результатом является сокращение время определения влагосодержания в изоляционных жидкостях, снижение стоимости проведения исследования образца, за счет отсутствия дорогих реактивов и  повышение точности определения содержания воды, даже при наличии в малых количествах, а также повышение качества диагностики и работоспособности трансформаторного масла и оперативность контроля.
Технический результат достигается тем, что в способе определения влагосодержания трансформаторного масла, заключающемся в определении влагосодержания колориметрическим способом с использованием хлорида кобальта, отличающийся тем, что влагосодержание масла определяют по знаку оптической плотности разностного спектра раствора хлорида кобальта (II) в трансформаторном масле в области 450 нм.
2
2
2
Пять образцов используемого в силовых трансформаторах и выключателях масла марки ГК (ОАО "Ангарская нефтехимическая компания" класс IIА, ТУ 38.101.1025-85) с разными значениями W в интервале от 2 до 50 м.д. были выбраны для исследования, а также безводный CoCl полученный дегидратацией кристаллогидрата CoCl 6НО (химически чистый).
Спектры поглощения УФ и видимого диапазона записаны при комнатной температуре в кюветах толщиной 10 мм на спектрофотометре Varian Cary 100 в диапазоне длин волн (λ) 200-800 нм со скоростью 600 нм/мин при ширине щели 1.5 нм. Положение линий в спектрах приводится с точностью 2.5 нм.
2
Фиг. 1. Спектры поглощения ТМ (1) в УФ и видимом диапазоне, ТМ с добавкой CoCl (2) и последующей добавкой воды в тот же образец (3) при пустой кювете сравнения.
На графике по оси ОY откладывается оптическая плотность – D, по оси ОX – длина волны λ.
1 – Спектры поглощения ТМ  в УФ и видимом  диапазоне
2
2 – ТМ с добавкой CoCl
3 – ТМ с последующей добавкой воды в образец 2 при пустой кювете сравнения
2
2
2
2
На фиг. 1 представленные линии поглощения при 450 и 420 нм относятся к нафтаценовым, а при 380 нм – к антраценовым соединениям. Резкое изменение оптической плотности (D) вблизи 400 нм возникает за счет поглощения и рассеяния излучения коллоидными и твердыми частицами в ТМ. Добавление порошка CoCl к ТМ приводит к повышению D в диапазоне 360-490 нм (линия 2), а увеличение W системы приводит к росту интенсивности данной полосы поглощения (линия 3). Повышение интенсивности полосы поглощения вызвано образованием кристаллогидратов CoCl с водой, присутствующей в ТМ. При этом спектр поглощения CoCl⋅nНО (n=1, 2, 4, 5, 6) находится в интервале 400-550 нм [6], и пересекает, как видно из фиг.2, рассматриваемый диапазон 360-490 нм.
2
450
450
Фиг. 2. Разностные спектры поглощения в УФ и видимом диапазоне ТМ с добавкой CoCl , кювета сравнения заполнена ТМ с W=10 м.д., ΔD>0 для ТМ с W>10 м.д. (линии 1-3), ΔD<0 для ТМ с W<10 м.д. (линии 4 и 5).
2
2
450
450
Для большей наглядности кювета сравнения была заполнена ТМ с W=10 м.д. и добавленным в него порошком CoCl и записаны разностные спектры для нескольких исследуемых образцов ТМ с разной W, в которые также добавлен CoCl (фиг. 2). Для образцов ТМ с W<10 м.д. значения ΔD (т.е. ΔD при λ=450 нм) в спектрах сравнения отрицательны и, следовательно, ТМ пригодно для дальнейшего использования. В обратном случае, если W>10 м.д., то значения ΔD положительны, что говорит о непригодности дальнейшего использования ТМ.
Предлагаемый способ определения влагосодержания трансформаторных масел при низком влагосодержании, основанный на зависимости оптических свойств хлорида кобальта (II) от влажности обладает очень высокой чувствительностью. Использование предлагаемого способа перспективно для решения задач электроэнергетики в области определения допустимого влагосодержания в изоляционных маслах, поскольку спектрофотометры УФ и видимого диапазона, подобной конструкции, вполне доступны и просты в эксплуатации, что существенно упрощает практическую реализацию способа.
Библиографический список
1. Липштейн, Р.А. Трансформаторное масло/  Р.А. Липштейн,  М.И. Шахнович. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 296 с.
2. Wilson A.C.M. Insulating liquids: their uses, manufacture and properties. London, New York: Peter Peregrinus LTD, 1980. 221 p.
3.  Митчелл Дж., Смит Д. Акваметрия/ Под редакцией Ф.Б.Шермана.  М.: Химия, 1980. 600 с.
4. Konstantaki M., Pissadakis S., Pispas S., Madamopoulos N., Vainos N.A. Optical fiber long-period grating humidity sensor with poly(ethylene oxide)⁄cobalt chloride coating // Applied Optics. – 2006. – Vol. 45. – Issue 19. – P. 4567-4571.
5. Russell A.P., Fletcher K.S. Optical sensor for the determination of moisture // Anal. Chimica Acta. – 1985. – Vol. 170. – P. 209–216.
6. Otsuki S., Adachi K. Humidity dependence of visible absorption spectrum of gelatin films containing cobalt chloride // J. App. Polymer Science. – 1993. – Vol. 48. – Issue 9. – P. 1557–1564.