Способ контроля качества трансформаторного масла
QUALITY CONTROL METHOD OF TRANSFORMER OIL

Область техники.
Изобретение относится к электротехнике, в частности к методам контроля качества трансформаторного масла.
Уровень техники.
Известно, что работоспособность трансформаторного масла существенно определяется содержанием воды в масле [ГОСТ 7822-75 и РД 34.43.107-95]. Увеличение содержания воды в масле приводит к ускорению процессов разрушения изоляции обмоток и к снижению диэлектрической прочности, т.е. пробойного напряжения масла. Предусмотренные ГОСТ 7822-75 и РД 34.43.107-95 методы контроля содержания воды основаны на ряде физико-химических методик:
1. Газохроматографическая методика анализа общего газосодержания и общего влагосодержания (растворенная и связанная вода) в трансформаторных маслах с прямым вводом масла в испаритель хроматографа (методика ВНИИЭ). Аналог.
2. Газохроматографическая методика анализа общего газосодержания и влажности (растворенной воды) в трансформаторных маслах с использованием калибровочных растворов газов в масле (методика ВТИ без вакуумирования приставки). Аналог.
3. Методика анализа общего газосодержания и влажности (растворенной воды) в трансформаторных маслах с использованием их равновесного извлечения в устройстве УИВВМ (методика ВНИИЭ). Аналог.
4. Методика анализа влажности (растворенной воды) в трансформаторных маслах кулонометрическим титрованием по методике МЭК, Публикация 814. Аналог.
5. Методика измерения пробивного напряжения трансформаторного масла по ГОСТ 6581-75. Прототип.
Недостатком этих методик является необходимость отбора проб, транспортировка проб в лабораторию, проведение анализа и получение результатов за большой промежуток времени, т.е. невозможность или затруднительность определения содержания воды в реальном масштабе времени. Кроме того, определение воды указанными выше методами не всегда позволяет определить связанное с наличием воды изменение пробойного напряжения масла. Причина этого связана с тем, что вода в трансформаторе присутствует в следующих формах:
- Свободная вода на дне масляного резервуара.
- Раствореная в масле вода.
- Эмульсионная вода в масле.
- Связанная вода.
(FIST 3-30 Facilities instructions, standards, and techniques. Transformer mainenance. October 2001, Hydroelectric research and technical service group, D-8450, United states department of th interior Bureau of Reclamation, De3nver, Colorado). Каждая из этих форм воды по разному влияет на пробойное напряжение масла. Так, согласно FIST 3-30 свободная вода мало влияет на диэлектрическую прочность масла. Наиболее существенное влияние на пробойное напряжение оказывает наличие эмульсионной воды в масле (The mechanism of the resolution of water-in-oil emulsions by electrical treatment, C.A.R. Pierce, A.M.I. Mech, British Journal of Applied Physics, v. 5, April 1954, p 136-143), (Levine, S., "A study of Electrostatic Breaking of water-in-Oil Emulsions," Final Report to Dept. of Energy, Mines and Resources, Canada (DSS Contract No. 23296-6-3208/01-SG, 1987). Физическая причина снижения пробойного напряжения при наличии эмульсионных частиц воды связана с формированием в электрическом поле внутри трансформатора цепочек их эмульсионных частиц, образующих проводящие мостики, по которым происходит инициация пробойного канала (Г.В. Попов, Вопросы диагностики силовых трансформаторов// ФГБО-УВПО «Ивановский государственный энергетический университет». - Иваново, 2012. - 176 с). В растворенном состоянии вода не оказывает значительного влияния на электрическую прочность. Таким образом, описанные в нормативных документах методики определения растворенной воды не могут служить однозначным критерием уменьшения пробойного напряжения. Известно, что растворимость воды в масле существенно растет с температурой. При охлаждении трансформаторного масла, например при снижении нагрузки трансформатора, растворенная вода может приводить к формированию эмульсионных частиц, влияя, таким образом, на величину пробойного напряжения.
При наличии градиентов и динамики изменения температуры масла в трансформаторе на границе вода-масло происходит как процесс растворения свободной воды в масле, так и захват частиц свободной воды конвекционными потоками масла, что несомненно повышает и эмульсионную составляющую воды в масле. Таким образом, имеет место динамическое изменение содержания различных форм воды в масле, зависящее не только от температуры, но и от истории процессов нагревания и охлаждения масла. Предусмотренные указанными выше нормативными документами статические (при одной температуре и при отсутсвии учета истории изменения температуры) не в полной мере дают информацию о параметрах, определяющих качество трансформаторного масла и не могут быть применены для контроля динамики изменения пробойного напряжения масла в реальном масштабе времени.
Раскрытие изобретения.
Нами впервые установлено, что величина пробойного напряжения в первую очередь определяется размером и концентрацией эмульсионных частиц воды в масле. Таким образом, измеряя указанные параметры в реальном масштабе времени, без отбора проб масла, можно определять величину пробойного напряжения в процессе работы трансформатора, т.е. вероятность возникновения аварийной ситуации для данной температуры.
Мы использовали для определения радиуса г и концентрации эмульсионных частиц N метод и прибор динамического рассеяния света, описанный в работе (L.L. Chaikov, M.N. Kirichenko, S.V. Krivokhizha, A.R. Zaritsky, Dynamics of statistically confident particles sizes and concentrations in blood plasma obtaineed by the dynamic light scattering method, Journal of Biomedical Optics, 20 (5), 057003 (May 2015)). Метод основан на измерении корреляционной функции рассеяния лазерного света видимого диапазона с помощью программного обеспечения DYNALS (https://www.photocor.ru/theory/particle-size-analysis). Кроме размера частиц, определялась их концентрация по интенсивности рассеянного света с учетом калибровки по эталону - рассеянию в толуоле.
По измеренным размерам концентрации эмульсионных частиц вычислялась количество эмульсионной воды в единице объема масла по формуле
-6
-4
Эмульсия воды в масле приготавливалась добавлением с помощью дозирующего устройства «Ленпипет» капель дистиллированной воды в масло, обработкой смеси ультразвуком (Q sonica sonicator, Model Q55) мощностью до 55 Вт в течение 5 минут, отстаиванием эмульсии в течение 10 минут.Полученные концентрации воды в масле изменялись с диапазоне от 5*10 до 10 процента. Величина пробойного напряжения определялась по ГОСТ 6581-75 прибором АИМ-90А (производитель ООО «СКВ «Медрентех»). Из экспериментальных зависимостей на фиг. 1 и 2 видно, что зависимость интенсивности рассеянного лазерного излучения от температуры имеет гитерезис. Это говорит о том, что концентрация и размеры эмульсионных частиц не определяются только составом смеси масло-вода, температурой, а в значительной мере зависят от истории нагрева и охлаждения, т.е. от процессов взаимного превращения форм воды, имеющихся в смеси.
Описание чертежей.
На фиг. 1 представлена измеренная зависимость интенсивности рассеяния лазерного излучения на эмульсионных частицах воды в трансформаторном масле от времени при нагреве и охлаждении.
На фиг. 2 представлена измеренная зависимость интенсивности рассеяния лазерного излучения на эмульсионных частицах воды в трансформаторном масле от температуры.
На фиг. 3 представлена измеренная зависимость величины пробойного напряжения масла марки в Кв/см (эффективное значение) в зависимости от содержания эмульсионной воды.
Осуществление изобретения
На фиг. 3 представлена измеренная зависимость величины пробойного напряжения масла марки ТМ-1500 в Кв/см (эффективное значение) в зависимости от содержания эмульсионной воды V. Кривая на фиг. 3 (треугольники) позволяет по измеренным оптическим методом концентрации N и радиуса эмульсионных частиц г вычислить величину пробойного напряжения в динамике при работе трансформатора без отбора проб.
Пример 1 реализации способа на работающем трансформаторе со свежим маслом.
Для измерений использовалась оптическая кювета диаметром 30 мм, подключенная посредством шлангов к верхнему и нижнему крану на масляном баке трансформатора. При работе трансформатора происходит медленный проток масла через оптическую кювету из бака трансформатора за счет конвективных процессов, связанных с верикальной неоднородностью температуры в теле трансформатора. Это позволяет, практически в реальном масштабе времени, осуществлять измерение концентрации и размеров эмульсионных частиц воды оптическим методом - динамического рассеяния света. По калибровочной кривой, приведенной на фиг. 3 (треугольники), определяется величина пробойного напряжения трансформаторного масла при изменениях нагрузки трансформатора и температуры масла.
Пример 2 реализации работы с состаренным трансформаторным маслом.
Сначала отбиралась проба естественно состаренного масла из работающего трансформатора. Старение связано с работой трансформатора в течение 10 лет без замены масла. При этом масло содержит продукты химического распада бумажной изоляции проводов и деструкции молекул масла под действием частичных электрических пробоев. Это приводит к изменению коэффициента поверхностного натяжения на границе вода-масло, и, соотвественно, к изменению размера эмульсионных частиц и величины пробойного напряжения масла. Изготавливались смеси с заданным содержанием воды по методике описанной выше. С помощью аппарата АИМ-90А измерялось пробойное напряжение в зависимости от концентрации добавленной воды. Также измерялись параметры эмульсии - радиус частиц r и их концентрация N. Результаты измерений зависимости пробойного напряжения от содержания эмульсионной воды V приведены на фиг. 3 (квадраты и кружки). Видно, что из-за наличия загрязнений масла продуктами деструкции молекул и изоляции обмоток начальное пробойное напряжениет даже в сухом масле ниже, чем приведенное для свежего масла. Таким образом осуществляется калибровка способа, учитывающая изменение химического состава масла. Далее калибровочная кривая может служить для мониторинга в реальном масштабе времени величины пробойного напряжения при работе трансформатора.
Так как деградация химического состава масла происходит достаточно медленно, отбор проб и калибровка может производиться раз в квартал или год, в зависимости от степени старения масла.