Оценка граничных концентраций газов
в трансформаторах тока типа ТФРМ
, к. т.н. ВЭИ им.
Общие положения Газохроматографический анализа (ГХ-анализ) продуктов разложения изоляции, растворенных в трансформаторном масле, является одним из наиболее эффективных методов обнаружения развивающихся повреждений во внутренней изоляции высоковольтного маслонаполненного электрооборудования на ранней стадии их развития. Более, чем тридцатилетний опыт применения этого метода для наиболее ответственного и дорогостоящего основного оборудования – силовых трансформаторов и шунтирующих реакторов, - можно оценивать как положительный.
Целью настоящей работы явилось установление граничных концентраций газов, растворенных в масле трансформаторов тока (ТТ) типа ТФРМ на напряжение 500кВ, изготовленных на ЗЗВА (г. Запорожье) в 1980-90 годах.
Особенности конструкции трансформаторов тока серии ТФРМ. Обследованию подвергались трансформаторы тока 1980-1991 года выпуска. В указанный период несколько раз подвергалась модернизации конструкция узла герметизации ТТ. В ТТ серии ТФРМ, находящихся в эксплуатации, имеется 4 варианта конструкции узла герметизации. Первый вариант конструкции узла герметизации реализован в ТТ, выпущенных с 1976 по 1983гг., второй вариант – с 1983-88гг., третий вариант – начиная с 3 квартала 1987г., и последний, четвертый вариант – с 1992 года. Все обследованные трансформаторы тока были произведены до 1992 года. В связи с этим ТТ были разделены на три группы по конструкции узла герметизации. В первую группы вошли ТТ серии ТФРМ-500 с заводскими номерами от1 по 223 («мешок» из фторолоновой лакоткани в металлическом баке), во вторую группу – с заводскими номерами с 224 по 544 («мембрана» из фторолоновой лакоткани или литой резины), и в третью группу – с 545 по 815 (резиновая диафрагма между металлическими баками. Масло под и над диафрагмой сообщается через патрубки). Практически все обследованные ТТ были пропитаны маслом марки Т-750, поэтому выборка по типу масла не осуществлялась.
Обследовались трансформаторы тока с тремя типами конструкции узла герметизации (или узла защиты масла).
На рис. 1-4 показаны различные конструктивные исполнения узла герметизации ТТ типа ТФРМ.
Всего под контролем находилось 85 единиц оборудования. Из каждого ТТ отбиралось по меньшей мере 3 пробы трансформаторного масла. Всего проведено 264 анализа в период с 1995 по 1998годы. После последнего отбора пробы трансформаторы тока проработали несколько лет. Выходов из строя не наблюдалось. Последнее обстоятельство подтверждает, что под контролем находились трансформаторы тока в бездефектном состоянии.
Отбор, транспортировка и хранение проб масла. Следует отметить, что перед началом проведения работ были проведены сопоставительные ГХ-анализы со станционными химическими лабораториями. Результат оценки межлабораторной сходимости результатов анализа оказался отрицательным: относительные значения концентраций газов в области малых концентраций, измеренных в ВЭИ и в лабораториях станций доходили до 200%. В связи с этим работа была организована таким образом, чтобы свести до минимума погрешности, возникающие как на стадии отбора, так и на стадии анализа. Отбор проб производился одним и тем же исполнителем, с использованием специальных пробоотборников, а хроматографический анализ растворенных в масле газов выполнялся в лаборатории ВЭИ. Следует отметить, что процедура пробоотбора является весьма важной составляющей в обеспечении достоверности результатов ГХ-анализа. У эксперта, проводящего диагностику, должна быть уверенность в том, что проба масла в шприце (пробоотборнике) полностью идентична маслу в оборудовании, из которого оно отбиралось. В связи с этим нами уделялось большое внимание этой стадии обследования.
Наиболее предпочтительным устройством для отбора проб трансформаторного масла является стеклянный шприц (цельностеклянный корпус и притертый стеклянный поршень ) на 20, 30 или 50мл с трехходовым краном, обеспечивающим удобство отбора, транспортировки и выполнения анализа. Нами были использованы пробоотборники «ЭЛХРОМ» обемом 20мл, разработанные во Всероссийском Электротехническом институте. Важной характеристикой этих пробоотборников является высокая газоплотность, которая достигается благодаря высококачественной технологии индивидуальной притирки стеклянного поршня к корпусу пробоотборника. Применение дополнительного конструктивного элемента – узла герметизации, позволяет еще более повысить газоплотность пробоотборников «ЭЛХРОМ». (рис.5) [5]. Срок сохраняемости пробы трансформаторного масла при использовании пробоотборников "ЭЛХРОМ" составляет 1-2 недели, в зависимости от наличия или отсутствия узла герметизации.
Рис. 5 Пробоотборник «ЭЛХРОМ» с гермоузлом
Результаты ГХ-анализа и оценка граничных концентраций для ТТ
серии ТФРМ на напряжение 500кВ.
В таблице 1 показаны минимальные, максимальные и средние значения концентраций растворенных в трансформаторном масле газов.
Таблица 1. Средние, минимальные и максимальные значения
газов, растворенных в масле ТТ
Система защиты 1(“мешок из фторолоновой лакоткани в металлическом баке). | |||
Концентрации, ppm | |||
Газы | Среднее | Миним. | Максс. |
H2 | 2,7 | 0 | 10,7 |
O2 | 18745 | 2828 | 29960 |
N2 | 58449 | 27639 | 82364 |
CH4 | 5,1 | 1,1 | 11,6 |
CO | 566 | 63,7 | 1486 |
CO2 | 1052 | 622 | 2237 |
C2H4 | 13,8 | 3,9 | 39,9 |
C2H6 | 1,1 | 0 | 4,4 |
C2H2 | 0,2 | 0 | 1,1 |
Система защиты 2 («мембрана» из фторолоновой лакоткани или литой резины на масле). | |||
Газы | Среднее | Миним. | Максс. |
H2 | 23,6 | 0 | 617 |
O2 | 10976 | 166 | 31596 |
N2 | 57544 | 20974 | 99317 |
CH4 | 5,8 | 0 | 100 |
CO | 553,6 | 43,2 | 1253 |
CO2 | 1383 | 146 | 17842 |
C2H4 | 8,4 | 0 | 100 |
C2H6 | 1,7 | 0 | 100 |
C2H2 | 0,28 | 0 | 8,0 |
Система защиты 3 (резиновая диафрагма между металлическими баками. Масло под и над диафрагмой сообщается через патрубки) | |||
Газы | Среднее | Мин. | Макс. |
H2 | 23,3 | 0,9 | 396 |
O2 | 5876 | 176 | 16452 |
N2 | 42887 | 15546 | 88906 |
CH4 | 3,7 | 1,3 | 12 |
CO | 299 | 95,6 | 548 |
CO2 | 773 | 234 | 3680 |
C2H4 | 1,7 | 0 | 8,1 |
C2H6 | 0,9 | 0 | 7,6 |
C2H2 | 0,6 | 0 | 7,8 |
В таблице 2 в качестве примера приведены значения числа наблюдений, частот наблюдений и суммы частот для Н2 .
Таблица 2. Данные для расчета интегральной функции распределения Н2
(система защиты масла 1)
Интервалы | Число наблюдений | Частота наблюдений, % | Сумма частот, % |
-1,0< Н2 <= 0 | 12 | 38,7 | 38,7 |
0 < Н2 <= 1,0 | 2 | 6,5 | 45,2 |
1,0 < Н2 <= 2,0 | 3 | 9,6 | 54,8 |
2,0 < Н2 <= 3,0 | 3 | 9,7 | 64,5 |
3,0 < Н2 <= 4,0 | 2 | 6,5 | 71,0 |
4,0 < Н2 <= 5,0 | 4 | 12,9 | 83,9 |
5,0 < Н2 <= 6,0 | 0 | 0 | 83,9 |
6,0 < Н2 <= 7,0 | 2 | 6,4 | 90,3 |
7,0 < Н2 <= 8,0 | 0 | 0 | 90,3 |
8,0 < Н2 <= 9,0 | 0 | 0 | 90,3 |
9,0 < Н2 <= 10,0 | 2 | 6,4 | 96,7 |
10,0 < Н2 <= 11,0 | 1 | 3,3 | 100 |
В таблице 3 приведены результаты определения граничных концентраций газов, растворенных в масле ТТ ТФРМ-500 при значении интегральной функции распределения, равным 0,9, а в таблице 4 – значения граничных концентраций при значении интегральной функции 0,95.
Таблица 3. Расчетные значения граничных концентраций газов
при значении интегральной функции распределения 0,9
Тип защиты | Граничные концентрации, мкл/л | ||||||||
H2 | *O2 | *N2 | CH4 | CO | CO2 | C2H4 | C2H6 | C2H2 | |
1 | 6,2 | 27500 | 70500 | 8,8 | 1050 | 1400 | 25 | 2,4 | 0,57 |
2 | 100 | 18500 | 74000 | 12 | 810 | 2300 | 20 | 9 | 1,1 |
3 | 90 | 11100 | 66000 | 6,2 | 470 | 1600 | 3,8 | 2,3 | 2,3 |
Таблица 4. Расчетные значения граничных концентраций газов при значении
интегральной функции распределения 0,95
Тип защиты | Граничные концентрации, мкл/л | ||||||||
H2 | *O2 | *N2 | CH4 | CO | CO2 | C2H4 | C2H6 | C2H2 | |
1 | 7,7 | 30500 | 74000 | 9,5 | 1250 | 1600 | 27 | 2,7 | 0,66 |
2 | 110 | 21000 | 79000 | 16 | 900 | 2800 | 23 | 11 | 1,5 |
3 | 120 | 12500 | 72000 | 7,0 | 510 | 1750 | 4,4 | 2,7 | 2,9 |
Важно отметить, что хотя значения O2 и N2 приведены в общей таблице, не следует воспринимать полученные значения как граничные в обычном понимании. Эти данные приведены только для того, чтобы оценить степень насышения трансформаторного масла атмосферным воздухом.
Как следует из таблиц 3 и 4 масло в ТТ практически насыщено атмосферным воздухом. По-видимому, это связано с недостаточно надежной герметизацией объема ТТ. Несколько меньшие концентрации «атмосферных» газов наблюдаются в ТТ с системой защиты 3, однако и эта система не представляется достаточно надежной.
Интересно отметить, что граничные концентрации водорода для ТТ с системой защиты 2 и 3 достаточно близки к значениям граничных концентраций для силовых трансформаторов на напряжение 110-500кВ [3] и реакторов на напряжение 750кВ. В то же время значения граничных концентраций по ацетилену у ТТ и силовых трансформаторов отличаются практически на порядок. Достаточно близкие значения получаются по СО и СН4, а для некоторых конструкций силовых трансформаторов - и по СО2. Тем не менее, полученные значения граничных концентраций для ТТ являются предварительными и необходимо их уточнение в процессе набора статистических данных.
Выводы
1. Накоплен обширный статистический материал по наблюдению за состоянием трансформаторов тока серии ТФРМ, находящихсяся в эксплуатации на АЭС России.
2. Рассчитаны допустимые нормы концентраций растворенных газов (граничные концентрации) для ТТ с различной конструкцией узла герметизации.
3. Расчетные значения граничных концентраций некоторых газов (например, по водороду) для ТТ серии ТФРМ достаточно близки к нормам граничных концентраций для силовых трансформаторов, хотя по ацетилену они отличаются почти на порядок.
4. Концентрация «атмосферных» гаов в ТТ типа ТФРМ-500 практически равна предельному значению. В связи с этим актуальным становится вопрос исследования газопроницаемости ТТ. Такое исследование позволит более точно оценивать скорость нарастания концентраций газов, растворенных в трансформаторном масле, с учетом выхода газов в атмосферу.
5. Полученные нормы граничных концентраций растворенных газов следует рассматривать как предварительные: в дальнейшем они должны уточняться в процессе накопления результатов ГХ-анализа и учета газообменных процессов в ТТ.
6. Достигнутый в настоящее время уровень приборно-аналитической базы позволяет надежно регистрировать указанные значения граничных концентраций. Тем самым подтверждается принципиальная возможность оценки состояния трансформаторов тока на базе ГХ-анализа. Однако для полноценной оценки развития повреждений внутренней изоляции ТТ серии ТФРМ на основе хроматографического анализа газов, растворенных в трансформаторном масле, необходимо дальнейшее накопление данных о газообразовании в ТТ в процеесе эксплуатации. Еще более актуальным, но, несомненно, дорогостоящим, является проведение ресурсных испытаний трансформаторов тока на специализированных стендах.
Заключение
Сделан только первый шаг в решении проблемы оценки состояния трансформаторов тока на основе ГХ-анализа. Получены предварительные значения граничных концентраций для ТТ серии ТФРМ. Однако не решены вопросы по соотношениям концентраций характерных пар газов и допустимым скоростям нарастания концентраций газов. Кроме того практически не исследованы вопросы распределения газов по объему трансформатора тока. Нет сведений по “утечке” образовавшихся газов из ТТ в зависимости от конструкции узла герметизации. Не решена проблема периодического отбора проб трансформаторного масла из ТТ: по инструкциям завода-изготовителя такая процедура запрещена. Без решения указанных вопросов невозможно будет осуществить полноценную и эффективную диагностику состояния трансформаторов тока на основе хроматографического анализа растворенных в трансформаторном масле газов.
Список литературы:
1. Arakelyan V. G., Daryan L. A., Lokhanin A. K. Gas formation in insulation liquids under the stress of partial discharges, heat and ultrasonics; diagnostics of their behaviour//Proc. 3rd Internat. Conf. Prop. And applic. Dielectr. Mater. July 8012, 1991, Tokyo, Japan. P. 890-893.
2. , Дарьян и приборно-аналитическая база физико-химического диагностического контроля высоковольтного маслонаполненного электрооборудования. Электротехника, №12, 1997г., с.2-12.
3. РД 34.46.302-89 Методические указания по диагностике развивающихся дефектов по результатам хроматографического анализа газов, растворенных в масле силовых трансформаторов. М: СПО Союзтехэнерго, 1989г.
4. Fallou B. Detection of and research for the characteristicsof an incipientfault from analysis of dissolved gases in the oil of an insulation. Electra, №42, 1975
5. . Пробоотборники «ЭЛХРОМ» для хроматографического анализа газов, растворенных в трансформаторном масле. Сб. тр. /Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования/. Вып.11, 2000г., с.234-236.
