Хроматографический анализ растворенных газов в диагностике трансформаторов (стр. 3 )

При температурах выше чем 105 ºС полимерная цепочка разрушается весьма активно, а при температурах свыше 300 ºС она полностью распадается. При этом оксид углерода, диоксид углерода и вода, образуются в значительно больших количествах, чем при окислении масла при той же самой температуре. При этом, также, выделяется незначительное количество углеводородных газов и фурановых соединений.

Образование СО и СО2 возрастает не только с температурой, но так же с увеличением содержания кислорода в масле и влаги в бумаге. Газовыделение за счет диссоциации воды, имеющейся в изоляции, может происходить под воздействием высокого напряжения.

2.3. Другие источники газа в масле

Газы в некоторых случаях могут образовываться не в результате повреждений в оборудовании, а благодаря коррозии и другим химическим реакциям.

Водород может образовываться [29, 30, 33]:

-  при образовании ржавчины стали в присутствии воды у дна бака;

-  при гидратации цинка в присутствии воды на оцинкованных поверхностях;

-  благодаря каталитической реакции некоторых типов нержавеющих сталей с маслом;

-  в специфических маслах, содержащих растворенный кислород при повышенных температурах;

-  в новой нержавеющей стали, путем абсорбции в процессе ее производства или выделения во время сварочных работ, с последующим медленным переходом в масло;

-  при разложении тонкой масляной пленки между перегретыми пластинами сердечника, при температурах 140 °С и выше.

Иногда, водород в большом количестве встречается в трансформаторах, которые никогда не включались.

Газы могут также выделяться при облучении масла солнечным светом или образовываться во время ремонтов оборудования.

Внутренние покрасочные покрытия трансформатора, такие как алкидные смолы и модифицированные полиуретаны, имеющие в своем составе жирные кислоты, также могут образовывать газы. Наличие в масле ацетилена может быть следствием низкотемпературного нагрева эпоксидной смолы, которая иногда применяется в технологическом процессе изготовления некоторых узлов трансформатора.

Подобные ситуации достаточно редки и могут быть обнаружены посредством выполнения хроматографического анализа масла на новом оборудовании перед включением его в работу.

2.4. Растворимость газов

в трансформаторном масле

При нормальных условиях в трансформаторном масле может раствориться значительное количество газа (табл. 2.2) [36]. Для характеристики растворимости данного газа в масле служит коэффициент растворимости, выраженный в объемных процентах (коэффициент Оствальда).

Растворимость в трансформаторном масле углеводородных газов снижается с повышением температуры тем больше, чем выше растворимость данного газа в масле (рис. 2.2).

Коэффициент Оствальда – это отношение концентрации газа в масле к равновесной концентрации того же газа в пространстве над маслом.

При растворении воздуха в масле соотношение между входящими в состав воздуха газами изменяется. Так, если воздух содержит азота и кислорода соответственно 78 и 21 % об., то, будучи растворенным в масле, он будет содержать азота 70, а кислорода 60 % об.

Рис. 2.2. Зависимость коэффициента распределения K, характеризующего растворимость газа в трансформаторном масле, от температуры: 1 – бутан; 2 – пропан; 3 – этан; 4 – этилен; 5 – ацетилен; 6 – метан; 7 – углекислый газ; 8 – кислород; 9 – окись углерода; 10 – азот

Таблица 2.2. Растворимость газов в трансформаторном масле при 25 °С и 0,981 МПа

Наименование газа	Коэффициент растворимости, % об.
Водород (H2)	7
Азот (N2)	8,6
Окись углерода (CO)	9
Воздух	9,4
Аргон (Ar)	15
Кислород (O2)	16
Метан (CH4)	30
Углекислый газ (CO2)	120
Этан (C2H6)	280
Этилен (C2H4)	280
Ацетилен (C2H2)	400
Пропилен (C3H6)	1200
Пропан (C3H8)	1900
Бутан (C4H10)	2000

Под влиянием электрического поля растворимость газа в трансформаторном масле может изменяться вследствие явления электрострикции. Хотя такие изменения и незначительны, однако вероятность образования газового включения в насыщенном газом трансформаторном масле не исключена. Генерация газовых пузырьков возможна также при вибрации в масле твердых тел.

2.5. Кипение масла

Кипение масла в месте значительного перегрева происходит в локальной зоне. Поскольку масло в трансформаторе перемещается и охлаждается в охладителях, то температура его в месте перегрева будет намного выше температуры основного объема масла. Кипение масла в этом случае называется кипением с недогревом при вынужденном движении жидкости.

Кипение в большом объеме начинается с образования на нагреваемой поверхности мелких пузырьков. Этот вид кипения называется пузырчатым. При пузырчатом кипении от поверхности нагрева отрывается большое количество мелких пузырьков. Их размер определяется свойствами кипящей жидкости, давлением в ней, скоростью ее перемещения и величиной подогрева. При дальнейшем увеличении теплового потока, подводимого к телу, размеры пузырьков практически не меняются, а увеличивается их количество. При определенном значении теплового потока наступает так называемое пленочное кипение. Оно характеризуется образованием сплошной паровой пленки, отделяющей нагретое тело от жидкости. Теплоотдача от нагретого тела уменьшается, и температура его резко возрастает. Такое явление называется кризисом кипения или пережогом, поскольку обычно происходит разрушение нагреваемой поверхности от действия высокой температуры. При наступлении кризиса кипения от поверхности нагреваемого тела отделяются паровые пузыри значительно большего по сравнению с пузырчатым кипением размера (рис. 2.3).

а) б)

в) г)

д) е)

Рис. 2.3. Кипение масла:

а, б, в, г, д, е – стадии процесса

При пузырчатом кипении одновременно с процессом кипения масла происходит его разложение. Выделяющиеся вследствие термического разрушения масла газы будут заполнять пузырьки масляного пара. Эти пузырьки, отрываясь от нагреваемой поверхности, попадают в холодное масло. При этом масляный пар конденсируется, а уменьшившиеся в размерах пузырьки содержат только продукты разложения масла.

Если время жизни газового пузыря будет больше времени, требуемого для перемещения его от места повреждения до крышки бака трансформатора, то, казалось бы, пузыри будут скапливаться в газовом реле и этого условия будет достаточно для его срабатывания. Однако это не совсем так. Под крышкой бака масло перемешивается в горизонтальном направлении. Следовательно, направление перемещения газового пузыря будет определяться помимо вертикальной составляющей скорости еще и горизонтальной.

Газовые пузыри, образовавшиеся в жидкости, поднимаются вверх с различной скоростью в зависимости от физико-химических параметров жидкости и объема газового пузыря. Мелкие пузыри при перемещении вверх практически не деформируются и ведут себя аналогично твердым несжимаемым шарикам. Более крупные – могут деформироваться и принимать эллипсоидную форму. Из-за специального наклона трансформатора на фундаменте существует высокая вероятность попадания части пузырьков в газовое реле.

На металлической поверхности перегрева обычно образуется темное несмываемое пятно и так называемые «цвета побежалости», которые являются индикаторами места дефекта при вскрытии трансформатора.

2.6. Диффузия газов в масле

Место отбора проб и места образования газов в трансформаторе могут быть разнесены на значительные расстояния. Как газы добираются от одного места до другого при условии отсутствия перемешивания масла? И можно ли сказать, что различные газы одинаково распределены по объему бака? На сколько масляный затвор сдерживает выход в атмосферу растворённых в масле газов? Чтобы ответить на эти вопросы, следует в первую очередь посмотреть на процессы диффузии газов в трансформаторном масле. К сожалению, о коэффициентах диффузии основных диагностических газов в трансформаторном масле на сегодняшний день информации явно недостаточно.

Очевидно, что учет диффузии при выделения газов из пробы масла во время анализа представляется важным. Ее нужно учитывать также при длительном хранении пробы. До последнего времени считалось, что, поскольку молекула водорода намного меньше молекул других газов, то он может «улететь» из пробы в первую очередь. Недавние исследования, проведенные в Новосибирском государственном техническом университете [41], показали, что по коэффициентам диффузии диагностические газы отличаются не столь сильно и летучесть водорода несколько преувеличена.

3. ТЕХНОЛОГИЯ ХАРГ

Этапы проведения ХАРГ представлены на рис. 3.1 [5].