Хроматографический анализ растворенных газов в диагностике трансформаторов (стр. 6 )

Система преобразования - это аналогово-цифровой преобразователь и усилитель сигнала, поступающего из системы детектирования. Он обеспечивает получение на выходе электрического сигнала, пропорционального концентрации определяемого компонента в газе-носителе.

Система регистрирования регистрирует величину и форму сигнала в виде хроматограммы, которую можно наблюдать на мониторе компьютера.

Система измерения параметров режима обеспечивает контроль расхода газов, измерение температур, контроль питания детектора и преобразователя.

Система управления и система инструментальной обработки данных позволяют вести управление экспериментом и обработку результатов в диалоговом режиме. С помощью компьютерных программ измеряются параметры хроматографических пиков и выполняется количественный расчет содержания компонентов.

На практике газовый хроматограф может иметь гораздо более сложную схему, содержащую несколько колонок и детекторов, включать автоматические устройства для подготовки и дозирования пробы.

3.3. Проведение анализа

Анализ газов, растворенных в трансформаторном масле, предполагает, как правило, выполнение двух процедур: извлечение газов и собственно хроматографический анализ выделенных газов [39].

Растворенные газы из пробы масла извлекаются с помощью вакуума или путем десорбционной экстракции.

Вакуумный метод предусматривает использование сложной аппаратуры с большим объемом ртути. Окончательно выделенный объем газов сжимают до нормального давления и анализируют.

Метод десорбционной экстракции, предполагает прямое извлечение газов потоком газа-носителя из небольшого объема масла (от 0,25 до 5 мл) за счет барботажа. Для этого метода предлагается автоматический вариант, с использованием пневматического выдавливания масла в нагретую (от 20 до 80 °С) зону барботажа, удаления отработанного масла и продувки барботера.

Хроматографический анализ выполняется в газо-адсорб­ционном варианте хроматографии. Метод должен определять 9 легких газов: водород, кислород, азот, метан, этан, этилен, ацетилен, окись и двуокись углерода. Все изложенные в документе [20] методы предполагают использование:

-  изотермического режима (35 °C);

-  хроматографической колонки Porapak N 80/100;

-  хроматографической колонки NaX 0,2/0,4;

-  детектора по теплопроводности (ДТП) для водорода, кислорода и азота;

-  метанатора и пламенно-ионизационного детектора (ДПИ) для регистрации горючих газов и окислов углерода.

В качестве газа-носителя обычно применяется аргон. Этот газ не взрывоопасен и сравнительно дешев.

В ходе анализа разделенные компоненты анализируемой смеси выходят из хроматографической колонки в потоке газа-носителя (элюента) отдельными зонами, между которыми при достаточно четком разделении из колонки выходит чистый элюент.

Кривую зависимости сигнала детектора от объема газа-носителя или от времени называют хроматограммой (элюционной кривой). Каждому компоненту смеси на хроматограмме (рис. 3.4) соответствует отдельный пик (максимум) регистрируемого сигнала детектора или концентрации компонента хроматографируемой смеси в элюенте.

Рис. 3.4. Хроматограмма определения концентраций

углеводородов, CO, CO2, H2, O2 и N2

Время от момента ввода пробы в колонку до выхода максимума пика называется временем удерживания.

В табл. 3.4, в качестве примера, приведены газы, определяемые хроматографом Кристаллюкс-4000М, применяемые при этом детекторы и время удерживания газов.

Таблица 3.4. Характеристики хроматографа «Кристаллюкс-4000М»

№	Имя компонента	Детектор	Время удерживания, мин.
1	Окись углерода (СО)	ДПИ	1,042
2	Метан (СН4)	ДПИ	1,368
3	Водород (Н2)	ДТП-1	1,796
4	Кислород (О2)	ДТП-1	2,704
5	Азот (N2)	ДТП-1	3,349
6	Углекислый газ (СО2)	ДПИ	3,974
7	Этилен (C2Н4)	ДПИ	4,984
8	Этан (C2Н6)	ДПИ	6,117
9	Ацетилен (C2Н2)	ДПИ	10,015
10	Пропан (C3Н8)	ДПИ	17,805
11	Бутан (C4Н10)	ДПИ	23,413

Кроме газов, растворенных в масле, на газовом хроматографе можно определить содержание в трансформаторном масле ионола, фурановых производных (рис. 3.5), а также, воды и воздуха (рис. 3.6).

Рис. 3.5. Пример хроматограммы при определении концентраций

ионола и фурановых производных

Рис. 3.6. Пример хроматограммы при определении содержания воды и воздуха

В настоящее время применяется несколько методик хроматографического анализа трансформаторного масла на содержание разных компонентов, а также анализа газов, отобранных из газового реле трансформатора (табл. 3.5).

Таблица 3.5. Методики хроматографического анализа

Вид анализа	Хроматографическая методика
Растворенные газы	РД 34.46.303-98 [18]; РД 34.46.502 [19]; CEI/IEC 60567 [20]; СТО 56947007-29.180.010.094-2011 [44]
Вода и воздух	РД 34.43.107-95 [23]; методика НПО «Электрум» [24]; СТО 56947007-29.180.010.007-2008 [43]
Ионол	МКХ i 01-99 [25]; СТО 56947007-29.180.010.008-2008 [27]
Фурановые производные	МКХ f 01-99 [26]; МИ-29.09.2011 [27]; РД 34.43.206-94 [21]; СТО 56947007-29.180.010.009-2008 [42]

В РД 34.46.303-98 описаны две конфигурации хроматографического комплекса. Первая – предусматривает два хроматографа, один из которых имеет два детектора (ДТП и ДИП), а второй один – ДТП.

Хроматограф с двумя детекторами, соединенными последовательно, предназначен для анализа СО, СO2, СН4, С2Н2, С2Н4 и С2Н6, а хроматограф с ДТП – для анализа только Н2. В качестве газа-носителя в первом хроматографе используют гелий, а во втором – аргон.

Вторая конфигурация предусматривает один хроматограф с двумя детекторами (ДТП и ДИП), применение метанатора и одного газа-носите­ля – аргона. Схема этого хроматографического комплекса приведена на рис. 3.7.

Анализ проводится следующим образом. В хроматограф подается газ-носитель аргон, а также водород и воздух, причем, водород через тройник подается в метанатор. Температура термостата колонок имеет значение порядка 60–80 °С, ДТП и ДИП – 150–250 °С, метанатора – 375 °С. Расход аргона составляет 20–30 мл/мин. Расход вспомогательных газов: водорода – 20–30 мл/мин., воздуха 200–300 мл/мин.

Рис. 3.7. Схема хроматографического комплекса с применением одного газа-носителя и метанатора: 1 – блок подготовки газов хроматографа; 2 – дозатор для анализа Н2; 3 – колонка для анализа Н2; 4 – ДТП; 5 – ДИП; 6 – дозатор для анализа СО, СО2 и углеводородов; 7 – колонка для анализа СО, СО2 и углеводородов; 8 – колонка сравнения при анализе Н2; 9 – тройник; 10 – метанатор; 11 – термостат метанатора; 12 – термостат хроматографа

После выхода хроматографа на рабочий режим (примерно 2 часа) с помощью дозатора в колонку вводят пробу для анализа Н2. Извлеченные из масла компоненты, разделенные на колонке, попадают в ДТП, который регистрирует пики Н2, О2 и N2.

Одновременно с анализом Н2 с помощью дозатора в колонку вводят пробу для анализа СО, СО2, СН4, С2Н4, С2Н6 и С2Н2. Извлеченные из масла компоненты, разделенные на колонке, попадают сначала в метанатор, где СО и СО2 превращаются в метан, а затем в ДИП, который регистрирует СО, СН4, СO2, С2Н4, С2Н6 и С2Н2.

Интерес представляет идеальный, полностью автоматизированный хроматограф и его действующий прототип, предложенный видным российским ученым (рис. 3.8). Речь идет о специализированном хроматографе, предназначенном только для анализа водорода, окиси и двуокиси углерода, кислорода, азота, углеводородов С1–С6, воды, антиоксидантов и фурановых соединений в трансформаторном масле, т. е. только тех компонент, которые представляют интерес при диагностике маслонаполненного электротехнического оборудования [39]. Для обеспечения высокой повторяемости результатов весь процесс предлагается полностью автоматизировать.

В зависимости от назначения автоматическая система может быть настроена:

-  на анализ до С3 включительно (всего 11 компонентов) с завершением анализа всего за 12 минут;

-  на анализ до С4 включительно (всего 17 компонентов) с завершением анализа за 15 минут;

-  на анализ до С6 включительно (всего 28 компонентов) с завершением анализа за 25 минут.

Начальная калибровка предлагаемого хроматографа требует анализа двух образцов масла – чистого (для контроля) и искусственно приготовленного раствора водорода, метана, пропана (бутана) и углекислоты.