анализ хроматографических методов диагностики

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ НГТУ. – 2009. – № 2(56). – 147–156
УДК 621.3.048.82
АНАЛИЗ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
ДИАГНОСТИКИ МАСЛОНАПОЛНЕННОГО
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
А.Ю. РЫЖКИНА
Рассмотрено применение хроматографического анализа газов, растворенных в масле силовых трансформаторов напряжением 110–750 кВ для выявления дефектов в
эксплуатации.
ВВЕДЕНИЕ
В отечественной и зарубежной практике широко используется метод диагностики состояния оборудования по составу и концентрации растворенных в
масле газов: H2, СО, СО2, СН4, С2Н6, С2Н4, С2Н2. С помощью хроматографического анализа растворенных газов (ХАРГ) можно обнаружить две группы
дефектов: 1) перегревы токоведущих соединений и элементов конструкции
остова, 2) электрические разряды в масле.
Однако ряд эксплуатационных факторов может вызвать рост концентраций растворенных газов, не связанный с дефектами изоляции [1]:
– остаточные концентрации газов;
– увеличение нагрузки трансформатора;
– перемешивание свежего масла с остатками старого;
– перегревы из-за дефектов системы охлаждения;
– сезонные изменения интенсивности процесса старения;
– воздействие токов короткого замыкания и др.
Кроме этого, уменьшение концентраций растворенных в масле газов
трансформаторов вызывают эксплуатационные факторы:
– снижение нагрузки трансформатора;
– длительное отключение;
– дегазация масла;
– замена масла в маслопроводах, устройстве РПН и т. д.
 Аспирантка кафедры безопасности труда
НГТУ, 2009
148
А.Ю. Рыжкина
1. МЕТОДЫ ИНТЕРПРЕТАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ
ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ГАЗОВ,
РАСТВОРЕННЫХ В МАСЛЕ
Для диагностики развивающихся в силовых трансформаторах дефектов
используются следующие основные критерии по отдельности, либо в совокупности:
 критерий граничных концентраций;
 критерий скорости нарастания газов;
 критерий отношения пар характерных газов.
Суть методики критериев заключается в том, что выход значений параметров за установленные границы следует рассматривать как признак
наличия дефектов, которые могут привести к отказу оборудования. Особенность метода хроматографического анализа газов заключается в том,
что нормативно устанавливаются только граничные концентрации газов,
достижение которых свидетельствует лишь о возможности развития дефектов в трансформаторе. Работа таких трансформаторов нуждается в
особом контроле. Степень опасности развития дефекта определяется по
относительной скорости нарастания концентрации газов. Если относительная скорость нарастания концентрации газов превышает 10 % в месяц, то дефект считается быстроразвивающимся.
На основе сопоставления отношений концентраций газов, растворенных в
трансформаторном масле, разработано большое количество методик, которые
используются в разных странах для оценки состояния масляных трансформаторов. Всего предлагается к рассмотрению шесть характерных пар газов:
R1=СН4/H2, R2=C2H2/C2H4, R3=C2H2/CH4, R4=C2H6/C2H2, R5=C2H6/CH4,
R6=C2H4/C2H6.
Метод Дорненбурга. В 1970 г. Дорненбургом предложена методика диагностики, основанная на четырех соотношениях характерных пар газов: СН4/H2
(R1), C2H2/C2H4 (R2), C2H2/CH4 (R3), C2H6/C2H2 (R4). Эти соотношения объединяют шесть газов: Н2, СН4, СО, С2Н2, С2Н4 и С2Н6. Методика позволяет идентифицировать три основных дефекта в маслонаполненном оборудовании:
термическое воздействие, частичные разряды с малой интенсивностью, дуговые процессы [2].
Полученные значения концентраций сравнивают с граничными, представленными в табл. 1. Методика используется только при превышении порога.
149
Анализ хроматографических методов...
Таблица 1
Концентрация растворенных газов
Газ
Концентрация, ppm
Водород (H2)
100
Метан (CH4)
120
Оксид углерода (CO)
350
Ацетилен (C2H2)
35
Этилен (C2H4)
50
Этан (C2H6)
65
Согласно Стандарту IEEE C57.104-1991 процедура диагностирования дефектов включает извлечение газов и определение их концентраций:
– если одна из концентраций H2, CH4, C2H2, и C2H4 дважды превышает
предел L1 (см. табл. 1), а концентрация одного из других трех газов превышает величину предела L1, оборудование считают дефектным;
– если по крайней мере концентрация одного из газов в каждом соотношении превышают предел L1, соотношение действительно. Иначе соотношения
не считаются существенными и оборудование должно быть исследовано альтернативными методами;
– если соотношения действительны, каждое последовательное отношение
сравнивается со значениями в табл. 2.
– если все отношения для определенного типа ошибки находятся в пределах значений, данных в табл. 2, предложенный диагноз действителен.
Диагностические заключения по методу Дорненбурга представлены в
табл. 2.
Таблица 2
Соотношения концентраций характерных пар газов и их значения по методу
Дорненбурга
Диагностическое
заключение
Термическое
воздействие
Частичные разряды с малой
интенсивностью
R1
СН4/H2
Соотношения концентраций газов
R2
R3
C2H2/C2H4
C2H2/CH4
R4
C2H6/C2H2
1,0
0,75
0,3
0,4
0,1
Нет сигнала
0,3
0,4
150
А.Ю. Рыжкина
Дуговые процессы
0,11,0
0,75
0,3
0,4
Метод Роджерса. Впервые был предложен в 1973 г. В течение последующих пяти лет метод совершенствовался и был принят как стандарт МЭК.
Диагностика по методу Роджерса основана на соотношении четыреж концентраций газов: R1, R2, R5, R6. Интересно отметить, что в этой методике только
два соотношения газов совпадают с методикой Дорненбурга. Диагностическое
заключение основано на сочетании кодов, присваиваемых в зависимости от
соотношения концентраций газов, и значения (или интервала значений) соответствующих соотношений концентраций газов.
Таблица 3
Соотношения концентраций газов и их коды по методу Роджерса
Соотношения концентраций газов
R1
R5
R6
R2
Значения
Коды
0,1
>0,1<1,0
1<3
3
<1
1
<1
1<3
3
<0.5
0.5<3
3
5
0
1
2
0
1
0
1
2
0
1
2
Диагностические заключения по сочетаниям кодов представлены в табл.
4.
Таблица 4
Диагностические заключения по сочетаниям кодов
Коды
R1
0
5
1,2
1,2
0
0
R2
0
0
0
1
1
0
R3
0
0
0
0
0
1
R4
0
0
0
0
0
0
Диагностическое заключение
Нормальное состояние
Частичные разряды
Незначительный перегрев< 150 °C
Незначительный перегрев (150–00) °С
Незначительный перегрев (200–300) °С
Перегрев проводников
151
Анализ хроматографических методов...
1
1
0
0
R1
0
0
0
5
Коды
R2
R3
0
0
0
1,2
0
2
0
0
CO2/CO > 11
1
2
0
0
R4
1
1,2
2
1,2
Циркуляционные токи в обмотках
Токи в магнитопроводе и баке, «горячая» точка
Окончание табл. 4
Диагностическое заключение
Поверхностные разряды
Дуговые процессы
Продолжительное искрение
«Ползущий» разряд
Повышенная температура в твердой
изоляции
Стандарт МЭК 60599 (2007 г.) В основу стандарта положен метод Роджерса. Диагностическое заключение по выявлению характера дефектов может
быть выполнено согласно табл. 5.
Таблица 5
Интерпретация результатов ХАРГ по стандарту МЭК 60599 (2007 г.)
Диагностическое заключение
Частичные разряды
Начальные ч.р.
Критические ч.р.
Перегрев при t< 300 °С
Перегрев в диапазоне температуры
300°С< t<700 °C
Перегрев при t >700 °С
Соотношения концентраций характерных
пар газов
R2
R1
R6
C2H2/C2H4
СН4/H2
C2H4/C2H6
NS1)
<0,1
<0,2
>1
0,1-0,5
>1
0,6-2,5
0,1-1
>2
NS*
>1 (NS)*
<1
<0,1
>1
1–4
<0,2**
>1
>4
* Неважно для любого значения.
** Повышение концентрации C2H2 может свидетельствовать о наличии «горячей точки» с
температурой более 1000 °С.
152
А.Ю. Рыжкина
В качестве дополнительных соотношений характерных пар газов применяются также соотношения O2/N2, CO2/CO, C2H2/H2 [2].
Метод «ключевого» газа (МКГ). Был разработан в лаборатории Doble в
1973 г. Метод основан на определении процентного содержания основного
газа для данного вида дефекта высоковольтного маслонаполненного электрооборудования. Интерпретация результатов анализа газообразных продуктов
разложения проводится путем простого рассмотрения фактов. Например, для
ч.р. в масле характерно выделение большого количества водорода и небольшого количества других углеводородных газов. Таким образом, для данного
вида дефекта основным газом является Н2, а дефект может быть идентифицирован по определенному процентному содержанию этого газа. [3].
Метод нормограмм (МН). Впервые был предложен японскими исследователями. Метод основан на определении концентраций пяти газов: Н2, СН4,
С2Н6, С2Н4, С2Н2. Обработка большого числа данных по анализу повреждений
в силовых трансформаторах позволила предложить тринадцать наиболее часто встречающихся «образов», по которым идентифицируется дефект. Для
получения «образа» по оси абсцисс через равные отрезки откладываются наименования газов в последовательности, приведенной выше. По оси ординат
отмечены концентрации газов в процентах от наибольшего значения. Газ с
наибольшей концентрацией (превышающей граничное значение для данного
вида ВМЭО) является основным. Его концентрация в мкл/л принимается за
100 %. Последовательность газов формирует «образ». Всего возможно формирование 120 образов, из которых 13 сопоставлены с реальными дефектами
[4].
Логарифмический метод номограмм Был развит J. O. Church в 1980 г.
Этот метод базируется на критерии ключевого газа. В методе графически
представлены как газовые концентрации, так и средства интерпретации дефектов. Номограмма состоит из ряда вертикальных логарифмических шкал,
представляющих концентрации отдельных газов (рис. 1). В этом методе между соседними шкалами проведены прямые линии, соединяющие точки, представляющие значения концентраций газов. Наклоны этих линий – диагностические критерии для определения типа повреждения. Ключ у основания диаграммы между двумя осями указывает тип дефекта для этих двух осей [5].
Визуальное сравнение наклонов линейных сегментов с ключами, данными
у основания нормограмм, необходимо для идентификации типа дефекта (перегрев, дуга или частичные разряды). Каждому вертикальному масштабу стрелкой присвоено пороговое значение. Эта методика может применяться, если
хотя бы одно из значений превышает пороговое [6].
Анализ хроматографических методов...
153
Недостатком этого метода является бедность диагностического заключения, так как идентифицировать можно развитие только трех основных дефектов.
Треугольник Дюваля. Метод был предложен в 1989 г. Диагностика проводится на основании результатов анализа метана (СН4), этилена (С2Н4) и ацетилена (С2Н2).
154
А.Ю. Рыжкина
Рис. 1. Логарифмическая номограмма
Анализ хроматографических методов...
155
Рис. 2. Распределение зон дефектов в «треугольнике Дюваля»
Каждая сторона треугольника соответствует одному из трех газов, как это
показано на рис. 2. Треугольник разбит на шесть зон, каждая из которых соответствует определенному дефекту: c – частичные разряды; a – разряды малой
интенсивности; b – разряды высокой интенсивности; d – термическое воздействие с температурой менее 300 °С; e – термическое воздействие с температурой от 300 до 700 °С; f – термическое воздействие с температурой выше 700
°С.
Определение зоны дефекта производится следующим образом. Складываются концентрации названных выше трех газов, их сумма принимается за
100 %
СН4 +С2Н4+ С2Н2 = А, мкл/л (100 %).
Далее определяется процентное соотношение концентрации по каждому из
газов:
СН4 = 100(СН4 +С2Н4+ С2Н2)/ СН4;
156
А.Ю. Рыжкина
С2Н4 = 100(СН4 +С2Н4+ С2Н2)/ С2Н4;
С2Н2 = 100(СН4 +С2Н4+ С2Н2)/ С2Н2).
Полученные в процентном выражении значения концентраций газов
откладывают по соответствующим сторонам треугольника и определяют
точку пересечения, которая попадает в одну из шести зон треуголь-ника
[7].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Образование газообразных продуктов разложения изоляционных материалов под действием электрического поля, разрядов, кавитации тепла – неотъемлемое явление работающего электротехнического оборудования. Оно не
должно превышать граничных значений. Существует множество методик,
которые позволяют с определенной точностью выявить и распознать дефектные состояния.
Метод нормограмм, на мой взгляд, не только самый новый, но и самый
перспективный. В этой методике всего 13 нормограмм. Теоретически возможно 120. Целесообразно рассмотреть экспериментальные данные по газообразованию и попытаться связать варианты дефектов с «образами», характерными для оставшимся 107 нормограмм, с тем чтобы получить возможность новых диагностических заключений.
[1] Методические указания по диагностике развивающихся дефектов
трансформаторного оборудования по результатам хроматографического анализа газов, растворенных в масле. РД 153-34.0-46.302-00. — М.: ОАО
«ВНИИЭ», 2001.
[2] Rogers R.R. U.K.Experiences in the Interpretation of Incipient Faults in
Power Transformers by Dissolved Gas-in-Oil Chromatography Analysis (A Progress Report)// Minutes of Forty-Fourth Int. Conf. of Doble Clients, 1977, Section
10-501.
[3] IEEE Std C57,104, Guide for the Interpretation of Gases Generated in OilImmersed Transformers, 1991.
[4] Дарьян Л. А. Научные основы физико-химической диагностики высоковольтного маслонаполненного электрооборудования: дис. на д-ра техн. наук.
Анализ хроматографических методов...
157
– Новосибирск, 2008.
[5] Haupert T.J. Fredi J. A review of the operating principles and practice of
dissolved gas analysis.
[6] Muhamad N.A., Phung B.T, Blackburn T.R. Comparative study and analysis of DGA Methods for Transformer mineral oil // IEEE Lausanne. July 2007 V.
1–5 P. 45–50
[7] Duval M.et al. Recent developments in DGA Interpretation, Final Report
of CIGRE TF15/12-01-11, CIGRE Broshure, 1989.