Поиск по сайту
Начало >> Статьи >> Коэффициенты диффузии газов в трансформаторном масле

Коэффициенты диффузии газов в трансформаторном масле

А. Ю. Рыжкина, А. Л. Бычков, С. М. Коробейников, ГОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет»
В настоящее время в диагностике трансформаторов широко применяется хроматографический анализ газов, растворенных в масле, который позволяет определять степень развития и опасность возможных дефектов на ранних стадиях.
Однако при этом сам анализ рассматривается как некий «черный ящик». Выявлены определенные закономерности, связи между «входом» и «выходом», но их причины не всегда ясны. Кроме того, считается, что при анализе возникают погрешности, связанные с отсутствием стандартизации отбора проб и их транспортировки. Другая часть погрешности связана со следующим обстоятельством. Место отбора проб и места образования газов в трансформаторе часто разнесены на значительные расстояния. Как газы добираются от одного места до другого? И можно ли сказать, что различные газы одинаково распределены по объему бака? Чтобы ответить на эти вопросы, следует в первую очередь разобраться с диффузией газов в трансформаторном масле. Однако коэффициенты диффузии основных диагностических газов в трансформаторном масле неизвестны либо определены, на наш взгляд, недостаточно корректно. В первую очередь нас интересует водород, так как он образуется по многим причинам, кроме того, молекула водорода намного меньше молекул других газов, поэтому считается, что он может «улететь» из пробы в первую очередь.
Коэффициент диффузии водорода в трансформаторном масле определялся в единственной работе [1]. Газы извлекали из жидкости с помощью устройства, представляющего собой цилиндрический сосуд, частично заполненный маслом. Толщина слоя масла составляла 8 см. До начата опытов воздух из верхней части цилиндра либо удалялся посредством вакуумирования, либо газ диффундировал в воздушную среду. В первом случае происходило почти полное выделение газа из масла примерно за 0,5 ч. Во втором случае концентрация его в газовой фазе за полчаса не достигала и 5 %. Обработку данных проводили, считая процесс диффузии квазистационарным. Однако есть несколько моментов, которые заставляют усомниться в корректности определения этого коэффициента.
Во-первых, он оказался аномально высоким, 10-7 м2/с. Дня сравнения приведем значение коэффициента самодиффузии воды в воде 2,5· 10 4 м2/с [2]. В масле, учитывая его вязкость, диффузия должна идти еще медленнее. Во-вторых, диффузия в предварительно откачанный объем и в объем с газом должна идти с одинаковыми скоростями. А в работе [ 1] они отличаются почти на два порядка (без использования ультразвука). В-третьих, в анализируемой работе предполагается квазистационарное распределение водорода в трансформаторном масле (когда поток определяется делением концентрации на размер области). На самом деле там должен происходить глубоко нестационарный процесс.
Методика измерений
В нашей работе используется наиболее простой, понятный и близкий по характеру происходящих процессов к процессам в маслонаполненном электрооборудовании способ определения коэффициентов диффузии газов, а именно путем регистрации растворения микропузырьков газа в ненасыщенной газом жидкости [3]. Для получения данных необходимо знать растворимость газа С, зарегистрировать радиусы микропузырька R0, R в начальный момент времени и после истечения некоторого времени I.
Ход работы по определению коэффициентов диффузии включал в себя четыре основных этапа:

  1. подготовку трансформаторного масла (дегазация);
  2. проведение эксперимента (ввод пузырька в экспериментальную ячейку и видеорегистрация);
  3. измерение размеров;
  4. расчет коэффициентов диффузии.

Коэффициенты диффузии газов определялись для дегазированного масла марки ГК при температуре Τ = 20 ± 1 °С .
Коэффициент диффузии для водорода можно оценить из следующего выражения:
где R0 - начальный радиус пузырька; R - радиус пузырька за время /; с коэффициент растворимости для водорода
Экспериментальная установка
Для измерений была разработана экспериментальная ячейка в виде вертикального цилиндра (1) (рис. 1) с вмонтированной в стенку иглой (2) для подвода диагностируемого газа. Дно и крышка ячейки изготовлены из стекла, что дает возможность регистрации динамики растворения микропузырька газа. Объем заполняется дегазированным трансформаторным маслом и закрывается крышкой (4), которая препятствует проникновению воздуха в систему. Подготовленная ячейка с маслом ставится под микроскоп и по газоподводящей трубке в объем масла (6) через иглу вводится пузырек диагностируемого газа, который задерживается на сетке (3). Сетка является необходимым элементом в системе, так как позволяет считать растворяющийся пузырек практически неподвижным и сферическим. Динамика растворения микропузырька водорода регистрируется с помощью видеокамеры-окуляра, подключенной к персональному компьютеру.
Эскиз экспериментальной ячейки
Рис. 1. Эскиз экспериментальной ячейки:
1 - корпус ячейки; 2 - игла; 3 - сетка; 4 - крышка; 5 - микропузырек газа; 6 - объем масла
Забор и нагнетание газа производятся пробоотборником Elchrom [4], который представляет собой комбинацию специального цельностеклянного шприца с поршнем индивидуальной притирки и вакуумного трехходового крана. Выход 1 подключается к игле ячейки, а второй - к баллону с диагностируемым газом. Во избежание резких скачков давления в системе на баллон устанавливается вентиль тонкой регулировки. Поршень шприца смазывается вакуумной смазкой, чтобы устранить утечку газа и попадание воздуха в систему. Непосредственно перед проведением эксперимента газовый тракт продувается диагностическим газом, чтобы избавиться от скопившегося в трубках воздуха.
Одновременно с вводом пузырька включалась запись веб-камеры, подключенной к окуляру микроскопа, тем самым велась видеорегистрация состояния пузырька - изменения диаметра пузырька с течением времени.
После регистрации растворения микропузырька водорода видео раскладывается на кадры (рис. 2) с определенным интернатом времени. Разбивка на кадры позволяет провести необходимые измерения и построить зависимость
R2(t) (рис. з).
Пузырек водорода
Рис. 2. Пузырек водорода в начальный (а) и конечный (б) моменты регистрации
Определение масштаба проводилось с помощью замера диаметров пузырька и проволочки сетки (диаметр сетки 0,11±0,01 мм).
На рис. 2 приведены фотографии пузырьков для двух моментов времени. Динамика растворения пузырька представлена на рис. 3 в координатах R2(l).
Диаграмма растворения микропузырька водорода
Рис. 3. Диаграмма растворения микропузырька водорода
Было проведено десять серий измерений с различными значениями начального радиуса водородного пузырька. Аппроксимация экспериментальных данных с использованием значения растворимости газа с при 20 °С [5] позволила получить оценку коэффициента диффузии в диапазоне от 2-109 до 5-109 м2 с-1. Для других газов, а именно метана и этана, получены примерно такие же значения коэффициента диффузии. Если сравнивать средние значения, то коэффициенты диффузии этана и метана примерно в два раза выше коэффициента диффузии водорода. Широкий диапазон разброса значений получился из-за того, что при всех измерениях выявилась методическая погрешность, так как определенный согласно (1) коэффициент диффузии испытывал значительные колебания, в основном случайного характера. Кроме того, выявилась и систематическая погрешность, заключающаяся в получении больших значений коэффициента для больших начальных радиусов (рис. 4). Из графика видны эти основные закономерности.

Зависимость расчетного коэффициента диффузии водорода от начального радиуса
Рис. 4. Зависимость расчетного коэффициента диффузии водорода от начального радиуса
Колебания коэффициента диффузии для разных пузырьков можно объяснить несколькими факторами. На наш взгляд, главным является неучет движения жидкости, так как пузырек при растворении сжимается и диффузия происходит в движущуюся жидкость. Кроме того, в модели не учитываются движение пузырька до сетки, диффузия между проволочками сетки, вариации температуры, которые могут повлиять как на систематическую, так и на случайную погрешность. Это будет рассмотрено на следующих этапах работы.
Тем не менее некоторые выводы можно сделать уже на этой стадии работы:

  1. значение коэффициента диффузии водорода примерно на два порядка меньше коэффициента, определенного ранее в работе [1];
  2. коэффициенты диффузии других газов не столь значительно отличаются от коэффициента диффузии водорода.

Отсюда можно сделать важное для практики заключение о том, что водород не так летуч, как явно или неявно предполагалось ранее.

  1. Михеев Г. М., Михеев Г. М., Фадеев Е. Г. и др. Лазерная диагностика ультразвуковой дегазации диэлектрической жидкости // ЖТФ. 2002. Т. 72, вып. 10. С. 73 78.
  2. Краткий справочник физико-химических величин / под ред. К. П. Мищенко, А. А. Равделя. М.; Л.: Химия, 1974.
  3. Kentisha S., Lee J., Davidson Μ. et al. The dissolution of a stationary spherical bubble beneath a flat plate // Chemical Engineering Sci. Vol. 61, Iss. 23, Dec. 2006. P. 7697 7705.
  4. Даръян Л. А. Пробоотборники «Элхром» для хроматографического анализа газов, растворенных в трансформаторном масле // Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования. 2000. Вып. 11. С. 234 236.
  5. Бузаев В. В., Даръян Л. А, Сапожников Ю. М. Уточнение коэффициентов растворимости содержащихся в трансформаторном масле газов // Электрические станции. 2006. № 12. С. 58-63.
 
« Контроль нагрева контактных соединений   КРУ среднего напряжения и LSС »
Карта сайта + все метки | Контакты
© Электроэнергетика При перепечатке и цитировании активная гиперссылка на сайт обязательна.