Методы анализа трансформаторного масла

Методика анализа растворенных в трансформаторном масле газов начала применяться в конце 60-х начале 70-х годов прошлого столетия. В настоящее время она позволяет успешно  предупреждать и определять причины коротких замыканий в маслонаполенном оборудовании (силовых и измерительных трансформаторах, масляных выключателях).

Трансформаторное масло и твердая изоляция в течение срока службы электрооборудования подвержены процессам естественного старения и износа. Поэтому необходимы периодические отборы проб для анализа и заблаговременного, до возникновения аварийных ситуаций, выявления возможного ухудшения качества изоляции.
Скорость естественного старения и износа, ухудшающая параметры изоляционных материалов зависит от нескольких факторов, таких как: тип масла, герметичность системы (доступ воздуха), рабочая температура, содержание воды в изоляции, а также количество и типы загрязнений.
К примеру, поскольку большинство трансформаторов в Соединенных Штатах имеют герметичный корпус, который исключает попадание влаги и доступ воздуха, ухудшение параметров масла в них может происходить достаточно медленно, в течение многих лет. Поэтому масло во многих силовых трансформаторах в Соединенных Штатах, которые эксплуатировались более 30 лет, по-прежнему находится в хорошем состоянии.
Периодичность проведения испытаний колеблется в зависимости от вида анализа, значимости оборудования, наличия информации о возникновении неисправности или о существовании проблемы, а также от того, наблюдались ли определенные проблемы среди подобных типов трансформаторов.
Большинство испытаний, выполняемых в Северной Америке, основаны на методиках, согласованных с ASTM.
В европейских и других странах мира, подобные испытания проводятся под эгидой Международного Электротехнического Комитета TC10.
Анализ изоляционных жидкостей проводится с использованием комплекса физических, химических и электрических тестирований параметров.
Физические испытания включают в себя анализ поверхностного натяжения, температуры застывания, относительной плотности, вязкости, цвета и других.
Такие параметры, как содержание воды, кислотное число, окисление ингибитора и полихлорированные бифенилы (ПХБ), анализируют с помощью химических тестов.
Электротехнические испытания состоят из анализа пробивного напряжения диэлектрика и коэффициента мощности.
Есть много других тестов, которые могут быть выполнены, но эти основные из них, выполняются на регулярной основе.
Испытания, перечисленные выше, могут дать информацию собственно о качества масла, но не позволяют обеспечить углубленную диагностическую информацию от условий эксплуатации или здоровью электрических аппаратов.
Однако существует методика, которая применяется для анализа трансформаторного масла, и результаты анализа можно использовать для диагностики рабочего состояния электрооборудования. Этот тест проводится по методу «анализ растворенных газов в масле» (DGA), в основу которого положена газовая хромография.
Газовая хромография применялась для анализа газов из нефтепродуктов в течение десятилетий.
Однако, эта методика, которую сейчас называют «анализ растворенных газов в масле» (DGA), целенаправленно для анализа трансформаторных масел до начала 1970-ых годов не применялась.
Среди ранних идеологов применения этой методики, были доктор Джеймс Морган (James Morgan) с Morgan Schaffer Systems, Канада, и исследователи Д.Ж. Динд (J.E. Dind), Р. Дауст (R. Daust) и Дж. Реджис (J. Regis) из Canadian utility Hydro-Quebec.
Так как, методика оказалась очень успешной и предоставляла обширную диагностическую информацию для выявления возникающих повреждений, вскоре после этого и другие лаборатории, в частности Doble Engineering в Массачусетсе, начали применять ее в исследованиях.
Методика DGA теперь стала стандартом в сервисной промышленности во всем мире и, как полагают, является самым важным тестом изоляционных жидкостей в электрическом оборудовании.
Действительно, «способность» обнаруживать такое разнообразие проблем, делает этот тест мощным инструментом, как для обнаружения условий зарождающихся аварийных ситуаций, так и для установления первопричин аварии.

Метод «анализ растворенных газов в масле».

Этот метод, выполняемый в соответствии со стандартами ASTM D3612 или IEC 60567, на сегодняшний день является наиболее востребованным и самым важным диагностическим тестом для анализа трансформаторного масла, поскольку изоляция трансформатора разрушается как от чрезмерного перегрева или перегрузки. Газ, как побочный продукт подобных ситуаций, может указать на причины и условия возникновения повреждений.
Растворенные газы могут быть обнаружены в низких концентрациях (на уровне миллионных долей), которые обычно позволяют раннее вмешательство до отказа электрооборудования, в том числе и во время планового технического обслуживания.
Методика DGA предусматривает извлечение или поглощение (абсорбцию) газов из масла, и впрыскивание их в газовый хроматограф (GC).
Для определения концентрации газа, как правило, применяется пламенно-ионизационный детектор (FID) и детектор теплопроводности (ДТП).
Большинство систем также использует метанайзер (methanizer), который преобразовав любую окись углерода и двуокись углерода в метан, после сжигания выявляет газ при помощи очень чувствительного сенсорного датчика FID.
Извлечение газа из масла является одной из наиболее сложных и ответственных этапов процедуры.
При анализе оригинальным методом - ASTM D3612A, для извлечения наибольшей части газа, требуется, чтобы обработка проб масла происходила в условиях высокого вакуума, в стеклянной герметичной системе.
Газ собирается и измеряется в специально градуированной трубке.
Далее газ извлекается из градуированной колонки через перегородку газонепроницаемым шприцем и сразу вводится в GC.
Однако в данном измерительном приборе применяется ртуть. А так, как в настоящее время в современных лабораториях, ртуть не применяется из-за опасности для жизни людей. По этой причине были разработаны два дополнительных метода извлечения газа, исключающие применение ртути.
Один из них - это метод прямой инъекции ASTM D3612B.
При этом методе извлечение газов из масла и анализ газов происходит внутри газового хроматографа.
Первоначально разработанный в середине 1980-х годов для этих целей, метод предполагает впрыскивание образца масла в контур хроматографа.
При запуске хроматографа, образец масла с контура переходит через серию клапанов к металлической сфере испарителя.
Газ-носитель, проходя через испаритель, извлекает растворенные газы из масла, которые затем переносятся в хроматографическую колонку, где происходит их разделение и затем проходит через датчик.
Масло смывается с поверхности сферы и выдувается из системы до ввода следующей пробы.
Еще один, новейший метод, который был одобрен около года назад, называется методом парофазы (методом свободного пространства) ASTM D3612C.
Эта технология использовалась для анализа растворенных газов в течение почти десятилетия. Тем не менее, технология стала надежным стандартным методом только несколько лет назад, когда Джоселин Жальбер (Jocelyn Jalbert) из Hydro-Quebec усовершенствовала метод парофазы с использованием инструментов Hewlett Packard (теперь Agilent Technologies).
Второй метод предполагает введение определенного объема масла в очищенную и герметичную (вакуумированную) емкость. Затем проба масла подогревается и перемешивается до установления равновесия между жидкой и газовой фазами.
После определенного времени, автоматическим пробоотборником часть газа удаляется из испытательной емкости и впрыскивается в газовый хроматограф.
Хотя метод ASTM D3612A известен давно, он до сих пор широко используется и сегодня.
Преимуществом этого метода является то, что он может быть автоматизирован, что снижает риск ошибки оператора при обработке образца в процессе подготовки и инъекции.
Конечно, у каждого метода есть свои преимущества и недостатки. Ни один из методов не обеспечивает полное извлечение всех газов из масла. Это связано с коэффициентом растворимости каждого газа, которые должны учитываться при заключительном определении концентрации.
Преимущество в том, что из большинства оборудования, образцы масла можно брать в любое время без остановки оборудования для технического обслуживания, что помогает при диагностике и определении потенциальных неисправностей.
Тем не менее, альтернативные методы, которые более легко автоматизировать, получают все больше признание, так как они доказали свою надежность.
Лаборатории должны также работать с коммерческими поставщиками, разработка газовых и в масле стандартов или они должны быть готовы сами стандарты, так как они не являются в настоящее время из национальных органов по стандартизации, таких как NIST.
Для развития стандартов исследований газа и газа в масле, лаборатории должны сотрудничать с коммерческими поставщиками, или же готовить стандарты самостоятельно, так как в настоящее время он не согласованы национальными органами по стандартизации, таких как NIST.
Повторяемость и точность испытаний также имеют огромное значение, так как небольшие изменения, даже несколько ppm в некоторых случаях может означать разницу между активно развивающимися предпосылками повреждения, что требует немедленного вмешательства или тот, который является стабильной и не требует внимания.
Так же, как с промышленным анализом масла, эффективная практика отбора проб имеет большое значение для получения точных данных DGA.
Основные газы, такие как водород и угарный газ легко могут легко испариться из образца из-за их низкой растворимости в масле.
Для того чтобы свести к минимуму потери газов, ASTM D3613 требует чтобы образцы проб содержались в газонепроницаемых стеклянных шприцах или металлических колбах.

Образующиеся газы и их обозначение.

К типичным газам, образующимся из минерального масло и целлюлозы (бумаги и картона) в трансформаторах, относятся:
• водород Н2;
• метан CH4;
• этан C2H6;
• этилен C2H4;
• ацетилен С2Н2;
• угарный газ CO;
• углекислый газ CO2.

Дополнительно, всегда присутствуют кислород и азот, а их концентрация изменяется в зависимости от герметичности корпуса трансформаторе.
Кроме того, также могут выделяться такие газы как пропан, бутан, бутен и другие, но их исследование в диагностических целях не получило широкого распространения.
Концентрации различных газов предоставляет информацию о типе зарождающейся неисправности, а также серьезности повреждения.
Например, четыре категории общих повреждений были описаны и охарактеризованы в таблице 1.

Таблица 1. Категории ключевых газов и общих условий короткого замыкания

Электрические разряды или неэффективное охлаждение бумажной изоляции приводит к ее перегреву и образованию выделения оксида углерода.
Как правило, трансформаторы сохраняют большую часть образующихся газов, и, следовательно, можно воспроизвести общую картину износа изоляционных материалов.
Изучение относительных состава или отношения присутствующих газов может обеспечить дальнейшее уточнение диагноза. При этом обычно используется метод Роджерса или метод Дорненбурга.
Серьезность зарождающихся аварийных условий определяется общим объемом присутствующих горючих газов (CO, H2, C2H2, C2H4, C2H6, CH4) и скоростью их генерации.
Некоторые газы выделяются от естественного старения изоляции трансформатора.
Поэтому важно различать нормальные и чрезмерные объемы газа.
Нормальное старение или газовая генерация изменяется в зависимости от конструкции трансформатора, нагрузки и типа изоляционных материалов.
Обычно, общие показатели наличия газа для всех трансформаторов используются, чтобы определить нештатные ситуации. Однако при определении терминов проведения новых анализов необходимо учитывать возраст трансформаторов, и тот факт, что трансформаторы, которые эксплуатируются несколько лет, могут содержать остаточные газы.
Конкретная информация для типов трансформаторов может использоваться, когда имеются развернутые данные о газе в масле. К примеру, ацетилен считается самым значительным вырабатываемым газом. Для выделения ацетилена требуется огромное количество энергии, которая образуется при распаде масла при температурах свыше 700°C.
Чрезмерно высокий перегрев масла приведет к выделению газа в низких концентрациях, однако более высокие концентрации свидетельствуют, как правило, о наличии длительной устойчивой электрической дуги, что является более серьезной эксплуатационной проблемой, способной вызвать поломку трансформатора, если вовремя не остановить процесс.
Метод DGA - это важный инструмент для выявления и анализа тенденций возникающих проблем, и его можно использовать не только в качестве диагностического инструмента, но также инструмента, который позволит избежать отказа электрооборудования.
Отказ мощного силового трансформатора не только приведет к потере очень дорогого оборудования (стоимость которого может превышать один миллион долларов США), но может также причинить существенный сопутствующий ущерб.
И потери доходов из-за отключений клиентов от электроснабжения могут быть наименее беспокоящим последствием аварии.
Замена трансформатора, которая может длиться до одного года, если повреждения не существенные, может привести к огромным потерям доходов и штрафам.
Но если авария носит характер техногенной катастрофы, то могут иметь место дополнительные потери, например, от повреждения соседних трансформаторов, от экологических проблем, связанных с выбросом масла, которого может быть около 20000 галлонов, и пожара.
Для того чтобы избежать подобных аварий, проверка больших силовых трансформаторов должна проводиться ежегодно или один раз в три года.
По мере обнаружения возникающих неисправностей частота исследований должна увеличиваться.
Периодичность проверок также могут быть продиктованы требованиями страховых компаний, которые часто предусматривают ежегодный анализ трансформаторного масла, чтобы обеспечить непрерывный контроль.
Следующие примеры экстремальных ситуаций послужат иллюстрацией того, как тест растворенных в масле газов может использоваться для выявления и установления причин существующих проблем.
Пример 1

• 25°C и 760-мм давление
Пример 2

• 25°C и 760-мм давление
Таблица 3.

Пример 3

• 25°C и 760-мм давление
Таблица 4.

Пример 1.
Предположительно, крепление магнитопровода, было ослаблено и он либо касался обмотки, либо находился очень близко. В результат непреднамеренного непостоянного заземления основных и вихревых токов возникал локализованный перегрев масла.
Пример 2.
Предположительно причиной поломки трансформатора стало однофазное короткое замыкание на землю. В результате была повреждена одна из обмоток. При анализе было выявлено преобладание ацетилена, что указывало на возможность электрической дуги. Ацетилен-этиленовое соотношение указывало, что причиной повреждения может быть перегрев масла и/или образование дуги. Поломка была вызвана, вероятно, повреждением изоляции обмотки, потому что сравнительно высокие концентрации угарного газа и углекислого газа свидетельствовали о нарушении материала изоляции.
Пример 3.
Техник заметил, что этот трансформатор во время ливня был окутан облаком пара.
Проведенное обследование показало, что термодатчик «залип», а температура в блоке была выше 200°C. Было также выявлено, что трансформатор был очень перегружен во время некоторых последних подключений нагрузки из-за существующей диспропорции между фазами. Было также установлено, что перегрузка, вероятно, продолжалась около двух лет. Обследование внутреннего состояния трансформатора показало, что целлюлозная бумага, используемая в качестве изолятора, стала хрупкой и рассыпалась. И снова, анализ выявил наличие, преимущественно, окиси углерода и двуокиси углерода.

Анализ масла является важной частью оценки эффективности условий эксплуатации электрического оборудования.
И как показывают эти примеры, анализ наличия газов в масле является наиболее важным и эффективным диагностическим тестом для выявления широкого круга проблем.