Метод и аппаратура спектрального экспресс-анализа показателей качества изоляционных масел тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Гиниатуллин, Руслан Анатольевич

• Гиниатуллин, Руслан Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гиниатуллин, Руслан Анатольевич

Введение.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

ГЛАВА 1 НАЗНАЧЕНИЕ ИЗОЛЯЦИОННЫХ МАСЕЛ.

1.1 Химический состав изоляционных масел.

1.2. Влияние электрического поля на старение изоляционного масла.

1.3. Параметры качества изоляционных масел.

1.4 Метод и прибор определения температуры вспышки 35 трансформаторного масла.

1.5 Метод и прибор определения пробивного напряжения 43 трансформаторного масла

1.6 Метод и прибор определения тангенса угла 49 диэлектрических потерь трансформаторного масла

Выводы:

ГЛАВА 2 ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

СОСТОЯНИЯ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА

2.1. Теоретические аспекты определения диагностической ценности показателей качества трансформаторных масел

2.2. Корреляционные зависимости показателей качества 62 масла

2.3. Обработка и нахождение корреляции между параметрами масла по данным журналов производственных испытаний Приволжских электрических сетей и Казанских электрических сетей

2.4. Повреждения маслонаполненного оборудования.

2.4.1. Изоляции обмоток и их повреждения.

2.4.2. Переключающие устройства РПН, ПБВ и их повреждения.

2.5. Диагностическая ценность параметров трансформаторного масла

2.6 Теоретическая диагностическая ценность

2.7. Обобщение результатов практических и теоретических 92 результатов

Выводы

ГЛАВА 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ВСПЫШКИ ПО

СПЕКТРАМ ПРОПУСКАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРНОГО МАСЛА

3.1 Применение методов оптической спектроскопии в УФ- 96 области для определения состояния трансформаторного масла

3.2 Спектральный прибор для исследования изоляционных 97 масел по спектрам пропускания.

3.3 Получение образцов масел с различным значением температуры вспышки (модель опыта).

3.4 Построение градуировочного уравнения, выражающего зависимость температуры вспышки изоляционного масла от коэффициентов пропускания масла.

3.5 Методика измерений и обработка экспериментальных данных 105 Выводы

ГЛАВА 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОБИВНОГО НАПРЯЖЕНИЯ И

ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ПО СПЕКТРАМ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

ТРАНСФОРМАТОРНОГО МАСЛА

4.1. Люминесцентный анализ изоляционных масел.

4.2 Применение СДЛ-2 для люминесцентного анализа

4.3.Получение спектров люминесценции масла

4.4. Спектральный прибор для исследования изоляционных масел по спектрам люминесценции 117 Выводы 131 Заключение 132 Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод и аппаратура спектрального экспресс-анализа показателей качества изоляционных масел»

Изоляционное масло является важной частью изоляции высоковольтного маслонаполненного оборудования. В результате воздействия неблагоприятных факторов (повышенная температура, высокое значение напряжённости электрического поля и т. д.) происходит изменение химического состава масла, что ведёт к ухудшению его изоляционных свойств. Вследствие этого может произойти электрический пробой масляной изоляции оборудования, что приведёт к выходу из строя всего маслонаполненного оборудования. Чтобы не допустить такой ситуации в энергетических системах проводится периодический контроль состояния изоляционного масла. Для этого в химической лаборатории определяются параметры качества проб изоляционных масел, взятых из маслонаполненных электроустановок. Если эти параметры находятся внутри установленных границ, то делается вывод о возможности дальнейшей эксплуатации изоляционного масла. В противном случае изоляционное масло либо заменяется, либо проводятся мероприятия по приведению его свойств к установленным значениям (регенерация, дегазация, добавка антиокислителя и т. д.) [1-6].

Экономическая ситуация, а также большое количество оборудования с длительным сроком службы не позволяют в ближайшие годы провести его замену. Поэтому для поддержания требуемой эксплуатационной надёжности трансформаторов очень важно обеспечить их диагностический контроль и при необходимости проведение качественных ремонтов с использованием новых современных технологий.

Как правило, на несколько сотен единиц маслонаполненного оборудования приходится одна лаборатория, занимающаяся исследованием параметров масел. Отсюда следует, что методы определения параметров масла должны обладать высокой скоростью получения результата, низкой трудоёмкостью и себестоимостью, а также достаточной точностью. Определение многих параметров качества изоляционного масла основано на химических методах, которые не обладают перечисленными выше свойствами. В связи с этим возникает необходимость искать другие методы определения качества масла.

Альтернативой химическим методам может служить спектральный метод исследования изоляционных масел. Достоинствами этого метода является быстрота получения результата исследования, значительно меньшие по сравнению с химическими методами исследования, себестоимость. При этом точность результатов исследования сопоставима с точностью химических методов.

Спектральный метод основан на измерении интенсивности спектров поглощения молекулами фракций трансформаторного масла, без его разложения, что обычно составляет суть химического анализа. Метод требует минимум пробоподготовки. Процесс спектрального анализа сводится к заполнению кюветы исследуемым материалом, установке её в измерительную камеру прибора и получению результата в окончательном цифровом виде. Непосредственно процесс измерения и расчётов занимает от нескольких секунд до нескольких минут. Существующая приборная техника позволяет использовать метод как в составе стационарной или передвижной лаборатории, так и в полевых условиях. Для этого переносные приборы на автономном батарейном питании, а также стационарные приборы, которые можно устанавливать непосредственно на производственных линиях и проводить измерения в режиме реального времени [7-10].

Используемая область спектра безопасна как для оператора, так и для анализируемого объекта. Современные спектральные анализаторы, работающие под управлением встроенных микропроцессоров или подключенных к ним персональных компьютеров, обеспечивают исключительную простоту выполнения анализов. От оператора не требуется специальных знаний, так как процесс анализа состоит в выполнении очень простых операций, которые можно быстро освоить. Однако за внешней простотой приборной техники и простотой её применения скрывается исключительная сложность процесса измерений и обработки результатов. Достаточно сложны и трудоёмки методы получения спектральных данных и градуировки спектральных анализаторов. Только с их помощью извлекается нужная информация из очень слабо дифференцированной спектральной картины, представляющей результат взаимного перекрытия многочисленных полос поглощения, осложнённой обычно рассеянием излучения [7,10].

За короткий промежуток времени, не превышающий обычно нескольких минут, спектрометр многократно снимает спектры анализируемого образца и встроенного стандарта, выполняя сотни и даже тысячи измерений [11-13]. Компьютер в свою очередь успевает усреднить полученные сигналы, провести различные их преобразования и рассчитать результаты количественного определения нескольких показателей одновременно. Так же быстро компьютер может сравнить полученную спектральную информацию с данными, хранящимися в библиотеке спектров различных материалов, и определить, которому из них соответствует данный образец при заданном уровне вероятности.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Изоляционные масла применяются в высоковольтном маслонаполненном электрооборудовании в качестве изолирующей и охлаждающей среды. В процессе эксплуатации маслонаполненного оборудования, масло подвергается воздействию высокой напряженности электромагнитного поля и нагревается до высокой температуры, а также соприкасается с химически активными металлами (медью, железом и т. д.). Это ускоряет старение жидкой изоляции, вызывает изменение ее химического состава, в результате чего ухудшаются электроизоляционные свойства масла и может произойти повреждение оборудования. Определение многих параметров качества изоляционного масла основано на химических методах, которые обладают рядом недостатков, а именно низкой скоростью получения результата, высокой трудоёмкостью и себестоимостью. В связи с этим возникает необходимость искать другие методы определения качества масла. Альтернативой химическим методам может служить спектральный метод исследования изоляционных масел. При этом точность результатов исследования сопоставима с точностью химических методов.

Объект исследования - изоляционные масла, используемые в качестве жидкой изоляции маслонаполненного электрооборудования.

Предмет исследования - приборы и методы диагностики изоляционных масел.

Цель исследования - разработка методов спектрального экспресс-анализа для определения таких параметров качества, как пробивного напряжения, тангенса угла диэлектрических потерь, температуры вспышки изоляционных масел.

Основные задачи исследования

1. Обосновать возможность использования спектроскопии в видимой и УФ областях спектра для определения качества изоляционных масел.

2. Разработать малогабаритный спектральный прибор для проведения экспресс-анализа изоляционных масел в диапазоне 350-460 нм.

3. Исследовать спектры пропускания и спектры люминесценции образцов изоляционных масел с различными значениями температуры вспышки, пробивного напряжения, тангенса угла диэлектрических потерь.

4. Подобрать адекватный метод обработки полученных спектральных данных.

5. Вывести уравнения, с помощью которых можно определить температуру вспышки, пробивное напряжение, тангенс угла диэлектрических потерь изоляционного масла по спектрам пропускания и спектрам люминесценции масел.

Научная новизна работы:

- впервые проведено ранжирование параметров трансформаторного масла по частоте выявляемых дефектов и установлено, что для диагностики состояния трансформаторов на ранних стадиях зарождения дефектов достаточно проводить диагностику по четырем параметрам: влагосодержание, концентрация газов (метан, этан, этилен, ацетилен, водород, оксид и диоксид углерода), определяемая методом хроматографического анализа растворенных газов (ХАРГ), кислотное число, а четвертым параметром может быть либо содержание механических примесей, либо температура вспышки, либо тангенс угла диэлектрических потерь, либо пробивное напряжение;

- впервые установлена корреляционная зависимость между спектрами пропускания трансформаторного масла и величиной температуры вспышки трансформаторного масла;

- впервые установлена корреляционная зависимость между спектрами люминесценции трансформаторного масла и значением тангенса угла диэлектрических потерь, а также между спектрами люминесценции трансформаторного масла и значением пробивного напряжения трансформаторного масла;

- определены области длин волн, которые необходимо использовать при построении градуировочных уравнений для определения температуры вспышки, пробивного напряжения и тангенса угла диэлектрических потерь изоляционного масла: 1) по спектрам пропускания - в области ^=370-430 нм; 2) по спектрам люминесценции - в области А=350-460 нм.

Практическая ценность работы заключается в том, что

- предложена модернизация малогабаритного спектрального прибора, работающего в видимой и УФ областях спектра, для определения температуры вспышки;

- предложен малогабаритный спектральный прибор, работающий в видимой и УФ областях спектра, в котором для уменьшения рассеяния светового сигнала внутри полости прибора установлены светозаграждающие пластины, расположенные поперечно ходу оптического пути, что позволяет на порядок увеличить чувствительность прибора;

- найдены градуировочные уравнения, с помощью которых можно определять температуру вспышки изоляционного масла по спектрам пропускания, пробивное напряжение и тангенс угла диэлектрических потерь по спектрам люминесценции масла;

- предложены оптические и электрические схемы спектральных приборов для получения спектров пропускания в области 370-430 нм и спектров люминесценции в области 460 нм;

- предложен экспресс-метод определения температуры вспышки, пробивного напряжения, тангенса угла диэлектрических потерь изоляционных масел.

На защиту выносятся:

1. Положение о том, что для диагностики экспресс-методом состояния трансформатора достаточно четырех параметров, характеризующих свойства трансформаторного масла: влагосодержание, концентрация газов определяемая методом ХАРГ, кислотное число, а четвертым параметром может быть либо содержание механических примесей, либо температура вспышки, либо тангенс угла диэлектрических потерь, либо пробивное напряжение.

2. Метод определения температуры вспышки трансформаторного масла на основе корреляционной зависимости спектров пропускания и температуры вспышки.

3. Метод определения пробивного напряжения и тангенса угла диэлектрических потерь трансформаторного масла на основе корреляционной зависимости спектров люминесценции и пробивного напряжения, а также зависимости спектров люминесценции и тангенса угла диэлектрических потерь.

4. Малогабаритный спектральный прибор, работающий в видимой и УФ областях спектра, в котором для уменьшения рассеяния светового сигнала внутри полости прибора установлены светозаграждающие пластины, расположенные поперечно ходу оптического пути, позволяющие на порядок увеличить чувствительность прибора.

Личный вклад автора. Личный вклад автора заключается в участии постановке задачи, проведении экспериментов, обработке, обсуждении и интерпритации полученных данных.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

IV Республиканская научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов (Казань, 2001); VIII аспиранско-магистерский научный семинар КГЭУ (Казань, 2004); Научная студенческая конференция, посвященная «Дню энергетика» (Казань, 2004); Первая Всероссийская молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения», (Казань, 2006); IX аспиранско-магистерский семинар, посвященный «Дню энергетика» (Казань, 2006); Двенадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов (Москва, 2006); II молодежная международная научная конференция «Тинчуринские чтения» (Казань, 2007); Тринадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов (Москва, 2007); III молодежная международная научная конференция «Тинчуринские чтения» (Казань, 2008).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 6 научных публикациях, включая 2 статьи в журнале, входящем в перечень ВАК, 3 материала докладов на Всероссийских и Международных научных конференциях, 1 патент на полезную модель.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (102 наименования). Общий объем диссертации 141 страница.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Гиниатуллин, Руслан Анатольевич

выводы

1. Найдены зависимости между спектрами люминесценции и значениями тангенса угла диэлектрических потерь, пробивным напряжением.

2. Построено уравнение, выражающее зависимость спектров люминесценции изоляционного масла от тангенса угла диэлектрических потерь и пробивного напряжения.

3. Предложен метод и прибор для определения пробивного напряжения и тангенса угла диэлектрических потерь трансформаторного масла.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты диссертации состоят в следующем:

1. Разработано максимально приближенное к реалиям определение диагностической ценности параметров изоляционного масла. Данное определение основано на показаниях статистических данных повреждаемости высоковольтного оборудования и позволяет выделить параметры с большим «удельным весом», которые используются при часто встречающихся дефектах. Показано, что в качестве диагностируемых параметров достаточно использования параметров с большим «удельным весом», так как последующие мероприятия по улучшению свойств масла и устранению возникающих дефектов, предотвращают нарушение изоляционных свойств которые определяются параметрами с малым «удельным весом». Было определено, что для диагностики достаточно нескольких параметров: влагосодержание, концентрация газов по методу ХАРГ, кислотное число, а четвертым параметром может быть либо температура вспышки, либо концентрация механических примесей, либо тангенс угла диэлектрических потерь, либо пробивное напряжение.

2. Разработан малогабаритный спектральный прибор для определения температуры вспышки спектральным методом.

3. Проведено спектральное исследование образцов трансформаторного масла с различным значением температуры вспышки. Найдено, что на длине волны 414 нм наблюдается наибольшая корреляция между температурой вспышки и коэффициентом пропускания трансформаторного масла. Получены градуировочное уравнение выражающее зависимость температуры вспышки от коэффициента пропускания на этой длине волны.

4. Разработан малогабаритный спектральный прибор для определения тангенса угла диэлектрических потерь и пробивного напряжения трансформаторного масла.

5. Проведено спектральное исследование отобранных из эксплуатируемого оборудования образцов трансформаторного масла с различными значениями параметров пробивное напряжение и тангенс угла диэлектрических потерь, в результате чего получены регрессионные уравнения описывающие зависимость интенсивности люминесценции изоляционного масла от величины значений параметров пробивное напряжение и тангенс угла диэлектрических потерь.

6. Точность предлагаемых методов соответствует точности определения пробивного напряжения, тангенса угла диэлектрических потерь и температуры вспышки традиционными методами.

7. Малые размеры приборов делают возможным их использование в полевых условиях, что значительно уменьшает себестоимость и время проведения диагностики трансформаторного масла. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 И

12

13

14

15

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гиниатуллин, Руслан Анатольевич, 2009 год

1. Лазунов В.Н., Иванов Е.А. Силовые трансформаторы высокого напряжения. Л.: Изд-во Акад. Наук СССР, 1934. - 197 с.

2. Бурьянов Б.П. Трансформаторное масло. -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1955. -191с

3. Бурьянов Б.П. Эксплуатация трансформаторного масла. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1951. - 263 с.

4. Липштейн Р.А., Шахнович М.И. Трансформаторное масло. М.: Энергия, 1968.-352 с.

5. РД 34. 43. 105-89. Методические указания по эксплуатации трансформаторных масел. — М.: Союзтехэнерго, 1989. 86 с

6. Митрофанов Г.А., Гарифуллин М.Ш., Козлов В.К. Применение спектроскопии в видимой и ближней ИК-области спектра для анализа изоляционных масел// Изветсия Вузов. Проблемы энергетики. 2001. -№ 9-10.-С. 133-135.

7. Ю-34.14.519 ТО. Установка для изучения спектров люминесценции СДЛ-2. Техническок описание и инструкция по эксплуатации. Л.: ЛОМО, 1986.-70 с.

8. Ю-30.67.018 ИЭ. Установка для изучения спектров люминесценции СДЛ-2. Инструкция по эксплуатации. Л.: ЛОМО, 1986. - 68 с.

9. Митрофанов Г.А., Мартынов А.Н., Михеев А.В., Тихонов С.В. Экспресс-метод контроля состояния жидкой изоляции силовых электроаппаратов// Известия Вузов. Проблемы энергетики. 2000. - № 11-12. - С. 32-35.

10. Илларионов В.Е., Ларюшин А.И. Оптико-электронные устройства для медицины. Казань: Абак, 2000. - 167 с.

11. Крищенко В.П. Ближняя инфракрасная спектроскопия. М.: КРОНА-ПРЕСС, 1997. - 638 с.

12. Бахшиев Н.Г. Введение в молекулярную спектроскопию. Учебное пособие. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1974. - 183 с.

13. Наметкин С.С. Химия нефти. М.-Л.: ГОНТИ, 1939. - 792 с.

14. Черножуков Н.И., Крейн С.Э., Лосиков Б.В. Химия минеральных масел. М.: Гостоптехиздат, 1950. — 416 с.16