автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Метод и аппаратура спектрального экспресс-анализа показателей качества изоляционных масел

00348Б264

На правах рукописи

ГИНИАТУЛЛИН РУСЛАН АНАТОЛЬЕВИЧ

МЕТОД И АППАРАТУРА СПЕКТРАЛЬНОГО ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ИЗОЛЯЦИОННЫХ

МАСЕЛ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 3 ДЕН 2009

Казань - 2009

003486264

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Козлов Владимир Константинович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Усачев Александр Евгеньевич

Защита состоится 18 декабря 2009 года в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.082.01 при ГОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет»,

по адресу: 420066, Казань, Красносельская 51, тел./факс (843) 562-43-30.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, КГЭУ, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.082.01.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государственного энергетического университета, с авторефератом - на сайте http://www.kgeu.ru

Автореферат разослан «_»_2009 г.

кандидат технических наук, доцент Венедиктов Сергей Васильевич

Ведущая организация: ФГУП НПО «Государственный институт

прикладной оптики», г. Казань

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.082.01

Р.И.Калимуллин

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 новизиа 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

3

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 А.=370-430 нм; 2) по спектрам люминесценции - в области ^=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

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.

Апробация работы. Основные результаты pá6oTbi 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 «Днео 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); Ш молодежная международная научная конференция «Тинчуринские чтения» (Казань, 2008).

Публикации. Основное содержание работы отражено в б 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 140 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, поставлены цель и задачи работы, сформулированы основные защищаемые положения, приводится краткое содержание диссертации.

В главе 1 приведены химический состав изоляционного масла и основные факторы, влияющие на процесс его старения. Рассмотрены основные параметры трансформаторного масла, такие как температура вспышки, пробивное напряжение, тангенс угла диэлектрических потерь, характеризующие качество изоляционных масел, и используемые на сегодняшний момент методы определения этих параметров.

В главе 2 показано, что на сегодняшний момент возникает необходимость в поиске и использовании наиболее важных параметров, так как наблюдается высокая изношенность всего парка высоковольтных трансформаторов, а выявление по всем параметрам не удается обеспечить как по техническим, так и по экономическим причинам. Определение наиболее важных параметров по корреляционным связям между ними невозможно из-за низкой точности (достоверности) и объективности, не хватает статистических данных. Остается возможным применение параметров с большим «удельным весом», то есть тех, которые используются при часто встречающихся дефектах. В диагностике достаточно использования именно этих параметров, так как

последующие мероприятия по улучшению свойств масла и устранению возникающих дефектов предотвращают ухудшение изоляционных свойств, определяемое параметрами с малым «удельным весом».

На основе статистических данных анализа Генеральной инспекции РАО «ЕЭС России» во 2 главе проведено ранжирование дефектов по частоте их проявления, исходя из которого можно оценить эффективность использования диагностируемых параметров трансформаторного масла. Все данные сводятся в таблицу зависимостей параметров масла от вида повреждений. Каждый из дефектов влияет на изменения одного или нескольких показателей качества масла. Для каждого дефекта вносится процентное значение от числа зарегистрированных повреждений для данного дефекта. Сумма процентных значений всех дефектов, влияющих на соответствующие диагностические параметры, регистрируется как величина удельного веса соответствующего параметра. Таким образом, можно выявить «удельный вес» каждого .из диагностируемых параметров, то есть процентное значение использования данного параметра при обнаружении повреждений, встречающихся у силовых трансформаторов. На основе этих данных по значению «удельного веса» параметров можно построить следующую гистограмму (рис.1).

Рис. 1. Гистограмма распределения практической диагностической ценности

параметров масла

Для корректировки практических данных предлагается теорегическая поправка. Ценность параметра, характеризуемая теоретической поправкой, основана на той информации, которая вносится признаком в систему состояний. То есть, чем точнее информация, вносимая в систему диагностики, тем выше ценность параметра. Точность информации определяется совокупностью внешних факторов окружающей среды, влияющих на значение параметра при проведении диагностики. На основании полученных данных построена гистограмма теоретической поправки, характеризующей теоретическую диагностическую ценность (рис. 2).

Рис. 2. Гистограмма теоретической поправки характеризующей теоретическую диагностическую ценность параметров масла

Корректируя практические данные, полученные при проведении исследований с полученными данными теоретической поправки, была построена следующая гистограмма (рис.3). Однако введение теоретической поправки существенно не изменяет распределения практической диаг ностической ценности параметров масла.____________________________________________________________

параметров масла

Полученные статистические данные позволяют сделать вывод о достаточности использования для диагностики трансформатора параметров масел с наибольшим «удельным весом» - параметров, использующихся при

обнаружении наиболее часто встречающихся дефектах. Параметры с малым «удельным весом» используются при редко встречающихся дефектах. Как показывает практика, к моменту возникновения таких дефектов масло уже проверяется по параметрам с большим «удельным весом» и соответственно проводятся мероприятия по улучшению свойств масла и устранению возникающих дефектов. Использование же параметров с большим «удельным весом» в системе непрерывного контроля позволяет значительно уменьшить стоимость анализа, снизить трудоемкость, сократить время, затрачиваемое при проведении анализа трансформаторного масла. К таким параметрам, как видно из приведенных на рис. 1 и 3 гистограмм, можно отнести следующие: влаго содержание, концентрация газов по методу ХАРГ, кислотное число, а четвертым параметром может быть либо температура вспышки, либо содержание механических примесей, либо тангенс угла диэлектрических потерь, либо пробивное напряжение.

В главе 3 разработаны метод и прибор для определения температуры вспышки трансформаторного масла - параметра масла, характеризующего степень фракционности масла. На основе исследований, изложенных во второй главе, в качестве четвертого основного диагностического параметра масла, предложено использовать один из таких параметров как температура вспышки, пробивное напряжение, либо тангенс угла диэлектрических потерь. Так, основные изменения, приводящие к снижению температуры вспышки в изоляционных маслах, являются результатом процесса образования газа и низкокипящих жидких углеводородов вследствие разложения масла. Для проведения исследований из действующих силовых трансформаторов были взяты образцы изоляционных масел с различными значениями температуры вспышки. Исследования изоляционных масел проводились на малогабаритном приборе, позволяющем проводить спектральный анализ в диапазоне 250-830 им. Оптическая схема малогабаритного спектрального прибора, использованного для получения спектров пропускания изоляционных масел,

прибора: 1 - источник излучения; 2, 5 - линзы; 3 - кювета с исследуемым образцом; 4, 9 - поворотные зеркала; 6 - входная щель полихроматора; 7 -затвор; 8 - дифракционная решетка; 10-фотоприемник

В ближней ИК-области (750-1100 нм) спектра поглощения лежат обертоны и составные частоты, обусловленные, в основном, колебаниями связей атома водорода с атомами других химических элементов. Причем эти полосы поглощения значительно менее интенсивны, чем фундаментальные. А спектры органических и минеральных соединений в данном спектральном диапазоне представляют слабо дифференцированную картину наложенных друг на друга полос поглощения. Отсюда следует, что целесообразнее проводить диагностические исследования изоляционных масел в диапазоне спектра (360830 нм). Поэтому для получения спектров пропускания в области 360-830 нм изоляционных масел была проведена модернизация описанного выше малогабаритного спектрального прибора. Убран красный светофильтр, отрезающий коротковолновое излучение с длиной волны менее 600 нм, смещено возбуждение в УФ область путем увеличения напряжения, подаваемого на нить накаливания лампы. Однако одновременно увеличивается свечение лампы и в ИК области, как следствие происходит зашкаливание прибора, прибор не чувствует полезный сигнал. Поэтому были установлены дополнительные фильтры, подавляющие ИК излучение.

На модернизированном таким образом спектральном приборе были получены спектры пропускания всех образцов масел в диапазоне 360-830 нм. По экспериментальным данным были получены зависимости коэффициента корреляции Кк между температурой вспышки образцов и значением коэффициентов пропускания при длинах волн от 370 до 450 нм, представленные на рис. 5.

Рис. 5. График функции корреляции между температурой вспышки образцов и значением коэффициентов пропускания при длинах волн от 370 до 450 нм

Наибольшая корреляция г наблюдается на длине волны 414 нм. Значение г в этой точке равно 0,728. На этой длине волны и предлагается определять температуру вспышки трансформаторного масла спектральным методом. Регрессионное уравнение, выражающее зависимость температуры вспышки в изоляционном масле (Твсп) от значения коэффициентов пропускания на длине волны 414 нм (Т414), имеет следующий вид: Твсп = -95,18 + 1347,65 Т414

На рис. 6 показана теоретическая (описываемая регрессионным уравнением) и экспериментальная зависимости температуры вспышки изоляционного масла от значений коэффициентов пропускания в области 414 нм. Погрешность измерения коэффициентов пропускания составила 2,1 %.

2

160 150

140

л

о 130 ш

го

о- 120

Р ■§. 110 с

5 100 £

90

80 0,145

оо^ о ^ег""

о

Рбо

0,150 0,155 0,160 0,165 0,170

Коэффициент пропускания

0,175

Рис. 6. Зависимость температуры вспышки изоляционного масла от значений коэффициентов пропускания в области 414 нм.

Данный метод основывается на определении температуры вспышки трансформаторного масла по приведенной зависимости температуры вспышки изоляционного масла от значений коэффициентов пропускания на длине волны 414 нм. Спектры пропускания трансформаторных масел определяются на малогабаритном спектральном приборе. Таким образом, предложен спектральный метод и прибор определения температуры вспышки масла.

В главе 4 предложены метод и прибор для определения пробивного напряжения и тангенса угла диэлектрических потерь трансформаторного масла.

Для проведения работ было отобрано несколько образцов масел из разных трансформаторов, у которых в лабораторных условиях были определены такие параметры, как пробивное напряжение 1/пр и тангенс угла диэлектрических потерь . Результаты испытаний образцов масел представлены в таблице 1.

В состав трансформаторного масла входят ароматические составляющие, наличие которых постоянно изменяется. Известно, что ароматические составляющие имеют способность люминесцировать. На установке СДЛ-2 были измерены спектры люминесценции полученных образцов. Спектры люминесценции образцов масел с различными параметрами представлены на рис. 7.

Значения параметров масел Таблица!

№ образна Марка масла Unp, кВ tgS, при 90С

1 ТКп 28.4 0,47

2 ГК 37,1 0,3

3 ТКп 32 0,32

4 ТКп 31.6 - 0.33

5 ГК 43,5 0,12

6 j ТКп 37.5 0,17

7 ; гк 45 0,05

8 , ГК 40.4 0,15

9 ! ГК 44 0,08

10 ! ГК 37.2 0,27

375 400

X, НМ

Рис. 7. Графики спектров люминесценции трансформаторных масел с различными значениями диагностических параметров и 11пр

Из спектров люминесценции образцов трансформаторных масел с различными значениями tgS и Unp видно, что интенсивность люминесценции масла изменяется, но структура спектра сохраняется - это говорит об изменении количественного состава люминесцирующих молекул. Исходя из того, что на длине волны 1=400 нм наблюдается пик наибольшей интенсивности люминесценции масла (рис. 7), именно на этой длине волны по полученным результатам и построены зависимости значений tgS и Unp от интенсивности люминесценции трансформаторного масла, показанные рис. 8 и рис.9.

Из построенного графика на рис.8 для tgS прослеживается обратная корреляционная зависимость: J = 0,2163 — 0,368 tg5 с коэффициентом корреляции г = -0,778.

Из построенного графика на рис.9 для Unp прослеживается прямая корреляционная зависимость: J = 0,153 + 0,0077- Unp с коэффициентом корреляции г = 0,627.

0,02 0,05

0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 гиб при 90°С

0,35 0,40 0,45 0,50

Рис 8. График корреляционной зависимости интенсивности люминесценции трансформаторного масла на длине волны 400 нм от

32 34 36 38 40 Пробивное напряжение, кВ

Рис 9. График корреляционной зависимости интенсивности люминесценции трансформаторного масла на длине волны 400 нм от 1/пр.

На основании полученных результатов можно сделать вывод о возможности внедрения спектрального метода, основанного на физико-химических изменениях в молекулах масла, наряду с косвенными химическими методами. Однако во главу угла встает вопрос о применимости данного метода, учитывая недостатки существующего парка спектральных приборов. Основными из них являются сложность внутреннего устройства и как следствие большие габариты приборов, а также необходимость в источнике питания большой мощности переменного тока. Только после устранения этих недостатков спектральные методы получают явные преимущества, а именно мобильность, возможность работы в полевых условиях и как следствие высокую скорость получения результата. В качестве прибора для определения пробивного напряжения и тангенса угла диэлектрических потерь в диссертации предложено использовать малогабаритный спектрометр с синхронным детектированием. Синхронное детектирование используется в том случае, когда полезный сигнал, несущий информацию об изучаемом физическом процессе, сравним с шумом. Последний может быть либо случайным, например тепловой шум, генерируемый детекторами и усилителями, либо периодическим, например шум, создаваемый паразитными индуктивностями в электрической сети. Схема прибора представлена на рисунке 10.

Рис 10. Оптическая схема малогабаритного прибора: 1 - источник излучения (лампа КГМ-12-20), 2 - модулятор, 3,5 - дифракционная решетка, 4 - кювета с исследуемым образцом, 6 - фотоэлемент, 7 - заградительные решетки.

Функционирование прибора заключается в следующем: лампа 1 и электродвигатель запитываются от источника постоянного тока, свет от лампы, проходя через модулятор 2, вращаемый электродвигателем, попадает на Дифракционную решетку 3, которая отделяет необходимый для возбуждения люминесценции диапазон спектра, попадающий на кювету 4 с исследуемым образцом. Свечение (люминесценция) от исследуемого образца попадает на дифракционную решетку 5, далее интересующий диапазон спектра попадает на фотоэлемент, преобразующий его в электрический сигнал, который поступает в синхронный усилитель и далее в регистрирующий прибор, фиксирующий

изменение выходного напряжения синхронного усилителя. Величина выходного напряжения синхронного усилителя зависит от интенсивности люминесценции. Поместив на дно кюветы зеркало, появляется возможность на этом же приборе проводить работы и по спектрам пропускания.

Для определения чувствительности прибора были проведены испытания со вставленными в прибор пластинами, уменьшающими рассеивающийся свет и без них при различных величинах подаваемого на лампу напряжения. На первом этапе определялась чувствительность фотоэлемента в зависимости от подаваемого на лампу напряжения. Эксперименты проводились при различных значениях угла поворота дифракционных решеток, откалиброванных от оптического пути падающего и отраженного луча света. Наибольшая чувствительность зарегистрирована при напряжении 5 В. Для наилучшей чувствительности углы поворота дифракционных решеток выбирались одинаковыми, при отсутствии в кювете исследуемых образцов. Результаты представлены в виде графика на рис. 11.

Рис 11. График зависимости значений выходного напряжения спектрометра при наличии и отсутствии перегородок внутри спектрометра, (при напряжении подаваемом на лампу, и = 5 В) в диапазоне 350-600 нм.

......при наличии перегородок внутри спектрометра

— - при отсутствии перегородок внутри спектрометра

На основании проведенных экспериментов было принято решение о проведении лабораторных испытаний прибора со вставленными пластинами, уменьшающими рассеивание излучения внутри малогабаритного прибора, величина напряжения подаваемого на дампу 1Н5 В.

В дальнейшем на разработанном и собранном малогабаритном спектрометре на образцах отобранных из действующих силовых трансформаторов были получены экспериментальные данные. Учитывая, что люминесцентное свечение происходит на длинах волн, сдвинутых в более длинноволновую часть приблизительно на 100 нм, угол поворота второй дифракционной решетки, определяющей диапазон спектра, подаваемого на фотоэлемент, выбирался от значения возбуждающей длины волны.

Для каждого из образцов масел с помощью спектрального прибора, сопряженного с персональным компьютером, были получены значения интенсивностей люминесценции. Было установлено, что с увеличением

3.5 т и,В

3 -2,5 -2

1.5 -1 -

0,5 -0 -«-0,5350

400 450 500 550 600

Длина волны, нм

пробивного напряжения, то есть с накоплением в масле продуктов разложения, коэффициент люминесценции увеличивается.

Уравнение, выражающее зависимость величины пробивного напряжения масла от выходного напряжения спектрометра (интенсивности люминесценции) на длине волны 400 нм, имеет вид:

Шр = 63,05+0,9737- ивых где 1/вых - величина выходного напряжения спектрометра, Шр - значение пробивного напряжения масла, коэффициент корреляции равен 0,899, остаточная дисперсия равна 0,00653.

Далее в 4 главе приводятся результаты исследований спектров люминесценции изоляционных масел с различными значениями тангенса угла диэлектрических потерь в диапазоне длин волн 360-830 нм. Бьиго установлено, что с увеличением значения тангенса угла диэлектрических потерь коэффициент люминесценции уменьшается. Уравнение, выражающее зависимость значения тангенса угла диэлектрических потерь изоляционных масел от значений коэффициентов люминесценции на длине волны 400 нм, где коэффициент корреляции максимален (г=0,941), имеет вид:

¡«8 = -0,2663+0,3758- ивых где ивых - величина выходного напряжения спектрометра, tgS - значение тангенса угла диэлектрических потерь, коэффициент корреляции равен 0,96, остаточная дисперсия равна 0,0474.

На малогабаритный прибор получен патент за №84121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложен метод экспресс-анализа определения температуры вспышки трансформаторного масла в полевых условиях.

2. Предложен метод экспресс-анализа определения пробивного напряжения, тангенса угла диэлектрических потерь трансформаторного масла в полевых условиях.

3. Предложен малогабаритный прибор для определения температуры вспышки трансформаторного масла в полевых условиях.

4. Предложен малогабаритный прибор для определения пробивного напряжения, тангенса угла диэлектрических потерь трансформаторного масла в полевых условиях.

5. Выведены уравнения, выражающие зависимость температуры вспышки масла от коэффициентов пропускания. Установлена длина волны 414 нм характеризующая параметр температуру вспышки масел по коэффициентам пропускания, где коэффициент корреляции максимален (г = 0,807).

6. Получены уравнения, выражающие зависимость определения пробивного напряжения, тангенса угла диэлектрических потерь трансформаторного масла от коэффициентов люминесценции. Установлена длина волны 400 нм характеризующая параметры пробивного напряжения, тангенса угла диэлектрических потерь по коэффициентам люминесценции.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Гиниатуллин P.A. Спектральный прибор определения температуры вспышки трансформаторного масла. Материалы докладов первой Всероссийской молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». Казань: КГЭУ, 2006. С. 100-101.

2. Гиниатуллин P.A. Спектральный метод диагностики состояния трансформаторного масла. Материалы докладов II молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения». Казань: КГЭУ, 2007. С. 4-8.

3. Гиниатуллин P.A. Оптимизация работы схемы малогабаритного спектрального прибора. Материалы докладов III молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения», посвященной 40-летию КГЭУ. Казань: КГЭУ, 2008. С. 16.

4. Гиниатуллин P.A., Козлов В.К. Эффективность использования диагностируемых параметров трансформаторного масла // Известия Вузов. Проблемы энергетики. 2009. №1-2. С. 135-139.

5. Козлов В.К., Гарифуллин М.Ш., Гиниатуллин P.A., Спектральный метод диагностики состояния трансформаторного масла // Известия Вузов. Проблемы энергетики. 2006. №11-12. С. 80-83.

6. Пат. 84121 Российская Федерация. Устройство определения тангенса угла диэлектрических потерь трансформаторного масла / Гиниатуллин P.A., Козлов В.К. Заявл. 12.03.2009., опубл. 27.07.2009.

Подписано к печати 23.10.09 Гарнитура "Times" Физ. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз.

Вид печать РОМ Усл. печ. л. 0,94 Заказ ^ЗЗУТ-Типография КГЭУ 420066, Казань, Красносельская, 51

Формат 60 х 84 /16 Бумага офсетная Уч. -изд. л. 1,0

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

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.

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

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