CC BY
414
УДК [535.33:621.373.826]:546.11 ББК З 234.2в672
Г.М. МИХЕЕВ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫДЕЛЕНИЯ ВОДОРОДА ИЗ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
Ключевые слова: диэлектрическая жидкость, водород, метод спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС), импульсный пробой.
Методом спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света исследовано выделение водорода из диэлектрической жидкости. Показано, что после электрического пробоя масла концентрация водорода в газовой смеси над жидкостью скачком возрастает до некоторого значения, зависящего от энергии разряда. Общий объем образующегося водорода пропорционален корню квадратному из энергии импульсного электрического разряда.
G.M. MIKHEEV EXPERIMENTAL RESEARCH OF HYDROGEN EXTRACTION FROM DIELECTRIC LIQUID BY LASER SPECTROSCOPY
Key words: dielectric liquid, hydrogen, method of spectroscopy of biharmonic-pumping coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS), impulse discharge.
The hydrogen extraction from dielectric liquid by the method of spectroscopy of biharmonic-pumping coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) is analyzed. It is shown that after electrical breakdown the hydrogen concentration in the gas mixture over the liquid increases very rapidly up to a certain value that depending on discharge energy.
The total volume of extracted hydrogen is proportional to the square root of impulse electric charge energy.
Актуальность экспресс-контроля газов в диэлектрических жидкостях. Известно, что в высоковольтном маслонаполненном оборудовании газы могут генерироваться в результате разложения масла при частичных разрядах, термическом нагреве, мощном ультразвуковом воздействии [1]. Причем одним из самых первых газов, который образуется в результате разложения масла, является водород.
Обычно определение содержания газов в трансформаторных маслах сводится к анализу газовой фазы над пробой исследуемой жидкости [2]. В этом случае извлечение газов из жидкой фазы в газовую осуществляется посредством обычного перемешивания пробы масла в течение некоторого времени в атмосфере чистого инертного газа, а также в условиях вакуума. В результате этого часть растворённых в жидкости газов переходит в газообразное состояние. Распределение компонент газа, например водорода, в газовой и жидкой фазах характеризуется коэффициентом распределения K [2], зависящим от температуры. Обычное перемешивание и применение вакуума не оказывает влияния на коэффициент распределения. Такая процедура лишь ускоряет процесс перехода газа из жидкой фазы в газовую. То есть уменьшает время установления термодинамического равновесия.
Анализ состава выделенной из жидкости газовой смеси осуществляется хроматографическим методом. В этом случае разделение водорода от других газов производится с помощью хроматографической колонки в потоке инертного газа. Но детектирование водорода не обеспечивает экспрессности анализа, так как требуется некоторое время для прохождения газовой смеси через хроматографическую колонку. Поэтому указанный метод не позволяет, например, наблюдать кинетику выделения водорода из диэлектрической жидкости в реальном масштабе времени при нагреве или после импульсного электрического пробоя. В связи с этим представляют определенный интерес развитие и демонстрация применения другого альтернативного метода, позволяющего с высокой чувствительностью проводить экспресс-анализ содержания водорода в диэлектрических жидкостях. Таким методом является нелиней-
ная лазерная спектроскопия когерентного антистоксова рассеяния света. Она, в частности, применяется для анализа водорода в металлах и сплавах [3].
Как известно, при всех возможных дефектах в электрооборудовании (термический нагрев, частичные разряды, дуговые разряды, разложение твердой изоляции и т.д.) основным газом в трансформаторном масле является водород [4]. Поэтому необходимо знание о концентрации этого газа в диэлектрической жидкости.
Исследование выделения водорода из трансформаторного масла типа ГК после импульсного электрического пробоя
а) Схема эксперимента
На рис. 1 представлена упрощенная схема установки, позволяющая исследовать выделение водорода из трансформаторного масла методом КАРС после одиночного импульсного электрического пробоя.
Здесь в качестве блока 1 служит одномодовый УЛв: №+3-лазер с пассивной модуляцией добротности с удвоителем частоты на кристалле КТР, работающий в частотном режиме [5]. Длина волны излучения составляет 532 нм, длительность импульса около 7 нс при энергии в импульсе 25-40 мДж. Монохроматическое излучение на длине волны Хь= 532 нм подается в генератор бигармонической накачки (ГБН) 2, который состоит из кюветы со сжатым водородом при давлении 2,5 атм, фокусирующей и коллимирующей линз, а также из набора необходимых оптических фильтров (на рис. 1 не показаны).
В кювете ГБН в результате вынужденного комбинационного рассеяния света [6] часть излучения с Хь= 532 нм преобразуется в стоксову волну с Х8 = 683 нм так, что соответствующие им частоты удовлетворяют условию резонанса:
Юь - Юз « О, где О - частота комбинационно-ак-
3 4 5 6
тивного перехода 0О1(1) молекулярного водорода между колебательными состояниями V = 0 и V = 1, имеющими вращательное квантовое число 3 = 1.
Далее бигармоническая накачка (Хь = 532 нм, = 683 нм) с помощью
линзы 3 фокусируется в оптическую измерительную кювету 4. Здесь в результате четырехфотонных процессов возникает антистоксова волна (Хд = 436 нм), интенсивность которой позволяет судить о концентрации водорода в измерительной кювете 4. После коллимирования пучка линзой 5 и предварительной частотной селекции фильтром 6 излучение Хд = 436 нм направляется на монохроматор 7 и измеряется специальной системой регистрации и микро-ЭВМ 8. При этом измерения осуществляются с некоторой частотой повторения импульсов, с возможностью автоматического усреднения без изменения масштаба и последующим запоминанием полученных результатов.
Конструктивно камера 12 для трансформаторного масла 13 выпол-
1 ^ 2 П-Л
Рис. 1. Схема эксперимента:
1 - одномодовый лазер;
2 - генератор бигармонической накачки;
3, 5 - линзы; 4 - измерительная кювета;
6 - фильтр; 7 - монохроматор; 8 - микро-ЭВМ; 9 - вакуумный трубопровод; 10 - зажим;
11 - вакуумный насос; 12 - камера;
13 - испытуемая жидкость; 14 - электроды; 15 - высоковольтный трансформатор;
16 - накопительный конденсатор;
17 - выпрямительный блок
нена из кварцевой трубки и содержит медные заостренные электроды 14, расположенные друг против друга. Один из электродов заземлен, на другой через вторичную обмотку импульсного поджигающего трансформатора 15 подано высокое напряжение выпрямительным блоком 17. Вакуумный трубопровод 9 и форвакуумный насос 11 обеспечивают откачку воздуха из измерительной кюветы и камеры 12 для трансформаторного масла. Зажим 10 позволяет отключить действие вакуумного насоса во время измерений.
Эксперименты проводились в такой последовательности. После откачки воздуха из оптической измерительной кюветы и камеры для трансформаторного масла до давления менее 103 Па вакуумный насос отсоединялся от системы с помощью зажима 10. В этом случае сигнал КАРС полностью отсутствует. Далее производилась калибровка измеряемого сигнала для определения абсолютного значения объема водорода (приведенного к нормальным условиям), выделяющегося после импульсного пробоя масла. Данная процедура осуществлялась введением известных объемов водорода с помощью хроматографических шприцев в вакуумное пространство над трансформаторным маслом, свободным от растворенного в нем водорода. Минимальный объем водорода, который можно было зарегистрировать, составлял 10-6 см3.
В момент времени ґ = 0 на первичную обмотку трансформатора поджига подается одиночный короткий импульс. В результате на медных электродах возникает кратковременное высокое напряжение, пробивающее межэлектродный промежуток. Вслед за этим накопительный конденсатор 16 разряжается на землю через вторичную обмотку трансформатора 15 и межэлектродный промежуток. В результате возникает яркое свечение, сопровождающееся существенным возмущением жидкости и выделением газовых пузырей.
б) Выделение водорода при разложении трансформаторного масла Эксперименты показали, что после импульсного газового разряда, возникающего в трансформаторном масле, сигнал КАРС в измерительной кювете скачком возрастает. Это свидетельствует об образовании порции водорода V (ґ=0), оказывающейся немедленно в оптической измерительной камере (рис. 2). В дальнейшем наблюдается плавное увеличение объема водорода в измерительной кювете (рис. 2, кривая 1). Это может быть связано с началом процесса перехода растворившегося в масле водорода в газовую фазу.
Действительно, согласно [2, 7], растворенный в жидкости водород будет постепенно переходить в газообразное состояние. Данный процесс будет происходить до установления термодинамического равновесия между фазами, находящимися в газообразном и жидком состояниях. В этом случае время установления равновесия во многом определяется процессами диффузии, которые активизируются при пониженных давлениях газообразной среды над жидкостью за счет «вскипания» масла. Доля оставшегося газа в жидкой фазе в условиях достижения равновесия тем меньше, чем меньше коэффициент распределения. Коэффициент распределения водорода равен 0,089 [2]. Он будет тем меньше, чем больше объем газового пространства над маслом [7]. Эксперименты показали, что через время Осином. = 30 мин после импульсного про-
Рис. 2. Кинетика выделения водорода из камеры с трансформаторным маслом марки ГК в оптическую измерительную кювету после импульсного электрического разряда с энергией равной 16,9 Дж при попадании (1) и непопадании (2) капель масла на внутренние стенки вакуумного трубопровода, соединяющую камеру с измерительной кюветой
боя рост зависимости У(ґ), представленной на рис. 2 (кривая 1), прекращается. Данное обстоятельство свидетельствует о прекращении эмиссии водорода из жидкости и может быть связано с завершением процесса перехода этого газа из жидкой фазы в газовую.
Дальнейшие эксперименты показали, что при одной и той же энергии импульсного разряда ґустановл. меняется от одной вспышки к другой. Имелись случаи, когда после импульсного разряда нарастание V(ґ) не наблюдалось. Более детальные исследования этого явления показали, что в результате импульсного электрического разряда за счет гидродинамического удара происходит сильное возмущение жидкости, в результате чего капли масла попадают на вакуумный трубопровод 9 (рис. 1), соединяющий камеру для трансформаторного масла с оптической измерительной кюветой. В результате этого газовый объем камеры для трансформаторного масла в некоторый момент времени после электрического разряда разъединяется от оптической кюветы тонким слоем диэлектрической жидкости, что приводит к замедленному поступлению части образовавшегося газа в оптическую измерительную кювету. В связи с этим конструкция камеры для трансформаторного масла была несколько изменена. На некотором расстоянии от поверхности диэлектрической жидкости над межэлек-тродным промежутком был помещен экран, препятствующий попаданию капель масла на вакуумный трубопровод. После такой незначительной модернизации камеры для трансформаторного масла характер зависимости V(t) изменился (см. рис. 2, прямая 2). Весь объем водорода, образующийся в результате импульсного электрического разряда, полностью выделяется из жидкости в первый же момент времени.
Эксперименты показывают, что количество водорода П(ґ=0), выделяющегося из жидкости непосредственно после пробоя, возрастает при увеличении энергии разряда, определяемого из отношения:
V = Си2/2, (1)
где С и и - ёмкость и напряжение накопительного конденсатора.
Представляет интерес изучение зависимости общего объема водорода V, выделившегося из масла, от энергии разряда є. На рис. 3 представлены экспериментально полученные значения V при различных є, обозначенные в виде точек.
В данном случае энергия разряда варьировалась изменением емкости накопительного конденсатора при постоянном значении и = 1,5 кВ. Видно, что с увеличением є происходит существенное возрастание V от нулевого уровня по нелинейному закону. Интерполяция экспериментально полученных точек V(є) по методу наименьших квадратов приводит к функции
V = кє1/2, (2)
где к - некоторый коэффициент (к = 2х 10-4). Как видно из рис. 3, полученная функция удовлетворительно описывает представленную экспериментальную зависимость. Это позволяет оценивать объем V по известному значению энергии импульсного разряда, возможного в высоковольтных трансформаторах [8].
Таким образом, существует возможность оперативного селективного контроля водорода в газовой смеси над диэлектрической жидкостью методом лазерной спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света на мощных силовых трансформаторах. Размещение такой установки возможно в расширительной ёмкости силового трансформатора. В этом случае у дежурного диспетчера подстанции поя- от энергии є импульсного электрического разряда вится возможность оперативно вести (сплошная аппроксимирующая кривая УН2= кє1/2)
Рис. 3. Зависимость общего объема УН2 выделившегося водорода из масла
наблюдение за кинетикой выделения водорода из диэлектрической жидкости. По сравнению с хроматографическим методом анализа данный метод позволяет контролировать дорогостоящее электрооборудование в реальном масштабе времени и с более высокой точностью.
Литература
1. Аракелян В.Г., Дарьян Л.А., Лоханин А.К. Разложение изоляционных жидкостей под действием частичных разрядов, тепла и ультразвукового поля // Электричество. 1988. № 5. С. 33-38.
2. Аракелян В.Г. Газовая хроматография в диагностике высоковольтного оборудования // Электротехника. 1994. № 2. С. 8-17.
3. Михеев Ген.М., Малеев Д.И., МахневЕ.С., Могилева Т.Н. Анализ водорода в металлах и сплавах методом спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света // Журнал прикладной спектроскопии. 1994. Т. 60, № 1-2. С. 11-18.
4. РД 34.43.105-89. Методические указания по эксплуатации трансформаторных масел. М.: СПО ОРГРЭС, 1995. 86 с.
5. Михеев Ген.М., Малеев Д.И., Могилева Т.Н. Эффективный одночастотный ИАГ:К(!+3-лазер с пассивной модуляцией добротности и поляризационным выводом излучения // Квантовая электроника. 1992. Т. 19, № 1. С. 45-47.
6. Измерение количества свободного и связанного водорода в аморфном углероде / О.И. Коньков, И.Н. Капитонов, И.Н. Трапезникова и др. // Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23, № 1. С. 3-8.
7. Макарова Т.В., Губернаторова Е.А. Акустика и ультразвуковая техника // Тэхника. 1991. № 26. С. 15-19.
8. Михеев Ген.М., Михеев Г.М. Применение метода лазерной спектроскопии для анализа водорода, образующегося при электрическом пробое трансформаторного масла // Электричество. 1996. № 7. С. 33-36.
МИХЕЕВ ГЕОРГИЙ МИХАЙЛОВИЧ. См. с. 207.
УДК 621.314.222.6:620.9 ББК З261.8
Г.М. МИХЕЕВ, Л.Г. ЕФРЕМОВ, Д.Е. ИВАНОВ
СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Ключевые слова: силовые трансформаторы, повышение эффективности, снижение потерь, магнитопровод.
Приведены основные эволюционные изменения в конструкции силовых трансформаторов. Рассмотрены проблемы и необходимость замены изношенного парка силовых трансформаторов, представлены возможные пути изменения их конструкции, позволяющие уменьшить потери.
G.M. MIKHEEV, L.G. EFREMOV, D.E. IVANOV THE METHODS OF IMPROVEMENT OF THE POWER TRANSFORMERS ENERGY PERFORMANCE EFFECTIVENESS Key words: power transformers, effectiveness improvement, loss reduction, magnetic core.
The article presents main evolution changes in the design of power transformers. Problems and the necessity of the replacement of shopworn park of power transformers, possible methods of improvement of the power transformers design allowing reducing loss are considered.
Окружающая нас техника стремительно видоизменяется. Технический прогресс предоставляет возможности и требует применения более совершенных устройств, эффективных и способных адаптироваться к новым условиям работы. В то же время все эти новые устройства быстро устаревают. Всё это в полной мере относится и к силовым трансформаторам.
