CC BY
26
Research of the Changes in the Structural Group Composition of Transformer Oil During Operation
Kurakina O.E. 1, Kozlov V.K. 1, Turanova O.A. 2, Turanov A.N. 2
1Kazan State Power Engineering University, Kazan E.K. Zavoisky Physical-Technical Institute of the Kazan Scientific Center of the
Russian Academy of Sciences, Kazan, Russian Federation
Abstract. The actual issue of the electric power industry is the diagnostics of equipment to timely detection of emerging defects and their prevention. The aim of presented work is the development of a method for monitoring the state of transformer equipment based on the determination of structural-group composition of transformer oil. The goal is achieved by measuring spectra of oil in the near-IR (infrared) region. The method of investigation is approximation of obtained spectra of transformer oils on the basis of reference compounds spectra. A new method for determining the structural group composition of oils was proposed. It is distinguished by a significant simplicity and directly related to the characteristics of the molecules in comparison with the existing methods for determining the structural group composition from nomograms. Optical spectra in the near-IR range of fresh and used samples of GK transformer oil in the range of 10250-11750 cm-1 were recorded and analyzed. It was shown that during the aging transformer oil fraction of CH2-groups decreases, CH3-groups fraction increases somewhat, CH-groups fraction is significantly increased, thereby confirming the effect of increasing the proportion of aromatics in such systems reducing the amount of cycloalkanes, paraffins are most stable. This fact can be used to develop monitoring systems for power oil-filled transformers. Determination of the structural group composition of the oil and its changes during operation will allow monitoring the oil condition, the technical condition of the transformer and to determine the origin of thermal and discharge defects.
Keywords: spectroscopy, infrared spectroscopy, transformer oil. DOI: 10.5281/zenodo.1343455
Cercetari asupra schimbarii component structurale in grup a uleiului de transformator in procesul de exploatare Kurachina O.E.1, Kozlov V.C.1, Turanova O.A.2, Turanov A.N.2
1FGBOU VPO Universitatea de Stat de energetica din Kazani, 2Institutul fizico-tehnic din Kazani E.C. Zavoischii FIJ "CazHJ RAN", Kazani, Federatia Rusa
Rezumat. Metodele existente de diagnoza a uleiului de transformator necesita prelevarea probelor §i efectuarea cercetarilor sofisticate de laborator. Noi am studiat spectrele de permitivitate in diapazonul apropiat infraro§u (IR) a elementelor reprezentative de hidrocarburi din componenta uleiurilor de transformator. A fost propusa o metoda noua de determinare a componentei structurale in grup a uleiurilor corespunzator acestei benzi de absorbtie, ce difera prin simplitate considerabila §i este legata nemijlocit de caracteristicile moleculelor, comparativ cu metodele existente de determinare a componentei structurale in grup dupa nomograme. Sunt prezentate rezultatele analizei componentei structurale in grup a uleiului de transformator in baza datelor spectrelor optice in diapazonul apropiat infraro§u, ce permite determinarea ponderii fiecarei componente §i formarea benzii analizate. Sunt inregistrate §i analizate spectrele optice in diapazonul apropiat IR la probele uleiurilor de transformator proaspete §i de§euri de marca GK, in diapazonul 10250-11750 cm-1. Este aratat, ca pe parcursul imbatranirii uleiului de transformator ponderea grupurilor CH2 se mic§oreaza, la grupurile CH3 se atesta o oarecare cre§tere, iar la grupurile CH - o cre§tere considerabila, confirmand prin aceasta efectul cre§terii compu§ilor aromatici in asemenea sisteme, reducerea cantitatii de naftene, iar parafinele sunt cele mai stabile. Acest fapt poate fi utilizat la elaborarea sistemelor de monitorizare a transformatoarelor de putere umplute cu ulei. Determinarea componentei structurale in grup a uleiului §i a schimbarilor in procesul exploatarii permite de a controla starea uleiului in practica, dar dupa starea sa - a controla starea tehnica a transformatorului §i determina aparitia in transformator a defectelor termice §i de descarcari. Cuvinte-cheie: spectroscopie, diapazonul infraro§u de radiatie, ulei de transformator.
© Куракина О.Е., В.К. Козлов, О.А. Туранова, А.Н. Туранов, 2018
Исследование изменения структурно-группового состава трансформаторного масла в процессе
эксплуатации
Куракина О.Е. 1, Козлов В.К. 1, Туранова О.А. 2, Туранов А.Н. 2
:ФГБОУ ВПО Казанский государственный энергетический университет, 2Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского ФИЦ «КазНЦ РАН»,
Казань, Российская Федерация Аннотация. Актуальный вопрос электроэнергетики - диагностика оборудования для своевременного выявления зарождающихся дефектов и их предотвращения. Целью представленной работы является разработка метода мониторинга состояния трансформаторного оборудования на основе определения структурно-группового состава трансформаторного масла. Поставленная цель достигается за счет измерения спектров масла в ближней ИК-области. Методом исследования была выбрана аппроксимация полученных спектров трансформаторных масел на базе спектров эталонных соединений. Нами были изучены спектры пропускания в ближней ИК области характерных представителей углеводородных компонент трансформаторных масел - парафинов, нафтенов и ароматических соединений: изооктана, гексана, гексадекана, циклогексана и бензола. На основании индивидуальных спектров идентифицирована полоса поглощения трансформаторного масла. Предложен новый метод определения структурно-группового состава масел по этой полосе поглощения, отличающейся существенной простотой и непосредственно связанный c характеристиками молекул по сравнению с существующими методами определения структурно-группового состава по номограммам. Представлены результаты анализа структурно-группового состава трансформаторного масла на основе данных оптических спектров в ближнем инфракрасном диапазоне, позволяющие определить вклад каждого из компонент в формирование анализируемой полосы в спектре поглощения масла. Записаны и проанализированы оптические спектры в ближнем ИК-диапазоне свежего и отработанного образцов трансформаторного масла марки ГК, в области 10250-11750 см-1. Показано, что в ходе старения трансформаторного масла доля СН2-групп уменьшается, СН3-групп несколько возрастает, СН-групп значительно увеличивается, тем самым подтверждая эффект увеличения доли ароматических соединений в таких системах, уменьшения количества нафтенов, а наиболее стабильны парафины. Данный факт можно использовать для разработки систем мониторинга силовых маслонаполненных трансформаторов. Определение структурно-группового состава масла и его изменения в процессе эксплуатации позволит на практике контролировать состояние масла, а по его состоянию контролировать техническое состояние трансформатора и определять возникновение в трансформаторе термических и разрядных дефектов. Ключевые слова: спектроскопия, инфракрасная спектроскопия, трансформаторное масло.
Введение
Известны различные методы определения состояния трансформаторного масла (ТМ), например, метод стандартного
термоустойчивого старения требует продолжительного времени для получения кривых продолжительности жизни, особенно в случае возрастания температурных значений, близких к значениям рабочих температур минерального масла (до одного года). В [1] предложен метод, позволяющий сократить время проведения эксперимента, в качестве параметра деградации
рассматривается удельное электрическое сопротивление. Также для оценки старения ТМ предлагалась спектроскопия ЯМР [2]. В [3] показан практический метод оценки остаточного времени жизни ТМ с использованием закона Аррениуса, который может быть применен к термическому разложению масла.Нами предложен новый метод определения структурно-группового
состава ТМ описанный в последующих разделах статьи.
Коммерческие оптоволоконные
спектрометры AvaSpec (Avantes), USB4000 (Ocean Optics), Andor (Oxford Instruments) и др. позволяют решать широкий круг не только научных задач (фотоспектрометрия, колорометрия, радиометрия) и лабораторных исследований (определение концентрации растворов, толщины пленок, анализ крови), но и проводить мониторинг сложных инженерных систем (механические напряжения, вибрации) и окружающей среды (химический состав воздуха, воды). Оснащение силовых трансформаторов системой оптоволоконных кабелей с датчиками на концах открывает новый канал мониторинга состояния оборудования. Например, фирма Neoptix Canada LP уже выпускает, устанавливает и обслуживает системы температурного мониторинга обмоток трансформаторов и верхних слоев трансформаторного масла - Qualitrol серии T/Guard [4]. Аналогичным образом,
4установив оптоволокно с датчиками на концах в трансформаторах и присоединив другие концы кабелей к оптическим спектрометрам, на основе анализа изменений спектров, т.е. структурно-группового состава трансформаторного масла, получаем систему мониторинга как состояния изоляционного масла, так и, соответственно, изменений в самом трансформаторе [5]. Структурно-групповой состав дает представление о составе масел и определяется с помощью номограмм для проведения структурно-группового анализа.
Независимо от типа изоляционного масла, т.е. минеральное, биологическое или синтетическое, применяемого на практике, в подавляющем большинстве случаев основа состава - углеводородные соединения, большая доля которых СН3-, СН2- и СН-группы [5]. В инфракрасном (ИК) диапазоне эти группы идентифицируются по характерным полосам поглощения валентных колебаний связи углерод-водород вблизи 3000 см-1: СН3- группе соответствуют полосы при 2962 и 2872 см-1; СН2- группе 2926 и 2853 см-1; СН- группе 2890 см-1. Как интенсивность, так и положение полос поглощения может зависеть от внутримолекулярных и межмолекулярных водородных связей, взаимодействия с ближайшими молекулярными группами, стерических эффектов. Третий обертон перечисленных полос с учетом ангармонизма колебаний принадлежит диапазону 10250 -11750 см-1, что находится в ближней инфракрасной области и может быть зарегистрировано оптоволоконными
спектрометрами и может позволить определять марку трансформаторных масел [6].
Очень часто углеводородные компоненты масел разделяют на три весьма условные группы: парафины, нафтены и ароматические соединения [3]. Характерные представители первой группы: изооктан, гексан и подобные молекулы без кольцевых структур; для второй группы можно указать циклогексан и другие насыщенные циклопарафины, а для третьей - бензол и соединения с ним. Для трансформаторного масла марки ГК соотношение трех указанных групп по содержанию атомов углерода
приблизительно 58:40:2 (в том же порядке перечисления) [7]. Поскольку в ходе эксплуатации масло деградирует (стареет), к
тому же, к маслу добавляют присадки, например антиокислительные, то указанное соотношение меняется. Данное изменение состава открывает канал для мониторинга и контроля состояния эксплуатируемого маслонаполненного оборудования [7].
В представленной работе описаны результаты анализа структурно-группового состава образцов трансформаторного масла на основе аппроксимации оптических спектров в указанной выше области. Данный диапазон (ближний ИК) привлекателен простотой и дешевизной аппаратуры, по сравнению с приборами, работающими в средней ИК-области спектра, что является большим преимуществом в перспективе практических приложений, так как в настоящее время используются только спектры пропускания масел в ультрафиолетовой и фиолетовой области спектра [8,9,10].
Эксперимент
Образцы
Образец I - свежее трансформаторное масло марки ГК 2007 года выпуска (ОАО «Ангарская нефтехимическая компания» класс ИА, ТУ 38.101.1025-85).
ОбразецII-масло марки ГК 1971 года выпуска (ГОСТ 982-68),
эксплуатировавшееся в трансформаторе ТДН-16000/110/6 до 2008 года.
Коммерческие изооктан С(СН3)3—СН2— СН(СН3)2 и н-гексадекан марки О.С.Ч., гексан, циклогексан и бензол марки Х.Ч. исследованы без предварительной очистки.
Методы
Спектры пропускания записаны при комнатной температуре в кварцевых кюветах толщиной 1 = 50 мм на спектрофотометре СФ-56 в диапазоне длин волн от 600 до 1100 нм при ширине щели 1.0 нм. Погрешность установки длин волн ±1.0 нм, шаг дискретизации 1.0 нм.
Аппроксимация оптических спектров масел после пересчета в зависимость оптической плотности ф) от волнового числа (К) осуществлена на основе суммы пяти компонент с помощью уравнения:
¡=N1 ^+N2 ^+N3 ^+N4 ^+N5 £ ,
где N1 ... N5 - варьируемые параметры, а ^ ... f5 - функции спектров поглощения изооктана, гексана, бензола, циклогексана и гексадекана, соответственно. Коэффициент
корреляции превышает 0.98 во всех описанных случаях.
Результаты и их обсуждение
Спектры всех образцов, изученных в данной работе, представлены на рис. 1 и 2. Выбор пяти базовых компонент: изооктана, гексана, бензола, циклогексана и гексадекана обусловлен не только тем, что перечисленные вещества являются характерными представителями трех условных групп (парафинов, нафтенов и ароматических соединений), но еще и тем фактом, что набор спектров этих веществ полностью перекрывает спектры масел марки ГК в изученном диапазоне. Аппроксимация каждого спектра пяти базовых соединений
выполнена как линейная комбинация нескольких (от одной для бензола до четырех для изооктана) функций Лоренца с коэффициентом корреляции > 0.99. Отметим, что наборы положений максимумов Лоренцевских функций очень близки между собой в спектрах разных базовых соединений. Не удивительно, ведь основа их состава - СН3-, СН2- и СН- молекулярные группы.
Максимум в спектре поглощения изооктана находится вблизи 10930см-1 (рис.1), что соответствует полосе СН3- группы.
ч« -1—"Г—-1-1-1-1-1-г
11750 11500 11250 11000 10750 10500 10250
К, ст
-1
1 - Изооктан, 2 - гексан, 3 - бензол, 4 - циклогексан и 5 - гексадекан. Для наглядности спектры приведены со сдвигом по вертикали. (Р - оптическая плотность, К - волновое число)
Рис. 1. Экспериментальные (сплошные линии) и рассчитанные (пунктирные линии) спектры
образцов в диапазоне 10250 - 11750 см-1.
Две полосы сравнимой интенсивности при 10960 и 10780 см-1 в спектре гексана отнесены к поглощениям СН3- и СН2- групп, соответственно. Бензол обладает лишь одной полосой - вблизи 11400 см-1 от СН- группы. Спектр циклогексана состоит из двух явных полос с максимумами в 10840 и 10700 см-1, обе принадлежат СН2- группе. Для спектра
гексадекана можно указать две полосы: 10900 см-1 от СН3- группы и 10740 см-1 от СН2- группы. Сравнение спектров гексана и гексадекана между собой наглядно демонстрирует большую интенсивность полосы от СН2- группы в гексадекане, что в точности соответствует разнице
молекулярных составов.
Спектры обоих образцов подразделе «Методы» формуле, полученные
трансформаторного масла (рис. 2) были значения параметров подгонки приведены в аппроксимированы по приведенной в таблице 1.
Таблица 1.
Параметры аппроксимации спектров образцов I и II.
N1 (изооктан) N2 (гексан) N3 (бензол) N4 (циклогексан) N5 (гексадекан)
Образец I (свежее масло) масло марки ГК 2007 года выпуска 0.26 0.38 0.06 0.62 0.39
Образец II (отработанное масло) масло марки ГК 1971 года выпуска (ГОСТ 982-68), эксплуатировавшееся в трансформаторе ТДН-16000/110/6 до 2008 года. 0.35 0.41 0.10 0.43 0.35
т-1-1-1-1-1-1-1-г
11750 11500 11250 11000 10750 10500 10250
К, еш"
I (Свежее ТМ марки ГК) и II (отработанное ТМ марки ГК). Для наглядности спектры приведены со сдвигом по вертикали. (Б - оптическая плотность, К- волновое число)
Рис. 2. Экспериментальные (толстые линии) и рассчитанные (пунктирные линии) спектры
образцов в диапазоне 10250 - 11750 см-1.
Наибольшее изменение - рост почти в 2 раза у параметра N3, соответствующего бензолу, т.е. СН- группе. Уменьшение в 1.44 раза параметра N4 (циклогексан) однозначно демонстрирует уменьшение доли СН2- групп. Заметное увеличение N1 (изооктана) позволяет сделать вывод об увеличении количества СН- и СН3- групп в образце, а изменение количества СН2- групп, по-видимому, компенсировано за счет других компонент. Изменения параметров N2 и N5 малы.
С точки зрения разделения спектров масел на вклады от парафинов, нафтенов и ароматических соединений нетрудно убедиться, что полосу вблизи 11400 см-1 следует отнести к ароматическим соединениям, а полосы парафинов и нафтенов перекрываются между собой, хотя сигналы от парафинов лежат ближе к 1100010900 см-1, в то время как сигналы нафтенов ближе к 10750-10700 см-1. Исследование спектров пропускания трансформаторных масел в видимой и ближней ИК области проводилось нами в [11-13] и в работах [1418], однако нигде ранее не определялся структурно-групповой состав масел из этих спектров.
Анализ полученных спектров позволяет судить об изменениях структурно-группового состава трансформаторного масла в ходе его старения, при возникновении термических и разрядных дефектов в трансформаторах [11,12], а сделанные заключения находятся в хорошем соответствии с результатами, полученными ранее [13], и именно на этих образцах методами ЯМР [19].
Выводы
Записаны и проанализированы оптические спектры в ближнем ИК-диапазоне свежего и отработанного образцов трансформаторного масла марки ГК. Результаты анализа структурно-группового состава масел по полосе поглощения в области 10250 -11750 см-1 позволяют на практике разработать метод мониторинга состояния, как самого масла, так и маслонаполненного оборудования.
Отмечено, что в ходе старения трансформаторного масла доля СН2- групп уменьшается, СН3- групп несколько возрастает, СН- групп значительно увеличивается. Таким образом подтвержден эффект увеличения доли ароматических
соединений в таких системах, уменьшения количество нафтенов, а наиболее стабильны парафины.
Научная новизна работы заключается в принципиально новом методе определения структурно-группового состава
трансформаторных масел, основанном на измерении их спектров пропускания в ближней инфракрасной области спектра.
Литература (References)
[1] Dumitran L.M., Setnescu R., Notingher P. V., Badicu L.V., Setnescu T., Method for lifetime estimation of power transformer mineral oil. Journal Fuel, London, 2014, v. 117, pp. 756-762, doi:10.1016/j.fuel.2013.10.002.
[2] Kaanagbara L., Inyang H.I., Wu J., Hilger H., Aromatic and aliphatic hydrocarbon balance in electric transformer oils. Journal Fuel, London, 2010, v. 89, pp. 3114-3118, doi:10.1016/j.fuel.2010.02.013.
[3] Meshkatoddini M.R., Aging Study and Lifetime Estimation of Transformer Mineral Oil. American Journal of Engineering and Applied Sciences, Dubai, 2008, v.1, pp. 384-388, doi : 10.3844/ajeassp.2008.384.388.
[4] Qualitrol T/Guard Fiber Optic Temperature Monitor Available at: http://www.qualitrolcorp.com/companies/neoptix
[5] Wilson A.C.M., Insulating liquids: their uses, manufacture and properties, London, 1980, 221 p.
[6] Kozlov V.K., Garifullin M.S. Osobenosti opticheskih harakteristik transformatornih masel razlichnih marok [Features optical characteristics of transformer oil of different brands.Proceedings of the higher educational institutions]. Problems of power engineering, 2015, no.11-12, pp.11-19. (In Russian). doi: 10.30724/1998-9903-2015-0-11-12-11-19.
[7] Sbornik rasporyaditelnih materialov po ekspluatacii energosistem. Elektrotehnicheskaya chast' [Collection of administrative materials on the operation of power systems. Electrotechnical part], Part 2, Moscow, 2002, 161 p. (In Russian).
[8] Fofana I., Bouaicha A., Farzaneh M., Sabau J. Ageing Behavior of Mineral Oil and Ester Liquids: a Comparative Study, Annual Report Conference on Electrical Insulation Dielectric Phenomena, Canada, 2008, pp. 87-90.
[9] ASTM D 6802-02, "Test Method for Determination of the Relative Content of Dissolved Decay Products in Mineral Insulating Oils by Spectrophotometry", 2002.
[10] ASTM D 6181, "Standard Test Method for Measurement of Turbidity in Mineral Insulating Oil of Petroleum Origin", 2003.
[11] Kozlov V.K., Garifullin M.Sh., Transformer state diagnosis in optical spectra of transformer oil. Journal of Engineering and Applied Sciences, Egypt, 2016, pp.3042-3046 doi: 10.3923/jeasci.2016.3042.3046.
[12] Garifullin M.Sh., Kozlov V.K. Production technology and initial raw oil impact on transformer oil optical features during power transformer diagnostic. International Journal of Pharmacy & Technology, Hyderabad, 2016, v. 8, no.4, pp. 2675326762 .
[13]Kurakina O.E., Turanova O.A., Kozlov V.K., Turanov A.N. Analis strukturno-gruppovogo sostava transformatornogo masla marki GK po dannin IK, Ramanovskogo rasseyaniya i YAMR spektroskopii [An analysis of the structural-group composition of the transformaldehyde oil of the GK brand from the data of IR, Raman scattering and NMR spectroscopy]. Proceedings of universities. Problems of power engineering, 2011, no. 11-12, pp.92-97. (In Russian).
[14]Karmakar S., Roy N.K., Kumbhakar P. Effect of ageing in transformer oil using UV-visible spectrophotometry technique. J.Opt, 2011, v. 40(2), pp.33-38, doi: 10.1007/s12596-011-0030-4
[15]Fofana I., Bouaicha A., Farzaneh M., Characterization of aging transformer oil-pressboard
insulation using some modern diagnostic techniques. Eur. Trans. Electr. Power, 2011, v. 21(1), pp. 11101127 doi: 10.1002/etep.499.
[16]Kathik R., Raja T.S.R. Investigations of transformer oil characteristics. IEEJ Trans. Electr. Electron. Eng., 2012, v. 7(4), pp. 2543-2553 doi: 10.1002/tee.21742.
[17]Laskar S., Bordoloi S. Monitoring of moisture in transformer oil using optical fiber as sensor. J. Phon, 2013, pp.1-7 doi: 10.1155/2013/528478.
[18]Kalathiripi H., Karmakar S. Analysis of transformer oil degradation due to thermal stress using optical spectroscopic techniques. Int. Trans. Electr. Energ. Syst., 2017, e2346. doi: 10.1002/etep.2346.
[19] Kozlov V., Turanov A. Transformer oil and modern physics. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2012, vol. 19, pp. 14851497. doi: 10.1109/TDEI.2012.6311491.
Сведения об авторах.
Куракина
Ольга
Евгеньевна, старший
преподаватель. Область научных интересов:
диагностика технического состояния маслонаполненного электрооборудования E-mail: random ¡i@ mail.ru
t
Туранов Александр Николаевич,
старшии Область анализ
научный научных состояния элементов сетей,
к.ф.-м.н., сотрудник. интересов: силовых
электроэнергетических исследование коллоидных смесей, наносистем, металломезогенов методами ядерного магнитного резонанса и диффузометрии E-mail: sasha turanov@rambler.ru
Козлов Владимир
Константинович, д.ф.-м.н, профессор. Область
научных интересов:
диагностика технического состояния маслонаполненного электрооборудования E-mail: kozlov vk@bk.ru
Туранова Ольга Алексеевна, к.х.н, старший научный сотрудник. Область научных интересов: диагностика маслонаполненного оборудования энергосистем,
исследование физико-химических свойств органических соединений, оптическая и магнитно-резонансная спектроскопия
сложных систем E-mail: lightur@mail.ru
