CC BY
95
УДК 620.1: 621.315.615.2
КАЧЕСТВЕННЫЕ МЕТОДЫ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА В ДИАГНОСТИКЕ
ТРАНСФОРМАТОРНЫХ МАСЕЛ
Д.М. Валиуллина, Ю.К. Ильясова, В.К. Козлов
Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
valiuШnadШ[email protected], [email protected], [email protected]
Резюме: В данной работе предложен простой наглядный качественный метод анализа в диагностике трансформаторных масел, который не требует дорогостоящего оборудования и на начальном этапе позволяет определить природу и степень старения масла.
Ключевые слова: трансформаторное масло, спектральный анализ, степень старения, кислотное число, коллоидные частицы, люминесценция.
В01:10.30724/1998-9903-2019-21-1-2-87-92.
Для цитирования: Валиуллина Д.М., Ильясова Ю.К., Козлов В.К. Качественные методы спектрального анализа в диагностике трансформаторных масел // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2019. Т. 21. № 1-2. С. 87-92. DOI: 10.30724/1998-9903-2019-21-1-2-87-92.
QUALITATIVE METHODS OF SPECTRAL ANALYSIS IN DIAGNOSTICS OF TRANSFORMER OILS
D.M. Valiullina, J.K. Ilyasova, V.K. Kozlov
Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia
[email protected], [email protected], [email protected]
Abstract: In this paper, we offer a simple, intuitive, qualitative method for analyzing in diagnosing transformer oils, which does not require expensive equipment and at the initial stage allows us to determine the degree of oil aging.
Keywords: transformer oil, spectral analysis, degree of aging, acid number, colloidal particles, luminescence.
For citation: D.M. Valiullina, J.K. Ilyasova, V.K. Kozlov. Qualitative methods of spectral analysis in diagnostics of transformer oils. Proceedings of the higher educational institutions. ENERGY SECTOR PROBLEMS 2019. vol. 21. № 1-2. pp. 87-92. DOI:10.30724/1998-9903-2019-21-1-2-87-92.
Введение
Особенностью развития электроэнергетики в настоящее время является применение последних достижений науки, современных технологий и материалов.
Базовым элементом электроэнергетики являются силовые трансформаторы, объемной составной частью которых является трансформаторное масло. Трансформаторное масло - специфический углеводородный продукт, на который возложены основные функции по изоляции и отводу тепла от обмоток электрических машин в окружающую среду. Такие функции трансформаторного масла требуют особого внимания и подхода к условиям его эксплуатации [1-3].
В процессе эксплуатации жидкий диэлектрик подвергается воздействию высокой напряженности электрического и температурного полей, а также находится в непрерывном контакте с конструктивными элементами трансформатора. Это ускоряет старение жидкого диэлектрика, вызывает изменение его физико-химического состава, в результате чего продукты старения, в свою очередь, способствуют ухудшению его электроизоляционных свойств [4-9].
Старение трансформаторного масла определяет надежность трансформатора, поэтому без модернизации методов контроля состояния трансформаторного масла обеспечить безаварийную работу электроэнергетики невозможно, что подчеркивает актуальность поставленной задачи.
Деградация трансформаторного масла в процессе эксплуатации идет по трем направлениям: окисление масла (увеличение кислотного числа), образование коллоидных частиц и увеличение концентрации ароматических соединений [6-8].
Наиболее простыми, с точки зрения проведения измерений, а также более информативными являются методы спектроскопии. Анализ методом спектроскопии в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазоне более быстрый, простой и точный. Измеренные спектры могут дать информацию как о физических свойствах масла, так и о структурно-групповом составе трансформаторного масла [4, 10, 11, 12].
Целью работы является разработка методов контроля состояния трансформаторного масла для оценки его эксплуатационных свойств, определения структурно-группового состава и мониторинга процессов регенерации при ремонте трансформатора посредствам спектрального анализа масла в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазоне.
Для проведения исследовательских работ взяты образцы трансформаторного масла марки ГК (2007 года выпуска, ОАО «Ангарская нефтехимическая компания», класс II А, ТУ 38.101.1025-85) с различным значением кислотного числа (до фильтрации и после). Для фильтрации масла использовалась фильтровальная бумага типа Ф ГОСТ 12026-76 (фильтрация сорности - число соринок на 1м2). Наличие коллоидных частиц и ароматических соединений определялись спектральными методами и представлены в работах [10-12].
Каждый образец масла, помещенный в кварцевую кювету и поочередно освещенный узконаправленным светом различной длины волны, наблюдался визуально. Источником освещения являлись лазерные указки (с белым, красным и зеленым светом). Температура комнаты, в которой находились кюветы, равна 26 .
Результаты опыта и их обсуждение
При освещении этих образцов масел узконаправленным светом длиной волны (1^650 нм), соответствующей красной области спектра, в пробах масел с меньшим кислотным числом луча рассеяния не наблюдается, так как нет крупных коллоидных частиц (пробы масел №1, №2, №3) (рис.1). С увеличением деградации масла, наоборот, наблюдается появление красного луча рассеяния, который становится наиболее интенсивным в более «грязных» образцах масел (пробы масел №4 и №5) (рис.1). Это свидетельствует о том, что чем «грязнее» трансформаторное масло, тем крупнее и больше коллоидные частицы, присутствующие в нем, тем красный луч рассеяния интенсивнее. Причем размер коллоидных частиц соизмерим с длиной волны красного света.
При освещении зеленым светом (А^ 530 нм) чистого неотфильтрованного масла (проба №1) появляется желто-зеленый нечеткий луч рассеяния (рис. 2). При освещении этого же образца масла (проба №1), но после фильтрации луч приобретает желтый свет. Это говорит о том, что с помощью фильтровальной бумаги убрали частицы, на которых
происходило рассеяние. В этом случае можно наблюдать пучок желтого света - явление люминесценции.
Увеличение интенсивности люминесценции при заданных параметрах может свидетельствовать о количественном содержании люминесцирующих веществ, т.е. их концентрации в образце масла. А сдвиг максимума излучения люминесценции может свидетельствовать о качественных изменениях (рис. 3).
Это говорит о том, что в масле присутствуют молекулы ароматических соединений. С увеличением степени старения трансформаторного масла (пробы № 2, №3) люминесценция становится выраженной и интенсивной, что свидетельствует о большом количестве ароматических соединений (рис. 2). В трансформаторных маслах с наибольшей степенью окисления (пробы №4 и №5) помимо ароматических соединений появляются и коллоидные частицы; на фотографиях проб масел №4 и №5 явление люминесценции присутствует, но не столь выражено (размыто), как на образцах №2 и №3, но наблюдается рассеяние (рис. 2). Таким образом, зеленое излучение коллоидными частицами рассеивается, а желтое становится слабее (люминесценция возбуждается слабее).
При облучении красным светом
Проба масла №1. Соответствующее ему кислотное число = 0,0060 Проба масла №2. Соответствующее ему кислотное число = 0,0170 Проба масла №3. Соответствующее ему кислотное число = 0,1410 Проба масла№4. Соответствующее ему кислотное число = 0,1983 Проба масла №5. Соответствующее ему кислотное число = 0,3505
нефильт рованное фильтро ванное нефильт рованное фильтро ванное нефильт рованное фильтро ванное нефильт рованное фильтро ванное нефильт рованное фильтро ванное
МЕЖ
Рис. 1. При облучении красным светом
При облучении зеленым светом
Проба масла №1. Соответствующее ему кислотное число = 0,0060 Проба масла №2. Соответствующее ему кислотное число = 0,0170 Проба масла №3. Соответствующее ему кислотное число = 0,1410 Проба масла№4. Соответствующее ему кислотное число = 0,1983 Проба масла №5. Соответствующее ему кислотное число = 0,3505
нефильт рованное фильтро ванное нефильт рованное фильтро ванное нефильт рованное фильтро ванное нефильт рованное фильтро ванное нефильт рованное фильтро ванное
Рис. 2. При облучении зеленым светом 89
При освещении этих образцов масел узконаправленным белым светом (Х.~ 400800 нм), который является электромагнитным излучением сложного спектрального состава, видно, что масло с малым значением кислотного числа (чистое масло) имеет ярко-голубой цвет рассеяния (проба масла №1) (рис. 4), причем он наиболее выражен в отфильтрованном образце. Это свидетельствует о том, что в отфильтрованном образце крупных частиц, на которых происходит рассеяние, нет. При освещении таким же белым светом образцов №2 и №3 цвет луча рассеяния изменяется и становится желтее, что свидетельствует о том, что данные пробы масла более окислены и в них присутствуют коллоидные частицы и ароматические соединения (рис.4). При освещении пробы масла №4 явно виден ярко-желтый луч. Это свидетельствует о том, что проба масла №4 обладает большей степенью окисления, в ней присутствует значительное количество крупных коллоидных частиц и ароматических соединений, т.е. имеет место и явление рассеяния на коллоидных частицах, и явление люминесценции молекул ароматических соединений (рис.4). При освещении неотфильтрованного образца №5 (кислотное число которого больше, чем кислотное число образцов №1, №2, №3 и №4) белым светом, луч рассеяния практически не наблюдается, т.к. белый свет практически полностью поглощается. После фильтрации пробы масла №5 появляется ярко-оранжевый луч рассеяния, свидетельствующий о наличии коллоидных частиц (рис.4).
80000 70000 60000 SOOOO 40000 30000 20000 10000 О
1 / • Л \
Чч
1
.---■- _-г______ ■ _______" >"»---------------.„.. - ...
■ ' ' ■ 1 ' ■ 1 ■ 1 ■ ' ' 1 1 1 ■ ' 1 1 1 ' ' 1 1 ' ' ' 1 1 ' ' ' 1 1 1 ' ■ 1 1 1 '
100 450 500 550 600 6S0 700 750 800
IV Ш ----- II ------ I
Рис. 3. Спектры возбуждения и люминесценции 3 -х проб масел №1, №3 и №5
При облучении белым светом
Проба масла №1. Соответствующее ему кислотное число = 0,0060
Проба масла №2. Соответствующее ему кислотное число = 0,0170
Проба масла №3. Соответствующее ему кислотное число = 0,1410
Проба масла№4. Соответствующее ему кислотное число = 0,1983
Проба масла №5. Соответствующее ему кислотное число = 0,3505
нефильт рованное
фильтро ванное
нефильт рованное
фильтро ванное
нефильт рованное
фильтро ванное
нефильт рованное
фильтро ванное
нефильт рованное
фильтро ванное
Рис. 4. При облучении белым светом 90
Выводы
Из всего выше изложенного следует, что при освещении трансформаторных масел с различной степенью старения красным светом можно определить наличие в них крупных коллоидных частиц размером ~ 650 нм. При освещении зеленым светом - мелкие коллоидные частицы размером ~ 530 нм и наличие ароматических соединений. А при воздействии белым светом определить наличие и коллоидных частиц разного размера, и ароматических соединений.
Увеличение интенсивности люминесценции при заданных параметрах может свидетельствовать о количественном содержании люминесцирующих веществ, т.е. их концентрации в образце масла.
Таким образом, нами предложен простой, наглядный качественный метод анализа диагностики трансформаторных масел, который не требует дорогостоящего оборудования и на начальном этапе позволяет определить степень старения масла.
Литература
1. Липштейн Р.А., Шахнович М.И. Трансформаторное масло. М.: Энергоатомиздат, 1983.
296 с.
2. KindersbergerJ. MaterialsandEmergingTestTechniques // ELECTRA. 2012. №265. P. 16-20.
3. Okabe S., Ueta G., Tsuboi T. Investigation of aging degradation status of insulating elements in oil-immersed transformer and its diagnostic method based on field measurement data // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2013. Vol. 20, Iss.1. P.346-355.
4. Гарифуллин М.Ш. Диагностика состояния бумажной изоляции по ИК спектрам отражения и спекрам люминесценции // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2013. №5-6. С. 57-65.
5. Способ контроля технического состояния высоковольтного маслонаполненного электроэнергетического оборудования // Пат. 2461812 РФ, МПК G01N 21/27. / Козлов В.К., Гарифуллин М.Ш. Заявл. 26.04.2011; опубл. 20.09.2012. Бюл. № 26.
6. Объем и нормы испытания электрооборудования [Текст]: СТО 34.01-23.1-001-2017. - Введ. 2017 - 05 - 29. М.: ПАО «Россети», 2017. - 262 с.
7. Menkiti, M.C. Chemically improved Terminalia catcppa L. oil: A possible renewable substitute for conventional mineral transformer oil [Text] / M.C. Menkiti, C.M. Agu, P.M. Ejikeme, O.E. Onyelucheya // Journal of Environmental Chemical Engineering. - 2017. - Vol. 5. - Is.1. - P. 1107 - 1118. - (DOI: doi.org / 10.1016 / j.jecce.2017.01.037).
8. Коробейников С.М. Исследование технологических операций, влияющих на определение концентрации присадки тонол в изоляционном масле высоковольтного оборудования [Текст] / С.М. Коробейников, М.Н. Лютикова // Проблемы региональной энергетики. - 2018. - №36 - С.96 -105.
9. Козлов В.К. Исследование зависимости коэффициента пропускания и цвета изоляционных масел от их кислотного числа / В.К. Козлов, Д.М. Валиуллина, М.Ш. Гарифуллин // Материалы докл. IV Междунар. Молодежной школы-семинар БИКАМП'03. СПб., 2003. С. 309-313.
10. Гарифуллин М.Ш. Оценка диагностической ценности показателей качества изоляционного масла для систем мониторинга состояния трансформаторов // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2013. №5-6. С. 131-134.
11. Козлов В.К., Гарифуллин М.Ш. Методы оптической спектроскопии в диагностике состоянии изоляции маслонаполненного электрооборудования / В.К. Козлов, М.Ш. Гарифуллин. Казань: Казан.гос. энерг. ун-т, 2013. 192 с.
12. Туранова О.А., Вандюков А.Е., Козлов В.К., Туранов А.Н. Оптика и спектроскопия. 2013. Т. 114. С. 628-631.
Авторы публикации
Валиуллина Дилия Мансуровна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроэнергетические системы
и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
Ильясова Юлия Камилевна - старший преподаватель кафедры «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
Козлов Владимир Константинович - д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры «Электроэнергетические системы и сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
References
1. Lipshtein RA, Shakhnovich MI Transformer oil. Moscow: Energoatomizdat, 1983 296 p.
2. Kindersberger J. Materials and Emerging Test Techniques // ELEC TRA. 2012. № 265. P. 16-20.
3. Okabe S., Ueta G., Tsuboi T. Investigation of the aging degradation of the insulating elements in the oil-immersed transformer and its diagnostic method based on the field of measurement data // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2013. Vol. 20, Iss.1. P.346-355.
4. Garifullin M.Sh. Diagnostics of the state of paper insulation by IR spectra of reflection and luminescence speckle // Izvestiya vuzov. Problems of energy. 2013. № 5-6. P. 57-65.
5. A method for monitoring the technical condition of high-voltage oil-filled electric power equipment // Pat. 2461812 RU, IPC G01N 21/27./. Kozlov V.K, Garifullin M.Sh. Published 20.09.2012. Bul. No. 26.
6. The scope and standards of electrical equipment testing [Text]: STR 34.01-23.1-001-2017. - Enter 2017 - 05 - 29. - M .: PJSC ROSSETI, 2017. - 262 p
7. Menkiti, M.C. Chemically improved Terminalia catcppa L. oil: A possible renewable substitute for conventional mineral transformer oil [Text] / M.C. Menkiti, C.M. Agu, P.M. Ejikeme, O.E. Onyelucheya // Journal of Environmental Chemical Engineering. - 2017. - Vol. 5. - Is.1. - P. 1107 - 1118. - (DOI: doi.org / 10.1016 / j.jecce.2017.01.037).
8. Korobeynikov S.M. Research of technological operations affecting the determination of the concentration of the additive in the insulating oil of high-voltage equipment tononol [Text] / S.M. Korobeynikov, M.N. Lyutikova // Problems of regional energy. - 2018. - №36 - P.96 - 105.
9. Kozlov V.K. Investigation of the dependence of transmittance and color of insulating oils on their acid number / V.K. Kozlov, D.M. Valiullina, M.Sh. Garifullin / / Materials dokl. IV Intern. youth school-seminar BIKAMP'03. St. Petersburg, 2003. P. 309-313.
10. Garifullin M.Sh. Evaluation of the diagnostic value of insulating oil quality indicators for transformer condition monitoring systems. // Proceedings of universities. Problems of energy. 2013. № 5-6. P. 131-134.
11. Kozlov V.K., Garifullin M.Sh. Methods of optical spectroscopy in diagnosing the state of isolation of oil-filled electrical equipment / V.K. Kozlov, M.Sh. Garifullin. Kazan: Kazan. state. power. Univ., 2013. 192 p.
12. Turanova O.A., Vandyukov A.E., Kozlov VK, Turanov AN Optics and spectroscopy. 2013. P. 114. P. 628-631.
Authors of the publication
Dilija M. Valiullina - Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia.
Julia K. Ilyasova - Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia.
Vladimir К. Kozlov - Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia.
Поступила в редакцию
28 февраля 2018 г..
