Электрические станции, 2001, ¹ 1	35

ОБОРУДОВАНИЕ СТАНЦИЙ И ПОДСТАНЦИЙ

Методологические аспекты оценки степени старения изоляции обмоток силовых трансформаторов по измерению степени полимеризации

Ванин Б. В., êàíä. òåõí. íàóê, Ланкау Я. В., èíæ., Львов Ю. Н., доктор техн. наук, Львов М. Ю., èíæ., Писарева Н. А., Комаров В. Б., кандидаты хим. наук, Шифрин Л. Н., êàíä. òåõí. íàóê

АО ВНИИЭ – ИФХ РАН – ХК Электрозавод

Существующий парк трансформаторов в Рос­ сии включает примерно 40% трансформаторов, отработавших определенный стандартом минимальный срок службы – 25 лет [1]. Замена обмоток та­ ких трансформаторов на новые объективно не оправдана, если их изоляция еще работоспособна. Поэтому разработка надежных методов и средств, позволяющих правильно оценить работоспособ­ ность изоляции конкретного трансформатора на данный момент и прогнозировать ее работоспо­ собность на будущее время, является актуальной задачей. В настоящее время как в отечественной, так и в зарубежной электроэнергетике, такие мето­ дики и средства отсутствуют. Имеются лишь несистематизированные попытки решить отдельные аспекты проблемы, а именно:

оценка температуры наиболее нагретой точки; оценка состояния износа изоляции по степени полимеризации образцов, заложенных в трансфор­

матор (“модель изоляции”); измерение количества продуктов разложения

изоляции (фурановых соединений), растворенных в масле.

Шестым изданием документа [2] для оценки состояния бумажной изоляции обмоток силовых трансформаторов предусмотрено измерение сте­ пени полимеризации ее образцов. При этом указа­ но, что ресурс бумажной изоляции обмоток счита­ ется исчерпанным при снижении степени полиме­ ризации бумаги до 250 единиц.

Однако следует отметить отсутствие в настоя­ щее время методики проведения работ по оценке износа изоляции обмоток силовых трансформато­ ров. Целью данной работы является разработка ре­ комендаций по определению степени полимериза­ ции для оценки фактически достигнутого износа бумажной изоляции обмоток конкретного транс­ форматора.

В настоящее время достаточно широкое рас­ пространение в энергосистемах получила методи­ ка оценки состояния бумажной изоляции обмоток по наличию фурановых соединений в трансформа­ торном масле [2]. Следует, однако, подчеркнуть, что наличие в масле фурановых соединений может

свидетельствовать лишь о локально протекающем процессе деструкции изоляции, но ничего не дает в части его кинетических оценок, поскольку их об­ разование связано со многими факторами. К тому же фурановые соединения являются лабильными соединениями и разлагаются под действием кис­ лой среды в сторону образования продуктов нефу­ ранового ряда.

При наличии в трансформаторе термосифон­ ного фильтра образующиеся фурановые продукты адсорбируются и распадаются из-за кислой среды на силикагеле и информация о старении изоляции может поступать только тогда, когда наступает ди­ намическое равновесие между продуктами погло­ щения и продуктами выделения сорбентом. Тогда они не задерживаются на фильтре и остаются в масле. Лишь в этом случае уже далеко продвинувшийся процесс разложения изоляции может на­ чать проявляться в накоплении фурановых соеди­ нений в масле. Поэтому отсутствие (наличие отно­ сительно низких концентраций) фурановых соеди­ нений, обнаруженных в трансформаторном масле, не может являться свидетельством удовлетворите­ льного состояния изоляции.

Объективным показателем для оценки степени износа бумажной изоляции является степень по­ лимеризации, характеризующая физико-химиче­ ское разрушение изоляции в процессе эксплуата­ ции, а именно, ее механическую прочность на рас­ тяжение и излом [3]. При этом снижение степени полимеризации бумажной изоляции имеет моно­ тонную зависимость в течение всего срока эксплу­ атации, что определяет высокую диагностическую ценность данного показателя.

Как известно, тепловое старение бумаги при отсутствии других внешних воздействий практи­ чески не меняет ее кратковременную электриче­ скую прочность [4]. Однако в реальных условиях эксплуатации одновременно с нагревом изоляция подвергается также воздействию механических усилий, особенно при коротких замыканиях. Поэ­ тому снижение механической прочности бумаги в результате теплового старения непременно приво-

36	Электрические станции, 2001, ¹ 1

	D		Òâ
Òâ			5			Òâ
						Òâ
Ì	Ò
	â		4
					Ò
						Ò	â
					â
							Ò
	Обмотка						â
		Ò	3
	Á				Òí
	Òí		2		Òí
Ì	Òí
					Òí
		1					Ò
			Ò	0	Òí
				í

Примерный вид распределения температуры по высоте в масле работающего трансформатора:

Ì – магнитопровод; D – датчик температуры верхних слоев масла; 1, 2, 3, 4, 5 – слои масла по отношению к магнитопрово­ ду и обмоткам; Tí – температура нижнего слоя масла; Tâ – тем­ пература верхнего слоя масла; T í, T â – температура основной части масла на уровне низа и верха обмоток соответственно; T í, T â – средняя температура (по радиусу) в тонких разогретых слоях масла на уровне низа и верха обмоток соответствен­ но

дит к механическому повреждению изоляции и уже, как следствие, к электрическому пробою.

Условия работы витковой и барьерной изоля­ ции, с точки зрения происходящих в них физико­ химических процессов, существенно различают­ ся. Так, для барьерной изоляции, температура ко­ торой не превышает 90°С, наиболее характерным в процессе старения является кислотный алкого­ лиз (гидролиз) при действии карбоксилсодержа­ щих соединений, образующихся при окислении трансформаторного масла [5]. Этот процесс может быть усилен зольными элементами, содержащи­ мися в бумажной изоляции. Температура же наи­ более нагретой точки витковой изоляции в процес­ се эксплуатации трансформатора может превышать 90°С и тогда существенно возрастают процессы сверхмедленных трансмолекулярных коле­ баний полимера, усиливающие алкоголиз в аморфных и мезоморфных областях и приводящие к деструкции в кристаллической части целлюлозы за счет диффузии радикальных состояний путем переноса их на макромолекулы соседней полимер­ ной цепи, а также к реализации дефектов в макро­ молекулах, вызванных образованием карбонильных и карбоксильных групп [6, 7]. По данным [3, 6] пограничная температура развития деструк­ тивного процесса, определенная по точке перегиба Аррениусовской зависимости, составляет 110°С. Таким образом, представительность заложенного в трансформатор образца целлюлозной изоляции в отношении достигнутого уровня деструкции изо­ ляции не обеспечивается в полной мере, посколь­ ку такие образцы, доступные для анализа, распо-

ложены в баке трансформатора в условиях, не от­ вечающих наиболее нагретой зоне.

Разница между барьерной и витковой изоля­ цией в физико-химических процессах старения состоит также в существенно большем влиянии физико-химических факторов на витковую изоля­ цию вследствие ее более развитой поверхности, меньшем количестве компонентов, ингибирую­ щих деструктивные процессы, существенно меньшей исходной степени полимеризации и механи­ ческой прочности. В то же время, морфология целлюлозы в обоих видах изоляции, по-видимому, одинакова, поскольку в существующих производ­ ствах индекс кристалличности древесной целлюлозы промышленных марок различается незначи­ тельно и составляет 73 2% [8].

Для объективной оценки состояния изоляции трансформатора необходимо проводить измерения степени полимеризации образца витковой изоля­ ции. Отбор образца витковой изоляции может быть выполнен на отключенном трансформаторе как при капитальном ремонте, так и при осуществ­ лении подслива масла через люки. С внешней стороны обмотки вырезается образец массой 2 – 5 г, затем делается подмотка изоляции высушенной бумагой или лакотканью.

Образец витковой изоляции должен быть взят из наиболее нагретого места в одной из верхних катушек. Дадим по этому поводу некоторые пояс­ нения.

Руководство по нагрузочной способности трансформаторов МЭК предлагает следующую те­ оретическую модель [9, 10]:

температура масла, окружающего обмотку, ли­ нейно возрастает по высоте обмотки от значения Òí против нижней части обмотки до значения Òâ против верхней части обмотки;

температура проводников обмотки возрастает по ее высоте также линейно, следуя за температу­ рой масла с превышением на постоянную величи­ ну , которая определяется по тепловому потоку от обмотки в масло с учетом тепловой проводимости изоляции обмотки;

температура Òí равна температуре, с которой масло приходит из охладителя;

для верха обмотки, учитывая дополнительные потери, например, от вихревых токов, МЭК опре­ деляет несколько большее превышение температуры проводников обмотки над маслом в виде , где коэффициент больше единицы.

Более близкая к действительности теоретиче­ ская модель описана далее.

Масло поступает в трансформатор из охлади­ теля с некоторой температурой Òí (рисунок), обра­ зуя нижний слой 1 (до низа нижнего ярма) с той же температурой Òí, так как в этом слое отсутству­ ют источники нагрева. Переходя в вышележащий слой 2, масло нагревается от магнитопровода до

Электрические станции, 2001, ¹ 1	37

некоторой температуры Ò í > Òí у верхней границы слоя 2 (уровень низа обмоток). Выше этой границы масло разделяется на два почти не смешивающихся потока: тонкие слои более сильно нагре­ того масла, быстро всплывающие вдоль горячих поверхностей магнитопровода и обмоток в вертикальных каналах между этими поверхностями и ближайшими к ним барьерами, и остальной части масла. Первая часть масла по объему составляет проценты всего объема масла в трансформаторе, но переносит с собой практически всю энергию тепловых потерь обмоток и значительную часть тепловых потерь магнитопровода. Обозначим среднюю температуру (по радиусу) в тонких разогретых слоях масла на уровне низа и верха обмо­ ток через Ò í è Ò â соответственно, а через Ò í è Ò â соответственно для верхнего и нижнего слоя объема масла. Имея в исходном состоянии темпе­ ратуру Ò í Ò н, на границе со слоем 4 (уровень верха обмоток) Ò â > Ò â. Â ñëîå 4 начинается сме­ щение обеих частей масла, а в слое 5 оно завершается и все масло принимает “температуру верхних слоев” Òâ, которая, следовательно, должна быть

Ò â < Òâ < Ò â.

Учитывая в общем случае конвективное дви­ жение основной части масла, распределение температуры в ней можно представить (опуская несложные выкладки) в виде

T T í (T â Tí )	e	1
			,	(1)
	e 1

ãäå

	VcH	;		õ	,
				H

ãäå V – скорость подъема масла; – плотность масла; c – темплоемкость масла; x – расстояние от низа обмотки до рассматриваемого уровня; – не­ которая постоянная, характеризующая линейную зависимость температурного перепада при мед­ ленном конвективном перемешивании.

Предельная форма уравнения (1) при = 0 имеет вид

Ò = Ò í + (Ò â – Ò í)

(2)

и представляет собой прямолинейную хорду уча­ стка кривой Ò í – Ò â. Она практически соответст­ вует условию отсутствия циркуляции масла между трансформатором и охладителем (V = 0). По суще­ ству, это условие негласно фигурирует в рекомен­ дациях МЭК [10], где возрастание температуры масла по высоте представляется прямой линией (жирный пунктир Òí – Òâ íà рисунке). Дополнительным отличием этой рекомендации от рекоменда­ ции формулы (1) является то, что вместо температуры Ò í è Ò â в качестве температуры масла на уровнях низа и верха обмоток приняты температуры Òí è Òâ, так что распределение температуры со­ гласно МЭК представляется ломаной

Òí – Òí – Òí – Òâ – Òâ – Òâ (рисунок).

Средняя по толщине температура в тонком слое разогретого масла около обмотки в вертика­ льном канале должна иметь примерный вид кри­ вой Òí – Òí – Ò í – Ò â – Òâ – Òâ.

	Трансформатор	Срок эксплуатации, лет		Изоляция	Степень
					полимеризации
	ТДТН-20000/110, зав. ¹ 53222, Ярэнерго	30	Барьерная		637
	АТДЦТН-125000/330, зав. ¹ 78196, Смоленскэнерго	25	Òî æå		550
	ТДТГ-31500/110, зав. ¹ 7403, Смоленскэнерго	39	“	“	286
			Витковая:
	ТДЦ-400000/500, зав. ¹ 89677, Рефтинская ГРЭС	19		наружные слои	368
				внутренние слои	237
	ДТД-75000/110, зав. ¹ 39008, Курскэнерго	Всего 36, после	Витковая		515
		замены обмоток – 24
			Витковая:
	ТРДЦН-80000/110, зав. ¹ 1026479, Тверьэнерго	26		наружные слои	244
				внутренние слои	140
	ТДТН-2500/110, зав. ¹ 96897, Белгородэнерго	21	Барьерная		590
	АТДЦТН-125000/330, зав. ¹ 70581, Белгородэнерго	28	Барьерная		511
			Витковая		270
	ТДТН-10000/110, зав. ¹ 64324, Белгородэнерго	33	Витковая		198
	ТДТНГ-15000/110, зав. ¹ 61208, Белгородэнерго	35	Òî æå		303
	ТДНГУ-63000/110, зав. ¹ 871684, Пермэнерго	35	“	“	317

П р и м е ч а н и е . Тип защиты масла – свободное дыхание, кроме трансформатора ТДЦ-400000/500, зав. ¹ 89677 Рефтинской ГРЭС, где защита масла – пленочная.

38	Электрические станции, 2001, ¹ 1

Сделанные пояснения позволяют заключить, что масло в тонком слое, непосредственно примыкающее к обмоткам верхних катушек обмоток, на­ ходится при температуре Ò â, большей температуры Òâ верхних слоев масла.

Рассмотрим основные положения методики из­ мерения степени полимеризации изоляции силовых трансформаторов по вязкости их кадоксеновых растворов. Степень полимеризации Pv опреде­ ляется по вязкости ее кадоксенового раствора [ ] из уравнения Марка – Хоувинка [11]

[ ] = 7,1 10 – 3Pv0,94.

(3)

Эта методика получила в настоящее время до­ статочно широкое распространение в ряде отрас­ лей вследствие высокой стабильности вязкостных характеристик и отсутствия сколь-либо значительных деструктивных эффектов при растворении целлюлозы, о чем свидетельствует факт совпаде­ ния измерений степени полимеризации целлюлозы различных типов (в том числе и окисленных), полученных методом вискозиметрии их нитроэфи­ ров и вискозиметрическими измерениями кадоксеновых растворов. При этом, в случае анализа низ­ комолекулярной, сильно окисленной целлюлозы для исключения влияния полярных групп на вязкостные характеристики в случае системы целлю­ лоза – кадоксен применяется обычно кадмий-эти- лендиаминовый комплекс, приготовленный со ще­ лочью [5].

В таблице приведены результаты выполненных ВНИИЭ по указанной методике измерений степе­ ни полимеризации витковой и барьерной изоляции силовых трансформаторов.

Из приведенных в таблице данных видно, что степень полимеризации образцов барьерной изо­ ляции значительно выше, чем для витковой. Это обусловлено двумя основными причинами – более низкой исходной степенью полимеризации витко­ вой изоляции и более жесткими условиями ее экс­ плуатации.

Физико-химические деструктивные процессы старения в целлюлозной изоляции как в гомоген­ ной, так и в гетерогенной среде могут быть описаны известным кинетическим уравнением реакции первого порядка [12]

1	K ýôô	1	,	(4)
Pï
		P 0
	ï

ãäå Pï è Pï0 – “текущая” и исходная среднечислен­ ная степень полимеризации целлюлозы соответст­ венно; – временной интервал деструктивного процесса; Kýôô – эффективная константа скорости деструктивного процесса, зависящая от температуры по уравнению Аррениуса. Эффективная кон­ станта скорости деструкции зависит также от типа целлюлозы, содержания в ней лигнина и гемицел-

люлозы, остаточной кислотности, влажности и зо­ льности изоляции, наличия продуктов старения масла, кислорода в нем и других химических сое­ динений, способных ускорять деструктивные процессы в целлюлозной изоляции [13].

При оценке степени деструкции целлюлозной изоляции экспериментально определяется средне­ вязкостная степень полимеризации Pv. При этом уравнение (4) приводится к виду [12, 14]

1	0,5K ýôô	(U	0 1)	,	(5)
Pv			P 0
			v

ãäå U 0 – коэффициент неоднородности Шульца, характеризующий соотношение средневесовой и среднечисленной степени полимеризации целлюлозы и для различных марок целлюлозы составляющий 0,3 – 2,9 [15]; Pv, Pv0 – “текущая” и исходная

средневязкостные степени полимеризации соот­ ветственно.

Уравнение (5) удовлетворительно описывает процессы деструкции целлюлозы при ее старении в модельных условиях, однако в реальном режиме работы трансформатора, характеризующемся сме­ ной температуры в зависимости от нагрузки и се­ зона, а также изменением химического состава трансформаторного масла как деструктирующей среды, уравнение (5) имеет вид

1	0,5 K i ýôô	(U 0 1)	,	(6)
Pv
		P 0
		v

ãäå Ki ýôô – константа скорости деструкции целлю­ лозной изоляции на i-м временном кинетическом интервале, характеризующемся относительно по­ стоянной температурой обмотки и примесным со­ ставом трансформаторного масла.

При этом следует отметить, что в реальных условиях эксплуатации практически невозможно оценить или спрогнозировать значения Kiýôô и с требуемой точностью, что затрудняет получение реальной оценки времени работы трансформатора до полного исчерпания ресурса изоляции обмоток.

Выводы

1.Износ витковой изоляции в процессе работы трансформатора значительно выше, чем барь­ ерной.

2.Масло в вертикальных каналах против верх­ них катушек обмоток имеет более высокую темпе­ ратуру, чем верхние слои масла в трансформаторе.

3.Для оценки состояния бумажной изоляции обмоток трансформатора необходимо проводить измерения степени полимеризации образца витко­ вой изоляции, отбираемого из верхних катушек обмотки.

4.Образцы бумажной изоляции, заложенные в верхнем слое масла трансформатора, не являются

Электрические станции, 2001, ¹ 1			39
представительными с точки зрения износа витко­		8. Веверис А. Н., Иоелович И. Е. Рентгенографическое опре­
вой изоляции обмоток.			деление индекса кристалличности целлюлозы. – Химия
			древесины, 1983, ¹ 2.
		9. Experimental Determination of Power Transformers Hot-Spot
Список литературы			Faktor. CIGRE WG 12.09. – Electra, 1995, August, ¹ 161.
		10.	Руководство по нагрузке силовых масляных трансформа­
1.	ÃÎÑÒ 11677-85. Трансформаторы силовые. Общие техни­		торов. Публикация МЭК 354, 1991.
	ческие условия.	11. Болотникова Л. С., Данилов С. Н., Самсонова Т. И. Метод
2.	ÐÄ 34.45-51.300-97. Объем и нормы испытаний электро­		определения вязкости и степени полимеризации целлю-
	оборудования. М.: Энас, 1998.		лозы. – Высокомолекулярные соединения, 1964, т. 6.
3.	Липштейн Р. А., Шахнович М. И. Трансформаторное мас­	12.	Грасси Н. Химия процессов деструкции полимеров. М.:
	ло. М.: Энергоатомиздат, 1983.		Иностранная литература, 1959.
4.	Техника высоких напряжений / Под ред. Разевига Д. В. М.:	13.	Ëàêà Ì. Ã., Иоелович М. Я. Кинетические закономерности
	Энергия, 1976.		процесса термостарения целлюлозы. Всесоюзная конфе­
5.	Байклз Н., Сегал Л. Целлюлоза и ее производные. М.: Мир,		ренция “Химия и радиационная способность целлюлозы
	1974, ò. 1, 2.		и ее производных”. Тезисы докладов. Чолпон-Ата, 1991.
6.	Комаров В. Б., Ершов Б. Г., Самуйлова С. Д. Радиационно­	14.	Получение нитроэфиров из облученной целлюлозы / Кома­
	термическая деструкция целлюлозы. – Cell. Chem., Tech­		ров В. Б., Самуйлова С. Д., Кирсанова Л. С. и др. – Жур­
	nol, 1987, 21.		нал прикладной химии, 1993, т. 66. вып.2.
7.	Ершов Б. Г., Комаров В. Б., Самуйлова С. Д. Радиационная	15.	Соболев С. Е., Никитин В. М. Гель-проникающая хрома­
	и термическая деструкция целлюлозы. – Высокомолеку-		тография нитратов целлюлозы на макропористых стек­
	лярные соединения, 1995, т. XXVII, ¹ 6.		лах. – Химия древесины, 1977, ¹ 3.

Об отборе проб масла из герметичных вводов 500 – 750 кВ

Михеев Г. М., Михеев Г. М., кандидаты техн. наук, Филиппов В. К., èíæ.

ОАО Чувашэнерго – Институт прикладной механики (г. Ижевск)

Âнастоящее время часть аварий трансформа­ торов мощностью более 100 МВ А вызвана по­ вреждением высоковольтных вводов. Эти аварии, как правило, приводят к тяжелым последствиям: повреждениям электрооборудования, взрывам, по­ жарам, техническим и функциональным отказам.

Âпроцессе эксплуатации высоковольтных вво­

дов происходит постепенное ухудшение состояния изоляции, связанное со старением масла, загрязне­ нием поверхности внутренней изоляции и внут­ ренней поверхности фарфоровой покрышки. Воз­ можно также нарушение герметичности вводов, увлажнение, ослабление контактных соединений, проявление скрытых заводских дефектов [1].

По нашему мнению, надежность трансформа­ торов снижается из-за несовершенной системы контроля давления и состояния масла во вводе при его работе и системы контроля диэлектрических характеристик без отбора пробы масла [2].

Весомой причиной снижения контроля за герметичными вводами 500 – 750 кВ, на наш взгляд, является существующий способ отбора проб мас­ ла на хроматографический анализ растворенных в масле газов (ХАРГ).

В энергосистемах для удобства контроля за давлением во вводах в период эксплуатации транс­ форматоров 500 – 750 кВ устанавливают манометры на отдельных фундаментах или металлоконст­

рукциях, располагаемых вблизи трансформатора [3] на высоте приблизительно 1 м от поверхности земли. При этом манометр соединяется с внутрен­ ней полостью ввода, залитой трансформаторным маслом при давлении около 1,5 кгс см2, соедини­ тельной трубой, выполненной из отожженной меди, длиной, колеблющейся от 9 до 11 м (в зави­ симости от конкретного ввода), и внутренним диа­ метром 6 мм [4] (рисунок). Эксплуатационный персонал многих энергосистем берет пробу на ХАРГ именно с места расположения манометра. Это, действительно, удобно, так как при включен­ ном трансформаторе возможен отбор пробы мас­ ла. Покажем, что хроматографический анализ пробы масла, отобранного таким образом, не позволя­ ет судить о происходящих процессах во вводе в

момент отбора пробы диэлектрической жидкости (ДЖ).

Предположим, что в некоторый момент време­ ни во вводе в результате частичных разрядов, тер­ мического нагрева и других причин произошло разложение масла с образованием водорода и дру­ гих газов. Оценим время, необходимое для прео­ доления молекулами водорода (за счет диффузии) расстояния от полости ввода до манометра. Для этого воспользуемся следующей формулой Эйнштейна [5, 6]

L2 = D ,

(1)

40	Электрические станции, 2001, ¹ 1

Экран

Бак давдения		Покрышка
		верхняя
		Втулка соединительная
Вентиль ¹ 2	3000 ìì	Вентиль ¹ 1

Трубопровод

L1

L1 + L2 = 600 ìì,

Dâí = 6 ìì L=5000 ìì dâí = 4 ìì

Манометр

	Дополнительный
	трубопровод
L2	Покрышка
	нижняя
	Вентиль ¹ 4 Место
Вентиль ¹ 3	отбора
Место	пробы
отбора	масла
пробы
масла

ãäå L – расстояние, преодолеваемое диффундиру­ ющей примесью за время при коэффициенте диффузии D. В нашем случае, за L необходимо принять расстояние от бака давления ввода до ма­ нометра, так как именно здесь имеет место “за­ стой” масла, в то время как по пути от бака давле­ ния до полости ввода ДЖ перемешивается за счет “дыхания” ввода.

Теперь представим, что во вводе находится не трансформаторное масло, а обыкновенный воздух при атмосферном давлении и температуре около 0°С. Коэффициент диффузии водорода при упомянутых условиях D = 10 – 4 ì2 ñ [6].

Из формулы (1) следует, что при D = 10 – 4 ì ñ, L = 6 м время составляет 36 104 с. Следователь­ но, информация об изменении концентрации водо­ рода во вводе доходит до точки расположения ма­ нометра только через четверо с лишним суток.

Наиболее быстро диффузия происходит в га­ зах, медленнее – в жидкостях, еще медленнее – в твердых телах, что обусловлено характером тепло­ вого движения частиц в этих средах. Коэффициент диффузии обратно пропорционален давлению, с ростом температуры (при постоянном объеме) он увеличивается, а с увеличением молекулы массы – уменьшается [6].

Значение коэффициента диффузии водорода в водных растворах при бесконечном разбавлении и при температуре 25°С, равное 4,8 10 – 9 ì2 с, при­ ведено в [7]. При решении нашей задачи время для данного значения коэффициента диффузии со­ ставляет 7,5 109 с, что соответствует 237 годам!

Но в нашем случае во вводе находится не атмосферный воздух и не водный раствор, а трансфор­ маторное масло. К сожалению, значения коэффи­ циентов диффузии таких газов, как водород, ме­ тан, этан, этилен, ацетилен и другие в трансформа­ торном масле, отсутствуют в справочниках и в пе­ риодической печати. Однако в [8] получена зависимость объема выделившегося водорода из предварительно наводороженного трансформатор­ ного масла марки ГК от времени в воздухе при нормальном давлении с применением метода ла­ зерной спектроскопии. Из этой зависимости нами экспериментально найден коэффициент диффузии водорода в трансформаторном масле, который ра­ вен 10 – 7 ì2 с. Подставляя найденный коэффици­ ент D в формулу (1), получим время , которое со­ ставляет 36 107 с (4281 сут!). Следовательно, ин­ формация об изменении концентрации водорода во вводе доходит до точки расположения маномет­ ра только через 11 с лишним лет (следует учесть, что это утверждение справедливо, когда трансфор­ маторное масло во вводе находится при нормальных условиях). Так как остальные газы, такие как метан, этан, этилен, ацетилен, имеют массу моле­ кул намного больше массы молекулы водорода, то и коэффициенты диффузии этих газов в трансфор­ маторном масле будут еще меньше, а время для преодоления молекулами за счет диффузии рассто­ яния от полости ввода по соединительной трубе до манометра еще больше. Таким образом, хроматог­ рафический анализ отобранных проб масла с точ­ ки расположения манометра из высоковольтных водов 500 – 750 кВ не позволяет судить о происхо­ дящих в них процессах разложения ДЖ.

Действительно, анализ архивных данных о концентрациях газов вышедшего из строя реактор­ ного ввода 500 кВ подтверждает сказанное. В таб­ лице приведены результаты ХАРГ, проведенные в день выхода из строя ввода типа ГМРА-0-500 315 (зав. ¹ 14793). На нижней части фарфоровой покрышки имелась продольная трещина. При раз­ борке ввода обнаружилось, что внутренняя по­ лость ввода покрыта желто-бурым налетом. Из таблицы следует, что концентрация газов (H2, CH4, C2H2, C2H4, C2H6) пробы, отобранной непосредст­ венно из ввода, значительно выше концентрации газов пробы, взятой на анализ из точки расположе­ ния манометра.

Более детально рассмотрим хронологию отбо­ ра проб масла на ХАРГ из ввода блочного транс­ форматора 500 кВ, установленного на Чебоксар­ ской ГЭС (см. таблицу).

Электрические станции, 2001, ¹ 1	41

Первые признаки появления газов обнаружены 9 XII 1998 г. после очередного отбора пробы шприцом с объемом 20 мл после двухразового его прополаскивания трансформаторным маслом. Так как проба бралась с точки расположения маномет­ ра, то с учетом коэффициента диффузии можно предположить, что процессы разложения масла в данном вводе начались задолго до этой даты. Сле­ дующая проба с аналогичной процедурой и с той же точки была отобрана через 5 мес (5 V 1999 г.), при этом израсходовано еще 60 мл ДЖ из объема в трубе от бака давления до манометра, где объем жидкости в ней в данном конкретном случае со­ ставил 170 мл. Последние две пробы были отобраны 6 V 1999 г. после отключения трансформатора одновременно из двух точек: одна – с точки распо­ ложения манометра, другая – непосредственно из полости ввода.

С учетом трех отборов, с точки расположения манометра, начиная с 9 XII 1998 г., из “застойно­ го” объема было выкачено 180 мл масла и только после отбора последней пробы мы приблизились к более достоверной информации о количественном составе газов в трансформаторном масле ввода. Если учесть, что за весь этот промежуток времени, начиная с 9 XII 1998 г. по 6 V 1999 г., во вводе происходил процесс разложения ДЖ с нарастаю­ щей интенсивностью и принимая во внимание диффундирующие свойства газов в масле, данные последней пробы ХАРГ из двух точек сопоставимы и между собой логично сходятся.

Таким образом, указанные примеры полно­ стью подтверждают наше утверждение о том, что отбор пробы для хроматографического анализа из вводов 500 – 750 кВ с точки расположения мано­ метра не позволяет правильно оценить количественный состав содержания газов в масле. Поэтому,

чтобы иметь достоверную информацию о состоя­ нии вводов упомянутых классов напряжения, с точки зрения растворенных газов в масле, необхо­ димо отбор пробы ДЖ производить непосредст­ венно из полости ввода.

Нами предложены способы, позволяющие осу­ ществлять правильный, по нашему мнению, отбор проб масла на ХАРГ из упомянутых вводов без от­ ключения трансформатора.

Обычно пробу на ХАРГ отбирают с помощью шприцов. Методика отбора проб масла предпола­ гает прополаскивание шприцов 3 – 4 раза [9]. Оче­ видно, что диаметр d и длину L трубы, соединяю­ щую манометр с внутренней полостью ввода, можно выбрать из следующего условия

d 2L 3Vøïð ,	(2)
4

ãäå Vøïð – объем шприца.

В этом случае в результате прополаскивания шприца происходит движение жидкости по трубе и четвертый шприц с пробой на хроматографиче­ ский анализ уже будет заполняться маслом непо­ средственно из полости ввода. Следовательно, концентрация газов в отобранной пробе будет со­ ответствовать концентрации газов во внутренней полости диагностируемого ввода. Чтобы такое условие выполнялось, внутренний диаметр соеди­ нительной трубы от полости ввода до точки отбо­ ра пробы масла необходимо выполнить диаметром 4 мм, а длина трубопровода должна равняться 5 м (по конструктивным соображениям длина трубо­ провода не может быть меньше 5 м) при условии, что отбор пробы трансформаторного масла произ­ водить шприцом объемом 20 мл. Однако в этом случае необходимо вмонтировать дополнительный трубопровод одним концом к вентилю ¹ 1 с ука-

Результаты хроматографического анализа растворенных газов в масле вводов на Чебоксарской ГЭС

				Объемная доля газа, %
		Ââîä* ÃÌÐÀ-0-500 315 çàâ. ¹ 14793			Ââîä** ГМТПА-30-500 1600 зав. ¹ Т-14054
	Показатель		(реактор, фаза А)				(блочный трансформатор)
					Дата отбора проб
		28 IV 1994 ã.	26 III 1995 ã.		9 XII 1998 ã.		5 V 1999 ã.	6 V 1999 ã.
	H2	0,008	0,087	0,25	0,012		0,039	0,126	0,168
	CO2	0,0164	0,12	0,182	0,09		0,08	0,08	0,076
	CH4	0,00074	0,027	0,06	0,003		0,007	0,014	0,019
	C2H2	Отсутствует	0,0289	0,173	Отсутствует		0,013	0,047	0,075
	C2H4	0,00021	0,0065	0,0278	0,00001		0,005	0,015	0,024
	C2H6	Отсутствует	0,078	0,0139	0,00001		0,0001	0,00027	0,0018
	CxHy	0,00095	0,0702	0,275	0,003		0,0251	0,0762	0,1198
	Место отбора	Вентиль ¹ 3 (у манометра)		Вентиль ¹ 1	Вентиль ¹ 3 (у манометра)				Вентиль ¹ 1 (у
	пробы								полости ввода)

*Ввод разрушился.

**Ввод заменен.

42	Электрические станции, 2001, ¹ 1

занной длиной и внутренним диаметром, а на дру­ гой конец установить дополнительный вентиль ¹ 4 (см. рисунок). Уменьшение внутреннего диа­ метра трубопровода до 4 мм, в случае отбора пробы масла при отрицательных температурах из-за увеличения вязкости масла, может лишь несколько увеличить время производства работ, так как про­ качиваемость трансформаторного масла прекра­ щается лишь при отрицательной температуре окружающей среды, превышающей минус 50°С [10]. Следует подчеркнуть, что маслоотборное устройство должно быть выполнено таким обра­ зом, чтобы один его конец с небольшим усилием надевался на пробоотборный штуцер, а другой – на шлиф шприца. Оно может быть выполнено, на­ пример, из двух трубок, изготовленных из обыкновенной и вакуумной резины с внутренним диамет­ ром 4 – 6 и 2 – 3 мм соответственно, соединенных между собой металлическим или стеклянным пе­ реходником, или только из обыкновенной резины, в свободный конец которой вставлен металличе­ ский штуцер, к которому приварен наконечник ме­ дицинской иглы [9]. По этой причине уменьшение внутреннего диаметра дополнительного трубопро­ вода до 4 мм не нарушает процедуру отбора проб масла на хроматографический анализ.

Чтобы получить достоверную информацию о содержании газов во вводе в случае отбора пробы на хроматографический анализ с точки расположе­ ния манометра без отключения трансформатора, диэлектрическую жидкость, находящуюся в сое­ динительной трубе (L1 + L2, ñì. рисунок), необхо­ димо слить (объем масла колеблется от 170 до 200 мл в зависимости от конкретного ввода).

Выводы

1.Отбор пробы масла на ХАРГ из высоковольтных вводов 500 – 750 кВ из точки расположения манометра не позволяет судить о процессах, про­ исходящих во вводе в момент отбора пробы ди­ электрической жидкости.

2.Предложены возможные способы отбора проб трансформаторного масла из высоковольтных вводов для анализа растворенных газов без отключения трансформаторов.

Список литературы

1.Львов М. Ю. Фактор риска при эксплуатации высоковольтных вводов трансформаторов. – Электрические станции, 1999, ¹ 2.

2.Мамиконянц Л. Г. О повреждаемости герметичных вводов трансформаторов. – Энергетик, 1996, ¹ 12.

3. Филиппишин В. Я., Туткевич А. С. Монтаж силовых трансформаторов. М.: Энергоиздат, 1981.

4.Никулин Н. В., Шишорина Г. Д. Высоковольтные вводы и их ремонт. М.: Высшая школа, 1986.

5.Гольберт К. А., Вигдергауз М. С. Введение в газовую хро­ матографию. М.: Химия, 1990.

6.Большой энциклопедический словарь Под ред. Прохоро­ ва А. М. Физика. М.: Научное издательство “Большая Российская энциклопедия”, 1998.

7.Ðèä Ð., Праусниц Д. Ж., Шервуд Т. Свойства газов и жид­ костей. Перевод с англ. Под ред. Соколова Б. И. Л.: Хи­ мия, Ленинградское отделение, 1982.

8.Выделение водорода из диэлектрической жидкости под действием ультразвука Михеев Г. М., Михеев Г. М., Не­ кряченко Г. П., Готлиб И. П. – Письма в ЖТФ, 1998, т. 24, ¹ 1.

9.ÐÄ 34.46.303-89. Методические указания по подготовке и проведению хроматографического анализа газов, растворенных в масле силовых трансформаторов. М.: Союзтехэ­ нерго, 1998.

10.Липштейн Р. А., Шахнович М. И. Трансформаторное мас­ ло. М.: Энергия, 1968.