Хроматографический анализ газов 12 Хроматографический анализ газов в масле (ХАРГ) — один из наиболее чувствительных и точных методов оценки состояния маслонаполненного оборудования. Этот вид контроля давно и довольно широко используется в эксплуатации для диагностики состояния измерительных трансформаторов (ИТ) несмотря на то, что требования к выполнению этого анализа не включены в РД [1]. Поскольку до настоящего времени отсутствуют российские нормативы граничного содержания газов в масле нормально работающих ИТ, заключение по результатам анализа в эксплуатации нередко дается на основании зарубежного опыта (Стандарт МЭК [2]) или российских норм для силовых трансформаторов и вводов РД [3]. Такой подход представляется неправильным и необоснованным.


Действительно, по данным российских авторов [4, 5] и опыта, накопленного в энергопредприятиях, граничные значения для ИТ разных конструкций и классов напряжения могут быть различными и значительно отличаются от нормативов, предлагаемых в [2, 3].

Поэтому установление граничных концентраций газов в масле работающих ИТ представляется авторам достаточно актуальной задачей. В настоящей статье обсуждаются результаты ХАРГ эксплуатируемых трансформаторов тока (ТТ) звеньевой конструкции типа ТФЗМ и трансформаторов напряжения (ТН) типа НКФ.

МЕТОДИКА


Для получения статистически значимых выборок данных авторами статьи был собран большой объем результатов ХАРГ при профилактическом контроле ИТ. В выборках представлены данные об ИТ, эксплуатируемых в различных климатических регионах, в том числе ОАО «Ленэнерго», МЭС Северо-Запада, Центра, Юга, сетевых предприятий Сибири, Урала и Дальнего Востока, Центрального региона. Расчет граничных значений проводился с помощью экспертно-диагностической информационной системы «Альбатрос», разработанной И.В. Давиденко, Уральский Политехнический институт, с программным модулем статистической обработки результатов ХАРГ согласно требованиям РД [6, п. 4]. В базу данных для расчета включалось по одному результату анализа при профилактическом контроле каждой единицы ИТ.


В отличие от РД [6] – число интервалов для расчета было увеличено с 15 до 50; – в качестве граничных концентраций газового компонента в масле нормально работающих в эксплуатации ИТ рассматривались расчетные значения концентрации, соответствующие уровням интегральной функции распределения F = 0,90 или 0,95. Установленные таким образом значения граничных концентраций оказываются не превышенными у 90 или 95 % общего количества ИТ рассматриваемой группы. Данные, собранные отдельно по классам напряжения для каждого типа ИТ, группировались в выборки для расчета граничных концентраций вначале по отдельным предприятиям. Это позволило рассмотреть влияние региональных климатических условий на процессы, происходящие в изоляции, а также таких факторов, как особенности измерительного комплекса и парка оборудования.


Существенных отличиймежду граничными концентрациями для разных предприятий внутри групп по типам и классам напряжения ИТ обнаружено не было. Это позволило объединить выборки по предприятиям в каждой группе в одну расчетную выборку. Для подтверждения диагностической ценности установленных граничных концентраций газов были рассмотрены случаи забракованных в эксплуатации и аварийных ИТ с дефектами, известными по результатам разборки. Диагностика состояния по результатам ХАРГ проводилась по методике, включающей различные диагностические критерии, в том числе [6, п.2] с использованием граничных концентраций газов. Газ с максимальным отношением измеренного и граничного значений считался основным, остальные газы с отношениями измеренного и граничного значения больше единицы считались газами с высоким содержанием. Вид развивающегося дефекта определялся по сочетанию основного и характерных газов [6, табл.1]. Полученные диагнозы сопоставлялись с результатами разборки ИТ и/или с результатами измерения других характеристик изоляции.

РЕЗУЛЬТАТЫ


Хроматографический анализ газов 1

Результаты расчета граничных концентраций для ТТ звеньевой конструкции типа ТФЗМ (старое название ТФНД) 220 и 500 кВ по объединенным выборкам представлены в табл. 1. Как видно из табл. 1, у этих двух выборок граничные значения всех газов довольно близки. (Необходимо отметить, что данные по ТФЗМ-500 имелись лишь для нижних блоков). С учетом того, что трансформаторов тока типа ТФЗМ-500 выпускаются в двухступенчатом исполнении (2 блока по 220 кВ), то есть конструкция изоляции у них одинакова, эти две выборки были объединены.


Результаты расчета для объединенной выборки 528 единиц представлены в последней строке табл.


1. Результаты расчета граничных значений содержания газов в масле ТФЗМ-110 представлены в табл.


2. У этих ТТ обращают на себя внимание высокие значения граничных концентраций некоторых газов. А именно, граничные концентрации водорода Н2, метана СН4 и этана С2Н6 у ТФЗМ класса напряжения 110 кВ на два порядка выше, чем у ТФЗМ классов напряжения 220 и 500 кВ, хотя граничные значения остальных газов низкие и близки к ТФЗМ других классов напряжения.


Хроматографический анализ газов 2 Если учесть, что в обоих случаях речь идет о негерметичной конструкции (со свободным дыханием), то трудно объяснить, почему высокие концентрации имеют место для газов с малой растворимостью в масле: водорода и метана. При этом достоверность результатов анализа не вызывает сомнений, поскольку на тех же предприятиях, на которых получены высокие граничные концентрации газов для ТФЗМ-110, граничные концентрации у ТТ других типов и классов напряжения гораздо ниже. Можно предположить, что это явление связано с какими-то особенностями конструкции или недостатками технологии изготовления ТФЗМ 110 кВ. Так, объем масла в ТФЗМ 110 кВ почти в 7 раз меньше, чем в ТФЗМ 220 кВ (сравним соотношение объемов в других конструкциях ТТ соседних классов напряжения. Например, у ТТ типа ТФРМ 330 кВ масса масла меньше, чем у ТФРМ 500 кВ всего в 1,2 раза). Возможно, именно малый объем масла и оказывает влияние на повышение концентраций газов у ТФЗМ 110 кВ, однако это касается только трех газов.


Хроматографический анализ газов 3 С другой стороны, хотя расчет граничных значений для ТФЗМ 110 кВ был выполнен по статистически значимому количеству единиц (467), работающих на многих предприятиях и в разных климатических регионах, на самом деле число работающих в ФСК и энергокомпаниях ТФЗМ 110 кВ намного больше. Не исключено, что при более широком охвате парка ТФЗМ-110 хроматографическим анализом можно ожидать некоторого снижения этих значений. Этот вопрос требует дальнейшего изучения, поэтому в настоящее время полученные для ТФЗМ 110 кВ граничные значения можно рекомендовать как справочные. Результаты расчета граничных концентраций газов в масле ТН типа НКФ по классам напряжения (уровни F = 0,90 и 0,95) представлены для сравнения в табл. 3.


Объемы выборок по классам напряжения представлены в единицах ТН, а для классов напряжения 220-500 кВ (поскольку это блочная конструкция и пробы масла на анализ берутся из каждого блока) дано и количество блоков 110 кВ. Из табл. 3 видно, что при достаточно представительных объемах выборок граничные концентрации газов у ТН разных классов напряжения достаточно близки между собой. Это позволяет объединить их вобщую выборку, тем более с учетом одинаковой конструкции блоков. Результаты расчета граничных значений для суммарной выборки ТН 110-500 кВ типа НКФ объемом 1291 блок (814 единиц) представлены в последней строке табл.3. Следует отметить, что расчетные значения концентраций углеводородных газов для ИТ (кроме ТФЗМ 110 кВ) на уровнях F=0,9 и 0,95 различаются примерно в 2-3 раза, причем они значительно ниже граничных концентраций для силовых трансформаторов, установленных при F = 0,9. В связи с этим авторы считают, что для ТФЗМ 220-500 кВ и НКФ 110-500 кВ следует принять в качестве граничных значения концентраций, соответствующие интегральной функции распределения F = 0,95, по крайней мере, по двум причинам.


Хроматографический анализ газов 4 • Использование расчетных значений концентраций газов в качестве граничных для нормально работающих ИТ предполагает постановку на учащенный контроль всего оборудования, в котором имеет место превышение нормативов даже по одному из газов. Применение граничных концентраций на уровне F = 0,9 привело бы к значительному количеству оборудования, подлежащего учащенному контролю (до 30 %). Учитывая то обстоятельство, что для отбора пробы масла на ХАРГ из ИТ, в отличие от силовых трансформаторов, необходимо их отключение, применение граничных концентраций на уровне F = 0,95 сократит количество необоснованных отключений. Известно, что публикация МЭК-61464 1998 г. [7] рекомендует для трансформаторных вводов использовать в качестве граничных значения на уровне F = 0,95 (такой же поход для ТТ с изоляцией конденсаторного типа принят в Португалии [8]), что значительно уменьшает число объектов, подлежащих дополнительному контролю.


• Расчетные значения концентраций для ИТ (за исключением ТФЗМ 110 кВ) на уровне F = 0,9 близки к пределам обнаружения. Чем ниже измеренная концентрация газа в масле, тем больше погрешность ее определения. Согласно РД [3], относительная погрешность анализа при содержании газов в масле ниже 10 мкл/л составляет более 50 %. Применение для оценки состояния оборудования результатов анализа с такой погрешностью может привести к отказу в работе, то есть снизить эффективность контроля. ТТ типа ТФЗМ 110 кВ представляют особый случай, для них предлагается использовать граничные концентрации 90 %-ного уровня, как уже отмечалось, в качестве справочных. Если сравнить результаты расчета граничных концентраций 95 %-ного уровня для ИТ типа ТФЗМ 220500 кВ и ТН типа НКФ 110-500 кВ (см. табл. 4), то видно, что у этих двух групп ИТ граничные концентрации близки. Это позволяет объединить их. Результаты расчета для объединенной группы представлены в последней строке табл. 4. Для подтверждения диагностической ценности полученных значений граничных концентраций газов в масле нормально работающих ИТ было проанализировано 12 случаев забракованных в эксплуатации и аварийных ИТ с дефектами, известными по результатам разборки (6 единиц ТТ типа ТФЗМ и 6 единиц ТН типа НКФ).


Рассмотрим два примера отбракованных ТТ типа ТФЗМ 110 кВ, результаты ХАРГ которых представлены в табл. 5. Значения содержания газов, превышающие граничные концентрации, выделены жирным шрифтом. Гистограммы рис. 1 и 2 показывают отношения измеренных значений каждого газа к граничным концентрациям. Хроматографический анализ газов 5

Пример 1.


Из табл. 5 и рис. 1 видно, что имеет место превышение граничных концентраций газов СН4, С2Н6 и СО2. По характерному составу газов (С2Н6 — основной газ, СН4 — характерный газ с высоким содержанием [6, табл. 1]), характер развивающегося повреждения диагностируется как слабый нагрев (t ? 300-400 oC), что согласуется и с повышенным содержанием СО2. При разборке ТТ был выявленослабленный контакт на шпильке заземления обмотки низкого напряжения, что подтверждает правильность поставленного диагноза.


Хроматографический анализ газов 6

Пример 2.


Из табл. 5 и рис. 2 видно, что имеет место превышение граничных концентраций газов С2Н2 и С2Н4. По характерному составу газов: С2Н2 — основной газ, С2Н4 — характерный газ с высоким содержанием [6, табл. 1], характер развивающегося повреждения диагностируется как дуговой разряд. При осмотре выявлен обрыв первичной обмотки от обмоткодержателя, что совпадает с поставленным диагнозом. Приведенные примеры подтверждают, что установленные для ТФЗМ-110 кВ граничные концентрации можно использовать в качестве справочных. Рассмотрим два примера отбракованных ТН типа НКФ 110 кВ. Результаты ХАРГ представлены в табл. 6. Значения, превышающие граничные концентрации, выделены жирным шрифтом. Гистограммы рис. 3 и 4 показывают отношения измеренных значений каждого газа к граничным концентрациям. Хроматографический анализ газов 7

Пример 3.


НКФ-110 кВ был снят по результатам ХАРГ. Из табл. 6, первая строка, и рис. 3 видно, что содержание газов С2Н4, С2Н6 и С2Н2 превышает граничные концентрации, причем С2Н2 — основной газ, С2Н6 и С2Н4 — характерные газы с высоким содержанием. По результатам ХАРГ можно диагностировать искровой разряд, сопровождающийся нагревом до 300 oC. При обследовании ТН было установлено, что омическое сопротивление нулевого вывода обмотки ВН изменилось более чем на 10 %. При разборке был обнаружен плохой контакт в нижней части обмотки ВН. Таким образом, применение ХАРГ для диагностики позволило своевременно обнаружить дефект.

Хроматографический анализ газов 8 Пример 4.


НКФ 110 кВ был поставлен на учащенный контроль по результатам ХАРГ, представленным в табл. 6, вторая строка. Из табл. 6 и рис. 4 видно, что содержание С2Н6, СО и СО2 превышает граничные значения, причем С2Н6 и СО2 — основные газы, СО — характерный газ с высоким содержанием. По [6, табл. 1] характер развивающегося повреждения диагностируется как нагрев до 300 oC бумаги и масла. Установлено, что до отбора пробы ТН подвергался феррорезонансным перенапряжениям, следствием которых был нагрев обмотки ВН и усиленное Хроматографический анализ газов 9старение изоляции. Приведенные примеры подтверждают диагностическую ценность предложенных нормативных значений и целесообразность использования ХАРГ для оценки технического состояния ИТ. Для сравнения в табл. 7 даны предложения и рекомендации разных стран по граничным для нормально работающих маслонаполненных ИТ и силовых трансформаторов и браковочным концентрациям газов.

ВЫВОДЫ


1. Установленные для отечественных ИТ граничные концентрации газов в масле значительно ниже рекомендуемых Стандартом МЭК [2] для ИТ и РД [3] для силовых трансформаторов.


Хроматографический анализ газов 10 2. Граничные концентрации газов в масле для ТТ типа ТФЗМ классов напряжения 220 и 500 кВ и для ТН типа НКФ классов напряжения 110-500 кВ близки между собой. Проведенные расчеты показали возможность объединения этих групп ИТ. Для них предложены единые нормативные значения граничных концентраций газов на уровне интегральной функции распределения F = 0,95.


3. Граничные концентрации водорода, метана и этана в масле для ТТ типа ТФЗМ-110 кВ по результатам расчета оказались примерно на два порядка выше, чем у остальных ТФЗМ. Они рассчитаны на уровне интегральной функции распределения F = 0,90 и предлагаются в качестве справочных. Вопрос о нормативных граничных концентрациях газов в масле нормально работающих ТФЗМ110 кВ требует дополнительного изучения.


4. Влияния региональных климатических условий на значения граничных концентраций газов в масле ИТ не выявлено.


5. Использование граничных значений для оценки состояния ИТ и своевременного принятия решения о мероприятиях по обслуживанию оборудования повысит надежность эксплуатации. Для обеспечения безаварийной эксплуатации ИТ недостаточно располагать только нормативными значениями граничных концентраций газов в масле.


Хроматографический анализ газов 11 Необходимо решить еще целый ряд вопросов, в том числе должны быть определены:


• опасные скорости нарастания газов в масле ИТ; периодичность повторного анализа газов в зависимости от уровня содержания и скорости нарастания газов;


• признаки характера повреждения, для чего надо установить связь между результатами ХАРГ и дефектами, выявленными в результате разборки;


• объем дополнительных измерений и эксплуатационных мероприятий в зависимости от характера предполагаемого дефекта;


• метрологические требования к методике проведения хроматографического анализа для оценки состояния измерительных трансформаторов. Все эти вопросы должны быть учтены при разработке РД или отраслевого стандарта.




Рекомендуйте эту статью другим!