Работа выполнена в Дзержинском политехническом институте Нижегородского государственного технического университета на кафедре “Автоматизация технологических процессов и производств”

Научный руководитель:

д.т.н., проф., заслуженный деятель науки РФ Сажин С. Г.
Официальные оппоненты:

д.т.н., проф., заслуженный деятель науки РФ Иванов А. А.

к.т.н. Орехов О. В.
Ведущая организация: НПО “СПЕКТР”, г. Москва

Защита состоится «29» ноября 2006 года в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.12 при Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ГСП-41, ул. Минина, д. 24, ауд. 1258.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Нижегородского государственного технического университета по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24.

Автореферат разослан «__» октября 2006 года.

Ученый секретарь диссертационного совета / Петров В. В. /

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Одной из главных задач обслуживающего персонала энергосис­тем является поддержание в рабочем состоянии, диагностике, обнаружении повреждений силового маслонаполненного оборудования, в том числе трансформаторов, и предупрежде­ние нештатных и аварийных ситуаций с дорогостоящим оборудованием.

Внешний осмотр, в том числе с помощью специальных устройств (например, теплови­зора), является лишь первым этапом оценки состояния силового маслонаполненного обору­дования.

Наиболее точно определить уровень физического и морального износа, проконтроли­ровать внутреннее состояние трансформатора, обосновать возможность продолжения экс­плуатации, а также выявить внутренние развивающиеся и аварийные дефекты возможно, лишь проводя ресурсную диагностику, которая включает лабораторные анализы и исследо­вания.

Данные анализы и исследования трудоемкие и длительные процессы, автоматизация этих процессов позволит значительно сократить время, что особо актуально для массовых лабораторных исследований.

Трансформаторное масло является наиболее информативным объектом для диагно­стики силового маслонаполненного оборудования, поскольку любые внутренние поврежде­ния приводят к изменению состава трансформаторного масла и образованию газовых вклю­чений. По составу и концентрации этих газов можно однозначно судить о дефекте маслона­полненного оборудования. Доступность трансформаторного масла, как объекта диагностики, очевидна.

Если хроматографический анализ газов, растворенных в трансформаторном масле, яв­ляется эффективным и достаточным способом определения состава и концентрации всех растворенных газов, то проблема выделения растворенных газов из трансформаторного масла продолжает оставаться весьма актуальной.

Большинство методик анализа растворенных газов, нашедшие распространение в ми­ровой и отечественной практике, основаны на частичном выделении определяемых компо­нентов. Методики, реализованные на статическом парофазном анализе, просты в реализации, не требуют дополнительной аппаратуры, обеспечивают достаточную чувствительность и воспроизводимость. Однако данные методики сталкиваются с трудностями при определении малых концентраций газов хорошо растворимых в трансформаторном масле. Кроме того, процесс установления термодинамического равновесия – длительный процесс, зависящий от параметров в системе масло-газ. Также необходимо отметить то, что изменение параметров в системе масло-газ приводит к изменению в разной степени концентраций выделившихся га­зов, что повлияет на результат диагностики. В некоторых методиках для интенсификации процесса выделения используют ультразвук. Данные методики позволяют проводить экс­пресс-анализы, но приводят к усложнению и существенному удорожанию диагностического комплекса.

Методика выделения растворенных газов из масла на основе температурно-вакуумного метода, а также автоматизация процессов пробоподготовки (ввода пробы масла, выделения растворенных газов и дозирование газовой смеси), хроматорграфического анализа и интер­претации его результатов, позволяет значительно сократить время диагностики, обеспечивая при этом достаточную чувствительность и воспроизводимость.

Цель работы. Основная цель работы состояла в создании автоматизированной хромато­графической системы высокочувствительного анализа широкого ряда растворенных в транс­форматорном масле газов на основе метода температурно-вакуумного выделения и исследо­вании режимов работы данной системы контроля.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) Провести анализ процесса выделения и установить зависимости состава, количества и скорости выделения газов, характерных для развивающихся внутренних повреждений си­ловых маслонаполненных трансформаторов;

2) Провести экспериментальные исследования комплекса, определить точность и вос­производмость результатов, получаемых с помощью данного комплекса, а также, оценить диагностическую ценность получаемых результатов;

3) разработать конструкцию, позволяющую произвести автоматизацию процесса выде­ления растворенных газов и проведения анализа полученных газов. Разработать соответст­вующие методики;

4) Определить алгоритм проведения диагностики, произвести автоматизацию данной процедуры.

Научная новизна. Получена математическая модель процесса выделения растворенных газов, имеющих ценность для диагностики развивающихся внутренних повреждений сило­вых маслонаполненных трансформаторов.

Выявлены зависимости концентраций растворенных газов от времени выделения, а также, температуры и давления в блоке выделения, способствующие разработке программы управления блоком температурно-вакуумного выделения и построению автоматизирован­ного комплекса для диагностики силовых маслонаполненных трансформаторов.

Получен патент на полезную модель блока выделения растворенных газов.

Доказана возможность комплексной автоматизации всех процессов подготовки пробы трансформаторного масла и анализа газовой смеси.

Предложена оптимизация процесса диагностики путем определения запаса достовер­ной диагностики.

Практическая ценность. Разработана методика температурно-вакуумного выделения с последующим хроматографическим анализом широкого спектра растворенных газов в трансформаторном масле, которая позволила сформулировать принципы построения автома­тизированной системы.

Создана конструкция автоматизированного диагностического хроматографического комплекса для определения концентрации растворенных газовых компонентов и диагно­стики силового маслонаполненного оборудования.

Проведено промышленное испытание диагностического комплекса и получены реко­мендации к проведению массовых лабораторных испытаний.

Апробация работы. Основные результаты исследований обсуждались и получили одоб­рение: на Региональном молодежном научно-техническом форуме “Будущее технической науки Нижегородского региона” (г. Нижний Новгород, НГТУ, 2002 г.); 8-ой Нижегородской сессии молодых ученых (г. Нижний Новгород, 2003 г.); II Региональной молодежной научно-технической конференции “Будущее технической науки Нижегородского региона” (г. Ниж­ний Новгород, НГТУ, 2003 г.); 9-ой Нижегородской сессии молодых ученых (г. Нижний Новгород, 2004 г.), III Региональной молодежной научно-технической конференции “Буду­щее технической науки Нижегородского региона” (г. Нижний Новгород, 2004 г.), 4-ой Меж­дународной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промыш­ленности» (г. Москва, 2005 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликованы 2 статьи и 9 тези­сов докладов, получен патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения пяти глав, заключения, списка литературы включающего 35 источников, 4 приложений. Работа содержит 141 стра­ницу текста, 33 рисунка, 11 таблиц.

Основные положения, представляемые к защите:

1) Результаты аналитического исследования процесса выделения растворенных газов в трансформаторном масле в условиях повышенной температуры и пониженного давления, позволившие описать динамику процесса выделения и определить время выделения газовых компонентов из трансформаторного масла;

2) Результаты экспериментального сравнительного исследования различных методик выделения, доказавшие преимущество метода температурно-вакуумного выделения по точ­ности, воспроизводимости и быстроте получения результатов;

3) Экспериментальные данные процесса температурно-вакуумного выделения раство­ренных газов в трансформаторном масле, доказавшие полноту выделения растворенных га­зовых компонентов трансформаторного масла на уровне 92-99%;

4) Результаты экспериментального исследования степени влияния температуры на вы­деление характеристических газов в масле;

5) Автоматизированный комплекс под управлением автоматизированной системы управления на основе микропроцессорного контроллера для диагностики силового маслона­полненного оборудования, предназначенный для проведения массовых лабораторных иссле­дований и испытаний проб трансформаторного масла;

6) Алгоритмы работы автоматизированного диагностического комплекса;

7) Критерий оптимальности диагностики силовых маслонаполненных трансформаторов в форме среднестепенной формы критерия минимального запаса достоверной диагностики;

8) Алгоритмизация процедуры диагностики силовых маслонаполненных трансформа­торов.
Содержание работы
Диагностика силового маслонаполненного оборудования включает в себя следующие аспекты: изучение дефектов маслонаполненных трансформаторов, установление причин их возникновения, а также методов и средств их обнаружения и поиска. Наиболее важным ас­пектом диагностики трансформаторов является разработка методик и средств обнаружения развивающихся дефектов.

Трансформаторное масло является наиболее доступным и информативным средством диагностики. В свою очередь, хроматографический анализ является наиболее эффективным аналитическим методом определения концентрации растворенных газов в масле. Однако разнообразие методик исследования трансформаторного оборудования обусловлено разли­чием способов выделения растворенных газов из масла.

Методы анализа растворенных в масле газов, нашедшие распространение в мировой и отечественной практике в подавляющем большинстве случаев основаны на частичном выде­лении определяемых компонентов. Предложенные методы, обладают недостатком – труд­ность определения малых концентраций хорошо растворимых газов в трансформаторном масле. Кроме того, данный метод подразумевает выделение лишь части растворенных газов, изменение давления или температуры в системе выделения приводит к изменению количе­ства выделившихся газов, что нежелательно потому, что идентификация развивающегося внутреннего дефекта производится по соотношению концентраций пар газов.

Другим недостатком метода частичного выделения является длительность установле­ния равновесия в системе выделения, а для интенсификации процесса необходимо использо­вать дополнительное оборудование, что приводит к усложнению диагностической системы в целом. Значительное время для достижения равновесия затрудняют применение подобных методов для проведения массовых анализов.

Метод полного выделения за счет повышения температуры и снижения давления в сис­теме выделения позволяет выделять до 99 % растворенных газов и ускорить процесс выделе­ния.

Комплексная автоматизация процесса диагностики, от ввода пробы масла и выделения растворенных газов до хроматографического анализа и интерпретации результатов позволяет значительно сократить время диагностики, обеспечивая воспроизводимость анализа и доста­точную чувствительность к характерным газам для развивающихся внутренних поврежде­ний.

Для автоматизации всех процессов диагностирования и созданию полностью автомати­зированного комплекса необходимо точно знать параметры проведения анализа и временные характеристики.

Для расчета времени создания вакуума в системе выделения был проведен анализ сис­темы выделения и оценка быстроты откачки емкости выделения растворенных газов.

Для определения времени выделения растворенных газов были проведены теоретиче­ские и экспериментальные исследования.

Были получены следующие зависимости выделившихся газов из трансформаторного масла (на рисунке представлена зависимость на примере метана).

Рисунок 1. – Зависимость концентрации метана с₂ от времени t при выделении из трансформаторного масла при нормальном давлении

(кривая 1 – T = 20С; кривая 2 – T = 90С,

кривая 3 – включение нагревателя в момент t₁ T = 90С)

Разработка математической модели процесса выделения растворенных газов из пробы трансформаторного масла позволила получить зависимость:

, (1)

где c₂(t) – концентрация выделившегося газа; c₁(0) – начальная концентрация газа; S – пло­щадь поперечного сечения емкости выделения; L – высота емкости выделения, занятая трансформаторным маслом; V₁ – объем трансформаторного масла; V₂ – объем надмасленного пространства; D₁ – коэффициент диффузии; D₂ – инкремент коэффициента диффузии при повышении температуры; (t – t₁) – функция Хевисайда.

Уравнение использовалось для аппроксимации экспериментальных кривых (рисунок 1). В результате аппроксимации были найдены коэффициенты диффузии метана до (D₁ = 110^-7 м²/сек) и после (D₂ = 110^-6 м²/сек) включения теплового ускорения диффузии. Из этих ре­зультатов следует, что тепловое воздействие ускоряет диффузионные процессы в трансфор­маторном масле на порядок.

Знание коэффициента диффузии для масла позволяет рассчитать время самопроизволь­ной десорбции образовавшихся газов. Если рассматривать объем трансформаторного масла, вводимого в емкость выделения, то при температуре T = 20 получили t = 10³ с или 16,5 ми­нут; а с нагревом при T = 90 - t = 100 с или 1,6 минуты.

Оценку влияния давления и температуры на процесс выделения можно рассматривать и с точки зрения динамики всплытия пузырьков растворенного газа. Полученная зависимость скорости выделения растворенного газа имеет вид:

, (2)

где  - скорость всплытия пузырька газа; - плотность трансформаторного масла; g – ускорение свободного падения; R - радиус пузырька газа;  - вязкость трансформаторного масла.

Учитывая уравнение, являющегося следствием закона Менделеева-Клайперона:

, (3)

где p₀ – атмосферное давление;  - поверхностное натяжение; N_г – число молекул газа в пу­зырьке; k – постоянная Больцмана; T – температура, можно сделать важные выводы.

Сравнивая влияние температуры и давления на процесс выделения растворенных газо­вых компонентов в трансформаторном масле, делаем вывод, что влияние давления возможно в более широких границах и имеет более значимый характер, чем влияние температуры.

Заметим, что диагностика силового маслонаполненного оборудования, уточнение раз­вивающихся внутренних дефектов, осуществляется по отношениям концентраций пар газов. Поэтому даже незначительное изменение параметров фазового равновесия нежелательно, поскольку искажает результаты диагностики.

Полнота выделения растворенных газов температурно-вакуумным методом как по спектру веществ, так и по их количеству выше, поэтому позволяет проводить более точную диагностику.

Экспериментальные сравнения различных методик показали преимущества темпера­турно-вакуумного метода над методом частичного выделения на 17-30 % по полноте выде­ления.

Таблица 1. - Сравнение методов частичного и полного выделения при T = 90C, оценка степени полноты выделения

Вещество	Исходная концентрация, % об.	Метод полного выделения		Метод частичного выделения
		Концентрация, % об.	Полнота выделения, %	Концентрация, % об.	Полнота выделения, %
Окись углерода	0,26	0,2392	92	0,1950	75
Метан	0,08	0,0792	99	0,0656	82
Двуокись углерода	0,16	0,1520	95	0,1168	73
Этилен	0,01	0,0097	97	0,0067	67
Этан	0,01	0,0097	97	0,0067	67

Важно отметить, что преимущество вакуумного метода особенно сказывается при анализе хорошо растворимых газов, что подчеркивает достоинство вакуумного метода выделения по сравнению с методом частичного выделения.

Важным аспектом работы автоматизированного диагностического комплекса является достоверность получаемых результатов при проведении диагностики маслонаполненного оборудования.

В качестве критерия оптимальности использовалась среднестепенная форма запаса достоверной диагностики по всем диагностически значимым газам:

, (4)

где запас достоверной диагностики по каждому диагностически значимому газу:

, (5)

где с_i – концентрация растворенного газа; с_{гр i} – граничная концентрация i-го растворенного газа, a_i – весовые коэффициенты; _i - параметра рассеяния с_i.

В результате минимизации критерия оптимальности были получены оптимальные значения параметров системы выделения (давление и температура в системе выделения), обеспечивающие выделение растворенных диагностически значимых газов в количестве достаточном для проведения достоверной диагностики силовых маслонаполненных трансформаторов.

В результате теоретических и экспериментальных исследований был создан автоматизированный комплекс для диагностики маслонаполненных трансформаторов.

Автоматизированный комплекс реализует температурно-вакуумный метод выделения растворенных газов из масла.

Диагностический комплекс представляет собой систему, построенную на базе газового хроматографа, уникального блока выделения и вакуумного насоса, средств подачи газа-носителя, водорода и воздуха, соединенных капиллярами с электро-пневмоклапанами, а также работающую под управлением программно-технического комплекса.

Архитектура системы управления представляет собой двухуровневую систему. Первый уровень системы включает в себя микропроцессорный контроллер Siemens S-7 313C с цифровыми и аналоговыми входами-выходами для подключения термопары, термометра сопротивления, электропневмоклапанов, пневмоприводов и реле вакуумного насоса. Второй уровень управления представляет собой компьютер с коммуникационным процессором CP5611, предназначенным для ввода параметров процесса, программного управления и контроля хода анализа, а также проведения диагностики трансформатора.

Функционально в систему управления входя следующие подсистемы: измерения параметров в системе (давления и температуры), логического управления ходом анализа на основании полученных временных характеристик, автоматического регулирования температуры, визуализации и контроля.

Рисунок 2. – Структурная схема автоматизированного диагностического комплекса

Работа автоматизированной системы управления основана на принципах управления технологическими процессами с использованием микропроцессорного контроллера, осуществляющего управление блоком выделения и газовым хроматографом.

Автоматизированный диагностический комплекс доказал свою работоспособность на примере лабораторных испытаний и испытаний проб трансформаторного масла Игумновской ТЭЦ.

Выводы
1. Анализ процесса вакуумирования емкости выделения растворенных газов, позволил оценить быстроту откачки емкости от атмосферного давления до давления в 100 Па и уста­новить длительность откачки емкости выделения, которое составило t = 12,7 с.

Анализ кинетики выделения растворенных газов позволил получить математическую зависимость концентрации выделившихся газов от температуры. На основе эксперименталь­ных данных зависимость позволила получить коэффициенты диффузии газов, для метана ко­эффициент диффузии в трансформаторном масле при температуре 90 С составил D = 110^-6 м²/сек.

Анализ динамики выделения растворенных газов позволил получить математическую зависимость скорости выделения растворенных газов от температуры и давления и устано­вить, что увеличение температуры от 20 С до 90 С способно сократить время выделения в 10 раз, изменение давления - более чем в 100 раз.

2. Сравнительный экспериментальный анализ показал преимущество метода темпера­турно-вакуумного выделения над методом выделения, основанном на равновесном распре­делении растворенных газов.

Скорость получения результатов диагностики при температурно-вакуумном методе выделения выше и позволяет проводить диагностику силового маслонаполненного транс­форматора за 5 минут, методом выделения, основанном на равновесном распределении рас­творенных газов, - 15 минут.

Точность диагностики при температурно-вакуумном методе выделения также выше, вследствие получаемой полноты выделения спектра и количества выделенных газов. Экспе­риментально получена полнота выделения из трансформаторного масла характеристических газов температурно-вакуумным методом на уровне 92-99%, что на 17-30% больше чем у ме­тода равновесного распределения.

3. Разработка конструкции блока выделения растворенных газов (патент полезной мо­дели RU 37831 U1) и система управления, использующая полученные математические зави­симости, позволили создать автоматизированный комплекс для диагностики силовых масло­наполненных трансформаторов.

Применение критерия минимального запаса обеспечения достоверной диагностики по­зволило получить большой запас работоспособности автоматизированного диагностического комплекса и определить оптимальные условия проведения выделения растворенных газов из пробы трансформаторного масла (p = 100 Па; Т = 120 С).

Проведенные лабораторные и промышленные испытания автоматизированного диагно­стического комплекса доказали возможность его применения для диагностики силового мас­лонаполненного оборудования в масштабах предприятия.

4. Анализ детерминированных критериев граничных концентраций растворенных га­зов, скорости нарастания концентрации газа и соотношения концентраций пар газов при оценке состояния силовых трансформаторов позволил получить дерево принятия решений при диагностике трансформатора.

Проведенная алгоритмизация процедуры диагностирования силового маслонаполнен­ного трансформатора позволила автоматизировать процесс диагностики.
Основное содержание работы опубликовано в следующих статьях и тезисах:
1. Храмов А. М., Сажин С. Г. Контроль концентрации растворенных газов в трансформаторном масле (обзор) // Контроль и диагностика. – 2005. - № 2. – с. 2-17.

2. Сажин С. Г., Храмов А. М. Автоматизированный комплекс для экспериментального исследования выделения растворенных газов из диэлектрической жидкости // Промышленные АСУ и контроллеры. – 2006. - № 1. – с. 38-41.

3. Патент на полезную модель № 37831. Устройство для подготовки пробы жидкости к анализу на хроматографе. Сажин С. Г., Храмов А. М., Кононов В. Г., 2004 г.

4. Сажин С. Г., Храмов А. М. Диагностика силового маслонаполненного оборудования: Сборник докладов 4-ой международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». – Москва, 2005. – с. 35.

5. Храмов А. М. Автоматизированный комплекс для контроля концентраций растворенных веществ: Сборник трудов Нижегородского государственного технического университета Том 45 “Химическая и пищевая промышленность: современные задачи техники, технологии, автоматизации, экономики”. – Нижний Новгород.: НГТУ, 2004. – с. 191-193.

6. Храмов А. М. Разработка блока выделения газов из трансформаторного масла и экспериментальное определение их концентрации хроматографическим методом: Сборник докладов Регионального молодежного научно-технического форума “Будущее технической науки Нижегородского региона”. – Нижний Новгород.: НГТУ, 2002. – с. 136.

7. Храмов А. М. Автоматизированный диагностический комплекс для анализа газов, растворенных в трансформаторном масле: Сборник докладов VI Всероссийской научно-технической конференции “Методы и средства измерений”. – Нижний Новгород.: НГТУ, 2002. – с. 14.

8. Храмов А. М. Диагностика повреждений маслонаполненных трансформаторов: Сборник докладов VII Всероссийской научно-технической конференции “Методы и средства измерений физических величин”. – Нижний Новгород.: НГТУ, 2003. – с. 29.

9. Храмов А. М. Диагностика маслонаполненных трансформаторов: Сборник докладов II Региональной молодежной научно-технической конференции “Будущее технической науки Нижегородского региона”. – Нижний Новгород.: НГТУ, 2003. – с. 88-89.

10. Храмов А. М. Разработка и исследование автоматизированного комплекса вакуумного выделения и хроматографического анализа газов, растворенных в трансформаторном масле: Сборник докладов 9-ой Нижегородской сессии молодых ученых. – Нижний Новгород.: НГТУ, 2004. – с. 137-139.

11. Храмов А. М. Разработка и исследование автоматизированного диагностического комплекса вакуумного выделения для силового маслонаполненного оборудования: Сборник докладов III Региональной молодежной научно-технической конференции “Будущее технической науки Нижегородского региона”. – Нижний Новгород.: НГТУ, 2004. – с. 352 – 353.

12. Храмов А. М. Автоматизированный комплекс для контроля концентраций газов: Сборник докладов научной конференции «Современные системы автоматизации» Российской Академии Естествознания. – Москва.: «Академия естествознания», – 2005. - № 2. – с. 67-68.