Контроль состояния трансформаторного масла методами спектроскопии в видимой и инфракрасной областях

• Автор: Муратаева, Галия Амировна
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 157 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Особенностью развития электроэнергетики на настоящем этапе является применение последних достижений науки, современных технологий и материалов.
Новые технологии в производстве, преобразовании и передаче электроэнергии на основе широкого внедрения устройств на цифровой базе существенно повысили надежность энергосистем.
Однако, как и ранее, базовым элементом электроэнергетики являются силовые трансформаторы, объёмной составной частью которых является трансформаторное масло. Трансформаторное масло — специфический углеводородный продукт, на который возложены основные функции по изоляции и теплосъему активных потерь в трансформаторе. Столь противоречивые требования к трансформаторному маслу требуют особого внимания и подхода к условиям его эксплуатации.
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.
Проводимые в настоящее время в соответствии с РД 34.45-51.300-97 «Объемы и нормы испытаний электрооборудования» физико-химические анализы, как правило, констатируют уже свершившийся факт ухудшения того или иного параметра, не выявляя при этом причин, приведших к ним.
Неминуемое старение трансформаторного масла определяет надежность всей электроэнергетики в целом, поэтому без модернизации методов контроля состояния трансформаторного масла обеспечить безаварийную работу электроэнергетики невозможно.
В связи с этим актуальным является разработка методов контроля трансформаторного масла для оценки его эксплуатационных свойств,
определения структурно-группового состава в условиях эксплуатации и контроля процессов регенерации при ремонте трансформатора.
Наиболее простыми, с точки зрения проведения измерений, а также более информативными являются методы спектроскопии. Анализ методом спектроскопии в видимой и ближней инфракрасной области более быстрый, простой и точный. Измеренные спектры могут дать информацию, как о физических свойствах масла, так и о структурно-групповом составе трансформаторного масла. Поэтому актуальной является цель работы.
Цель работы - 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 диапазоне оптического излучения в видимой и ближней инфракрасной областях.
Для реализации сформулированной цели необходимо решить следующие основные задачи:
1. Разработать методику оценки спектров пропускания трансформаторных масел в видимой и ближней инфракрасной областях.
2. Исследовать взаимосвязь между тангенсом угла диэлектрических потерь и параметрами спектральной характеристики трансформаторного масла.
3. Разработать метод преобразования спектральных характеристик для исключения влияния фонового поглощения в начальной части спектра.
4. Исследовать спектральные свойства индивидуальных углеводородов для определения структурно-группового состава трансформаторного масла.
5. Разработать экспресс-метод определения процентного содержания ионола по спектру пропускания концентрированного раствора трансформаторного масла, используемого для ввода антиокислительной
присадки в бак силового трансформатора.
Объект исследования. Объектом исследования в представленной работе является диэлектрическая жидкость — трансформаторное масло, используемое в силовых маслонаполненных трансформаторах в качестве изолирующей и охлаждающей среды.
Методы исследования. В работе использованы оптические методы исследования веществ, современная теория поглощения света, теория математического планирования эксперимента. Исследования проводились с применением численных методов и программ для ЭВМ, натурных экспериментов на образцах трансформаторных масел, находившихся в эксплуатации или ремонте. Эксплуатационные характеристики проб масел определялись стандартными методами по существующим ГОСТам.
Научная новизна полученных результатов:
1. Впервые разработан способ эксплуатационного контроля состояния трансформаторных масел методами оптической спектроскопии путем определения спектральной характеристики пробы на границе диапазона зоны пропускания, с последующим вычислением крутизны характеристики и длины волны отсечки пропускания, которые используются для количественной оценки степени старения трансформаторного масла.
2. Впервые установлена корреляционная связь между тангенсом угла диэлектрических потерь и длиной волны отсечки спектральной характеристики для эксплуатационных трансформаторных масел.
3. Предложена усовершенствованная методика аппроксимации и преобразования спектральных характеристик для исключения влияния фонового поглощения дисперсных частиц на полосы поглощения углеводородных составляющих трансформаторного масла.
4. Разработан новый метод определения составляющих структурногруппового состава на основании данных об оптической плотности метиленовых (нафтеновых), метальных (парафиновых) и ароматических групп по пробам масла, разбавленных бензолом.

Известно, что в спектроскопии каждой химической группировке органической молекулы соответствует определенный набор полос поглощения, которые приведены в соответствующих справочниках.
Количественный спектральный анализ основан на применении закона Ламберта-Бера [42]. При количественном анализе можно одновременно определять концентрацию нескольких веществ, если спектры их поглощения различаются по форме. Суммарный спектр поглощения нескольких веществ есть простая сумма спектров поглощения компонентов, при чем оптические плотности компонентов суммируются при всех длинах волн. Теоретически, если число длин волн, используемых для измерений, равно числу компонентов, можно проанализировать и более сложные смеси. На практике же, осуществить количественный спектральный анализ смеси состоящей из 3-4 и более соединений достаточно сложно.
Анализ спектров трансформаторного масла в видимой и ближней инфракрасной оптической областях показывает, что качественный и количественный спектральный анализ применим только в определенном диапазоне спектра 850-1000 нм, то есть в диапазоне второго обертона валентных колебаний групп ОН', 870-940 нм - групп СН, СН2, СЩ органических веществ [43]. Точное положение максимума полосы поглощения атомной группы в пределах этого диапазона указывает на природу вещества следующим образом, максимум на 959 нм свидетельствует о наличии групп ОН, а максимум на длине волны 870-888 нм говорит о присутствии групп СН ароматических структур. Измерения в этой части спектра перспективны с точки зрения определения структурно-группового состава масла [44; 45].
Вместе с тем, существует коротковолновый диапазон в видимой части спектра, не имеющий явно выраженных полос поглощения, но представляющий определенный интерес, так как именно в этой части диапазона наблюдаются существенные отличия в спектрах различных трансформаторных масел.
На рисунке 2.1 показано традиционное представление оптического спектра трансформаторных масел и элементарных углеводородов — бензола,