Автоматизация приборов для исследования и контроля диэлектрических жидкостей в энергетике тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

о-' С"'

л

V- »

Со I

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Удмуртский государственный университет

На правах рукописи УДК 001.8: 621.315.615

МИХЕЕВ ГЕОРГИЙ МИХАЙЛОВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ В ЭНЕРГЕТИКЕ

01.04.01. - "Техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск 1998

Работа выполнена в Удмуртском Государственном Университете

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Трапезников В.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Захаров Владимир Анатольевич, кандидат физико-математических наук, Фатеев Евгений Геннадьевич

Ведущая организация: НПП "Бреслер" при

Чувашском Государственном Университете им. И.Н. Ульянова

Защита состоится ггя/УрЫ 1998 г. в ' часов на заседании диссертационного совета К 064.47.07 при Удмуртском Государственном Университете (426 034, г. Ижевск, ул. Красногеройская, 71).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим высылать по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УдГУ.

Автореферат разослан 1998г.

Ученый секретарь I '' ; диссертационного совета кандидат техн. наук \

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время значительная часть силового электрооборудования энергосистемы России имеет ресурс службы, близкий или превышающий первоначально установленный нормативный срок. В ближайшие годы, учитывая существующую экономическую ситуацию, положение не изменится, так как отсутствует возможность полномасштабного планового обновления оборудования.

В 1997 году, по оценкам экспертов, мощность оборудования, отработавшего свой ресурс, возросла и достигла 27,5 млн. кВт, (13,4%), а к 2000 г. мощность этого оборудования достигнет 35,3 млн. кВт (17,2%), к 2005 г. - 55млн. кВт.(26,8%). Кроме того, к 2005 г. выработают ресурс 21 млн. кВт мощностей на гидростанциях и 3,8 млн. кВт на атомных электростанциях. Таким образом, ежегодно по этим причинам должно выводиться из эксплуатации электрооборудование мощностью до 9 млн. кВт, а вводится в среднем по 1,5 млн. кВт в год, или 16% от необходимого объема замещения мощностей. Поэтому, сегодня для энергетики России характерен лавинообразный процесс физического износа и морального старения оборудования.

В этих условиях из всего многообразия задач диагностики на первый план выдвигаются определение фактического износа и оценка остаточного ресурса работоспособности электрооборудования. Это позволяет выработать рациональную стратегию эксплуатации и ремонта для продления срока службы и, лишь в крайних случаях, замены полностью выработавшего свой фактический ресурс оборудования. Зачастую также возникает проблема эксплуатации изношенного, но еще сохраняющего, работоспособность электрооборудования.

Надежность работы высоковольтного энергетического оборудования, увеличение межремонтного периода, трудозатраты на эксплуатацию, включая ремонтные работы, в значительной мере зависят от состояния трансформаторного масла. Поэтому, основная задача эксплуатации энергетических масел - обеспечить сохранение на определенном уровне требуемых показателей качества масла в течение длительного периода времени. Важными эксплуатационными характеристиками масла являются пробивное напряжение, тангенс угла диэлектрических потерь, температура вспышки, влагосодержание, содержание растворенных газов.

Однако, к сожалению, до сих пор для определения вышеуказанных характеристик диэлектрической жидкости (кроме пробивного напряжения), в энергетической отрасли пользуются приборами морально устаревшими и не отвечающими современным требованиям. Эти приборы требуют постоянного надзора и вмешательства человека во время проведения измерений. Автоматизация приборов для исследования диэлектрических жидкостей (ДЖ) позволяет увеличить точность измерений, исключать ошибки при проведении анализов, создает удобства и безопасность проведения экспериментов. Следовательно, внедрение автоматизированных приборов для определения качества ДЖ в нынешних условиях актуально.

Автоматизированные приборы необходимы также при разработке принципиально новых методов диагностики ДЖ, находящихся в поле высокого напряжения, а также при проведении различных физических экспериментов над ними (например, при лазерном пробое), когда необходимо производить многочисленные исследования за малый промежуток времени, требующих от экспериментатора особого внимания.

Существующая, широко применяемая методика хроматографического анализа растворенных в трансформаторном масле газов не отвечает требованиям сегодняшнего дня по нескольким причинам. Одним из главных недостатков этого метода является невозможность определения газов в электрооборудовании в реальном масштабе времени. Это связано с тем, что от момента отбора пробы масла до начала анализа в химической лаборатории, как правило, проходит не менее 10 часов. Следовательно, невозможно достичь непрерывного контроля за процессами развития дефектов, происходящих в работающем электрооборудовании.

Лишенным этих недостатков, является метод нелинейной лазерной спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС). Этот метод позволяет с высокой точностью определить количественный состав газов в масле в реальном масштабе времени. Главным достоинством этого метода вполне может явиться возможность определения растворенных в масле газов непосредственно в работающих трансформаторах.

Цель и задачи исследований

Основной целью настоящей работы является разработка автоматизированных приборов для исследования и контроля диэлектрических жидкостей в энергетике, а также изучения влияния различных факторов на параметры трансформаторного масла. В связи с этим в работе были поставлены следующие основные задачи:

1. Поиск новых возможностей, позволяющих разрабатывать автоматизированные устройства для измерения температуры вспышки и тангенса угла диэлектрических потерь с одной стороны, и практическая реализация их в конкретные технические решения и в приборы, с другой стороны.

2. Исследование влияния частичных разрядов и нарушений контактных соединений в переключателях регулирования под нагрузкой силовых трансформаторов на температуру вспышки.

3. Исследование возможностей лазерного метода когерентного антистоксова рассеяния света для оперативного контроля концентрации газов над диэлектрической жидкостью.

4. Поиск новых способов, позволяющих ускоршъ процесс дегазации диэлектрических жидкостей для разработки устройств контроля и исследования содержания растворенных газов и влаги в трансформаторном масле.

Объект исследований - нефтяное трансформаторное масло. Научная новизна работы

1. Экспериментально показано, что температура вспышки трансформаторного масла не изменяется и в результате частичных разрядов, и при нарушениях в контактных системах переключателей регулирования под нагрузкой силовых трансформаторов, приводящих к разложению диэлектрических жидкостей с образованием газов.

2. Предложен и разработан датчик, позволяющий с высокой надежностью фиксировать температуру вспышки горючих жидкостей.

3. Разработан новый метод измерения тангенса угла диэлектрических потерь, позволяющий автоматизировать процесс измерений.

4. Методом лазерной спектроскопии изучена эффективность генерации водорода при электрическом пробое трансформаторного масла. Показано, что объем образующегося водорода

пропорционален корню квадратному из энергии импульсного электрического разряда.

5. Найден коэффициент диффузии водорода в трансформаторном масле с применением метода лазерной спектроскопии.

6. Предложен новый метод определения содержания водорода и влаги в диэлектрических жидкостях, основанный на ультразвуковом перемешивании исследуемой пробы и измерении концентрации молекулярного водорода в газовой смеси над жидкостью селективным методом лазерной спектроскопии.

Практическая значимость работы

1. Разработаны автоматизированные приборы для измерения температуры вспышки и тангенса угла диэлектрических потерь трансформаторного масла.

2. Показано, что скорость дегазации диэлектрической жидкости может быть существенно увеличена при ее перемешивании ультразвуком. Установлено, что фокусированный ультразвук малой мощности (4 мВт, 220 мВт/см2) не приводит к разложению трансформаторного масла с образованием газов.

3. Предложен корректный способ отбора проб трансформаторного масла с высоковольтных вводов 110-750 кВ для хроматографического анализа растворенных газов без отключения трансформаторов.

Защищаемые положения

1. Датчик для фиксации температуры вспышки горючих жидкостей, позволяющий надежно фиксировать температуру вспышки.

2. Новый метод определения тангенса угла диэлектрических потерь, позволяющий автоматизировать процесс измерений, и основанный на измерении разности фаз двух контролируемых напряжений, одно из которых снимается с отпайки высоковольтного трансформатора, а другое - с общей точки соединения испытуемого объекта с активным сопротивлением.

3. Автоматизированные приборы для определения температуры вспышки трансформаторного масла и измерения тангенса угла диэлектрических потерь.

4. Ультразвук малой мощности может быть использован для эффективной дегазации диэлектрической жидкости.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены во второй Российской университетско -академической научно-практической конференции (Ижевск, 25-28 апреля 1995); на Всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике-96" (Чебоксары, 18-20 июня 1996); на 4-м Международном Российско-китайском симпозиуме "Advansed materials of procesess" (Пекин, 12-15 октября 1997); в 28 - ой научно-производственной конференции Ижевской Государственной Сельскохозяйственной Академии (Ижевск, 18-20 февраля 1998).

Структура и объем работы

Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение, три приложения и список литературы. Работа изложена на 177 е., содержит 50 рисунков, 5 таблиц, 16 страниц занимают приложения, библиографический список состоит из 106 наименований.

Публикации

По результатам данной работы опубликовано 20 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель, задачи, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе описываются известные методы ранней диагностики высоковольтного маслонаполненного электрооборудования

(тепловизионный контроль и хроматографический анализ). Обсуждаются известные методы и приборы для определения основных характеристик диэлектрических жидкостей (пробивного напряжения, тангенса угла диэлектрических потерь, температуры вспышки, влагосодержания) с точки зрения возможности их автоматизации.

Во второй главе описывается новое устройство, разработанное автором для измерения температуры вспышки. Оно обеспечивает повышение надежности и увеличение точности измерения. Устройство содержит (рис. 1) закрытую камеру 1 с расположенными в его стенках нагревателем 2; электрический разрядник 3, помещенный в камере 1 выше уровня испытуемой жидкости 4; генератор высоковольтных

импульсов 5; датчик вспышки, выполненный в виде выхлопного клапана, расположенного на крышке 10 камеры 1. Датчик вспышки представляет собой единое целое с камерой и включает в себя цилиндр 11 с вентиляционными отверстиями 12 в верхней половине, в нижнюю половину которого помещен поршень 13, жестко соединенный со стержнем 14 из материала со свойствами постоянного магнита, и магнитоуправляемый контакт 15, соединенный с управляющими входами 16 и 17 блока индикации 7 и источника питания 18, нагревателя 2, соответственно, и дополнительным входом 19 генератора высоковольтных импульсов 5. Поршень 13 закрывает выхлопное отверстие 20 в крышке 10 камеры 1. В работе устройства можно выделить два режима. В первом из них осуществляется нагрев испытуемой жидкости 4 нагревателем 2 до температуры на 10-20°С ниже предполагаемой температуры вспышки. В этом случае уровень сигнала, поступающего от датчика температуры 6, ниже установки блока индикации 7, в связи с чем генератор высоковольтных импульсов 5 заблокирован по управляющему входу 9. Электрический разрядник обесточен. Поршень 13 опущен (под действием силы тяжести) до основания цилиндра 11 и закрывает выхлопное отверстие 20 в крышке

Рис.1. Устройство для измерения температуры вспышки горючих жидкостей

10. Над поверхностью жидкости 4 образуется пар. При достижении температуры жидкости 4 заданной установки, блок индикации 7 снимает со своего выхода 8 сигнал, блокирующий генератор 5 и устройство переходит в режим измерений. Между электродами разрядника 3 периодически появляются электрические искры, которые при температуре вспышки приводят к быстрому сгоранию (взрыву) накопившихся паров. Под высоким давлением, образовавшегося в результате взрыва газа, поршень движется вверх, пододвигая магнитный стержень 14 к магнитоуправляемому электрическому контакту 15. Контакт 15 срабатывает и по дополнительному входу 19 блокирует генератор 5, фиксирует показание блока индикации 7 на табло и отключает источник питания 18. Надежность фиксации температуры

Т°,С

V, об%

а)

б)

150 100

50

0,02

0,01

1 \ \

\

1

к к 3

1 \

Л

/ \ 4

0 1988 1990 1992 1989 1991 1993

Время, годы Время, годы

Рис.2.

Экспериментальные данные изменения температуры вспышки трансформаторного масла и растворенных в нем газов при частичном разряде (а) и при нарушении контактной системы в переключателе РПН (б):1 - температура вспышки; 2 - метан СН4; 3 - этилен СгН»; 4 - ацетилен С2Н2.

вспышки обеспечивается надежным срабатыванием

магиитоуправляющего контакта. На основании описанного датчика автор разработал автоматизированный прибор для определения температуры вспышки трансформаторного масла. Достоинством описанного прибора является надежность и удобство при проведении экспериментов. Оператор имеет возможность одновременно обслуживать несколько приборов.

Прибор имеет напряжение питания 220 В, управляет режимом нагрева, осуществляя равномерный нагрев испытуемой жидкости до температуры на 20-30°С ниже предполагаемой температуры вспышки и ограничив скорость последующего роста температуры на уровне 1°С за 6 секунд в соответствии с ГОСТ 6356-75, показывает текущую температуру жидкости. В исследуемом диапазоне от 125СС до 17(гС точность измерения температуры вспышки составляет ±1 °С. Показание температуры вспышки сохраняется сколь угодно долго до его сброса оператором. Предусмотрена возможность установки образцового термометра для калибровки прибора.

Разработанный прибор позволяет с легкостью проводить многочисленные измерения. Автором проведены эксперименты по определению взаимосвязи температуры вспышки трансформаторного масла с газосодержанием в трансформаторах, имеющих различные дефекты в контактных системах переключателя. Они показали, что дефекты, связанные с частичными разрядами и нарушениями в контактных системах переключателей регулирования под нагрузкой трансформаторов, не понижают температуру вспышки (рис.2). Это объясняется тем, что концентрация растворенных в масле горючих газов, сгенерированных дефектами в трансформаторе, незначительна по сравнению с тем количеством легких фракций, которые обычно существуют в масле. Кроме того, как правило, от момента времени, когда отбирается проба из бака трансформатора на сокращенный химический анализ, до момента испытаний на температуру вспышки, проходит значительное время. При этом часть горючих газов высвобождается в атмосферу.

В третьей главе описан разработанный автором новый метод определения тангенса угла диэлектрических потерь трансформаторного масла на промышленной частоте. Хорошо известный метод измерения тангенса угла диэлектрических потерь включает в себя сосуд с испытуемой жидкостью, электродную систему, высоковольтный

4 3

Рис.3. Устройство для определения тангенса угла диэлектрических потерь

Рис.4. Векторная диаграмма работы устройства

трансформатор, мост переменного тока и образцовый конденсатор. Недостатками используемого способа являются металлоемкость, большие габариты. Например, мост переменного тока типа Р5026 имеет размеры 540x380x280 мм, массу 22 кг., образцовый воздушный конденсатор имеет диаметр 310 мм, высоту 380 мм, массу 15 кг.

Известный способ требует длительного времени измерения и сборки схемы, а сам процесс измерения должен выполняться высококвалифицированным специалистом с проведением определенных ручных настроечных операций и вычислений. Предлагаемый новый вариант схемы устройства для измерения позволяет исключить из схемы измерений громоздкие элементы (мост переменного тока, образцовый конденсатор), намного уменьшить мощность высоковольтного блока и размеры электродной системы, а сам процесс автоматизировать при сохранении точности измерений. Особенностями схемы являются наличие источника синусоидального сигнала стабильной частоты (£= 50 Гц) - 1 (рис. 3). Устройство также включает в себя маломощный высоковольтный трансформатор 2, с

дополнительным выводом на высоковольтной обмотке, схему измерения разности фаз - 3, выполненную на компараторах и логических элементах, цифровой блок индикации - 4. Последний включает в себя элементы памяти, цифровая информация которых преобразует количество импульсов, зависящих от разности фаз двух контролируемых напряжений и (напряжение на отпайке высоковольтного трансформатора) и 02 (напряжение на активном сопротивлении Яз) в тангенс угла диэлектрических потерь в процентах (рис.3). На рис.4, показана векторная диаграмма, поясняющая работу устройства. На основании предложенной методики, разработан автоматизированный прибор измерения тангенса угла диэлектрических потерь трансформаторного масла. Прибор вместе с высоковольтным трансформатором имеет габариты 300x150x100, масса не более 8 кг. Достоинством описанного прибора является надежность и удобство при проведении экспериментов, исключение ручных операций в процессе измерения. Оператор имеет возможность одновременно обслуживать несколько приборов. Прибор питается от сети 220 В, управляет режимом нагрева, показывает текущую температуру жидкости, текущее значение тангенса угла диэлектрических потерь начиная с температуры жидкости 85°С. Значение тангенса угла диэлектрических потерь при температуре жидкости 90°С сохраняется сколь угодно долго до его сброса оператором.

В четвертой главе описано применение известного метода когерентного антистоксова рассеяния света (ЬСАРС) для определения содержания молекулярного водорода в трансформаторном масле. Эта работа выполнена автором совместно с сотрудниками лаборатории лазерной спектроскопии ИПМ УрО РАН.

Известно, что в высоковольтном маслонаполненном оборудовании газы могут возникать в результате разложения масла при частичных разрядах, термическом нагреве, а также при мощном ультразвуковом воздействии. Одним из газов, который образуется в результате разложения масла, является водород. Показано, что при всех возможных дефектах в электрооборудовании (термический нагрев, частичные разряды, дуговые разряды, разложение твердой изоляции и т.д.) основным или характерным газом в трансформаторном масле является водород. Поэтому, измерение концентрации этого газа в диэлектрической жидкости является наиболее актуальным.

Сущность метода КАРС к применению регистрации концентрации водорода в газовой смеси сводится к следующему. Среда зондируется мощной бигармонической лазерной накачкой на частотах Ol и % удовлетворяющей условию резонанса:

<oL - cos = П, (4)

где П - частота комбинационно- активного перехода Q0i (1) молекулярного водорода между колебательными состояниями V=0 и V=l, имеющими вращательное квантовое число J=l, при этом происходит раскачка когерентных молекулярных колебаний в среде. В результате этого резко возрастет эффективность рассеяния пробной волны в антистоксову или стоксову области (см. рис.5). Если условие резонанса (4) не выполняется, то рассеяние отсутствует. В качестве пробной волны может выступать одна из волн бигармонической накачки, например, компонента coL. При этом появляется новый квант света на частоте со» = oL + Интенсивность излучения 1а на частоте соа определяется следующим соотношением:

1а =кх n2xIL2xIs, (5)

где IL, Is-интенсивности излучения на частотах col и tos соответственно; п - концентрация молекул водорода в исследуемой газовой смеси, к - коэффициент пропорциональности. Таким образом, регистрация интенсивности антистоксовой компоненты, возникающей на частоте tos в поле бигармонической лазерной накачки col и cos, настроенной на колебательный переход Q0i (1) молекулярного

Юь <Оа

1 Ю \ 5 ' > ч

ь / п N

Рис.5.

Энергетический спектр, соответствующий комбинационно-активному переходу Р<п(1) молекулы водорода и квантовая диаграмма, иллюстрирующая метод ¿=1 КАРС

Рис.6. Схема эксперимента

водорода, позволяет судить о концентрации Н2 в исследуемой среде. Необходимо заметить, что молекулы других газов на регистрируемый сигнал 1$ не оказывают влияния, за исключением небольшого нерезонансного фона, так как каждый сорт молекул имеет свою характерную частоту колебательного перехода. На рис.6, представлена в упрощенном виде схема эксперимента, позволяющая исследовать выделение водорода из трансформаторного масла методом КАРС после импульсного электрического пробоя. Здесь в качестве блока 1 служит одномодовый YAG: Nd+3 - лазер с пассивной модуляцией добротности, с удвоителем частоты и работающий в частотном режиме. Длина волны излучения составляет 532 нм, длительность импульса около 7 не при энергии в импульсе 25-5-40 мДж. Монохроматическое излучение на длине волны a.l = 532 нм подается в генератор бигармонической накачки (Г5К) 2, который состоит из кюветы со сжатым водородом при давлении 2,5 атм., фокусирующей и коллимирующей линз, а также из набора необходимых оптических фильтров 6. В кювете со сжатым водородом ГБН в результате вынужденного комбинационного рассеяния света, часть излучения с XL = 532 нм преобразуется в стоксову волну с Xs = 683нм так, что соответствующие им частоты удовлетворяют условию резонанса. Далее бигармоническая накачка (AL = 532 нм, = 683 нм) с помощью линзы 3 фокусируется в оптическую измерительную кювету 4. Здесь в результате четырехфотонных процессов возникает антистоксова волна (Ад = 436 нм), интенсивность которой позволяет судить о концентрации водорода в измерительной кювете 4. После коллимирования пучка линзой 5 и предварительной частотной селекции фильтром 6 излучение Ад = 436 нм направляется на монохроматор 7 и измеряется специальной системой регистрации и обрабатывается микроЭВМ 8. При этом измерения осуществляются с некоторой частотой повторения импульсов.

Камера 12 для трансформаторного масла 13 изготовлена из кварцевой трубки и содержит медные заостренные электроды 14, расположенные друг против друга. Один из электродов заземлен, на другой, через вторичную обмотку импульсного поджигающего трансформатора 15, подано высокое напряжение выпрямительным блоком 17. Вакуумный трубопровод 9 и форвакуумный насос И обеспечивают откачку воздуха из измерительной кюветы и камеры 12 для трансформаторного масла. Зажим 10 позволяет отключить действие форвакуумного насоса во время измерений.

Эксперименты показали, что весь объем водорода, образующийся в результате импульсного электрического разряда, полностью выделяется из жидкости в первые же моменты времени.

Экспериментально получена зависимость общего объема водорода V (приведенного к нормальным условиям) выделившегося из масла, от энергии разряда е. На рис.7 представлены полученные значения V при различных е, обозначенных в виде точек. При этом энергия разряда варьировалась изменением емкости накопительного конденсатора при постоянном значении U = 1,5 кВ. Видно, что с увеличением е происходит существенное возрастание V от нулевого уровня по нелинейному закону. Экстраполяция экспериментально полученных точек V(e) по методу наименьших квадратов приводит к функции

V = ке"2, (6)

где к - некоторый коэффициент (к = 2x10"4 см3/Дж1/2). Как видно из рис.7, полученная функция удовлетворительно описывает представленную экспериментальную зависимость. Это позволяет оценивать объем V по известному значению энергии импульсного разряда, возможного в высоковольтных трансформаторах. Общий объем образующегося водорода пропорционален корню квадратному из энергии импульсного электрического разряда. При этом минимальная порция регистрируемого водорода, приведенная к нормальным

V-104, см3

Рис.7. Зависимость общего объема V выделившегося водорода из масла от энергии импульсного электрического

разряда (• экспериментальные точки,

_ экстраполирующая

функция

V = ke

1/2

условиям, составляет 10"6 см3.

В пятой главе описаны эксперименты по изучению влияния ультразвука на эффективность дегазации ДЖ. На рис.8, представлена в упрощенном виде схема эксперимента. Сферический пьезокерамический преобразователь 1, прикрепленный к проводящей

оправе 2 со стеклянным стаканом 3, под действием резонансного высокочастотного напряжения (~27 В, 1,76 Мгц) блока - 9, возбуждает в жидкости 4 акустические колебания. Распространяющийся в жидкости ультразвук фокусируется на ее поверхность и вызывает образование фонтана 5, распадающегося впоследствии на мелкие капли. Выделяющийся из жидкости газ через соединительную трубу 6 поступает в оптическую измерительную кювету 7 с оптическими окнами 8 и регистрируется с определенной частотой повторения методом КАРС. При этом в фокусе преобразователя 1 плотность мощности УЗ составила 220 мВт/см2. Такая мощность УЗ не стимулирует химические реакции разложения диэлектрической жидкости. Действительно, опыты показали, что воздействие УЗ указанной мощности в течение 180 минут на обезгаженное трансформаторное масло различных марок объемом 40 мл не сопровождалось его разложением с образованием водорода, как при

Рис.8. Схема эксперимента для испытания ДЖ на выделение водорода под действием ультразвука

нормальных давлениях, так и в вакууме.

Изученный метод дегазации диэлектрической жидкости в сочетании с методом КАРС позволяет разрабатывать устройство для определения содержания водорода и влаги в трансформаторных маслах. Предлагаемое устройство совместно с устройством селективной регистрации молекулярного водорода, выполненным в виде лазерного источника бигармонической накачки и системы определения интенсивности антистоксовой компоненты рассеяния света, позволяет проводить измерения содержания водорода в пробе диэлектрической жидкости объемом 30 мл за промежуток времени 10-15 мин. При этом чувствительность устройства может достигать до 0,1 мкл/л. В течении последующих 20 минут определяется содержание второй порции водорода, который образуется под взаимодействием гидрида кальция с растворенной влагой в той же пробе, при этом чувствительность составляет 0,1 мг/т.

Достоинством описанного метода является возможность определения концентрации растворенного в жидкости водорода вместе с определением в ней влаги и автоматизацией процесса измерения.

П

1

3

4

5

2

Рис.9. Устройство для отбора пробы трансформаторного масла с высоковольтных вводов 220-750 кВ для хроматографического анализа

Определен коэффициент диффузии водорода Б, который в трансформаторном масле оказался равным 10'3 см2/с. Оценено время, необходимое для преодоления молекулами водорода за счет диффузии расстояния от полости ввода до точки отбора пробы масла. Для этого использована следующая формула Эйнштейна:

Ь2 = Бт, (7)

где Ь - расстояние, преодолеваемое диффундирующей примесью за время х при коэффициенте диффузии Б. Из этой формулы следует, что при Б = 10"7 м2/с, Ь = 9 м время т составляет 81x10 с (9375 суток!). Следовательно, информация об изменении концентрации водорода во вводе, доходит до точки отбора пробы масла через 25 лет. На основе достоверных знаний о коэффициенте диффузии водорода, автором предложен корректный способ отбора проб масла на хроматографический анализ с высоковольтных вводов 220-750 кВ без отключения трансформатора. Это устройство устанавливается на вводе 1 трансформатора 2 и включает в себя вентиль ввода 3, куда установлена труба 4, имеющая длину и диаметр, определяемые соотношением:

ЬхБ <ЗхУшпр, (8)

где Ь длина трубы, Б - внутреннее сечение трубы, Ушпр - объем шприца для отбора пробы, а на другом конце трубы установлен вентиль отбора проб - 5, закрепленный на опоре 6 (см. рис.9.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан датчик, позволяющий с высокой надежностью фиксировать температуру вспышки горючих жидкостей. На его основе разработан автоматизированный прибор для измерения температуры вспышки трансформаторного масла.

2. Предложен новый метод измерения тангенса угла диэлектрических потерь трансформаторного масла на промышленной частоте; разработан автоматизированный прибор для измерения тангенса угла диэлектрических потерь трансформаторного масла.

3. Экспериментально показано, что значение температуры вспышки трансформаторного масла не изменяется и в результате частичных разрядов, и при нарушениях в контактных системах переключателей регулирования под нагрузкой (РПН) силовых трансформаторов, приводящих к разложению диэлектрических жидкостей с образованием газов.

4. Методом лазерной спектроскопии изучена эффективность генерации водорода при электрическом пробое трансформаторного масла. Обнаружено, что объем образующегося водорода пропорционален корню квадратному из энергии импульсного электрического разряда.

5. С применением метода лазерной спектроскопии измерен коэффициент диффузии водорода в трансформаторном масле при нормальных условиях. Показано, что скорость дегазации диэлектрической жидкости может быть существенно увеличена при ее перемешивании ультразвуком малой мощности. Установлено, что фокусированный ультразвук малой мощности (4 мВт, 220 мВт/см2) не приводит к разложению трансформаторного масла с образованием газов.

6. Предложен новый метод определения водорода и влаги в диэлектрических жидкостях, основанный на ультразвуковом перемешивании исследуемой пробы и измерении концентрации молекулярного водорода в газовой смеси над жидкостью с применением селективного метода лазерной спектроскопии (КАРС).

7. Предложен корректный способ отбора проб трансформаторного масла с высоковольтных вводов 110-750 кВ для хроматографического анализа растворенных газов без отключения трансформаторов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Михеев Г.М., Антонов В.И.// Устройство для определения температуры вспышки горючих жидкостей. Патент СССР № 1806359 от 9 октября 1992 г.

2. Михеев Гн.М., Михеев Г.М. Применение метода лазерной спектроскопии для анализа водорода, образующегося при электрическом пробое трансформаторного масла// Электричество.-1996.-№7.- С.33-36.

3. Михеев Г.М., Готлиб И.П., Улисов П.А. Автоматизированное устройство для определения температуры вспышки трансформаторного масла// Электрические станции.-1997.-№7.-С.55-58.

4. Михеев Гп.М., Михеев Г.М., Некряченко Г.П., Готлиб И.П.

Выделение водорода из диэлектрической жидкости под действием ультразвука// Письма в ЖТФ. 1998. том. 24.- Вып.1.- С. 79-84.

5. Михеев Г.М. Тепловизионный контроль высоковольтного оборудования// Электрические станции.-1997.- №11.- С. 59-61.

6. Михеев Г.М. Устройство для определения тангенса угла диэлектрических потерь// Положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение по заявке № 9403278517 (032763) приоритет от 8 сентября 1994 г.

7. Михеев Гн.М., Михеев Г.М., Некряченко Г.П. Устройство для определения растворенных в диэлектрических жидкостях водорода и влаги// Заявление о выдаче патента РФ на изобретение № 97120612 (020659) приоритет от 24.11.97.

8. Михеев Г.М., Елисеев И.П. Опыт тепловизионного контроля выключателей ВМТ-110, ВМТ-220 кВ// Энергетик.-1995.-№9.-С.45-46.

9. Некряченко ГЛ., Михеев Г.М., Готлиб И.П., Филиппов В.К.

Результаты эксплуатации силовых трансформаторов в системе АО "Чувашэнерго"// Известия инженерно-технологической Академии Чувашской Республики. - Чебоксары, 1977.-№ 4-7.-С.296-299.

10. Некряченко Г.П., Готлиб И.П., Михеев Г.М. Опыт тепловизионного контроля высоковольтного оборудования// Известия инженерно-технологической Академии Чувашской Республики. - Чебоксары, 1996.-№ 2(3).-С.114-116.

11. Некряченко Г.П., Михеев Г.М., Готлиб И.П. Диагностика трансформаторов// Известия инженерно-технологической Академии Чувашской Республики. - Чебоксары, 1997.-№ (4-7).-С.287-291.

12. Некряченко Г.П., Михеев Г.М., Филиппов В.К.. Альтернативный метод определения содержания газов в трансформаторном масле// Известия инженерно-технологической Академии Чувашской Республики.- Чебоксары, 1997.-№ (4-7).-С.292-294.

13. Михеев Гн.М., Михеев Г.М. Контроль за содержанием водорода в трансформаторных маслах методом лазерной спектроскопии// Тезисы докладов 2-й Российской Университетско - Академической научно-практической конференции.- Ижевск, 1995,- часть 3.- С.54.

14. Михеев Ги.М., Готлиб Н.П., Михеев Г.М., Некряченко Г.П. Оптимизация ВКР генератора для контроля водорода в трансформаторном масле// Тезисы докладов Всероссийской

межвузовской научно-практической конференции.- Чебоксары, изд-во Чуваш.ун-та. 1996.- С. 34-47.

15. Михеев Г.М., Готлиб И.П., Некряченко Г.П. О взаимосвязи температуры вспышки трансформаторного масла и дефектов, вызванных частичными разрядами и нарушением контактной системы в трансформаторах// Тезисы докладов Всероссийской межвузовской научно-практической конференции.- Чебоксары, изд-во Чуваш.ун-та. 1996.- С. 31-33.

16. Михеев Г.М., Некряченко Г.П. Цифровое измерительное устройство определения тангенса угла диэлектрических потерь// Тезисы докладов Всероссийской межвузовской научно-практической конференции. - Чебоксары, изд-во Чуваш.ун-та.1996.- С. 37-38.

17. Готлиб И.П., Михеев Г.М., Улисов П.А. Устройство для определения температуры вспышки трансформаторного масла// Тезисы докладов Всероссийской межвузовской научно-практической конференции.- Чебоксары, изд-во Чуваш.ун-та. 1996.- С. 33-34.

18. Михеев Гн.М., Михеев Г.М. Некряченко Г.П., Идиатулин В.С. The potentialities of the power delivery fibers for the materials processing// Тезисы докладов на 4-м Международном Российско-китайском Симпозиуме "Advansed materials of procesess". - Пекин, 1997-C. 178.

19. Михеев Г.М. Измерение температуры вспышки при контроле диэлектрической жидкости хроматографическим методом в высоковольтном оборудовании// Тезисы докладов 28 научно-производственной конференци Ижевской Государственной сельскохозяйственной Академии.- Ижевск.-1998.-(18-20 февраля).-С. 45.

20. Михеев Г.М. Контроль качества диэлектрической жидкости в высоковольтных вводах методом хроматографии// Тезисы докладов 28 научно-производственной конференции Ижевской Государственной сельскохозяйственной Академии.- Ижевск.- 1998.-(18-20 февраля).-С. 23.