Диагностика состояния бумажной изоляции маслонаполненного оборудования Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»



УДК 676.254.2

ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ БУМАЖНОЙ ИЗОЛЯЦИИ МАСЛОНАПОЛНЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

В.К. КОЗЛОВ*, А.Х. САБИТОВ*, В.Н. ЕНЮШИН**

*Казанский государственный энергетический университет

**Казанский государственный архитектурно - строительный университет

В статье представлены результаты исследований характеристик офисной бумаги и бумажной изоляции трансформаторов в процессе их старения. Установлена связь между степенью полимеризации и координатами цветности, на основании которой предложен метод оценки состояния бумажной изоляции.

Ключевые слова: степень полимеризации, координата цветности, диагностика.

Введение

Силовой трансформатор является одной из важнейших составляющих энергосистемы, определяющей надежность электроснабжения.

В условиях усиления конкурентной борьбы, вызванной либерализацией рынка электроэнергии, в большинстве стран мира наблюдается сокращение вложений в обновление парка оборудования, стремление как можно дольше эксплуатировать уже работающее оборудование, поддерживая его надежность на приемлемом уровне. В настоящее время в эксплуатации находится значительное число силовых трансформаторов, отработавших свой номинальный срок службы.

Существующий парк трансформаторов в России включает примерно 40% трансформаторов, отработавших минимальный срок службы - 25 лет согласно ГОСТ [1]. Замена обмоток таких трансформаторов на новые объективно не оправдана, если их изоляция ещё работоспособна.

Опыт эксплуатации трансформаторов показывает, что наибольшее колличество выходов из строя не связано с выработкой ресурса, а происходит в результате образования и развития различных дефектов. При этом в подавляющем большинстве случаев дефекты связаны с неудовлетворительным состоянием изоляции - твердой (бумажной) или масляной.

В настоящее время остро встал вопрос квалифицированной диагностики трансформаторного оборудования и, в частности, состояния изоляции обмоток. Как известно, одним из показателей деградации бумажной изоляции обмоток силовых трансформаторов является степень её полимеризации. С другой стороны, процесс старения бумажных материалов также отражается на ряде их других показателей. Одним из таких показателей является цвет бумаги. Цель проведенной работы - определение связи между перечисленными показателями состояния бумажной изоляции.

Методика получения и обработки экспериментальных данных

На начальных этапах исследования была использована бумага для офисной техники формата А4 и р=80г/м2 8те1оСору. Для ускорения процесса старения 80 листов этой бумаги прогревались при температуре 80±15°С. Через каждый час

© В.К. Козлов, А.Х. Сабитов, В.Н. Енюшин Проблемы энергетики, 2010, № 5-6

вынимались по 10 листов бумаги. Таким образом, было получено 8 групп образцов с выдержкой в печи от 0 до 8 часов.

На первом этапе исследований определялась механическая прочность ¥ (на разрыв) образцов. Для этого, используя простой динамометр до 10Н, проводился разрыв одинаковых образцов бумаги определённой формы. Для каждой из групп образцов вычислялось среднее значение приложенной силы, при которой происходил разрыв по результатам 5 разрывов. Результаты вычислений приведены в табл. 1.

Таблица 1

Значения механических характеристик соответствующие термически обработанным образцам офисной бумаги

№, образца 1, ч ¥, Н Н ,ч Н1 /Нтах

0 0 3,4 0 0

1 1 3,15 4096 0,125

2 2 3,14 8192 0,25

3 3 2,8 12288 0,375

4 4 2,62 16384 0,5

5 5 2,42 20480 0,625

6 6 1,96 24576 0,75

7 7 1,84 28672 0,875

8 8 1,68 32768 1

По полученным значениям был построен график зависимости механической прочности от времени ¥(*) искусственно состаренной бумаги (рис. 1). Как следует из рисунка, зависимость имеет линейный характер.

Г, Н 3,6 3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4

0 12345678

Рис. 1. График зависимости механической прочности от времени искусственно состаренной

бумаги

Поскольку нагрев бумаги имитирует её износ, для приготовленных образцов был рассчитан износ Н за время * и пронормирован по максимуму (табл. 1)

согласно формулам для изоляции класса А, вытекающим из закона Аррениуса [3]:

H = L*t = 2 6 * t,

где L - относительный износ материала; u - температура изоляционного материала в наиболее нагретой точке в °С; ин - номинальная температура изоляционного материала в наиболее нагретой точке в °С; t - время.

Hн = H/Hmax .

Как видно из табл. 1, износ изоляции H связан со временем линейно.

Сравнивая зависимости F(t), H(t), а также зависимость F от степени полимеризации [2], можно констатировать, что износ и степень полимеризации бумаги связаны между собой линейной зависимостью.

На втором этапе исследований определялся цвет приготовленных образцов.

В природе вещества и материалы можно характеризовать многими признаками, и одним из важнейших является цвет. При изучении связи этого параметра со свойствами объекта появляется необходимость его измерения. Для математического описания цвета используют цветовые координаты. В свою очередь, из них можно получить координаты цветности, являющиеся основной характеристикой цвета. В настоящее время рабочей является международная колориметрическая система XYZ. Она была получена искусственно путем пересчета из цветовых координат RGB. Следует особо отметить, что в современной литературе, описывающей обработку цветных изображений с помощью компьютеров, встречается также термин система RGB. Однако, в отличие от системы МКО, речь в данном случае идет о цветах RGB, имеющих специфическую принадлежность к характеристикам цветопреобразующих узлов конкретных устройств.

В настоящее время стали доступны недорогие модели цифровых устройств для получения изображений с высокой разрешающей способностью (цифровые фотоаппараты, сканеры, видеокамеры), позволяющие использовать их в различных областях деятельности. В них считывание информации с оригинала происходит по трём цветовым каналам, что при использовании соответствующего программного обеспечения позволяет определить координаты цветности.

Различные цифровые устройства "видят" один и тот же цвет по-разному, что связано с различиями в их сканирующих системах: разными источниками излучения, зональными светофильтрами, фотоприемниками. Но существует стандартное пространство, предназначенное для упрощения согласования различных устройств, таких как мониторы, принтеры, сканеры и др. Оно получило название sRGB. Результат обработки изображения представляется в sRGB пространстве. Приведение этого пространства к стандартному XYZ осуществляется несложным математическим преобразованием [4], где значения RGB определяются с помощью программы Photoshop 8. Таким образом, написав небольшой алгоритм преобразования, получили довольно дешёвый, удобный и быстродействующий колориметр.

Для определения цветовых характеристик все термически обработанные образцы были отсканированы на сканере HP Scanjet 4400c с разрешением 100 dpi. Расчёт цветовых характеристик производился с использованием алгоритма преобразования аппаратного цветового пространства в стандартное XYZ -RGBinxyz. Полученные результаты сведены в табл. 2 и показаны на рис. 2 и рис. 3. Анализируя полученные зависимости координат цветности от износа, можно

u-u

констатировать, что между координатами цветности и степенью полимеризации существует связь линейного характера.

Таблица 2

Значения координат цветности соответствующие термически обработанным образцам офисной бумаги

№, образца Координаты цветности

х у г

0 0,313 0,329 0,358

1 0,334 0,363 0,302

2 0,350 0,375 0,275

3 0,356 0,378 0,266

4 0,361 0,380 0,259

5 0,389 0,385 0,226

6 0,395 0,386 0,219

7 0,399 0,385 0,217

8 0,401 0,384 0,215

Из графиков видно, что по мере износа бумаги координаты цветности х и у увеличиваются, а г - уменьшается. При этом на графике существуют три области:

1) начальная - постепенный рост (снижение) координат цветности х и у (г);

2) промежуточная - резкий скачок вверх (вниз) координат цветности х и у (г);

3) конечная - медленный рост (снижение) координат цветности х и у (г).

х,у

-Г" -Н- -Г-

У

*

■ ■ ■

■

■

а < >

у

*

г

>

0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,Р00 0,600 0,700 0,Я00 0,900 1,00(1

износ

Рис. 2. Зависимости координат цветности х и у от износа: ♦ - х; ■ - у

износ

Рис. 3. Зависимость координат цветности z от износа

При определении координат цветности реальных образцов изоляционной бумаги, которая находится при эксплуатации в постоянном контакте с маслом, могут возникнуть некоторые сложности, такие как:

1) свойства двух диэлектриков и требования при их обслуживании различны;

2) масло имеет свой цвет, который в процессе эксплуатации изменяется по мере ухудшения свойств масла, но масло периодически обновляется в процессе эксплуатации;

3) бумага также в процессе эксплуатации меняет свой цвет, но она не обновляется.

Без учета этих особенностей определение координат цветности бумажной изоляции будут не объективны.

Принимая во внимание возникающие сложности при определении координат цветности бумажной изоляции, появляется необходимость проведения исследований эксплуатационных масел и бумаг, направленных на определение изменения координат цветности этих двух диэлектриков, а также влияния цвета масла на координаты цветности бумажной изоляции в процессе эксплуатации.

Для исследования были отобраны образцы масла марки ГК из трансформатора марки ТДТН - 110/6 (мощность 40 МВА), проработавшего 20 лет в Казанских электрических сетях (КЭС), имеющего в своем составе 9,5 % ароматических углеводородов (образец 1). Часть масла нагревали в присутствии металлов меди и трансформаторного железа на водяной бане при t = 80 оС в течение 2 месяцев и производили отбор масла: через неделю (образец 2); две недели (образец 3); месяц (образец 4); 2 месяца (образец 5). Используя спектрофотометр типа СФ-56, предназначенный для измерения спектральных коэффициентов направленного пропускания жидких и твердых прозрачных веществ в области спектра от 190 до 1100 нм, снимались спектры масла в диапазоне длин волн от 300 до 1000 нм. Именно по этим спектрам были определены координаты цветности всех 5 образцов масла. Далее, сфотографировав данные образцы масла фотоаппаратом SANYO VPC - S7EX и определив значения цифрового представления цвета R, G, B с помощью программы Photoshop 8 и алгоритма преобразования, определили координаты цветности (табл. 3). Зависимость координат цветности х от времени старения © Проблемы энергетики, 2010, № 5-6

образцов масла марки ГК показана на рис. 4. На рис. 4 отчетливо прослеживается изменение координат цветности масла в процессе старения.

Таблица 3

Координаты цветности, соответствующие трансформаторному маслу марки ГК, определенные двумя способами

№образца масла-время старения Координаты цветности определенные СФ - 56 Координаты цветности определенные алгоритмом преобразования

x У z x У z

1 - 20 лет 0,5914 0,4058 0,0028 0,522 0,419 0,057

2 - 1 неделя 0,5942 0,4032 0,0026 0,528 0,416 0,056

3 - 2 недели 0,6141 0,3847 0,0012 0,56 0,389 0,0499

4 - 4 недели 0,6369 0,368 0,0001 0,596 0,358 0,0456

5 - 8 недель 0,6411 0,3587 0,0001 0,6034 0,3504 0,0463

Далее нами были определены координаты цветности и степень полимеризации, согласно ГОСТ [5], 5 чистых и координаты цветности 5 промасленных в трансформаторном масле марки ГК образцов бумаг, эксплуатируемых в трансформаторах. Это:

1) картон электроизоляционный для трансформаторов и аппаратов с масляным заполнением (ГОСТ 4194-83);

2) бумага электроизоляционная крепированная (ГОСТ 12796-76);

3) кабельная бумага (ГОСТ 24874-81). Марки К-120;

4) кабельная бумага (ГОСТ 23436-83). Обычная кабельная бумага марки К-120;

5) кабельная бумага (ГОСТ 645-79) высоковольтная многослойная марки КВМ-120 для обмоток классом напряжения 110 кВ и выше для изоляции провода.

4,5 5

образцы масла

Рис. 4. Зависимость координат цветности х от времени старения образцов масла, где координаты цветности х рассчитаны: • - спектрофотометром СФ-56 и ■ - по фотоизображениям с помощью

Photoshop 8

В табл. 4 приведены значения координат цветности чистых образцов трансформаторной бумаги и образцов трансформаторной бумаги, пропитанных маслом, а также их степень полимеризации. Отчетливо прослеживается тенденция изменения координат цветности пропитанных маслом образцов. © Проблемы энергетики, 2010, № 5-6

Таблица 4

Координаты цветности и степени полимеризации, соответствующие образцам трансформаторной бумаги

№ образца Координаты Степень Координаты цветности

трансформ цветности чистых полимериза- пропитанных маслом

аторной образцов ции, ед. образцов

бумаги х у г х у г

1 0,385 0,37 0,326 1925 0,424 0,422 0,054

2 0,402 0,372 0,226 1248 0,426 0,379 0,195

3 0,402 0,376 0,222 1273 0,423 0,427 00,15

4 0,382 0,368 0,25 1362 0,433 0,385 0,182

5 0,39 0,37 0,24 1075 0,468 0,378 0,154

Так же определили координаты цветности и степень полимеризации образцов электрокартона, отобранных из трансформаторов ПС «Нижнекамская» АТ-1 220/110/10 и ПС «87» Бугульминских электрических сетей (БЭС) ТДН-10000 110/35/6 1971г. выпуска. Значения степени полимеризации и координат цветности приведены в табл. 5. Зависимости координат цветности х от степени полимеризации показаны на рис. 5.

Таблица 5

Координаты цветности и степени полимеризации, соответствующие эксплуатационным образцам электрокартона

Образцы трансформаторной бумаги Степень полимеризации, ед. Координаты цветности

х у г

Электрокартон чистый, пропитанный трансформаторным маслом 1925 0,424 0,422 0,054

АТ-1 220/110/10 (электрокартон) 1200 0,421 0,375 0,205

ТДН-10000/110/35/6 (электрокартон) 988 0,467 0,407 0,126

Рис. 5. Зависимости степени полимеризации от координат цветности х эксплуатационных образцов электрокартона: • - электрокартон, пропитанный трансформаторным маслом; ■ -рАТ-1220/110/10 (электрокартон); ▲ - ТДН-10000 110/35/6 (электрокартон)

Полученные значения координат цветности электрокартона сохраняют тенденцию роста координат х и y и снижения координаты z, как и при эксперименте с бумагой, предназначенной для офисной техники.

Выводы

По полученным экспериментальным зависимостям изменения координат цветности масла в процессе его старения следует, что масло меняет свой цвет в процессе эксплуатации.

Установлено влияние масла на координаты цветности изоляционных бумаг при эксплуатации.

Получены значения изменения координат цветности офисной бумаги и эксплуатационных образцов электрокартона, которые имеют одинаковую тенденцию роста, что позволяет нам констатировать факт о наличии связи между координатами цветности и степенью полимеризации.

Зависимость изменения координат цветности от степени полимеризации электрокартона может быть использована для создания нового эксперсс-метода диагностики степени полимеризации бумажной изоляции.

Summary

The results of research of office paper and transformers paper insulation characteristics are represented in the process of their aging. The connection between polymerization degree and color coordinates has been established and due to this connection the method of estimating the paper insulation condition has been offered.

Key words: degree of polymerization, color coordinates diagnostics.

Литература

1. ГОСТ 11677-85. Трансформаторы силовые. Общие технические условия.

2. Липштейн Р.А., Шахнович М.И. Трансформаторное масло. М.: «Энергия», 1968. 358 с. с илл.

3. Неклепаев Б.Н. Электрическая часть электростанций и подстанций. М: Энергоатомиздат, 1986.

4. Вэб-документ: Stokes M., Anderson M., Chandrasekar S., Motta R.A Standard Default Color Space for the Internet - sRGB. - International Color Consortium. http://www.color.org/srgb.html.

5. ГОСТ 25438-82. Целлюлоза для химической переработки. Методы определения характеристической вязкости; Введ. 3.09.1982. М.: Изд-во стандартов, 1982. 15 с.

Поступила в редакцию 03 декабря 2009 г.

Козлов Владимир Константинович - д-р. физ.- мат. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроэнергетические системы и сети» Казанского государственного энергетического университета. Тел.: 8 (843) 519-42-71.

Сабитов Айдар Хайдарович - аспирант кафедры «Электроэнергетические системы и сети» Казанского государственного энергетического университета. Тел.: 8 (843) 519-42-71.

Енюшин Владимир Николаевич - доцент кафедры «Теплоэнергетика» Казанского государственного архитектурно-строительного университета. Тел.: 8-917-2826449.