МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання лабораторних робіт з дисципліни “Приймальні та експлуатаційні випробування електроустаткування”

для студентів спеціальності

“Техніка та електрофізика високих напруг”

Частина 1

Рекомендовано Методичною радою НТУУ “КПІ”

Київ 2009

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни “Приймальні та експлуатаційні випробування електрообладнання” для студентів спеціальності “Техніка та електрофізика високих напруг”: У 2 ч./ Уклад.: В.Б. Абрамов, О.Р. Проценко. – електронне видання, 2009, 33 с.

СВІДОЦТВО

про надання грифа

електронному навчальному виданню

НМУ № Е 8/9-039

(Протокол № 9 від “21” травня 2011 р.)

Укладачі: Абрамов Володимир Борисович

Проценко Олександр Ростиславович

ВСТУП

Методичні вказівки містять опис лабораторних робіт з курсу «Приймальні та експлуатаційні випробування електрообладнання» для студентів спеціальності 7.090604 «Техніка та електрофізика високих напруг». Вони складаються з двох частин.

Друга частина методичних вказівок містить опис лабораторних робіт, під час яких досліджують характеристики зразків трансформаторного масла, відібраного з робочого електроустаткування. У методиках виконання лабораторних робіт відтворені вимоги чинних норм і стандартів щодо експлуатації ізоляції високовольтного обладнання. До циклу лабораторних робіт включено також обстеження високовольтних апаратів у інфрачервоному спектрі випромінювання за допомогою тепловізора «Кріонік-2М» для отримання теплових зображень.

Під час виконання лабораторних робіт студенти мають набути навичок користування приладами та опанувати методи й методики їх застосування для контролю високовольтної ізоляції різного електрообладнання.

Під час підготовки до лабораторної роботи студент зобов’язаний:

• ознайомитися з описом лабораторної роботи, програмою та методикою її виконання;

• вивчити відповідні розділи конспекту лекцій і рекомендованої літератури;

• підготувати звіт з лабораторної роботи відповідно до вказівок, які містяться в роботі;

• ознайомитися зі змістом контрольних запитань, відповіді на які треба отримати після проведення лабораторної роботи.

Студенти повинні чітко уявляти собі мету роботи, знати схему, методи вимірювання, фізичну сутність досліджуваних явищ і характер очікуваних результатів.

На початку лабораторного заняття викладач визначає рівень теоретичної підготовки студентів. Тих із них, котрі одержали незадовільні оцінки, до виконання лабораторної роботи не допускають.

Робота в лабораторії техніки високих напруг потребує суворого дотримання правил техніки безпеки та внутрішнього розпорядку.

Загальні правила техніки безпеки студенти вивчають до початку циклу лабораторних робіт у лабораторії. Крім того, перед виконанням кожної роботи студенти ознайомлюються з правилами техніки безпеки на відповідному лабораторному стенді.

Лабораторна робота 1

ВИЗНАЧЕННЯ ВМІСТУ РОЗЧИНЕНИХ

У ТРАНСФОРМАТОРНОМУ МАСЛІ ГАЗІВ

Мета роботи: експериментальне визначення кількісного та якісного вмісту газів, розчинених у трансформаторному маслі маслонаповненого електрообладнання; набуття навичок обробки результатів для діагностики наявності дефектів у такому обладнанні.

Теоретичні відомості

Електричні розряди або перегрівання масла чи твердої ізоляції (паперу, картону та ін.) маслонаповненого обладнання призводять до деструкції цих матеріалів. При цьому утворюються гази, склад і відносні концентрації яких використовують як інформацію для діагностики та розпізнавання дефектів у такому обладнанні.

Найважливішими газами, утворюваними в результаті розкладу трансфор-маторних масел мінерального походження (нафтопродуктів), є водень (Н₂), метан (СН₄), етан (С₂Н₆), етилен (С₂Н₄) та ацетилен (С₂Н₂). Якщо дефект пов’язаний також із розкладом целюлозної (твердої) ізоляції, додатково утворюються оксид вуглецю (СО) та діоксид вуглецю (СО₂). Ідеться про те масло, що знаходиться не тільки у вільному об’ємі та проміжках між конструктивними елементами й вузлами обладнання, але й у порах твердої ізоляції.

Відносні концентрації зазначених газів змінюються залежно від кількості енергії, яка супроводжувала перетворення, тобто від виду дефекту (пошкодження).

Часткові розряди (ЧР) належать до пошкоджень з низьким енергетичним рівнем, і найхарактернішим газом з підвищеною концентрацією при цьому є водень. У результаті термічного розкладу масла залежно від рівня температур утворюються різні вуглеводневі гази. Так, за відносно низьких температур (у разі звичайного нагрівання робочого обладнання) через старіння масла утворюються незначні концентрації Н₂ і СН₄. Вищі температури, які бувають у разі локального нагрівання та перегрівання провідників, зумовлюють появу інших газів: С₂Н₆  у разі перегрівання до 300 С, С₂Н₄ – більше 300 С і С₂Н₂ – більше 700 С. Ацетилен є найхарактернішим газом у разі іскрових розрядів великої потужності та дугових розрядів.

Зазначене вище стосується випадку, коли існує дефект тільки одного виду або серед кількох дефектів є основний. Коли ж є два чи більше дефектів з однаковою інтенсивністю впливу на гази, то задача ідентифікації виду й особливо місця пошкодження стає досить складною. Вона потребує додаткової інформації, наприклад про динаміку зростання концентрації газів, режим роботи обладнання, перелік робіт, які виконувалися на обладнанні, особливості конструкції обладнання та інших відомостей, які дадуть змогу встановити найімовірніший діагноз технічного стану обладнання, звідки відібрано пробу масла на аналіз розчинених у ньому газів.

Тому в інструкції РД 34.43.302-89 9 для силових трансформаторів запропоновано таку послідовність обробки отриманих результатів:

а) виявлення надмірної концентрації розчинених у маслі газів відносно граничних значень (табл. 1);

б) у разі надмірних концентрацій повторний відбір проб масла та уточнення ймовірності впливу на вміст газів факторів, не пов’язаних із виникненням дефекту в обладнанні (доливання загазованим маслом, виконання зварювальних робіт на обладнанні та ін.), або факторів, які могли призвести до підвищення концентрації газів, але не пов’язані з дефектами в баці трансформатора (пошкодження маслонасоса, перегрів через дефекти в системі охолодження та ін.);

в) визначення виду й характеру розвиткового пошкодження за допомогою розрахунку відношень об’ємних часток для пар із чотирьох газів: Н₂, СН₄, С₂Н₄, С₂Н₂ (при цьому слід ураховувати тільки відношення, в яких об’ємна частка хоча б одного з газів вище граничної згідно з табл. 1), а також можливість розповсюдження пошкодження на тверду ізоляцію.

Таблиця 1. Граничні значення концентрації розчинених у маслі газів

Обладнання	Об’ємна частка газів, % ( 104 ррм)
	Н2	СН4	С2Н2	С2Н4	С2Н6	СО	СО2
Трансформатори Напругою 110...500 кВ	0,01	0,01	0,001	0,01	0,005	0,02	0,6(15)* 0,8(0,3)
Трансформатори Напругою 750 кВ	0,003	0,002	0,001	0,002	0,001	0,02	0,3
Реактори напругою 750 кВ	0,01	0,003	0,001	0,001	0,002	0,02	0,3

* У чисельнику подано значення для трансформаторів з вільним диханням та строком експлуатації до 10 років, у знаменнику – понад 10 років, у дужках – те саме для трансформаторів з азотним і плівковим захистом.

Вид пошкодження визначають так:

 якщо відношення об’ємних часток для пари С₂Н₂ / С₂Н₄ більше ніж 0,1, а для пари СН₄ / Н₂ менше ніж 0,5, слід прогнозувати «розряд»;

 якщо відношення об’ємних часток для пари С₂Н₂ / С₂Н₄ менше ніж 0,1, а для пари СН₄ / Н₂ більше ніж 0,5, слід прогнозувати «перегрів».

Якщо при цьому об’ємна частка СО не більша ніж 0,03 %, то слід прогнозувати перегрів масла, а якщо об’ємна частка СО більша ніж 0,3 % – перегрів твердої ізоляції.

Характер пошкодження визначають за допомогою табл. 2.

Таблиця 2. Характер і типові причини пошкоджень

Характер пошкодження	Відношення об’ємних часток пар газів			Типові приклади
	С2Н2 С2Н4	СН4 Н2	С2Н4 С2Н6
Нормальне	<0,1	0,1...1,0	1	Нормальне старіння
ЧР з низьким рівнем енергії	<0,1	<0,1	1	Розряди в газових порожнинах, що виникли внаслідок неякісного просочування чи зволоження ізоляції
ЧР з високим рівнем енергії	0,1...3,0	<0,1	1	Те саме, але з подальшим виникненням сліду або пробиванням твердої ізоляції
Розряди малої потужності	>0,1	0,1...1,0	1	Безперервне іскріння в маслі між різнопотенційними елементами чи елементами з плаваючим потенціалом. Пробивання масла в проміжках
Розряди великої потужності	0,1...3,0	0,1...1,0	3	Силові розряди; іскріння; пробивання масла між обмотками чи між котушками на землю
Термічний дефект низької температури (<150 С)	<0,1	0,1...1,0	1...3	Перегрів ізольованого провідника
Термічний дефект у діапазоні низьких температур (150...300 С)	<0,1	1,0	1,0	Місцевий перегрів магніто-проводу. Підвищення температури «гарячої точки»
Термічний дефект у діапазоні середніх тем-ператур (300...700 С)	<0,1	1,0	1...3	Те саме, але з подальшим зростанням температури «гарячої точки»
Термічний дефект високої температури (>700 С)	<0,1	1,0	3	«Гаряча точка» в магнітопроводі; перегрів міді за рахунок вихрових струмів, поганих контактів; циркуляційні струми в магнітопроводі чи в баці

Можливість поширення пошкодження на тверду ізоляцію визначають обчисленням відношення об’ємних часток СО₂ та СО: якщо це відношення менше 5 чи більше 13, то пошкодження поширилося на тверду ізоляцію.

Вміст розчинених у трансформаторному маслі газів зазвичай визначають, відокремивши їх від масла та проаналізувавши їхній склад щодо вмісту окремих компонентів за допомогою хроматографів. Таку процедуру називають хроматографічним аналізом розчинених у маслі газів (ХАРГ).

Експериментальна установка

Для виконання ХАРГ з отриманням концентрацій усіх семи газів, потрібних для діагностики розвиткових пошкоджень, можна застосовувати хроматографи, побудовані за блок-схемою (рис. 1), згідно з якою аналіз газів виконується так.

Рис. 1. Блок – схема хроматографа: 1 – дозатор; 2, 11 – трійники; 3 – термостат колонок; 4 – колонка з молекулярними ситами; 5 – колонка порівняння; 6 – детектор теплопровідності; 7 – полуменево-іонізаційний детектор; 8 – метанатор; 9 – термостат метанатора; 10 – колонка з полісорбом

За допомогою дозатора 1, через який проходить газ-носій аргон, проба газу вводиться у трійник 2 і розділяється там на два потоки. Один з потоків подається на колонку з полісорбом-1 10, а другий – на колонку з молекулярними ситами 4. Після колонки 5 компоненти проби потрапляють у детектор за теплопровідностю (ДТП) 6, за допомогою якого здійснюється реєстрація Н₂. Після колонки 10 компоненти проби потрапляють спочатку в метанатор 8, де СО та СО₂ перетворюються в метан, а потім  у полуменево-іонізаційний детектор (ДІП), за допомогою якого реєструються СО, СО₂, СН₄, С₂Н₄, С₂Н₂, С₂Н₆.

На фото 1 представлено комплекс на базі хроматографа «Кристал 2000М», в якому хроматографічний аналіз газів виконується за наведеною вище блок-схемою.

4

1

2

3

Фото 1. Хроматографічний комплекс на базі хроматографа «Кристал 2000М»: 1. – хроматограф «Кристал 2000М»; 2 – пристрій відділення газів від масла перемішуванням; 3 – монітор ПЕОМ для відображення хроматограм; 4 – компресор повітря.

Сигнали з ДТП та ДІП після підсилення за допомогою самописця відтворюються на діаграмній стрічці чи за допомогою аналого-цифрового перетворювача вводяться в комп’ютер. Отримані на діаграмній стрічці чи на екрані монітору ПЕОМ зображення мають назву хроматограм.

З урахуванням часу виникнення сплесків сигналів з моменту введення проби газів (суміші) до хроматографа визначають за допомогою хроматорграм , який з компонентів суміші спричинив той чи інший сплеск, а за амплітудою конкретного сплеску – концентрацію відповідного компонента. Різний час виникнення сплесків сигналів від різних газів пов’язаний з розділенням суміші газів на окремі компоненти під час її проходження через колонки. Розділення відбувається внаслідок індивідуальних адсорбційно-десорбційних властивостей кожного з компонентів суміші газів щодо речовин (адсорбентів), якими заповнені колонки.

Окрім аргону, який є газом-носієм, у наведеній вище схемі показано ще два гази: водень і повітря. Вони забезпечують роботу ДІП, а саме – горіння водневого полум’я в середовищі повітря.

Робота ДТП полягає у визначенні концентрації домішки в газі-носії іншого газу за різницею теплоємностей чистого газу-носія та суміші його з іншим газом-домішкою. Хімічна природа газу-домішки не змінюється від одного сеансу аналізу до іншого, а різниця теплоємностей (сигналів ДТП) визначається концентрацією газу-домішки.

Робота ДІП пов’язана з вимірюванням у проміжку іонного струму, спричиненого горінням водневого полум’я. Іонів тим більше, чим більше в зоні горіння горючого газу-домішки, тобто чим більша його концентрація. Функцію перетворення негорючих газів-домішок у горючі виконує метанатор.