Хроматографический анализ растворенных газов (ХАРГ)

Что такое ХАРГ?

Особую роль в контроле состояния маслонаполненного оборудования играет контроль газов, растворенных в масле. Появление в оборудовании практически любых видов дефектов сопровождается образованием газов, растворяющихся в масле, при этом специфические виды дефекта генерируют свои газы в разных количествах (например, при возникновении местных перегревов изоляции или разрядов в области соприкосновения электроизоляционной бумаги и масла, выделяются продукты разложения в виде характерного типа газов). Изучив процессы газообразования различными видами дефектов, можно по составу газов, растворенных в масле, судить о видах дефектов, в результате которых они появились. На этом принципе основан наиболее мощный диагностический метод «Хроматографический анализ растворенных газов» (XAРГ), который может входить в объем полного анализа эксплуатационного масла.

В начальной стадии развития дефектов количество выделяющихся газов невелико и не превышает уровня растворимости их в масле. Они длительное время могут сохраняться в масле. Для извлечения данных газов и их идентификации применяется ХАРГ.

Итак, вводим следующие понятия:

1. Хроматография — метод разделения и анализа смесей веществ, а также изучения физико-химических свойств веществ. Основан на распределении веществ между двумя фазами — неподвижной (твёрдая фаза или жидкость, связанная на инертном носителе) и подвижной (газовая или жидкая фаза, элюент).
2. Хроматографический анализ - диагностический метод, который заключается в принудительном извлечении газов из масла (хроматографии), определении их качественного состава и количественного анализа.

Для целей диагностики в настоящее время в эксплуатации по результатам хроматографического анализа растворенных в масле газов, проводимого в соответствии с методикой [2], определяются концентрации следующих газов, растворенных в масле: водорода (H₂), метана (CH₄), ацетилена (C₂H₂), этилена (C₂H₄), этана (C₂H₆), оксида углерода (CO), диоксида углерода (CO₂).

Граничные концентрации определяемых в масле газов (Arpi):

Наименование параметра	H2	CH4	C2H4	C2H6	C2H2	CO2	CO
	Водород	Метан	Этилен	Этан	Ацетилен	Диоксид углерода	Оксид углерода
Норма, % об.	0,01	0,01	0,01	0,005	0,001	0,2	0,5

Дефекты, выявляемые ХАРГом

С помощью ХАРГ в трансформаторах можно обнаружить две группы дефектов:

Группа 1. Дефекты термического характера.

Основные (ключевые), наиболее характерные газы:

1. Этилен (C₂H₄): в случае нагрева масла и бумажно-масляной изоляции выше 600 °С;
2. Метан (CH₄): нагрев масла и бумажно-масляной изоляции в диапазоне температур 400...600 °С или нагрев масла и бумажно-масляной изоляции, сопровождающийся разрядами;
3. Этан (C₂H₆): нагрев масла и бумажно-масляной изоляции в диапазоне температур 300...400 °С;
4. Окись и двуокись углерода (CO и CO₂): при старении бумажно-масляной изоляции, масла и, как следствие, их увлажнение.

Группа 2. Дефекты электрического характера.

Характерным для данного типа дефектов является наличие следующих растворенных газов:

1. Водород (H₂): при частичных, искровых или дуговых разрядах;
2. Ацетилен (C₂H₂): при возникновении электрической дуги, искрения.

Суммируя вышесказанное, можно выделить три группы дефектов, обнаруживаемые с помощью ХАРГ:

1. Перегревы токоведущих соединений, износ и обгорание контактов ПУ, ослабление контактного нажатия в переключателях, нагрев мест соединений обмоток и элементов конструкции остова (повышенный нагрев от электромагнитных полей рассеяния и от образования короткозамкнутых контуров);
2. Дефекты твердой изоляции, вызванные диэлектрическими потерями и электрическими разрядами, старение твердой изоляции;
3. Электрические разряды в масле (ЧР, искровые и дуговые разряды)

Примеры типичных дефектов в силовых трансформаторах и реакторах, а также соответствующие им характерные и основные газы приведены в Таблице 1.

Таблица 1. Типичные дефекты в силовых трансформаторах и реакторах

№	Состав газов	Вид дефекта	Причины появления газов
1	H2 - основной газ; CH4 - характерный газ	ЧР	Замыкания: - обмотки НН на землю; - между обмотками; - высоковольтными вводами и баком; - отводом и баком; - обмотками и остовом трансформатора; - межвитковые.
2	H2 или C2H2 - основные газы; CH4- характерный газ с низким содержанием	Разряды низкой энергии	Искрение или дуговые разряды в плохих контактных соединениях элементов конструкции с различным или плавающим потенциалом в местах: - крепления электростатического экрана; - смыкания параллельных и элементарных проводников обмотки; - нарушений паяных соединений токоведущих цепей; - прохождения цепей заземления; - расположения пластин магнитной системы с нарушенной изоляцией при циркуляции вихревых токов. Разряды между конструктивными элементами остова трансформатора, отводами обмотки ВН и баком, обмоткой ВН и заземлением. Разряды в масле при переключениях контактов.
3	C2H2 или H2 - основные газы; CH4, C2H4, СO - характерные газы с высоким содержанием	Разряды высокой энергии, дуга	Замыкания: - обмотки НН на землю; - между обмотками; - высоковольтными вводами и баком; - отводом и баком; - обмотками и остовом трансформатора; - межвитковые.
4	C2H6 - основной газ; CH4, СO - характерные газы с высоким содержанием	Термический дефект, T < 300 °C	Перегрузка трансформатора. Нарушение потока масла в охлаждающих каналах обмоток и магнитной системы. Недостаточная эффективность системы охлаждения, вызванная: - загрязнением наружной поверхности радиаторов; - нарушением потока масла внутри радиаторов; - снижением эффективности работы вентиляторов, маслонасосов; - недостаточной эффективностью работы системы охлаждения, допущенной при проектировании/производстве. Нагрев металлических элементов конструкции потерями от полей рассеяния в начальной стадии развития дефекта.
5	СН4 - основной газ; C2H4, C2H6 - характерные газы	Термический дефект, 300 °C≤T≤700 °C	Нарушение контактных соединений, в том числе неудовлетворительное состояние контактных соединений РПН, ПБВ. Токи, циркулирующие по: - ярмовым прессующим балкам и стяжным шпилькам при нарушении изоляции стяжных шпилек; - прессующим элементам и пластинам электротехнической стали; - заземляющим проводам. Нарушение изоляции между соседними параллельными проводниками в обмотке. Нагрев средней интенсивности металлических элементов конструкции потерями от полей рассеяния.
6	C2H4 - основной газ; C2H2, CH4 - характерные газы с высоким содержанием	Термический дефект, T> 700 °C	Нарушение контактных соединений. Нарушение изоляции пластин магнитной системы с образованием короткозамкнутых контуров. Перегрев металлических элементов конструкции потерями от полей рассеяния.
7	CO2 - основной газ; СО - характерный газ	Деструкция целлюлозной изоляции	Перегрузка трансформатора. Высокая влажность масла. Снижение эффективности системы охлаждения.

Определение характера дефекта в трансформаторе по отношению концентраций пар газов

Характер развивающихся в трансформаторах дефектов определяется согласно Таблице 2 по отношению концентраций пар из пяти газов: H₂, CH₄, C₂H₂, C₂H₄ и C₂H₆.

Таблица 2. Характер дефекта по отнношению концентраций газов в масле

№	Характер прогнозируемого дефекта	Отношение концентраций характерных газов			Типичные примеры
		C2H2/C2H4	CH4/Н2	C2H4/C2H6
1	Нормально	<0,1	0,1-1	≤1	Нормальное старение
2	Частичные разряды с низкой плотностью энергии	<0,1	<0,1	≤1	Разряды в заполненных газом полостях, образовавшихся вследствие неполной пропитки или влажности изоляции.
3	Частичные разряды с высокой плотностью энергии	0,1-3	<0,1	≤1	То же, что и в п. 2, но ведет к оставлению следа или пробою твердой изоляции.
4	Разряды малой мощности	>0,1	0,1-1	1-3	Непрерывное искрение в масле между соединениями различных потенциалов или плавающего потенциала. Пробой масла между твердыми материалами.
5	Разряды большой мощности	0,1-3	0,1-1	≥3	Дуговые разряды; искрение; пробой масла между обмотками или катушками или между катушками на землю.
6	Термический дефект низкой температуры (<150 °С)	<0,1	0,1-1	1-3	Перегрев изолированного проводника.
7	Термический дефект в диапазоне низких температур (150-300 °С)	<0,1	≥1	<1	Местный перегрев сердечника из-за концентрации потока. Возрастание температуры «горячей точки».
8	Термический дефект в диапазоне средних температур (300-700 °С)	<0,1	≥1	1-3	То же, что и в п. 7, но при дальнейшем повышении температуры «горячей точки».
9	Термический дефект высокой температуры (> 700 °С)	<0,1	≥1	≥3	Горячая точка в сердечнике; перегрев меди из-за вихревых токов, плохих контактов; циркулирующие токи в сердечнике или баке.

---

Ознакомиться с периодичностью проведения испытаний можно в разделе Таблица периодичности физико-химических испытаний.

Влияние эксплуатационных факторов на содержание газов в масле

При анализе результатов ХАРГ необходимо учитывать эксплуатационные факторы, не связанные с развитием дефектов активной части, но вызывающие изменение концентраций растворенных в масле газов.

Среди таких эксплуатационных факторов можно назвать следующие:

• изменения нагрузки;
• доливка другим маслом;
• воздействие токов короткого замыкания;
• сезонные изменения интенсивности процессов старения;

В целом, метод является эффективным, как при выявлении развивающихся дефектов, так и при оценке общего состояния оборудования, и может применяться для всех видов маслонаполненного оборудования.

Газовый хроматограф

Принцип работы газового хроматографа состоит в переносе газовых компонентов газом-носителем через разделительную колонку хроматографа и удерживание сорбентом колонки газовых компонентов с разными временными промежутками (рис. 1).

Рисунок 1. Блок-схема газового хроматографа.

Элементы газового хроматографа:

1. баллон с газом-носителем;
2. регулятор расхода газа-носителя;
3. устройство ввода пробы;
4. разделительная колонка;
5. детектор;
6. регистрирую­щий прибор (самописец, компьютер);
7. расходомер.

На выходе разделительной колонки каждый газ в смеси имеет строго определенное время выхода и фиксируется в виде индивидуального пика на графике, называемом хроматограммой. Интегрирование пиков проводится автоматически и обеспечивает определение концентраций извлеченных из пробы газов.

Нормативно-техническая документация

Список литературы, регламентирующей оценку состояния трансформаторного масла:

• РД 153-34.0-46.302-00
  «Методические указания по диагностике развивающихся дефектов трансформаторного оборудования по результатам хроматографического анализа газов, растворенных в масле»
• РД 34.46.303-98
  «Методические указания по подготовке и проведению хроматографического анализа газов, растворенных в масле силовых трансформаторов»
• СТО 34.01-23-003-2019
  «Методические указания по техническому диагностированию развивающихся дефектов маслонаполненного высоковольтного электрооборудования по результатам анализа газа, расстворенных в минеральном масле»

Заказать анализ

Заказать проведение хроматографического анализа расстворенных газов в масле Вы можете в нашей компании. Для того, чтобы получить консультативную помощь, полную информацию о возможностях проведения ХАРГ, пожалуйста, оставьте заявку и мы с Вами свяжемся.

Обращаем Ваше внимание, что ознакомиться с остальными способами оценки состояния трансформаторного масла, которые проводит наша лаборатория, Вы можете в разделе Анализ трансформаторного масла.