СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ, РАСТВОРЕННЫХ В ТРАНСФОРМАТОРНОМ МАСЛЕ Российский патент 2003 года по МПК G01N27/18 

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано для контроля качества трансформаторного масла (далее масла), в частности для измерения суммарного содержания растворенных газов.

В масле в основном растворен воздух. Содержание прочих газов в масле обычно не превышает 1% суммарного газосодержания. Вследствие этого в нормативных документах электроэнергетики под суммарным газосодержанием подразумевается растворенный в масле воздух (РД 34.43.107-95. Методические указания по определению содержания воды и воздуха в трансформаторном масле/Утв. Департаментом науки и техники РАО "ЕЭС России" 26.12.95; Разраб. АО ВНИИЭ, АО ВТИ; Срок действ, установлен с 01.06.96.- М.: АО ВНИИЭ, 1996, 30 с.).

В настоящее время для измерения суммарного содержания газов, растворенных в масле, используются преимущественно два метода: газохроматографический и манометрический.

Газохроматографический метод реализуется в газовом хроматографе с детектором по теплопроводности (ДТП). В соответствии с РД 34.45.107-95 доза анализируемого масла объемом 1 мл вводится в испаритель хроматографа с температурой 250-300^oС. При этом растворенные в масле воздух и вода потоком газа-носителя переносятся в хроматографическую колонку, где происходит их разделение. На выходе из колонки концентрации разделенных компонентов в газе-носителе преобразуются ДТП в электрический сигнал.

Для определения концентрации воздуха в масле площадь пика воздуха, содержащегося в анализируемом масле, сравнивается с калибровочным пиком воздуха, полученным введением в испаритель либо дозы воздуха, либо дозы насыщенного воздухом масла.

Пороговая чувствительность метода составляет 0,05 об.%. Расхождение между двумя параллельными измерениями не должно превышать 10% относительно меньшего значения.

Недостатками хроматографического метода являются сложность аппаратурного оформления, длительность анализа, необходимость регенерации испарителя и колонок после серии анализов. Кроме того, хроматографический метод является лабораторным и требует для реализации высококвалифицированного персонала.

Другим наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является манометрический метод определения суммарного газосодержания масла, реализованный как в лабораторных методиках (РД 34.43.107-95), так и в промышленных приборах (РД 34.43.105-89. Методические указания по эксплуатации трансформаторных масел /Утв. Главтехупр. Минэнерго СССР; Разраб. ПО "Союзтехэнерго", ВТИ; Срок действ. установлен с 01.12.89. - М.: СПО Союзтехэнерго, 1989, 86 с.).

Сущность метода, использованного в приборе для определения объемного содержания воздуха в масле (абсорциометр), заключается в следующем (Маневич Л. О. , Долгов А.Н. Осушка масла цеолитами. - М.: Энергия, 1972 г., с.155-162). Стеклянный сосуд объемом V_П вакуумируется до возможно более низкого остаточного давления (около 0,1 мм рт. ст.), после чего в сосуд вводится доза анализируемого масла V_М. В условиях вакуума происходит десорбция воздуха из масла. Поступая в сосуд, масло увеличивает в нем остаточное давление за счет изменения объема газового пространства и за счет десорбции воздуха из масла. Давление до и после ввода масла фиксируется вакуумером ВСБ-1.

Объемное содержание (объемная доля) воздуха в масле, Х, %, рассчитывается по формуле

где V_П - объем стеклянного сосуда, мл;
V_М - объем дозы анализируемого масла, мл;
Р₂ - давление в сосуде после ввода масла, мм рт.ст.;
Р₁ - давление в сосуде перед вводом масла, мм рт.ст.

Недостатками данного метода являются присущие вакуумной технике сложности аппаратурного оформления и обслуживания, длительность анализа (около 2 ч), а также невысокая точность. Так в области объемной доли воздуха в масле менее 1% показания прибора в 3-5 раз ниже по сравнению с действительными. Существенным недостатком метода является то, что на результаты измерений оказывает влияние вода, десорбирующаяся из масла одновременно с воздухом, а также неполнота десорбции воздуха из масла.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Газ-носитель гелий с постоянным расходом, поддерживаемым стабилизатором, при небольшом избыточном давлении подается на два противоположных (сравнительных) плеча термокондуктометрической ячейки (далее ТКЯ). Работа ТКЯ основана на зависимости электрического сопротивления проводника с большим температурным коэффициентом сопротивления (терморезистора) от теплопроводности окружающей его газовой среды. В мостовую схему включены четыре одинаковых терморезистора, из которых два противоположных расположены в сравнительных камерах, а два других - в рабочих камерах. В исходном состоянии (до проведения анализа) мост сбалансирован. После прохождения газа-носителя через сравнительные камеры ТКЯ он подается в десорбционную колонку.

Десорбционная колонка, в которую вводится для анализа доза масла, является барботажным абсорбером. Газ-носитель барботирует через слой масла и, распределяясь в нем в виде струек и пузырьков, увеличивает поверхность раздела жидкой фазы (масла) и газа-носителя. Это способствует ускорению процесса массопередечи и обеспечению полноты десорбции растворенных в масле газов газом-носителем. Одновременно с воздухом в газ-носитель десорбируется и вода, растворенная в масле. Для исключения ее влияния на результаты измерений газ-носитель после десорбционной колонки подается на сорбционно-кулонометрический осушитель (далее СКО).

В качестве СКО использован кулонометрический влагочувствительный элемент (Берлинер М.А. Измерение влажности. - М.: Энергия, 1973, с. 398-400; Кулаков М. В. Технологические измерения и приборы для химических производств. - М.: Машиностроение, 1983, с. 398-400), представляющий собой стеклянную трубку, в канале которой вплавлены несоприкасающиеся геликоидальные спиральные платиновые (или родиевые) электроды, поверх которых нанесена пленка частично гидратированной пятиокиси фосфора. К электродам подключен источник питания постоянного тока. Во время анализа обесточенный СКО поглощает влагу из газа-носителя с воздухом. После проведения анализа на СКО подается ток, под действием которого происходит электролитическое разложение поглощенной воды на водород и кислород с последующим удалением их потоком газа-носителя. Осушители других видов (цеолиты, молекулярные сита, пятиокись фосфора и др.) накапливают влагу в период эксплуатации и требуют либо замены, либо термической регенерации. В отличие от них СКО автоматически регенерируется после каждого анализа, что предотвращает его перенасыщение влагой.

После СКО газ-носитель с десорбированными из масла газами подается на два других противоположных плеча ТКЯ, расположенных в рабочих камерах.

Присутствие десорбированных газов в газе-носителе приводит к разбалансу мостовой схемы за счет изменения теплопроводности газовой смеси, что обуславливает функциональную связь выходного сигнала ТКЯ с концентрацией десорбированных газов в газе-носителе в каждый момент времени анализа. Время анализа выбирается из условия полной десорбции газов из дозы масла и определяется в основном конструкцией десорбционной колонки, объемом дозы и расходом газа-носителя.

Выходной сигнал ТКЯ, интегрированный за время анализа, является функцией концентрации газов, растворенных в масле.

Пример. Экспериментальная проверка предлагаемого способа проводилась следующим образом. В качестве газа-носителя использовался гелий, так как его теплопроводность в 5,9 раза превышает теплопроводность растворенных в масле газов. Расход гелия поддерживался равным (50±0,1) см³/мин с помощью стабилизатора расхода газа. Время анализа составило 3 мин с момента введения дозы масла объемом 2 мл. При этих условиях абсолютная погрешность измерения объемной доли воздуха в масле не превысила ±0,1% в диапазоне от 0,1 до 1,0 об. % и ±0,5% в диапазоне свыше 1 до 10 об.%. Пороговая чувствительность составила 0,01 об.%.

Использование предлагаемого способа обеспечивает по сравнению с существующими способами:
а) возможность упрощения процесса измерения и сокращения времени анализа;
б) увеличение чувствительности и точности измерения;
в) в случае практической реализации способа возможность создания прибора, пригодного как для лабораторного анализа, так и для применения в производственных условиях на предприятиях электроэнергетики.

Использование: для контроля качества трансформаторного масла, в частности для измерения суммарного содержания растворенных газов. Сущность: десорбцию растворенных газов из пробы масла осуществляют путем барботирования через масло газа-носителя гелия с постоянным расходом, обеспечивающим полную десорбцию растворенных газов за время анализа. Поглощают пары воды из десорбированного газа и подают газ-носитель с десорбированным из масла газом в термокондуктометрическую ячейку, по выходному сигналу которой определяют концентрацию растворенных газов в трансформаторном масле. В качестве поглотителя воды предложен сорбционно-кулонометрический осушитель. Технический результат заключается в сокращении времени анализа, упрощении и повышении точности. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ измерения концентрации растворенных газов в трансформаторном масле путем десорбции их из дозы трансформаторного масла, отличающийся тем, что десорбцию растворенных газов из пробы масла осуществляют путем барботирования через масло газа-носителя гелия с постоянным расходом, обеспечивающим полную десорбцию растворенных газов за время анализа, поглощают пары воды из десорбированного газа и подают газ-носитель с десорбированным из масла газом в термокондуктометрическую ячейку, по выходному сигналу которой определяют концентрацию растворенных газов в трансформаторном масле. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве поглотителя паров воды из десорбированных газов используют сорбционно-кулонометрический осушитель.