Разработка прототипа портативной аналитической системы визуального полуколичественного определения кислотного числа экспресс-методом

Page 1

Page 2

118

диагностика и мониторинг

Разработка прототипа портативной
аналитической системы визуального
полуколичественного определения
кислотного числа экспресс-методом

УДК 621.314.212

Изложена

проблема

совершенствования

методического

обеспечения

контроля

технологических

процессов

при

выполнении

ремонтных

работ

Представлен

минимальный

набор

показателей

качества

жидкого

диэлектрика

индикатив

ных

регенерационным

процессам

Описаны

разработанный

экспресс

метод

оценки

кислотного

числа

прототип

портативной

аналитической

системы

визу

ального

полуколичественного

определения

кислотного

числа

системе

управ

ления

качеством

ремонтов

на

основе

физико

химического

анализа

Высогорец

к.т.н., ФГАОУ ДПО

«ПЭИПК» Министерства

энергетики РФ

ВВЕДЕНИЕ

Важной составляющей современ-

ной энергетики является поиск ре-

шений, позволяющих сдерживать

рост операционных расходов на

эксплуатацию оборудования со

сверхнормативным сроком экс-

плуатации. При организации экс-

плуатации

маслонаполненного

трансформаторного оборудова-

ния одной из задач является обес-

печение удовлетворительного со-

стояния жидкого диэлектрика как

одного из функциональных узлов

[1], что обеспечивается в том чис-

ле высоким качеством регене-

рационных работ. Принимая во

внимание, что значительная доля

работ по восстановлению ресур-

са масла проводится по месту

установки

маслонаполненного

электрооборудования, возника-

ет необходимость в разработке

экспресс-методов оперативного

контроля качества их выполнения

и приборного оснащения к ним.

Таким образом, появление в ар-

сенале эксплуатирующих и под-

рядных организаций портативных

систем экспресс-оценок техноло-

гических операций ремонтных ра-

бот повлияют:

– на снижение затрат в части

ремонтных работ за счет

уменьшения времени простоя

бригад до получения результа-

тов контрольных лабораторных

измерений, повышения эффек-

тивности работ регенерацион-

ных установок благодаря сво-

евременной замене сорбентов

в ходе технологического цикла

на основании результатов экс-

пресс-измерений, уменьшения

избыточного количества доро-

гостоящих количественных ла-

бораторных измерений;

– на повышение качества ре -

монтных работ за счет улуч-

шения процессов регенерации

масла, влияющих на химичес-

кую стабильность жидкого ди-

электрика, и увеличения меж-

ремонтного периода транс-

форматоров, а соответственно,

на повышение надежности

и долговечности их изоляции.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

МИНИМАЛЬНОГО

НАБОРА

ПОКАЗАТЕЛЕЙ

КАЧЕСТВА

ЖИДКОГО

ДИЭЛЕКТРИКА

ИНДИКАТИВНЫХ

РЕГЕНЕРАЦИОННЫМ

ПРОЦЕССАМ

Согласно проведенным теорети-

ческим исследованиям установ-

лено, что индикативностью к про-

дуктам старения обладают такие

показатели качества как кислот-

ное число (КЧ), содержание водо-

растворимых кислот и щелочей

(ВКЩ), тангенса угла диэлектри-

ческих потерь масла (



), со-

держания

антиокислительной

присадки агидол-1 (Присадка). На

основе результатов изучения тео-

ретических основ окислительных

процессов, протекающих в транс-

Ключевые

слова

экспресс-метод, аналити-

ческая система, показа-

тели качества, измере-

ние, жидкий диэлектрик

Page 3

119

форматорных маслах, было вы-

двинуто предположение, что по-

казатель КЧ будет лидирующим

в части чувствительности к об-

разующимся продуктам старения

на всех этапах окисления масла

(от ранних — автокаталитическая

стадия, до глубоких — период

самоторможения). Данное пред-

положение не противоречит тре-

бованиям [2], согласно которым

основным критерием замены ад-

сорбента в термосифонных/ад-

сорбционных фильтрах трансфор-

маторов является превышение КЧ

сверх установленного значения.

Соответственно, предполагается

допустимым проводить экспресс-

оценку эффективности регенера-

ции масла по изменению КЧ с по-

следующим определением точки

завершения

технологического

процесса по восстановлению ре-

сурса масла по указанному пока-

зателю.

Доказана гипотеза о стати-

стически значимой взаимосвязи

противоокислительной стабиль-

ности масла (ресурса масла)

с вышеуказанным рядом пока-

зателей качества [3]. Методами

корреляционно-регрессионного

анализа установлена заметная

прямая взаимосвязь между КЧ

и противоокислительной стабиль-

ностью (Стабильностью), умерен-

ная прямая взаимосвязь между

Стабильностью и



, слабая об-

ратная взаимосвязь между Ста-

бильностью и Присадкой. Тремя

непараметрическими методами

(деревьев классификаций, детер-

минантного анализа и логистиче-

ской регрессии) [4] установлено,

что главным группирующим фак-

тором трансформаторов по по-

казателю Стабильность является

КЧ. Таким образом, в ходе экс-

периментальных исследований

доказано, что КЧ является ключе-

вым показателем качества, позво-

ляющим косвенно, с высокой сте-

пенью достоверности, оценивать

изменение ресурса масла.

Таким образом, определена

необходимость в разработке экс-

пресс-метода контроля КЧ как

элемента повышения эффектив-

ности ремонтных работ, содержа-

щих технологические процессы

по восстановлению ресурсных ха-

рактеристик изоляции трансфор-

маторов.

РАЗРАБОТКА

ЭКСПРЕСС

МЕТОДА

ОЦЕНКИ

КЧ

СИСТЕМЕ

УПРАВЛЕНИЯ

КАЧЕСТВОМ

РЕМОНТОВ

НА

ОСНОВЕ

ФИЗИКО

ХИМИЧЕСКОГО

АНАЛИЗА

В основу экспресс-метода за-

ложена методика [5] определе-

ния КЧ титриметрическим мето-

дом, основанная на проведении

кислотно-основного титрования

с применением цветных индикато-

ров (щелочного голубого), окраска

которых зависит от pH раствора.

Задачей разработанного экс-

пресс-метода является полуко-

личественная (тестовая) оценка

показателя КЧ, а именно: опре-

деление диапазона значений КЧ,

к которому принадлежит анали-

зируемая проба минерального

трансформаторного масла. Со-

ответственно, для интерпрета-

ции результатов измерения экс-

пресс-методом

предусмотрено

применение

категориальной

оценки — «соответствие» и/или

«несоответствие» установленно-

му диапазону значений КЧ [6]:

• 1 диапазон

— 0,02 мгКОН/г

и менее (диапазон значений

КЧ, приоритетно характерный

для свежих масел);

• 2 диапазон

: 0,02–0,03 мгКОН/г

(диапазон значений КЧ, приори-

тетно характерный для регене-

рированных масел);

• 3 диапазон

— 0,03–0,05 мгКОН/г

(диапазон значений КЧ, при-

оритетно характерный для экс-

плуатационных масел, находя-

щихся в области нормального

состояния);

• 4 диапазон

— 0,05 мгКОН/г

и более (диапазон значений

КЧ, приоритетно характер-

ный для эксплуатационных

масел, находящихся в области

«риска»).

Фактором отнесения анализи-

руемой пробы масла к заданному

диапазону значений КЧ являет-

ся изменение цвета реакционной

смеси в ходе титрования (квази-

титрования, то есть процесса, по-

добного титрованию). Процесс

определения точки полной нейтра-

лизации всех анализируемых кис-

лот (точки эквивалентности в ходе

реализации экспресс-метода) про-

текает по следующей схеме:

1) ввод в аликвоту исследуемой

пробы одной из четырех вариа-

ций раствора, содержащего за-

ранее установленное количе-

ство титранта (объем титранта

рассчитывается на основании

измеренного титра и заданного

значения КЧ);

2) определение на основании из-

менения окраски реакционной

смеси соответствующего вари-

анта использованного раство-

ра (то есть раствора, измене-

ние цвета в котором наиболее

соответствует заданным усло-

виям). Таким образом, порядок

выполнения экспресс-анализа

подобен титрованию и содер-

жит его ключевые этапы.

При реализации экспресс-ме-

тода применен смешанный инди-

катор: щелочной голубой и кур-

кумин. В качестве обоснования

выбора вышеуказанного состава

смешанного индикатора послужи-

ло следующее [7]: щелочной голу-

бой имеет интервал рН перехода

окраски (в водных растворах) от

рН 9,4 (голубая) до рН 14,0 (крас-

ная); куркумин имеет первый ин-

тервал рН перехода окраски (в во-

дных растворах) от рН 7,4 (желтая)

до рН 9,2 (буро-красная), а второй

интервал рН перехода окраски ин-

дикатора (в водных растворах) —

от рН 10,2 (буро-красная) до рН

11,8 (оранжево-желтая).

Принимая во внимание, что

при смешении основных цветов

желтого и синего образуется со-

ставленный зеленый цвет, было

выдвинуто предположение, что

желтая окраска индикатора кур-

кумина в сочетании с голубой

окраской индикатора щелочно-

го голубого в смеси с маслом

будет усиливать зеленые цвета

раствора [8]. Вместе с этим, при

одномоментном применении вы-

шеуказанной пары индикаторов

ожидалось, что желтая окраска

индикатора куркумина в кислой

среде не должна оказывать вли-

яния на исходную окраску ана-

лизируемой смеси, учитывая

исходный желтый цвет масла. Со-

ответственно, при приближении

к точке эквивалентности ожида-

лось, что куркумин раньше ще-

лочного голубого начнет прида-

вать красно-коричневую окраску

смеси, а затем усиливать красную

окраску щелочного голубого, что

было подтверждено в ходе экспе-

риментальных работ.

№

1 (58) 2020

Page 4

120

По результатам тестового

определения КЧ с применения

смешанного индикатора зафикси-

ровано улучшение визуализации

зеленого оттенка окраски исход-

ного раствора и наблюдаемого

исчезновения зеленого оттенка,

позволяющего более точно за-

фиксировать конечную точку ква-

зититрования (рисунок 1).

Таким образом, использова-

ние смешанного индикатора (со-

став куркумин и щелочной голу-

бой) позволило сделать зеленый

оттенок окраски исходной (кон-

трольной) аликвоты пробы более

выраженным, а наблюдаемое бо-

лее явное исчезновение зелено-

го оттенка считать достижением

конечной точки квазититрования,

то есть визуального обнаружения

момента полной нейтрализации

всех свободных кислот, позволя-

ющего отнести анализируемое

масло к соответствующему за-

данному диапазону значений КЧ.

Разработан алгоритм подго-

товки и проведения полуколиче-

ственного экспресс-определения

КЧ и критерии оценки. Алгоритм

подготовки и реализации экс-

пресс-метода определения КЧ

представлен на рисунке 2.

Референтной методикой при

оценке достоверности определе-

ния КЧ экспресс-методом являлась

аттестованная методика МКХА 05-

09 [5], результаты сравнения — по-

ложительные. Таким образом, по

результатам проведенных иссле-

дований установлена достаточная

визуализация определения конеч-

ной точки квазититрования (опре-

деления момента полной нейтра-

лизации всех свободных кислот),

позволяющего отнести анализи-

руемое трансформаторное масло

(ТМ) к соответствующему диапазо-

ну значений КЧ — группе КЧ.

РАЗРАБОТКА

ПРОТОТИПА

ПОРТАТИВНОЙ

АНАЛИТИ

ЧЕСКОЙ

СИСТЕМЫ

ВИЗУАЛЬНОГО

ПОЛУ

КОЛИЧЕСТВЕННОГО

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

КЧ

ЭКСПРЕСС

МЕТОДОМ

С целью реализации разработан-

ного экспресс-метода определения

КЧ в полевых условиях разработан

прототип портативной аналитиче-

ской системы визуального полу-

количественного определения КЧ

экспресс-методом (рисунок 3).

Портативная

аналитическая

сис тема имеет капсульный тип

(рисунок 3в). В составе системы

размещается пять автономных

капсул одинакового размера (рису-

нок 3а), группа капсул — неразбор-

ная. Один конец каждой капсулы

имеет встроенную септу для про-

кола иглой шприца с целью ввода

растворов и аликвот проб масла

в капсулу (рисунок 3б).

Аналитическая система изго-

тавливается из химически стойко-

го прозрачного пластика, обтягива-

ется темной светонепроницаемой

пленкой (рисунок 3г) для обеспе-

чения длительной живучести реак-

Рис

. 1.

Изменение

цвета

раствора

пробирках

при

химической

реакции

для

одной

пробы

масла

(

измеренное

значение

КЧ

0,016

мгКОН

установленный

диапазон

значения

0,01<

КЧ≤

0,02

мгКОН

)

применением

разных

индикато

ров

)

переход

окраски

для

пробы

масла

индикатором

щелочной

голубой

;

)

переход

окраски

для

пробы

масла

со

смешанным

индикатором

а)

б)

Исходная проба

Реакционная смесь

для диапа зона

значений

КЧ ≤ 0,01

Реакционная смесь

для диапа зона

значений

КЧ ≤ 0,01

Реакционная смесь

для диапа зона

значений

0,01 < КЧ ≤ 0,02

Реакционная смесь

для диапа зона

значений

0,01 < КЧ ≤ 0,02

Реакционная смесь

для диапа зона

значений

0,02 < КЧ ≤ 0,03

Реакционная смесь

для диапа зона

значений

0,02 < КЧ ≤ 0,03

Приготовить индикатор куркумин

Добавление индикатора

куркумина в Растворитель

(смешанный индикатор)

Приготовить

Растворитель

(щелочной голубой)

Растворитель

голубой
окраски

Приготовить раствор

КОН (спиртовой

раствор 0,05 моль/дм

)

Титрование Растворителя

раствором КОН до появления

красной окраски с оттенками

(нейтрализация)

Первая аликвота пробы масла

(раствор сравнения — цвет

зеленый/оттенки зеленого)

Определение

титра КОН

Объем раствора

КОН для

нейтрализации

всех свободных

кислот для КЧ до

0,02 мгКОН/г

Объем раствора

КОН для

нейтрализации

всех свободных

кислот для КЧ

0,02–0,03 мгКОН/г

Объем раствора

КОН для

нейтрализации

всех свободных

кислот для КЧ

0,03–0,05 мгКОН/г

Объем раствора

КОН для

нейтрализации

всех свободных

кислот для КЧ

более 0,05 мгКОН/г

Вторая

аликвота пробы

Третья

аликвота пробы

Четвертая

аликвота пробы

Пятая аликвота

пробы

вт

са

ат

не

мз

Рис

. 2.

Алгоритм

подготовки

реализации

экспресс

метода

определения

КЧ

ДИАГНОСТИКА

И МОНИТОРИНГ

Page 5

121

тивов, размещенных внутри капсул

(спиртовой раствор КОН необходи-

мо хранить в темном месте). Ана-

литическая система имеет жесткую

конструкцию для обеспечения усло-

вия создания одинакового объема

всех капсул, входящих в конструк-

цию системы.

Реакционные смеси изготавли-

ваются по рецептуре согласно экс-

пресс-методу с последующим вво-

дом шприцом в капсулы согласно

установленным правилам.

Впоследствии подготовленная

аналитическая система поступает

к месту ее применения. Для прове-

дения измерения необходимо

произвести отбор пробы масла,

подлежащей анализу. В капсулы

с маркировкой КЧ1, КЧ2, КЧ3, КЧ4

ввести аликвоты проб объемом

15 см

. Произвести перемешива-

ние содержимого аналитической

сис темы путем покачивающих

движений. Для визуальной оценки

результата снять отклеивающийся

пленочный слой для визуального

контроля (рисунок 3а). Поместить

систему в вертикальное положе-

ние с размещением окон визуаль-

ной оценки в нижней части систе-

мы. Произвести сравнительный

анализ согласно установленным

правилам экспресс-метода.

Портативная аналитическая сис-

тема визуального полуколичествен-

ного определения КЧ экспресс-ме-

Рис

. 3.

Прототип

портативной

аналитической

системы

визуального

по

луколичественного

определения

КЧ

экспресс

методом

) 2D-

чертеж

вид

спереди

;

) 2D-

чертеж

вид

сверху

;

) 3D-

чертеж

;

) 3D-

модель

аналити

чес

кой

системы

учетом

цвета

материала

изготовления

а)

б)

г)

в)

тодом предусмотрена для одно-

разового использования.

ВЫВОДЫ

Определен показатель качества

жидкого диэлектрика, наиболее

чувствительный к образующимся

продуктам старения на всех эта-

пах окисления масла и индика-

тивный к регенерационным про-

цессам, — КЧ.

Разработан экспресс-метод

по луколичественной (тестовой)

оценки КЧ, основанный на про-

ведении кислотно-основного тит-

рования с применением цветных

индикаторов, окраска которых за-

висит от pH раствора. При реали-

зации экспресс-метода применен

смешанный индикатор: щелоч-

ной голубой и куркумин.

Разработан прототип порта-

тивной аналитической системы

визуального полуколичественно-

го определения КЧ экспресс-ме-

тодом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Методика оценки технического состояния основного

технологического оборудования и линий электропе-

редачи электрических станций и электрических се-

тей». Приказ Минэнерго РФ от 26.07.2017 г. № 676

/ Профессиональные справочные системы «Техэк-

сперт». URL: http://docs.cntd.ru/document/456088008.

2. РД 34.43.105-89. Методические указания по эксплу-

атации трансформаторных масел. М.: Технорматив,

2007. 51 с.

3. Высогорец С.П. Обеспечение надежности силовых

трансформаторов на основе управления качеством

трансформаторного масла. СПб.: ПЭИПК, 2015. 117 с.

4. Breiman L., Friedman J.H., Olshen R.A., Stone C.J.

Classiﬁ cation and regression trees. Monterey, CA:

Wadsworth & Brooks/Cole Advanced Books & Software,

1984. 358 p.

5. МКХА 05-09. Методика измерений. Определение

кислотного числа трансформаторных масел титри-

метрическим методом. СПб.: НПО «Электрум», 2009

(редакция 2014 года). 15 с.

6. СТО 34.01-23.1-001-2017. Объем и нормы испыта-

ний электрооборудования. Утв. распоряжением ПАО

«Россети» от 26.05.2017 № 280р «Об утверждении

стандарта организации». М., 2017. 241 с.

7. Коростелев П.П. Реактивы для технического анализа.

Справ. изд. М.: Металлургия, 1988. 384 с.

8. Itten J. The Art of Color. Publisher: Wiley & Sons,

Incorporated, John. January, 1974. 160 p.

REFERENCES

1. Guidelines for estimating the technical condition of the basic

technological equipment and power transmission lines at elec-

tric power stations and networks. Order of the Ministry of En-

ergy of the Russian Federation dated of 26.07.2017, No. 676 /

Professional'niye spravochniye sistemy "Tekhekspert"

[Profes-

sional reference systems "Technical expert"]. URL: http://docs.

cntd.ru/document/456088008. (In Russian)

2. Guidelines 34.43.105-89. Procedural guidelines on transformer

oil application. Moscow, Tekhnormativ Publ., 2007. 51 p. (In

Russian)

3. Vysogorets S.P. Provision of reliability of power transformers

based on the oil quality control management. Saint-Petersburg,

PEIPK Publ., 2015. 117 p. (In Russian)

4. Breiman L., Friedman J.H., Olshen R.A., Stone C.J. Classiﬁ ca-

tion and regression trees. Monterey, CA: Wadsworth & Brooks/

Cole Advanced Books & Software, 1984. 358 p.

5. Procedures of Quantitative Chemical Analysis 05-09. Measure-

ment procedures. Determination of transformer oil acid number

by titrimetry. Saint-Petersburg, NPO "Elektrum" Publ., 2009

(edition of 2014). 15 p. (In Russian)

6. Company Standard 34.01-23.1-001-2017. Scope and norms of

electric equipment testing. Approved by the directive of PAO

"Rosseti" dated of 26.05.2017 No. 280 "About approval of the

company standard". Moscow, 2017. 241 p. (In Russian)

7. Korostelev P.P. Reagents for technical analysis. Reference pub-

lication. Moscow, Metallurgiya Publ., 1988. 384 p. (In Russian)

8. Itten J. The Art of Color. Publisher: Wiley & Sons, Incorporated,

John. January, 1974. 160 p.

№

1 (58) 2020

Оригинал статьи: Разработка прототипа портативной аналитической системы визуального полуколичественного определения кислотного числа экспресс-методом

Ключевые слова: экспресс-метод, аналитическая система, показатели качества, измерение, жидкий диэлектрик

Читать онлайн

Изложена проблема совершенствования методического обеспечения контроля технологических процессов при выполнении ремонтных работ. Представлен минимальный набор показателей качества жидкого диэлектрика, индикативных к регенерационным процессам. Описаны разработанный экспресс-метод оценки кислотного числа и прототип портативной аналитической системы визуального полуколичественного определения кислотного числа в системе управления качеством ремонтов на основе физико-химического анализа.