การวิเคราะห์ก๊าซละลาย

การวิเคราะห์ก๊าซละลาย ( DGA ) คือการตรวจสอบสารปนเปื้อน ใน น้ำมันหม้อแปลง ไฟฟ้า ^{[ 1 ]} วัสดุฉนวนภายในอุปกรณ์ไฟฟ้าจะปล่อยก๊าซออกมาเมื่อค่อยๆ เสื่อมสภาพไปตามกาลเวลา องค์ประกอบและการกระจายตัวของ ก๊าซ ละลาย เหล่านี้ เป็นตัวบ่งชี้ถึงผลกระทบของการเสื่อมสภาพ เช่นการสลายตัวด้วยความร้อนหรือการปล่อยประจุบางส่วนและอัตราการเกิดก๊าซบ่งชี้ถึงความรุนแรง^{[ 2 ]} DGA มีประโยชน์ต่อโปรแกรม การบำรุงรักษาเชิงป้องกัน

การเก็บรวบรวมและวิเคราะห์ก๊าซในหม้อแปลงไฟฟ้าที่หุ้มด้วยน้ำมันได้รับการกล่าวถึงตั้งแต่ปี พ.ศ. 2461 ^{[ 3 ]}ณ ปี พ.ศ. 2561 มีการศึกษาเชิงประจักษ์และทฤษฎีหลายปีในการวิเคราะห์ก๊าซผิดปกติของหม้อแปลงไฟฟ้า

โดยทั่วไป DGA จะประกอบด้วยการเก็บตัวอย่างน้ำมันและส่งตัวอย่างไปยังห้องปฏิบัติการเพื่อทำการวิเคราะห์ หน่วย DGA แบบเคลื่อนที่สามารถขนส่งและใช้งานในสถานที่ได้เช่นกัน บางหน่วยสามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับหม้อแปลงไฟฟ้า การตรวจสอบอุปกรณ์ไฟฟ้าแบบออนไลน์เป็นส่วนสำคัญของสมาร์ทกริด

หม้อแปลงไฟฟ้ากำลังขนาดใหญ่จะบรรจุด้วยน้ำมันที่ช่วยระบายความร้อนและเป็นฉนวนให้กับขดลวดของหม้อแปลง น้ำมันแร่เป็นชนิดที่พบได้บ่อยที่สุดในหม้อแปลงกลางแจ้ง นอกจากนี้ยังมีการใช้ของเหลวทนไฟ เช่นโพลีคลอริเนเต็ดไบฟีนิล (PCB) และซิลิโคน^{[ 4 ]}

ของเหลวที่เป็นฉนวนสัมผัสกับส่วนประกอบภายใน ก๊าซที่เกิดขึ้นจากเหตุการณ์ปกติและผิดปกติภายในหม้อแปลงจะละลายอยู่ในน้ำมัน การวิเคราะห์ปริมาตร ชนิด สัดส่วน และอัตราการเกิดของก๊าซที่ละลายอยู่ จะช่วยให้ได้ข้อมูลการวินิจฉัยมากมาย เนื่องจากก๊าซเหล่านี้สามารถบ่งชี้ความผิดปกติของหม้อแปลงได้ จึงเรียกว่า "ก๊าซผิดปกติ" ก๊าซเหล่านี้เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาออกซิเดชันการระเหยการสลายตัวของฉนวนการแตกตัวของน้ำมัน และปฏิกิริยาทางไฟฟ้า

ท่อเก็บตัวอย่างน้ำมันใช้สำหรับดูด เก็บรักษา และขนส่งตัวอย่างน้ำมันหม้อแปลงไฟฟ้าในสภาพเดียวกับที่อยู่ในหม้อแปลงไฟฟ้า โดยมีก๊าซผิดปกติทั้งหมดละลายอยู่ในน้ำมันด้วย

เป็น หลอด แก้วบอโรซิลิเกตกันแก๊ส รั่ว มีความจุ 150 มล. หรือ 250 มล. มี วาล์ว เทฟลอน กันอากาศรั่วสองตัว ที่ปลายทั้งสองข้าง ปลายของวาล์วทั้งสองมีเกลียวสำหรับต่อกับหลอดสังเคราะห์ ซึ่งช่วยให้เชื่อมต่อกับหลอดทดลองได้สะดวกขณะดูดตัวอย่างจากหม้อแปลง นอกจากนี้ การต่อแบบนี้ยังช่วยในการถ่ายน้ำมันลงในบิวเรตต์น้ำมันตัวอย่างของเครื่องสกัดแก๊สหลายชนิดโดยไม่ให้สัมผัสกับบรรยากาศภายนอก ทำให้คงสภาพของน้ำมัน ทั้งก๊าซที่ละลายและก๊าซที่เกิดขึ้นจากความผิดปกติไว้ได้

หลอด นี้มีแผ่นกั้นอยู่ด้านหนึ่งสำหรับดูดน้ำมันตัวอย่างเพื่อทดสอบปริมาณความชื้น

กล่องโฟมกันความร้อนใช้สำหรับขนส่งหลอดเก็บตัวอย่างน้ำมันดังกล่าว โดยป้องกันไม่ให้สัมผัสกับแสงแดด

กระบอกฉีดยาน้ำมันเป็นอีกวิธีหนึ่งในการเก็บตัวอย่างน้ำมันจากหม้อแปลงไฟฟ้า ปริมาตรของกระบอกฉีดยามีหลากหลาย แต่โดยทั่วไปจะพบได้ในขนาด 50 มิลลิลิตร คุณภาพและความสะอาดของกระบอกฉีดยามีความสำคัญ เนื่องจากจะช่วยรักษาสภาพของตัวอย่างก่อนการวิเคราะห์

เทคนิค DGA เกี่ยวข้องกับการสกัดหรือแยกก๊าซออกจากน้ำมันและฉีดเข้าไปในเครื่องวิเคราะห์ก๊าซโครมาโทกราฟ (GC) การตรวจจับความเข้มข้นของก๊าซมักจะเกี่ยวข้องกับการใช้เครื่องตรวจจับไอออนไนเซชันเปลวไฟ (FID) และเครื่องตรวจจับการนำความร้อน (TCD) ระบบส่วนใหญ่ยังใช้เครื่องแปลงมีเทน ซึ่งจะแปลงคาร์บอนมอนอกไซด์และคาร์บอนไดออกไซด์ที่มีอยู่ให้เป็นมีเทนเพื่อให้สามารถเผาไหม้และตรวจจับได้ด้วย FID ซึ่งเป็นเซ็นเซอร์ที่มีความไวสูงมาก^{[ 5 ]}

วิธีการดั้งเดิม ซึ่งปัจจุบันคือมาตรฐาน ASTM D3612A กำหนดให้ต้องนำน้ำมันไปผ่านกระบวนการสุญญากาศสูงในระบบปิดผนึกด้วยแก้วที่ซับซ้อน เพื่อกำจัดก๊าซส่วนใหญ่ออกจากน้ำมัน จากนั้นจึงเก็บรวบรวมและวัดปริมาณก๊าซในหลอดวัดปริมาตรโดยการทำลายสุญญากาศด้วยลูกสูบปรอท ก๊าซจะถูกนำออกจากหลอดวัดปริมาตรผ่านแผ่นกั้นด้วยกระบอกฉีดยาที่กันก๊าซรั่ว และฉีดเข้าไปในเครื่อง GC ทันที

เครื่องสกัดก๊าซแบบหลายขั้นตอน (Multi Stage Gas Extractor ) เป็นอุปกรณ์สำหรับเก็บตัวอย่างน้ำมันหม้อแปลงไฟฟ้าในปี 2547 สถาบันวิจัยพลังงานกลาง (Central Power Research Institute) เมืองบังกาลอร์ประเทศอินเดียได้นำเสนอวิธีการใหม่ที่สามารถนำ ตัวอย่าง น้ำมันหม้อแปลงไฟฟ้า ตัวอย่างเดียวกันไปผ่านกระบวนการ สุญญากาศหลายครั้งที่อุณหภูมิห้อง จนกว่าปริมาณก๊าซที่สกัดออกมาจะไม่เพิ่มขึ้นอีก วิธีนี้ได้รับการพัฒนาเพิ่มเติมโดย Dakshin Lab Agencies ในเมืองบังกาลอร์ เพื่อผลิตเครื่องสกัดก๊าซแบบหลายขั้นตอนสำหรับน้ำมันหม้อแปลงไฟฟ้า วิธีนี้เป็นการปรับปรุงจากมาตรฐาน ASTM D 3612A เพื่อทำการสกัดหลายครั้งแทนการสกัดเพียงครั้งเดียว และอิงตามหลักการของ Toepler

ในอุปกรณ์นี้ น้ำมันตัวอย่างปริมาตรคงที่จะถูกดูดโดยตรงจากหลอดตัวอย่างเข้าไปใน ภาชนะ ไล่แก๊สภายใต้สุญญากาศ ซึ่งแก๊สจะถูกปล่อยออกมา แก๊สเหล่านี้จะถูกแยกออกโดยใช้ลูกสูบปรอทเพื่อวัดปริมาตรที่ความดันบรรยากาศและจากนั้นจึงถ่ายโอนไปยังเครื่องวิเคราะห์แก๊สโครมา โทกราฟ โดยใช้กระบอกฉีดยาที่กันแก๊สได้

อุปกรณ์ที่มีการออกแบบและหลักการในการสกัดก๊าซหลายชนิดโดยใช้ระบบสุญญากาศและปั๊ม Toepler ที่คล้ายคลึงกันมาก ได้ถูกใช้งานในซิดนีย์ (ออสเตรเลีย) มานานกว่า 30 ปีแล้ว ระบบนี้ใช้สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าและหม้อแปลงเครื่องมือวัด รวมถึงน้ำมันหล่อลื่นสายเคเบิลด้วย

การสกัดก๊าซในช่องว่างเหนือของเหลว (Head space extraction) อธิบายไว้ในมาตรฐาน ASTM D 3612-C โดยการสกัดก๊าซทำได้โดยการกวนและให้ความร้อนแก่น้ำมันเพื่อปล่อยก๊าซเข้าไปใน "ช่องว่างเหนือของเหลว" ของขวดที่ปิดสนิท เมื่อสกัดก๊าซออกมาแล้ว ก็จะส่งไปยังเครื่องวิเคราะห์ก๊าซโครมาโท กราฟ (Gas Chromatograph )

มีเทคนิคเฉพาะทาง เช่น การสกัดแบบดูดซับในพื้นที่เหนือของเหลว (HSSE) หรือการสกัดแบบดูดซับโดยใช้แท่งกวน (SBSE) ^{[ 6 ]}

เมื่อเกิดการปล่อยก๊าซในหม้อแปลงไฟฟ้า จะมีก๊าซหลายชนิดเกิดขึ้น ข้อมูลที่เป็นประโยชน์เพียงพอสามารถได้จากก๊าซเก้าชนิด ดังนั้นโดยทั่วไปจึงไม่จำเป็นต้องตรวจสอบก๊าซชนิดอื่นเพิ่มเติม ก๊าซทั้งเก้าชนิดที่ตรวจสอบ ได้แก่:

• ก๊าซในชั้นบรรยากาศ: ไนโตรเจนและออกซิเจน
• ออกไซด์ของคาร์บอน: คาร์บอนมอนอกไซด์และคาร์บอนไดออกไซด์
• สารไฮโดรคาร์บอน: อะเซทิลีน , เอทิลีน , มีเทนและอีเทน
• ไฮโดรเจน

ก๊าซที่สกัดจากน้ำมันตัวอย่างจะถูกฉีดเข้าไปในเครื่องแก๊สโครมาโทกราฟ ซึ่งคอลัมน์จะทำหน้าที่แยกก๊าซ ก๊าซจะถูกฉีดเข้าไปในโครมาโทกราฟและเคลื่อนที่ผ่านคอลัมน์ คอลัมน์จะหน่วงก๊าซตัวอย่างอย่างเลือกสรร และก๊าซเหล่านั้นจะถูกระบุเมื่อเคลื่อนที่ผ่านตัวตรวจจับในช่วงเวลาต่างๆ กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างสัญญาณจากตัวตรวจจับกับเวลาเรียกว่าโครมาโทแกรม

ก๊าซที่แยกออกมาจะถูกตรวจจับโดยเครื่องตรวจจับการนำความร้อนสำหรับก๊าซในบรรยากาศ และโดยเครื่องตรวจจับการแตกตัวเป็นไอออนด้วยเปลวไฟสำหรับไฮโดรคาร์บอนและออกไซด์ของคาร์บอน ส่วนออกไซด์ของคาร์บอนจะถูกตรวจจับโดยเครื่องผลิตมีเทนโดยการเปลี่ยนให้เป็นมีเทนเมื่อมีความเข้มข้นต่ำมาก

ความผิดปกติทางความร้อนตรวจพบได้จากการมีอยู่ของผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการสลายตัวของฉนวนแข็ง ฉนวนแข็งมักทำจากวัสดุเซลลูโลส ฉนวนแข็งจะสลายตัวตามธรรมชาติ แต่จะเพิ่มอัตราการสลายตัวเมื่ออุณหภูมิของฉนวนสูงขึ้น เมื่อเกิดความผิดปกติทางไฟฟ้า มันจะปล่อยพลังงานออกมาซึ่งทำลายพันธะเคมีของของเหลวในฉนวน เมื่อพันธะถูกทำลายแล้ว องค์ประกอบเหล่านี้จะรวมตัวกันอย่างรวดเร็วกลายเป็นก๊าซผิดปกติ พลังงานและอัตราการเกิดก๊าซจะแตกต่างกันสำหรับก๊าซแต่ละชนิด ซึ่งทำให้สามารถตรวจสอบข้อมูลก๊าซเพื่อกำหนดประเภทของความผิดปกติที่เกิดขึ้นภายในอุปกรณ์ไฟฟ้าได้

• โดยทั่วไปแล้ว การที่ขดลวดร้อนเกินไปจะนำไปสู่การสลายตัวทางความร้อนของฉนวนเซลลูโลสในกรณีนี้ ผลการวิเคราะห์ DGA จะแสดงให้เห็นความเข้มข้นสูงของคาร์บอนออกไซด์ (คาร์บอนมอนอกไซด์และคาร์บอนไดออกไซด์) ในกรณีที่รุนแรง จะตรวจพบมีเทนและเอทิลีนในระดับที่สูงขึ้น
• การที่น้ำมันร้อนจัดเกินไปจะทำให้ของเหลวแตกตัวเนื่องจากความร้อนและเกิดเป็นมีเทน อีเทน และเอทิลีน
• โคโรนาเป็นการปล่อยประจุบางส่วนและตรวจพบได้ในเครื่องวิเคราะห์ก๊าซไดอะแกรม (DGA) โดยพิจารณาจากปริมาณไฮโดรเจนที่สูงขึ้น
• การเกิดประกายไฟเป็นสภาวะที่รุนแรงที่สุดในหม้อแปลงไฟฟ้า และสามารถสังเกตได้แม้ในระดับก๊าซอะเซทิลีนต่ำ

การตีความผลลัพธ์ที่ได้สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าเฉพาะตัวหนึ่ง จำเป็นต้องมีความรู้เกี่ยวกับอายุของตัวเครื่อง รอบการโหลด และวันที่ของการบำรุงรักษาครั้งใหญ่ เช่น การกรองน้ำมัน มาตรฐาน IEC 60599 และมาตรฐาน ANSI IEEE C57.104 ให้แนวทางสำหรับการประเมินสภาพของอุปกรณ์โดยพิจารณาจากปริมาณก๊าซที่มีอยู่ และอัตราส่วนของปริมาตรของก๊าซคู่ต่างๆ^{[ 7 ]}

มีการพัฒนาวิธีการหลายวิธีเพื่อตีความผลลัพธ์ DGA และจำแนกประเภทความผิดปกติของหม้อแปลงไฟฟ้า:

วิธีก๊าซหลักระบุข้อบกพร่องโดยการวิเคราะห์ความเข้มข้นของก๊าซแต่ละชนิด ก๊าซแต่ละชนิดทำหน้าที่เป็นตัวบ่งชี้ของข้อบกพร่องประเภทเฉพาะ: ไฮโดรเจนบ่งชี้การปล่อยประจุบางส่วน อะเซทิลีนบ่งชี้การเกิดประกายไฟ และเอทิลีนบ่งชี้ข้อบกพร่องทางความร้อนในน้ำมัน^{[ 8 ]}

วิธีการอัตราส่วนของโรเจอร์สจะประเมินอัตราส่วนระหว่างความเข้มข้นของก๊าซที่เลือกไว้แทนที่จะใช้ค่าสัมบูรณ์ ทำให้การเปรียบเทียบมีความสอดคล้องกันมากขึ้นในหม้อแปลงไฟฟ้าต่างๆ อัตราส่วนก๊าซสามแบบถูกนำมาใช้เพื่อจำแนกประเภทของความผิดพลาด รวมถึงความผิดพลาดทางความร้อนและการปล่อยประจุไฟฟ้า^{[ 8 ]}

วิธีสามเหลี่ยมดูวัลจะพล็อตเปอร์เซ็นต์ก๊าซไฮโดรคาร์บอนสามชนิด (มีเทน เอทิลีน อะเซทิลีน) บนแผนภาพสามเหลี่ยมที่แบ่งออกเป็นโซนรอยแตก ตำแหน่งของจุดที่พล็อตแสดงถึงประเภทรอยแตกที่เป็นไปได้^{[ 8 ]}

วิธีการเพนทากอนของดูวัลขยายสามเหลี่ยมโดยการรวมก๊าซห้าชนิดเข้าด้วยกัน ทำให้การวินิจฉัยดีขึ้นสำหรับก๊าซที่หลงเหลือและกรณีที่วิธีการสามเหลี่ยมไม่สามารถสรุปผลได้^{[ 8 ]}

หลังจากเก็บตัวอย่างและวิเคราะห์แล้ว ขั้นตอนแรกในการประเมินผล DGA คือการพิจารณาระดับความเข้มข้น (ใน ppm) ของก๊าซหลักแต่ละชนิด ค่าของก๊าซหลักแต่ละชนิดจะถูกบันทึกไว้ตลอดเวลา เพื่อให้สามารถประเมินอัตราการเปลี่ยนแปลงของความเข้มข้นของก๊าซต่างๆ ได้ การเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของความเข้มข้นของก๊าซหลักบ่งชี้ถึงปัญหาที่อาจเกิดขึ้นภายในหม้อแปลง^{[ 9 ]}

การวิเคราะห์ก๊าซที่ละลายเป็นเทคนิคการวินิจฉัยมีข้อจำกัดหลายประการ ไม่สามารถระบุตำแหน่งความผิดพลาดได้อย่างแม่นยำ หากหม้อแปลงได้รับการเติมน้ำมันใหม่ ผลลัพธ์จะไม่บ่งชี้ถึงความผิดพลาด^{[ 7 ]} ข้อจำกัดอื่นๆ ได้แก่:

• วิธีการหาอัตราส่วนของก๊าซอาจให้ผลลัพธ์ที่ไม่แน่ชัดเมื่อใช้หลายกรณี

ความผิดพลาดเกิดขึ้นพร้อมกัน 

• ผลลัพธ์อาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับการออกแบบหม้อแปลง ชนิดของน้ำมัน และ

ประวัติการดำเนินงาน ซึ่งต้องอาศัยการตีความตามบริบท[ 10 ]

• ไม่มีวิธีการตีความวิธีใดวิธีเดียวที่เชื่อถือได้ในทุกกรณี การผสมผสานวิธีการต่างๆ จึงเป็นสิ่งสำคัญ

การใช้หลายวิธีช่วยเพิ่มความแม่นยำในการวินิจฉัย 

• https://global.abb/group/en
• https://www.gevernova.com/
• https://www.siemens-energy.com/global/en/home.html
• https://www.mitsubishielectric.com/en/
• https://www.vaisala.com/en
• https://hertzinno.com/products/online-dga/online-dga-products/