تشخیص گوگرد خورنده در روغن ترانسفورماتور با طیف سنجی رامان

تشخیص گوگرد خورنده در روغن ترانسفورماتور با طیف سنجی رامان

حضور گوگرد در روغن ترانسفورماتور ضررهای بیشماری را در عملکرد و طول عمر دستگاه ایجاد می‌کند. روش‌های سنتی تشخیص گوگرد در روغن ترانسفورماتور با محدودیت‌هایی روبرو هستند. بنابراین دیدگاهی جدید بر مبنای تکنولوژی‌های روز برای غلبه بر این محدودیت‌ها مورد نیاز است. طیف‌سنجی رامان روشی بسیار عالی برای تشخیص گوگرد خورنده است. به کمک آنالیز رامان می‌توانید خوردگی و عوامل خورنده را در انواع مختلف روغن ترانسفورماتور بررسی کنید. در این مطلب همراه ما باشید تا با کاربرد سیستم رامان در آنالیز روغن‌های ترانسفورماتور بیشتر آشنا شوید.
تشخیص گوگرد خورنده در روغن ترانسفورماتور با طیف سنجی رامان

فهرست مطالب

طیف سنج رامان با توجه به قابلیت‌های منحصر به فرد خود، به عنوان یکی از ابزارهای قدرتمند برای آنالیز روغن‌های صنعتی شناخته می‌شود. این سیستم امکان شناسایی دقیق ترکیب شیمیایی و ساختار مولکولی نمونه‌ها را فراهم می‌کند و از این طریق اطلاعاتی ارزشمند در رابطه با کیفیت روغن‌ها ارائه می‌دهد. در این میان، طیف سنجی رامان نقش مهمی در ارزیابی سلامت ترانسفورماتورها دارد. آنالیز رامان می‌تواند به طور مستقیم پارامترهای مخربی همچون گوگرد را در روغن‌های ترانسفورماتور تشخیص دهد. سادگی، سرعت و دقت بالا این تکنولوژی را به ابزاری ضروری برای حفظ سیستم‌های ترانسفورماتور تبدیل کرده است.

معرفی مشکل عامل‌های خوردگی در روغن ترانسفورماتور

روغن ترانسفورماتور به دلیل عایق‌بندی و عملکرد حرارتی عالی، به طور گسترده به عنوان عایق داخلی در ترانسفورماتورهای قدرت استفاده می‌شود. با این حال، پدیده نسبتا جدیدی وجود دارد که باعث خرابی ترانسفورماتورها می‌شود و آن حضور گوگرد خورنده در روغن است. این خرابی‌ها تاثیر قابل توجهی بر ایمنی و پایداری سیستم برق گذاشته و موجب خسارات اقتصادی هنگفتی می‌شود.
گوگرد خورنده با سیم‌ پیچ‌های مسی موجود در ترانسفورماتور واکنش داده و رسوب Cu۲S را روی سطح کاغذ عایق تشکیل می‌دهد. Cu۲S ماده‌ای با رسانایی بالا است که عملکرد عایق را دچار اختلال نموده و منجر به خرابی ترانسفورماتور می‌شود. همچنین مطالعات نشان داده‌اند که عنصر گوگرد، مرکاپتان‌ها و برخی انواع دی‌سولفید دارای خوردگی بالایی هستند. دی‌بنزیل دی‌سولفید (DBDS) که با نام گوگرد خورنده شناخته می‌شود، به عنوان مولکول مشخصه برای تشخیص گوگرد مورد بررسی قرار می‌گیرد. مکانیزم خوردگی DBDS برای اولین بار توسط شرکت میتسوبیشی الکتریک بررسی شده است. مکانیزم این واکنش در شکل ۱ نشان داده شده است. یافته‌ها موید این هستند که DBDS با مس واکنش داده و کمپلکس مس را تشکیل می‌دهد. سپس Cu۲S از این کمپلکس تفکیک می‌شود. دی بنزیل سولفید (DBS) حاصل از واکنش نیز می‌تواند به واکنش با مس برای تشکیل Cu۲S ادامه دهد.

مکانیسم خوردگی دی بنزیل دی سولفید با مس
شکل ۱: مکانیسم خوردگی دی بنزیل دی سولفید با مس

با توجه به اینکه غلظت بالای گوگرد خورنده، عملکرد ایمن ترانسفورماتورهای قدرت را تهدید می‌کند، تشخیص DBDS بسیار مهم است. در استاندارد IEC 62697، مجموعه‌ای از روش‌های کمی برای این منظور معرفی شده است. این روش‌ها شامل کروماتوگرافی گازی- طیف سنجی جرمی (GC-MS)، کروماتوگرافی گازی- آشکارساز جذب الکترون (GC-ECD) و کروماتوگرافی گازی- آشکارساز نشر اتمی (GC-AED) هستند. علاوه بر این، استخراج فاز جامد نیز برای پیش تصفیه نمونه اعمال می‌گردد و همراه با GC-MS برای رسیدن به تشخیص‌های پایین ترکیب می‌شود.

با این حال، همه این روش‌ها بر اساس فناوری کروماتوگرافی گازی هستند که نیاز به آماده‌سازی نمونه پیچیده دارند. بنابراین امکان استفاده سریع و در محل سایت برای آن‌ها وجود ندارد. اخیرا روش‌های دیگری برای اندازه‌گیری از جمله حسگر فیبر نوری شیمیایی و حسگرهای خازنی نیز پیشنهاد شده‌اند. در این روش‌ها فیبر نوری همراه با پلیمرهای خاصی به کار گرفته می‌شود و حد تشخیص بسیار خوبی برای DBDS فراهم می‌سازد. اما کارایی بلندمدت این روش‌ها هنوز ثابت نشده است. غلظت DBDS همچنین می‌تواند با اندازه‌گیری تغییر ظرفیت روغن ترانسفورماتور از طریق حسگرهای خازنی تشخیص داده شود. اما تغییر ظرفیت به عوامل متعددی مرتبط است و این موضوع محدودیت‌هایی را برای کاربرد این نوع حسگرها در این مقوله ایجاد می‌کند.

آنالیز روغن ترانسفورماتور
شکل ۲: آنالیز روغن ترانسفورماتور

تشخیص سریع عوامل خورنده با طیف سنجی رامان

تشخیص سریع در محل، شرط اولیه برای اتخاذ اقدامات پیشگیرانه سریع در صورت خرابی ترانسفورماتور است. روش‌های تشخیص موجود محدودیت‌های خاص خود را دارند و هیچ کدام از آن‌ها نمی‌توانند در شرایط عملی صنعت برق به تشخیص سریع در محل ترانسفورماتور دست یابند.
طیف سنجی رامان به دلیل سرعت و قابلیت استفاده در محل ترانسفورماتور راه حلی امیدوارکننده برای این معضل است. طیف سنجی رامان یک تکنیک آنالیز طیفی است که بر اساس اثر پراکندگی رامان نمونه‌ها عمل می‌کند و امکان تشخیص همزمان، سریع و حساس چندین مولکول مشخصه را فراهم می‌کند. با توسعه منابع لیزری با کارایی بالا و آشکارسازهای بسیار حساس‌ در این روش، طیف سنجی رامان به روشی مؤثر برای تشخیص مواد تبدیل شده است.

اساس کار روش طیف سنجی رامان به این صورت است که نور لیزر با مولکول‌های نمونه برهم‌کنش می‌کند. بخشی از انرژی نور تابیده شده توسط مولکول‌ها جذب شده و منجر به تغییر سطح انرژی آن‌ها می‌شود. سپس مولکول‌های نمونه تابش ثانویه‌ای را ایجاد می‌کنند که برای هر مولکول مختص به آن است. این نوع پراکندگی غیرالاستیک، پراکندگی رامان نامیده می‌شود. به دلیل تنوع ساختارهای مولکولی، مواد مختلف توزیع سطح انرژی خاص و اثر انگشت رامان منحصر به فرد خود را دارند. بنابراین، طیف سنجی رامان می‌تواند برای آنالیز ترکیب نمونه‌ها استفاده شود. ساختار پلتفرم تشخیص رامان استفاده شده در این روش در شکل ۳ نشان داده شده است.

سیستم رامان مورد استفاده برای آنالیز روغن ترانسفورماتور
شکل ۳: سیستم رامان مورد استفاده برای آنالیز روغن ترانسفورماتور

یک منبع لیزر نیمه هادی حالت جامد ۵۳۲ نانومتری برای تحریک استفاده می‌شود. میکروسکوپ رامان به عنوان کانونی کننده نور بر روی نمونه استفاده شده است.

میکرو طیف سنج رامان تکرام
شکل ۴: میکرو طیف سنج رامان تکرام

اگر به دنبال خرید سیستم رامان هستید، پیش از آن حتما راهنمای خرید میکروسکوپ رامان را مطالعه کنید.

  • تعیین پیک‌های مشخصه

هر ماده مانند اثر انگشت، رامان منحصر به فرد خود را دارد. برای تشخیص DBDS به کمک طیف سنجی رامان، ابتدا باید پیک‌های مشخصه DBDS شناسایی شوند. در این آزمایش، از نمونه Diala S4 ZX-1 که یک روغن ترانسفورماتور با کیفیت و تقریبا فاقد گوگرد است، به عنوان روغن خالص پایه استفاده شده است. برای ساخت نمونه‌های دارای عوامل خورنده، ماده DBDS به روغن اضافه شده تا یک نمونه اولیه با غلظت ۵/۱۲g/kg تهیه شود. سپس روغن خالص و روغن حاوی DBDS به وسیله سیستم رامان مورد بررسی قرار گرفته‌اند. نتایج حاصل نشان می‌دهد که طیف رامان روغن با DBDS در مقایسه با روغن خالص پیک‌های مشخصه جدیدی در (cm) ۱۰۰۲، ۱۲۲۸ و ۱۶۰۲ دارد.

طیف رامان روغن خالص و روغن با دی بنزیل دی سولفید
شکل ۵: طیف رامان روغن خالص و روغن با دی بنزیل دی سولفید

از سوی دیگر، ماده DBDS حل شده در روغن را می‌توان با حلال‌های آپروتیک قطبی مانند ۱-متیل-۲-پیرولیدینون (NMP) به خوبی استخراج کرد. NMP به عنوان استخراج کننده استفاده می‌شود و نسبت استخراج NMP به روغن، ۱ به ۲۰ است. پس از ۱۰ دقیقه هم زدن، NMP خارج شده و سپس به مدت ۲ دقیقه با سرعت ۶۰۰۰ دور در دقیقه سانتریفیوژ می‌شود تا قطرات روغن معلق در آن جدا شود. سپس NMP به دست آمده حاوی DBDS غنی شده برای آنالیز رامان به داخل یک کووت کوارتز ریخته می‌شود. شکل ۶، طیف رامان NMP خالص و NMP پس از استخراج را نشان می‌دهد. مشاهده می‌شود که NMP پس از استخراج، چندین پیک‌ مشخصه جدید نسبت به NMP خالص دارد. پیک‌های مشخصه جدید در (cm) ۱۰۰۲، ۱۲۲۸ و ۱۶۰۲ ظاهر شده‌اند. چنین نتایج مشابهی نشان می‌دهد که این پیک‌های مشخصه از ارتعاش مولکولی DBDS ناشی می‌شوند.

طیف رامان NMP خالص و NMP پس از استخراج
شکل ۶: طیف رامان NMP خالص و NMP پس از استخراج

برای ساخت نمونه‌های دارای عوامل خورنده، ابتدا ماده DBDS به روغن اضافه می‌شود تا یک نمونه اولیه با غلظت ۵/۱۲g/kg تهیه شود. سپس محلول اولیه با نصف کردن غلظت به صورت ۲۰mg/kg ،۴۰mg/kg ،۸۰mg/kg ،۱۶۰mg/kg ،۳۲۰mg/kg ،۶۴۰mg/kg ،۱/۲۸g/kg ،۲/۵۶g/kg و ۱۰mg/kg رقیق می‌شود. برای انجام آنالیز کمی بر روی نمونه‌های با رقت‌های مختلف، پیک رامان با شدت بالا در (cm) ۱۰۰۲ به عنوان پیک مشخصه انتخاب شد. پیک‌های مشخصه سایر مواد موجود در روغن مانند مرکاپتان‌ها، فورفورال و غیره در اعداد موجی متفاوتی قرار دارند که توسط رفتار ارتعاشی ساختار مولکولی تعیین می‌شوند. بنابراین، ردیابی آن‌ها بر اساس طیف سنجی رامان مستقل است و با یکدیگر تداخلی ندارند.

شدت طیف رامان تحت تاثیر عواملی مانند توان لیزر، شرایط مسیر نوری و به ویژه پس زمینه فلورسانس قرار می‌گیرد. هنگامی که نمونه‌های مختلف اندازه‌گیری می‌شوند، موقعیت نمونه در سیستم رامان و پس زمینه فلورسانس متفاوت است. بنابراین، شدت ارتفاع مطلق طیف در نمونه‌های مختلف تقریبا قابل مقایسه نیست. به همین دلیل از روش استاندارد داخلی برای آنالیز استفاده می‌شود. بنابراین، دیگر نیازی به پردازش اضافی و حذف پس زمینه نیست. بخشی از طیف رامان NMP پس از استخراج روغن عایق حاوی ۵/۱۲g/kg از DBDS در شکل ۷ نشان داده شده است.

مطالعه مقاله  انواع طیف‌سنجی رامان
انتخاب پیک مشخصه و پیک استاندارد داخلی
شکل ۷: انتخاب پیک مشخصه و پیک استاندارد داخلی

در اینجا از نسبت مساحت پیک مشخصه به مساحت پیک استاندارد داخلی برای آنالیز استفاده شده است. نسبت شدت این دو پیک با معادله زیر محاسبه می‌شود که در آن S مساحت پیک انتخاب شده است.

Raman_Industrial oils_Calculation of intensity ratio based on peak area

تعیین نسبت سیگنال به نویز (SNR)

نسبت سیگنال به نویز در غلظت‌های پایین مواد مشخصه، حد تشخیص (LOD) طیف سنجی رامان را تعیین می‌کند. حتی اگر از روش استاندارد داخلی استفاده شود، طیفی که هر بار اندازه‌گیری می‌شود به دلیل نویز پس زمینه کمی متفاوت خواهد بود. بنابراین داده‌های طیف یک متغیر تصادفی است. توزیع احتمالی SNR با ۲۰۰ بار اندازه‌گیری نمونه NMP بررسی شده است. همان طور که در شکل ۸ نشان داده شده است، مشخص می‌شود که رابطه تقریبا با توزیع گوسی مطابقت دارد. این داده‌ها با آزمون کولموگروف-اسمیرنوف در سطح معنی‌دار ۰/۰۵، مطابق با توزیع گوسی هستند. بنابراین در ادامه از سه برابر انحراف استاندارد (۳σ) این توزیع، برای آنالیز کمی LOD در اندازه‌گیری‌ها استفاده شده است.

توزیع احتمال نسبت سیگنال به نویز و منحنی توزیع نرمال
شکل ۸: توزیع احتمال نسبت سیگنال به نویز و منحنی توزیع نرمال

نسبت سیگنال به نویز (SNR) به عملکرد آشکارساز، شدت لیزر و عرض شکاف اسپکترومتر مورد استفاده در سیستم رامان نیز مرتبط است. در سیستم‌های رامان تکرام این میزان در بهینه‌ترین حالت خود است و در میان آن‌ها، فقط عرض شکاف قابل کنترل است. برای بهینه‌سازی عرض شکاف، SNR عرض‌های شکاف مختلف مورد آنالیز قرار گرفته است.

تغییرات نویز و پهنای پیک با عرض شکاف
شکل ۹: تغییرات نویز و پهنای پیک با عرض شکاف

همان طور که در خط قرمز شکل ۹ نشان داده شده است، با افزایش عرض شکاف، ۳σ به تدریج کاهش می‌یابد و تثبیت می‌شود. این روند به دلیل این است که هنگامی که شکاف باریک است، مقدار نور عبوری کم است و سیگنال پراکندگی رامان ضعیف است. با پهن‌تر شدن شکاف، مقدار نور عبوری افزایش می‌یابد، بنابراین نور پراکنده افزایش می‌یابد و به اشباع تمایل پیدا می‌کند. هنگامی که شکاف خیلی عریض باشد، پهنای پیک (FWHM) پیک رامان افزایش می‌یابد (خط مشکی در شکل ۹). در نتیجه رزولوشن طیف کاهش می‌یابد. بنابراین، شکاف خیلی عریض قابل قبول نیست. به همین دلیل، عرض شکاف ۱۰۰ میکرومتر برای انحراف معیار پایین‌تر و تفکیک طیفی بالاتر انتخاب بهینه‌ای است. مقادیر ۳σ و FWHM در عرض‌های شکاف مختلف در جدول ۱ فهرست شده است.

مقادیر 3σ و FWHM در عرض‌های شکاف مختلف
جدول ۱: مقادیر ۳σ و FWHM در عرض‌های شکاف مختلف

پارامتر استخراج

میزان DBDS موجود در روغن نسبتا کم است. اگر نمونه روغن بدون هیچ پیش فرآیندی با طیف سنجی رامان مورد آزمایش قرار گیرد، حد تشخیص (LOD) نمی‌تواند به سطح حساس برسد. به منظور غنی‌سازی غلظت DBDS از NMP برای استخراج استفاده شده است، که تاثیر خوبی بر روی DBDS موجود در روغن ترانسفورماتور دارد. بنابراین، نسبت استخراج به این صورت بهینه‌سازی شده است.
مساحت پیک مشخصه، تحت نسبت‌های استخراج مختلف (۱:۱، ۵:۱، ۱۰:۱، ۲۰:۱ و ۳۰:۱) آزمایش شده است. همان طور که در شکل ۱۰ مشاهده می‌شود، رابطه بین مساحت پیک و نسبت استخراج قبل از رسیدن به نسبت ۲۰:۱ تقریبا خطی است. هنگامی که نسبت استخراج از ۲۰:۱ به ۳۰:۱ افزایش می‌یابد، شدت به طور جزئی افزایش یافته و تمایز قابل توجهی وجود ندارد. علاوه بر این، مشخص است که در صورت استفاده از نسبت ۳۰:۱، NMP تقریبا در روغن حل شده و انجام عملیات جداسازی مایع دشوار است. به همین دلیل، نسبت ۲۰:۱ برای آزمون “کمی و عددی” انتخاب شده است.

شدت نسبی پیک مشخصه در نسبت‌های مختلف استخراج
شکل ۱۰: شدت نسبی پیک مشخصه در نسبت‌های مختلف استخراج

آنالیز کمی نمونه‌ها

۱۰ نمونه آماده شده در غلظت‌های مختلف، به طور جداگانه آزمایش شدند. مقدار مساحت پیک مشخصه رامان در هر غلظت اندازه‌گیری شده است. همان طور که در شکل ۱۱ نشان داده شده است، مشخص است که با نصف شدن غلظت، مساحت پیک مشخصه (cm) ۱۰۰۲ نیز به صورت خطی کاهش می‌یابد. این موضوع به این دلیل است که مولکول‌های مشخصه‌ای که منجر به پراکندگی رامان می‌شوند، کاهش یافته‌اند. در نتیجه شدت پراکندگی رامان ضعیف‌تر شده است.

طیف‌های رامان NMP پس از استخراج روغن با غلظت‌های دی بنزیل دی‌سولفید مختلف
شکل ۱۱: طیف‌های رامان NMP پس از استخراج روغن با غلظت‌های دی بنزیل دی‌سولفید مختلف

برای اطلاع از قیمت میکرو طیف سنج‌ رامان، با ما تماس بگیرید.

در ادامه، رگرسیون خطی بر روی داده‌ها انجام شده و رابطه بین مساحت پیک و غلظت در شکل ۱۲ نشان داده شده است. پارامتر دقت برازش R۲ برابر با ۰/۹۹۹۵۵ است که نشان می‌دهد اثر برازش بسیار خوبی بر داده‌ها حاکم است. طبق ۳σ به دست آمده در بخش قبلی، حد تشخیص تا ۷/۹۸ میلی گرم بر کیلوگرم (ppm) قابل محاسبه است. برای هر نمونه آزمایش شده، نسبت مساحت پیک مشخصه آن را می‌توان از طیف رامان محاسبه کرد. سپس می‌توان در منحنی برازش غلظت گوگرد خورنده آن را یافت.

کالیبراسیون خطی بین غلظت‌های مختلف دی‌بنزیل دی‌سولفید
شکل ۱۲: کالیبراسیون خطی بین غلظت‌های مختلف دی‌بنزیل دی‌سولفید و شدت‌های نسبی پیک‌های مشخصه

حد خوردگی

تست‌های خوردگی طبق استاندارد IEC 62535-2008 انجام می‌شود. نمونه‌های مسی پیچیده شده با کاغذ عایق در یک ویال دربسته در روغن مورد آزمایش غوطه ور می‌شوند. نمونه‌ها به مدت ۷۲ ساعت در دمای ۱۵۰ درجه سانتی گراد در یک ترموستات قرار داده می‌شوند تا اطمینان حاصل شود که هر گونه خوردگی احتمالی گوگرد به‌طور کامل رخ می‌دهد. نمونه مس آزمایش شده برای حذف باقی مانده روغن با سیکلوهگزان شستشو داده می‌شود. سپس رسوب خوردگی گوگرد روی هادی مس و کاغذ عایق با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM-EDS) آنالیز می‌شود.
برای انجام این تست‌ها،‌ از چهار روغن ترانسفورماتور رایج با برندهای مختلف (برند C، B، A و D) به عنوان روغن پایه استفاده شده است. DBDS با غلظت ۵ تا ۳۲۰mg/kg اضافه شده و روغن خالص نیز به عنوان شاهد مورد آزمایش قرار گرفته است. مورفولوژی سطح هادی مسی پس از آزمون خوردگی در شکل ۱۳ نشان داده شده است. اعداد موجود در شکل، غلظت DBDS را برحسب mg/kg نشان می‌دهد. در صورت عدم وجود غلظت بالای DBDS، هیچ پدیده خوردگی قابل توجهی روی سطح کاغذ عایق مشاهده نمی‌شود. بنابراین، آنالیز EDS بر روی سطح هادی مسی متمرکز شده است.

مورفولوژی سطح مس در برندهای مختلف روغن ترانسفورماتور پس از تست خوردگی
شکل ۱۳: مورفولوژی سطح مس در برندهای مختلف روغن ترانسفورماتور پس از تست خوردگی

در صورتی که رنگ روی سطح مس به رنگ خاکستری گرافیتی، قهوه‌ای تیره یا سیاه تغییر کند، خوردگی قابل توجه گوگرد را نشان می‌دهد. رنگ‌های سرخابی و آبی به طور کلی به عنوان نتایج خوردگی گوگرد در نظر گرفته نمی‌شوند. بنابراین، شکل ۱۳ نشان می‌دهد که با افزایش مقدار DBDS، به تدریج خوردگی گوگرد روی سطح مس ظاهر می‌شود و درجه تغییر رنگ به تدریج بیشتر می‌شود. علاوه بر این، به طور واضح مشخص است که خاصیت خوردگی برندهای مختلف روغن متفاوت است. چرا که روغن‌های مختلف مقاومت خوردگی گوگردی متفاوتی دارند که به مقاومت در برابر اکسیداسیون، پسیو کننده فلز و محتوای گوگرد اولیه روغن مرتبط است. یکی دیگر از نکات قابل‌ توجه‌، عملکرد بی‌نظیر برند D است. حتی زمانی که غلظت DBDS به ۳۲۰mg/kg رسیده است، تقریبا هیچ تغییر رنگی روی سطح مشاهده نشده است.

برای تعیین کمی خوردگی هادی مسی، از SEM-EDS برای شناسایی عناصر روی سطح مس استفاده شد. برای این منظور، یک نوار مسی بدون هیچ پیش فرآیندی و یک نمونه مسی به شدت خورده شده، مورد آنالیز قرار گرفتند. در شکل ۱۴ قسمت الف و ب تصاویر SEM این دو نمونه به ترتیب نشان داده شده است. قسمت ج و د به ترتیب، تصاویر EDS این دو نمونه‌ هستند که در آن‌ها محتوای عناصر با نقاط رنگی نشان داده شده است. دو تصویر آخر هم به ترتیب، طیف EDS این دو نمونه را نشان می‌دهند.

مطالعه مقاله  بررسی حالت‌های اکسیداسیون آهن به کمک آنالیز رامان
شناسایی عناصر توسط SEM-EDS پس از تست خوردگی
شکل ۱۴: شناسایی عناصر توسط SEM-EDS پس از تست خوردگی

در طیف EDS نمونه مس خورده شده، یک پیک قابل توجه در محدوده (Kev) ۲/۳ وجود دارد. این پیک توسط گوگرد تابش می‌شود که نشان دهنده خوردگی قابل توجه Cu۲S روی سطح هادی مس است.
میزان هر عنصر توسط نرم افزارهای پردازش قابل محاسبه است. در شکل ۱۵، وزن گوگرد روی سطح هادی مسی (که از این پس به عنوان SWC-on-CCS شناخته می‌شود) در روغن برند C تحت غلظت‌های مختلف DBDS نشان داده شده است. از این شکل می‌توان نتیجه گرفت که با افزایش غلظت DBDS، مقدار SWC-on-CCS نیز به سطح بالاتری می‌رسد. علت این است که با افزایش غلظت DBDS، خوردگی گوگرد شدیدتر می‌شود و Cu۲S بیشتری روی سطح رسوب می‌کند.

میزان وزن گوگرد بر روی سطح مس در روغن برند C با غلظت‌های دی‌بنزیل دی‌سولفید مختلف
شکل ۱۵: میزان وزن گوگرد بر روی سطح مس در روغن برند C با غلظت‌های دی‌بنزیل دی‌سولفید مختلف

داده‌های مربوط به وزن گوگرد در سایر برندهای روغن در جدول ۲ فهرست شده است. هم چنین مقادیر کمی گوگرد در سطح مس برای روغن خالص بدون افزودن DBDS نیز مشخص شده است. این عنصر گوگرد عمدتا از سولفید موجود در روغن تجاری ناشی می‌شود. رایج‌ترین روغن ترانسفورماتور از نفت خام تصفیه می‌شود که به ناچار حاوی مقداری سولفید است. میزان گوگرد موجود در روغن معدنی به شدت به منشا و تکنولوژی پالایش آن بستگی دارد.

میزان وزن گوگرد و حد خوردگی مس در برندهای مختلف روغن ترانسفورماتور پس از آزمایش IEC 62535
جدول ۲: میزان وزن گوگرد و حد خوردگی مس در برندهای مختلف روغن ترانسفورماتور پس از آزمایش IEC 62535

همان طور که در جدول بالا نشان داده شده است، محتوای وزنی گوگرد در روغن پایه سه برند اول ۰/۲ درصد است. اما هیچ گوگردی روی سطح مس در روغن برند D شناسایی نشده است.
حد مجاز خوردگی به معنای آستانه‌ای است که در صورت تجاوز غلظت گوگرد خورنده از این مقدار، خوردگی قابل توجه گوگرد روی سطح مس رخ می‌دهد. ملاک زمانی تعریف می‌شود که SWC-on-CCS بزرگ‌تر از مقدار موجود در روغن پایه باشد. هنگامی که غلظت DBDS به ۲۰mg/kg می‌رسد، SWC-on-CCS در برند A همچنان با روغن پایه برند A برابر است که معادل ۰/۲ درصد است. این نشان می‌دهد که مس دچار خوردگی قابل توجه گوگرد نشده است.
اما با رسیدن غلظت DBDS به ۴۰mg/kg، وزن گوگرد به ۰/۵ درصد می‌رسد که به این معنی است که خوردگی نسبت به روغن پایه بیشتر مشهود است. بنابراین، حد مجاز خوردگی بین ۲۰ تا ۴۰mg/kg است. به عبارت دیگر، ۲۰mg/kg برای مسئله خوردگی گوگرد در روغن برند A مقدار مطمئنی است. به همین ترتیب، حد مجاز خوردگی روغن برندهای دیگر به دست می‌آید که برای برند B بیش از ۱۰mg/kg، برند C بیش از ۱۰mg/kg و برند D بیش از ۸۰mg/kg است. همچنین گزارش شده است که غلظت DBDS بیشتر از ۱۰mg/kg در روغن غیرفعال، روغن را بالقوه خورنده می‌کند.
همانطور که در جدول ۲ نشان داده شده است، روغن برند D بار دیگر مقاومت عالی در برابر خوردگی را نشان می‌دهد. هیچ SWC-on-CCS در روغن پایه برند D شناسایی نشده است. هنگامی که غلظت DBDS به ۱۶۰mg/kg می‌رسد، مقدار SWC-on-CCS فقط ۰/۱ درصد است که همچنان کمتر از محتوای گوگرد در مس روغن‌های پایه برندهای دیگر است. حد مجاز خوردگی روغن برند D در کاربردهای عملی ممکن است بسیار بالاتر از ۸۰mg/kg باشد.
بنابراین طیف سنجی رامان می‌تواند به طور کامل نیازهای تشخیص بالقوه خوردگی گوگرد را برای روغن‌های ترانسفورماتور رایج و تجاری موجود در بازار برآورده کند. هم چنین، حد مجاز خوردگی می‌تواند به افراد کمک کند تا با توجه به نوع روغن ترانسفورماتور مورد استفاده، آستانه هشدار خوردگی گوگرد را تعیین کنند.

مقایسه روش‌ رامان و GC و امکان تست نمونه در محل ترانسفورماتور با روش رامان

به منظور نشان دادن دقت تشخیص مبتنی بر طیف سنجی رامان، مقایسه نتایج اندازه‌گیری بین روش جدید و روش سنتی ضروری است. بنابراین، یک نمونه روغن در محل سایت و پنج نمونه ساخته شده در آزمایشگاه با روش جدید رامان و روش سنتی فعلی مبتنی بر GC-MS مورد آنالیز قرار گرفتند. این نمونه‌های آزمایشگاهی به ترتیب با غلظت‌های ۲۵، ۷۵، ۲۰۰، ۴۰۰ و ۵۰۰mg/kg تهیه شدند. روغن در محل سایت از یک ترانسفورماتور ساخت ۱۹۹۴ نمونه‌برداری شده و سپس تست در آزمایشگاه انجام شد.
برای تشخیص ماده DBDS مطابق با استاندارد IEC 62697-1-2012، از سیستم GC-MS استفاده شده است. مجموعه‌ای از محلول‌های استاندارد DBDS (با غلظت‌های (mg/kg) ۵، ۵۰، ۱۰۰، ۳۰۰ و ۶۰۰) تهیه شده و دی فنیل دی سولفید (DPDS) به عنوان استاندارد داخلی استفاده شده است. متانول به عنوان استخراج کننده اضافه شده و نمونه به طور کامل هم زده می‌شود. سپس محلول به مدت ۵ دقیقه با سرعت ۴۰۰۰ دور در دقیقه سانتریفیوژ شده و مایع رویی به دستگاه GC-MS تزریق شده است. در این روش یک خط استاندارد “کمی” بر اساس مقدار پاسخ یون مشخصه و غلظت DBDS و DPDS ترسیم می‌شود.
ضریب برازش کالیبراسیون خط کمی‌ نمونه‌های استاندارد ۰/۹۹۷۶۴ است که اعتبار آنالیز “کمی” را تضمین می‌کند. نتایج اندازه‌گیری GC-MS و تشخیص مبتنی بر رامان در جدول ۳ ارائه شده است. همان طور که مشاهده می‌شود، بین نتایج اندازه‌گیری شده در دو روش، اختلاف قابل توجهی وجود ندارد و تطابق خوبی برقرار است. همچنین عملکرد و نتایج بیانگر آن هستند که روش رامان در محل سایت ترانسفورماتور نیز قابل پیاده‌سازی است.
نتایج اندازه‌گیری با غلظت‌های آماده شده بسیار نزدیک هستند. قابل‌توجه‌ترین انحراف تشخیص رامان در نمونه شماره ۲ رخ داده که تنها ۷/۸۴ درصد است. این نتایج، دقت روش مبتنی بر طیف سنجی رامان را ثابت می‌کند. علاوه بر این، سرعت تشخیص روش رامان نیز در آزمون‌های مقایسه‌ای آشکار است. زمان تشخیص روش مبتنی بر رامان کمتر از ۳۰ ثانیه است، در حالی که زمان روش مبتنی بر GC تقریبا ۳۰ دقیقه است.

مقایسه بین تشخیص با طیف‌سنجی رامان و GC-MS نمونه‌های آزمایشگاهی
جدول ۳: مقایسه بین تشخیص با طیف‌سنجی رامان و GC-MS نمونه‌های آزمایشگاهی

آزمون خوردگی با استفاده از یک نمونه در محل ترانسفورماتور انجام شد. همان طور که در شکل ۱۶ مشاهده می‌شود، رنگ نمونه روغن در محل، به دلیل کهنگی زرد-سبز است و پس از ۳ روز تست خوردگی، به رنگ قهوه‌ای تیره شده است. اما با این وجود، تقریبا هیچ تغییری روی سطح نمونه مسی مشاهده نمی‌شود و هیچ تغییر رنگی ناشی از خوردگی گوگرد ایجاد نشده است. غلظت DBDS در این نمونه روغن با استفاده از GC-MS برابر (mg/kg) ۶۰/۲۱ و با استفاده از طیف سنجی رامان برابر (mg/kg) ۵۱/۳۱ شناسایی شد. این نتایج نشان می‌دهد که نمونه روغن در محل، دارای قابلیت ضد خوردگی عالی است که مشابه روغن برند D استفاده شده در بخش قبلی است. همچنین این احتمال وجود دارد که مقدار مشخصی پسیو کننده فلز به روغن اضافه شده باشد.

ظاهر نمونه‌های روغن و مورفولوژی سطح هادی مس پس از آزمایش خوردگی
شکل ۱۶: ظاهر نمونه‌های روغن و مورفولوژی سطح هادی مس پس از آزمایش خوردگی

جمع‌بندی

در این مطلب، تشخیص گوگرد خورنده در روغن ترانسفورماتور با استفاده از طیف سنجی رامان مورد بررسی قرار گرفت. مشخص گردید که حد تشخیص با این روش به ۷/۹۸ میلی گرم بر کیلوگرم (ppm) می‌رسد که نیازهای شرایط عملی را برآورده می‌کند. علاوه بر این، با استفاده از یک منبع لیزر با قدرت بالاتر و آشکارساز حساس‌تر متناسب با نیاز، می‌توان حد تشخیص را تا یک مرتبه (ppm) 1 بهبود بخشید. تشخیص حساس و دقیق روش رامان در آنالیز نمونه‌های در محل و نمونه‌های آزمایشگاهی نشان می‌دهد که نتایج آن تطابق خوبی با روش‌های سنتی مانند روش GC دارند. دستگاه تشخیص مبتنی بر رامان را می‌توان در محل ترانسفورماتور برای پایش برخط استفاده نمود تا عملکرد و طول عمر ترانس، افزایش چشمگیری داشته باشد. به طور کلی روش رامان از اهمیت نظری و چشم انداز کاربردی بی‌نظیری در این صنعت برخوردار است. برای دریافت اطلاعات بیشتر می‌توانید با کارشناسان تکسان در ارتباط باشید.

منابع

مطالب مرتبط
0
افکار شما را دوست دارم، لطفا نظر دهیدx
()
x