Co Archimedes i butelka Coca-Coli mogą powiedzieć o stanie Twojego transformatora?

czas czytania: 3 minuty

Jeśli zajmujesz się diagnostyką transformatorów, projektujesz stacje lub zarządzasz infrastrukturą energetyczną, zrozumienie podstawowych praw gazowych może odmienić Twoje podejście do DGA – z intuicyjnego na naukowo precyzyjne.

A to różnica, która może zaoszczędzić miliony – nie przez "cięcie kosztów", lecz przez trafniejsze decyzje techniczne.

Zanurz się w świat, gdzie gaz mówi prawdę o kondycji milionowych inwestycji. Poznaj prawa, które nie są ani magią, ani sztuką – tylko czystą fizyką.

 

 

Dlaczego mówimy o prawach gazowych?

DGA (Dissolved Gas Analysis) to coś więcej niż „czucie i wiara". To analiza rozpuszczonych gazów w oleju transformatorowym, która potrafi wykryć mikroskopijne zmiany, zanim dojdzie do awarii. Ale by naprawdę zrozumieć, co te gazy mówią – warto zacząć od praw fizyki, które rządzą ich zachowaniem.

Idealny gaz to nie mit. Nawet jeśli rzeczywistość jest bardziej skomplikowana, równania gazu doskonałego (ideal gas law) dostarczają punktu wyjścia do rozumienia dyfuzji, ciśnienia cząstkowego i równowagi w systemie olej–gaz.

 

 

Czym właściwie jest analiza rozpuszczonych gazów (DGA)?

Dissolved Gas Analysis, czyli analiza rozpuszczonych gazów, to metoda diagnostyczna wykorzystywana w transformatorach zanurzonych w oleju. Jej celem jest wykrycie śladowych ilości gazów powstających w wyniku uszkodzeń termicznych lub elektrycznych. Gazy te rozpuszczają się w oleju izolacyjnym i są swoistymi „odciskami palców" różnych rodzajów degradacji – zanim cokolwiek stanie się widoczne gołym okiem.

 

Jakie gazy bada DGA?

Najczęściej monitorowanych jest 7 kluczowych gazów:

1. Wodór (H₂) – wskazuje na wczesne przebicia i wyładowania niezupełne,
2. Tlenek węgla (CO);
3. i dwutlenek węgla (CO₂) – związane z degradacją papieru izolacyjnego,
4. Metan (CH₄);
5. i etan (C₂H₆) – oznaki przegrzewania oleju,
6. Etylen (C₂H₄) – wyższe temperatury, często powiązane z gorącymi punktami,
7. Acetylen (C₂H₂) – znak łuków elektrycznych (najgroźniejszy typ defektu).

 

 

Jakie są standardy i testy gazowe?

ASTM D3612 to międzynarodowy standard określający metody ekstrakcji i pomiaru gazów z oleju transformatorowego. Uzupełniają go normy takie jak IEC 60567 oraz IEC 60599, które klasyfikują typy defektów na podstawie proporcji gazów.

 

Często mówi się też o „trzech testach gazowych" w DGA, czyli:

1. Test stosunków gazów (Rogers Ratio lub Dornenburg) – porównywanie proporcji wybranych gazów,
2. Trójkąt Duvala – wizualna metoda klasyfikacji uszkodzeń na podstawie trzech dominujących gazów,
3. Test graniczny – ocena, czy stężenie konkretnego gazu przekracza ustalone progi alarmowe.

 

1. Prawo gazu doskonałego – podstawa wszystkiego

Równanie stanu gazu doskonałego:

• PV = nRT

 

Gdzie:

P – ciśnienie gazu (Pa),

V – objętość (m³),

n – liczba moli gazu,

R – uniwersalna stała gazowa (8.314 J/mol·K),

T – temperatura bezwzględna (K).

 

W transformatorze:

„P" to ciśnienie cząstkowe danego gazu w oleju,

„n" pozwala określić, ile gazu się wydzieliło – czyli ile powstało wodoru, acetylenu, metanu czy tlenków węgla,

„T" i „V" zależą od warunków pracy, np. przegrzewania izolacji czy łuków elektrycznych.

 

 

2. Henry, czyli ile gazu „lubi" się rozpuszczać?

Prawo Henry'ego opisuje rozpuszczanie się gazów w cieczy:

• C = kH ⋅ P

 

Gdzie:

C – stężenie gazu w cieczy (mol/m³),

k_H – stała Henry'ego dla danego gazu i temperatury,

P – ciśnienie cząstkowe gazu nad cieczą.

To właśnie to prawo wyjaśnia, dlaczego wodór lubi uciekać z oleju, a dwutlenek węgla rozpuszcza się łatwiej.

Wniosek praktyczny: przy interpretacji DGA nie patrz tylko na ilość gazu, ale też na jego rozpuszczalność i temperaturę pracy transformatora.

 

3. Co się dzieje, gdy temperatura rośnie?

Zarówno w równaniu stanu gazu, jak i w prawie Henry'ego – temperatura to kluczowy gracz.

Im wyższa temperatura, tym mniej gazu rozpuszcza się w oleju (stała Henry'ego maleje),

A jednocześnie zwiększa się ciśnienie cząstkowe, co oznacza większą tendencję do ulatniania się gazów.

Dlatego przy gorących punktach (hot-spots), DGA „wariuje" – ale nie dlatego, że dzieje się coś złego, tylko dlatego, że... fizyka działa.

Wzór Arrheniusa, opisujący zależność stałych reakcji chemicznych od temperatury, również ma tu zastosowanie – bo powstawanie gazów to efekt reakcji chemicznych w wyniku przegrzania, łuków lub rozkładu izolacji.

 

4. Dalton i mieszanka gazów

Prawo Daltona:

 

• Ptotal = P1 + P2 + ... +Pn

Czyli: ciśnienie całkowite to suma ciśnień cząstkowych wszystkich składników mieszanki.

W praktyce DGA:

- Każdy gaz ma swoje ciśnienie cząstkowe,

- To one determinują, jak szybko gaz się ulotni z oleju do „główki" transformatora (przestrzeni nad olejem),

-  Analizjąc zmiany proporcji gazów w czasie, możemy wnioskować o źródle uszkodzenia (np. lokalnym zwarciu czy utlenieniu celulozy).

 

 

5. Dyfuzja – czyli gaz nigdy nie śpi

Proces dyfuzji w oleju izolacyjnym jest powolny, ale nieustanny. Zgodnie z pierwszym prawem Ficka:

• J=−D ⋅ dc/dx

 

Gdzie:

J – strumień dyfuzyjny (mol/m²·s),

D – współczynnik dyfuzji gazu w oleju,

dc/dx – gradient stężenia.

Dlaczego to ważne?

Bo DGA wykonana tuż po awarii będzie różnić się od tej kilka tygodni później. Gazy potrzebują czasu, by się rozpuścić, przemieścić i osiągnąć równowagę.

 

Zastosowanie – jak to wszystko wpływa na interpretację DGA?

Nie oceniaj gazów w oderwaniu od temperatury i ciśnienia.

Zwracaj uwagę na stałe Henry'ego – każdy gaz ma inną.

Porównuj dane dynamicznie – np. z pomiarami online.

Uwzględnij czas, jaki minął od potencjalnej awarii – to wpływa na dyfuzję.

Dzięki tym zasadom DGA przestaje być „magiczna" – a zaczyna być precyzyjna, jak matematyka.

 

Chcesz więcej?

PEŁNA WERSJA TEGO ARTYKUŁU JUŻ WKRÓTCE NA NASZYM BLOGU!

Obserwuj nas na LinkedIn, na pewno nie przegapisz najświeższych aktualizacji i wiadomości ze świata elektroinżynierii.

Sprawdź naszą ofertę w tym diagnostyki, zapytraj o transformatory dostępne od ręki na 5 letniej gwarancji, z pełną dokumentacją, gotowe do pracy.

Nie musisz być chemikiem ani fizykiem jądrowym, by zrozumieć, że gaz ma swoje prawa. Wystarczy znać kilka równań i... zadawać lepsze pytania. 

W świecie transformatorów to właśnie lepsze pytania prowadzą do mądrzejszych decyzji.