Jak prawa gazowe pomagają zrozumieć DGA i przewidzieć problemy zanim pojawi się dym (dosłownie).

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

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.

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

W świecie transformatorów, gdzie precyzja może decydować o milionach, prawo gazu doskonałego nie jest tylko szkolnym wzorem – to fundament, na którym opiera się cała logika analizy DGA (Dissolved Gas Analysis).

Równanie stanu:

PV = nRT

można traktować jak matematyczne DNA zachowania się gazów wewnątrz transformatora. I choć transformator nie jest próżniową kolbą laboratoryjną, to jego wnętrze – zwłaszcza układ olej–gaz – działa zgodnie z tym samym fizycznym schematem.

Co oznaczają poszczególne symbole?

• P – ciśnienie gazu: to, jak mocno gaz „naciska” na otoczenie.

  W transformatorze będzie to ciśnienie cząstkowe poszczególnych gazów w rozpuszczonym stanie lub nad powierzchnią oleju.

• V – objętość, którą gaz zajmuje. Nawet jeśli gazy są rozpuszczone w oleju.

  Ich objętość molowa odgrywa rolę przy szacowaniu ilości powstałego gazu.

• n – liczba moli gazu.

  To klucz do zrozumienia, ile dokładnie wodoru, metanu, acetylenu czy tlenków węgla powstało w wyniku reakcji.

• R – stała gazowa. Stała, a jednak nie do pominięcia.

  To uniwersalna wartość, która łączy wszystkie zmienne w jedną logiczną całość.

• T – temperatura. W transformatorach często niejednorodna.

  „Hot spots” lokalnie mogą sięgać nawet 200°C.

Jak to działa w praktyce?

Załóżmy, że w wyniku zwarcia pojawiła się mikroskopijna ilość acetylenu. Zmierzona jego koncentracja w oleju to jedno. Ale dopiero znając temperaturę w danym obszarze oraz warunki ciśnieniowe, można policzyć, ile tego gazu faktycznie powstało.

I co ważniejsze – czy jego ilość wskazuje na chwilowe przegrzanie, czy może długotrwałą degradację celulozy?

Równanie gazu doskonałego pozwala „cofnąć się w czasie” – wyciągnąć wnioski o przyczynach na podstawie skutków, czyli wykrytych gazów.

Transformator jako reaktor chemiczny

Pomyśl o transformatorze jak o zamkniętym układzie, w którym każda zmiana temperatury lub objętości wpływa na stan gazów.

Przegrzanie zwiększa T, co z kolei – przy stałej objętości – zwiększa P.

To właśnie dlatego pomiar gazów musi być zestawiany z danymi o temperaturze. Bez tego, interpretacja DGA byłaby jak prognozowanie pogody na podstawie chmur – zbyt wiele niewiadomych.

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

Wyobraź sobie zimną Coca-Colę prosto z lodówki.

Po otwarciu słyszysz syk – to dwutlenek węgla, który ucieka z cieczy. Teraz zostaw tę samą butelkę na słońcu. Efekt? Gaz ulatnia się szybciej, napój staje się „płaski”.

Dokładnie ten sam mechanizm działa w transformatorach. Rządzi nim prawo Henry’ego, jedno z najbardziej niedocenianych, a zarazem kluczowych zjawisk dla interpretacji DGA.

Co mówi nam prawo Henry’ego?

W najprostszej formie:

C = kH ⋅ P

• C – stężenie gazu rozpuszczonego w cieczy (mol/m³),

• k_H – stała Henry’ego, zależna od rodzaju gazu i temperatury,

• P – ciśnienie cząstkowe gazu nad cieczą.

W praktyce oznacza to tyle, że im wyższe ciśnienie gazu, tym więcej rozpuści się go w oleju. Ale! To tylko połowa prawdy – bo stała Henry’ego spada wraz z temperaturą, a więc im cieplej, tym mniej gazu może pozostać w cieczy.

Jak to działa w transformatorze?

Załóżmy, że mamy lokalne przegrzanie izolacji celulozowej – generuje się CO i CO₂. Te gazy częściowo rozpuszczają się w oleju, a częściowo unoszą się do przestrzeni nadolejowej. Jeżeli temperatura transformatora rośnie, nawet nieznacznie, maleje zdolność oleju do zatrzymywania gazów. W efekcie więcej CO ucieka do „główki”, a jego koncentracja w oleju pozornie maleje, mimo że proces degradacji może się nasilać.

Uwaga! To pułapka interpretacyjna. Brak gazu nie zawsze oznacza brak uszkodzenia – może oznaczać tylko, że gaz zdążył już się ulotnić.

Każdy gaz „lubi” co innego

Różne gazy mają różne wartości k_H:

• Wodór (H₂) – bardzo słabo rozpuszczalny, szybko ucieka z oleju,

• Dwutlenek węgla (CO₂) – relatywnie dobrze rozpuszczalny, „zostaje” dłużej,

• Acetylen (C₂H₂) – mało trwały, ale wykrywalny przy uszkodzeniach łukowych.

Dzięki znajomości tych właściwości, inżynierowie są w stanie lepiej określić, czy dany gaz dopiero się pojawił, czy też system próbkujący zarejestrował go z opóźnieniem.

Interpretacja z fizyką w tle

W codziennej praktyce DGA przydaje się nie tylko znajomość wartości granicznych, ale też zrozumienie fizycznego tła:

• Temperatura oleju – czy była stabilna w ostatnich dniach?

• Czas od ostatniego zdarzenia – czy gaz miał czas się rozpuścić lub wydzielić?

• Czy pomiar online różni się znacząco od próbki laboratoryjnej?

Prawo Henry’ego nie daje nam gotowej odpowiedzi, ale pokazuje, że gaz to nie cyfry – to zjawisko fizyczne, które reaguje na zmienne środowisko. I właśnie to rozumienie buduje przewagę w analizie stanu transformatora.

3. Co się dzieje, gdy temperatura rośnie?

Temperatura to nie tylko tło dla procesów w transformatorze – to ich główny katalizator. Od niej zależy, czy reakcje chemiczne ruszą lawinowo, czy pozostaną w uśpieniu. Dla interpretacji DGA zrozumienie wpływu temperatury to absolutna podstawa. Bo to właśnie ona decyduje o tym, ile gazów powstaje, jak szybko się przemieszczają i jak długo pozostają rozpuszczone w oleju.

Ciepło jako zapalnik reakcji gazotwórczych

Wewnątrz transformatora występują zróżnicowane warunki termiczne. Kluczowe znaczenie mają tzw. „hot spots”, czyli lokalne punkty o podwyższonej temperaturze – czasem przekraczające 200°C. To właśnie tam dochodzi do:

• pirolizy izolacji celulozowej (efekt: CO, CO₂),

• termicznego rozkładu oleju (efekt: CH₄, C₂H₆),

• tworzenia etylenu i acetylenu w skrajnych temperaturach (powyżej 500°C przy zwarciach łukowych).

Wzrost temperatury nie tylko inicjuje procesy gazotwórcze, ale też zwiększa ich intensywność.

Zgodnie ze wzorem Arrheniusa:

k = A ⋅ e − Ea/RT

gdzie:

• k – szybkość reakcji,

• A – stała częstości,

• Eₐ – energia aktywacji,

• R – stała gazowa,

• T – temperatura w skali Kelvina.

Im wyższa temperatura, tym mniejsza wartość ułamka wykładniczego, a więc tym szybsza reakcja. Oznacza to, że nawet niewielki wzrost temperatury (np. z 120 do 150°C) może wielokrotnie zwiększyć tempo powstawania gazów.

Temperatura a rozpuszczalność gazów

Wysoka temperatura nie tylko tworzy gaz – ale też wpływa na jego zachowanie w oleju. Wróćmy na chwilę do prawa Henry’ego: wyższa temperatura oznacza mniejszą rozpuszczalność gazu w cieczy. W praktyce oznacza to, że przy podgrzaniu układu:

• więcej gazu ucieka z oleju do przestrzeni nadolejowej,

• zmniejsza się stężenie rozpuszczonego gazu – co może fałszywie sugerować „uspokojenie sytuacji”,

• rośnie ciśnienie cząstkowe nad cieczą – co wpływa na dalsze reakcje wtórne.

Interpretacyjne pułapki

DGA wykonana w czasie pracy transformatora (np. w upalny dzień) może dać inne wyniki niż ta sama analiza wykonana po jego schłodzeniu. Dlatego każdy odczyt należy zestawiać z danymi temperaturowymi: z czujników online, historii termicznej, a najlepiej – z estymowanych temperatur punktów gorących (hot spot temperature estimate, HST).

Bez tego ryzykujemy mylną interpretację:

• niska koncentracja gazów przy wysokiej temperaturze nie musi oznaczać braku zagrożenia,

• z kolei nagły wzrost gazów przy obniżeniu temperatury może wskazywać na wcześniejsze ukryte procesy.

  ---

Zależności, które trzeba znać

Praktyczna diagnostyka DGA wymaga znajomości nie tylko norm, ale i fizycznych zależności:

• Tempo tworzenia gazów – rośnie wykładniczo z temperaturą,

• Rozpuszczalność – spada z temperaturą,

• Ciśnienie cząstkowe – rośnie z temperaturą przy stałej objętości.

Te trzy zjawiska razem tworzą dynamiczny system, którego nie da się zrozumieć wyłącznie poprzez tabelę z progami alarmowymi.

Dopiero uwzględnienie roli temperatury pozwala zobaczyć pełny obraz i przewidzieć potencjalne scenariusze rozwoju uszkodzenia.

4. Dalton i mieszanka gazów

W przeciwieństwie do laboratorium, w transformatorze nigdy nie mamy do czynienia z jednym gazem. Procesy degradacyjne wytwarzają całą gamę związków – od lekkiego wodoru po złożone węglowodory.

Dlatego zamiast analizować każdy gaz osobno, warto zrozumieć, jak zachowują się razem. Tutaj z pomocą przychodzi prawo Daltona, jedno z kluczowych praw gazowych w kontekście DGA.

Co mówi prawo Daltona?

Ptotal = P1 + P2+ ⋯ + Pn

Oznacza to, że całkowite ciśnienie gazu nad cieczą (czyli np. w przestrzeni nadolejowej transformatora) to suma ciśnień cząstkowych wszystkich jego składników.

Każdy gaz wnosi swoją „porcję” do całkowitego ciśnienia – proporcjonalnie do liczby moli obecnych w mieszaninie.

Dlaczego to ważne? Bo w transformatorze to właśnie ta mieszanina gazów – i ich dynamiczne proporcje – dostarcza informacji o rodzaju i intensywności uszkodzenia.

Mieszanka jako odcisk palca uszkodzenia

Analizując skład mieszaniny gazów, możemy wskazać na dominujące mechanizmy degradacyjne:

• Przewaga wodoru (H₂) i metanu (CH₄) sugeruje wyładowania niezupełne,

• Obecność acetylenu (C₂H₂) – jednoznaczny wskaźnik iskrzenia łukowego,

• Wysoki poziom CO i CO₂ – oznaka degradacji celulozy papierowej w izolacji,

• Zwiększony udział etylenu (C₂H₄) – typowy dla przegrzewania.

Prawo Daltona umożliwia modelowanie zmienności ciśnień cząstkowych w czasie.

To z kolei pomaga wykryć, czy któryś z gazów ulega przyspieszonemu wzrostowi – co może wskazywać na eskalację uszkodzenia, zanim jego skutki staną się widoczne na wykresach sumarycznych.

Dynamika ulatniania gazów

Każdy gaz z mieszaniny ma inny współczynnik rozpuszczalności (prawo Henry’ego), ale to właśnie prawo Daltona determinuje, który gaz jako pierwszy zacznie się ulatniać z cieczy.

Te o wyższym ciśnieniu cząstkowym (np. wodór) szybciej osiągną stan równowagi między fazą olejową a gazową – i będą szybciej znikać z systemu.

To wyjaśnia, dlaczego w próbkach laboratoryjnych nie zawsze znajdziemy pełne spektrum gazów obecnych chwilę wcześniej.

Brak danego gazu w próbce niekoniecznie oznacza jego brak w transformatorze – może po prostu ulega on szybkiemu rozprężaniu lub został wcześniej wydzielony i odprowadzony.

Interpretacja zmian proporcji gazów

W praktyce diagnostycznej stosuje się tzw. testy stosunków gazów, np. metody Dornenburga czy Rogera. To właśnie dzięki prawu Daltona te metody mają sens: pozwalają ocenić nie tylko, ile gazu powstało, ale w jakiej relacji pozostają do siebie różne składniki mieszaniny.

Zauważalna zmiana stosunku np. C₂H₂ do CH₄ może wskazywać na zmianę charakteru awarii – np. przejście od przegrzewania do iskrzenia.

Jeśli natomiast proporcje gazów pozostają stabilne, a ich stężenie rośnie równomiernie – mamy do czynienia z rozwojem tego samego typu defektu.

Wnioski praktyczne

• Nie analizuj gazów w izolacji – kontekst mieszaniny ma znaczenie,

• Zwracaj uwagę na zmiany proporcji – są bardziej wymowne niż wartości bezwzględne,

• Jeśli któryś gaz zniknął z próbki – sprawdź ciśnienie, temperaturę i historię pomiarową. Może po prostu opuścił układ.

Prawo Daltona daje narzędzie do całościowego spojrzenia na układ gazów – nie tylko jako pojedynczych wskaźników, ale jako dynamicznego systemu, w którym każda zmiana ma swoje przyczyny i konsekwencje.

5. Dyfuzja – czyli gaz nigdy nie śpi

Gazy w transformatorze nie są biernymi wskaźnikami awarii. To aktywne, przemieszczające się cząsteczki, które nawet po ustaniu zjawisk gazotwórczych nadal „żyją swoim życiem” – powoli rozchodząc się po układzie, osiągając równowagę, znikając z próbek lub pojawiając się tam, gdzie ich wcześniej nie było. Tym właśnie rządzi dyfuzja, opisana precyzyjnie przez pierwsze prawo Ficka.

Co mówi prawo Ficka?

J = −D ⋅ dc/dx

Gdzie:

• J – strumień dyfuzyjny (ilość moli przemieszczających się przez jednostkę powierzchni w czasie),

• D – współczynnik dyfuzji (charakterystyczny dla danego gazu i medium),

• dc/dx – gradient stężenia gazu (różnica stężeń w przestrzeni).

W skrócie: gaz przemieszcza się z miejsca, gdzie jest go więcej, do miejsca, gdzie jest go mniej – a im większa różnica, tym szybszy ruch.

Co to oznacza w praktyce?

W transformatorze nie istnieje coś takiego jak „stały skład gazów” – szczególnie w systemach z dużą objętością oleju. Nawet jeśli uszkodzenie miało miejsce w jednym miejscu (np. lokalne zwarcie), to wygenerowane gazy będą powoli rozchodzić się po całym układzie.

Jeśli pobierzemy próbkę z innego miejsca niż źródło uszkodzenia – wyniki mogą być zaniżone.

Jeśli poczekamy zbyt długo z analizą – część gazów może zdążyć się ulotnić lub przemieścić, rozmywając sygnał alarmowy.

Znaczenie czasu – DGA nie zawsze jest tu i teraz

To, co mierzymy w próbce, to obraz układu w danym momencie. Ale dyfuzja oznacza, że układ zmienia się cały czas – i to nawet po zakończeniu reakcji gazotwórczych. W praktyce oznacza to kilka kluczowych zaleceń:

• Pomiar bezpośrednio po awarii daje inny profil niż ten wykonany tydzień później,

• Im mniejszy transformator, tym dyfuzja szybciej wyrównuje stężenia,

• W systemach online możliwe jest śledzenie dynamiki – w klasycznej analizie laboratoryjnej obserwujemy już tylko „uśredniony efekt”.

Dlaczego dyfuzja ma znaczenie dla interpretacji?

Wyobraźmy sobie transformator, w którym doszło do przegrzania i powstania etylenu (C₂H₄). Gdy tylko temperatura spada, proces gazotwórczy ustaje, ale etylen nadal przemieszcza się przez olej. Jeśli pomiar wykonano z opóźnieniem, gaz będzie już częściowo rozproszony lub nawet wydzielony do przestrzeni nadolejowej.

Efekt? Pomiar wskazuje na niższą koncentrację, niż była w rzeczywistości w chwili uszkodzenia.

To samo dotyczy wodoru – bardzo lekkiego, słabo rozpuszczalnego, z tendencją do szybkiej dyfuzji. Jeśli pomiar nie nastąpi w odpowiednim czasie, wodór może zostać błędnie zinterpretowany jako nieobecny – mimo że był jednym z pierwszych sygnałów awarii.

Praktyczne wnioski

• Interpretuj DGA z uwzględnieniem czasu i lokalizacji próbki,

• Korzystaj z systemów online tam, gdzie to możliwe – dają pełniejszy obraz dynamiki zmian,

• Rozumiej, że brak gazu nie zawsze oznacza brak problemu – może to być efekt dyfuzji lub ulotnienia.

Prawo Ficka pozwala lepiej zrozumieć, jak układ „czyści się” z gazów i jak szybko informacje o uszkodzeniach mogą się zacierać.

To fizyka, która działa nieustannie – nawet wtedy, gdy wydaje się, że wszystko już wróciło do normy.

Razem interpretujmy dane, które mają znaczenie

W świecie, w którym liczy się szybkość decyzji, a nie ich liczba – dostęp do rzetelnych danych staje się jedną z najważniejszych przewag. Ale dane same w sobie nie wystarczą.

Dopiero ich właściwa interpretacja – oparta na fizyce, zrozumieniu procesów i realnym doświadczeniu – tworzy wartość, która pozwala chronić, optymalizować i planować przyszłość infrastruktury energetycznej.

Dlatego dziś – zamiast pytać, czy DGA „coś pokazuje” – pytamy: co dokładnie pokazuje i jak możemy działać mądrzej dzięki tej wiedzy?

W Energeks wierzymy, że każde urządzenie sieciowe – od transformatora po magazyn energii – zasługuje na równie precyzyjne podejście, jak najnowocześniejsze systemy IT. Diagnostyka nie musi być sztuką interpretacyjną – może być oparta na nauce, przewidywalna i transparentna. A to właśnie umożliwia zrozumienie praw gazowych, które omówiliśmy w tym artykule.

Jako jeden z liderów w dostawie transformatorów średniego napięcia i stacji transformatorowych w Europie, codziennie towarzyszymy naszym klientom w podejmowaniu decyzji, które mają długoterminowe konsekwencje – techniczne, finansowe i środowiskowe.

Dlatego nasza oferta stale się rozszerza:
➤ Nowoczesne transformatory i kompletne stacje transformatorowe
➤ Magazyny energii, falowniki i systemy ładowania pojazdów elektrycznych
➤Technologie dla farm fotowoltaicznych i sektora OZE – wydajne, bezpieczne i gotowe na przyszłość.

Z dumą wspieramy inwestorów, projektantów, jednostki samorządowe i integratorów technologii w tworzeniu rozwiązań, które działają nie tylko dziś – ale również jutro.

Technologie to narzędzie. Ludzie i wartości to kierunek.

Skontaktuj się z nami, jeśli chcesz omówić swoje wyzwanie – jesteśmy tu po to, by dzielić się doświadczeniem i wspólnie znajdować najlepsze rozwiązania.
A jeśli chcesz być częścią naszej sieci wiedzy i wymiany inspiracji – zapraszamy:
➤ Dołącz do społeczności Energeks na LinkedIn

Dziękujemy, że jesteś z nami – razem tworzymy infrastrukturę, która nie tylko działa, ale… uczy się, reaguje i rozwija razem z Tobą.

Źrodła:
Transformers Magazine vol.12