變壓器注油工藝對油色譜影響實例分析

徐康健，郭素萍

（金華電業(yè)局，浙江 金華 321001）

正常情況下變壓器油中很少會出現(xiàn)乙炔。一般認為，乙炔是油在高溫下（800～1200℃）發(fā)生熱解的產(chǎn)物。因此，乙炔成為判斷變壓器內(nèi)部各種放電性故障最有價值的特征氣體。鑒于放電性故障對設備危害的嚴重性，電力運行部門對油中乙炔的重視程度遠高于其它特征氣體。然而，油中出現(xiàn)乙炔并不等于設備內(nèi)部一定存在故障，為避免誤判，必須查明其來源。本文結(jié)合1臺35 kV主變吊芯作業(yè)期間油中出現(xiàn)乙炔事例進行分析。

1 乙炔來源的排查

某主變（型號S7－6300/35）進行吊芯檢查期間，油處理過程如下：先從變壓器本體取油樣，然后用壓力式濾油機將變壓器內(nèi)的油排到油罐中。當日變壓器吊芯工作完成后，又將油罐中的油用同一臺濾油機從變壓器底部的進油口注回到變壓器油箱，注油過程中未對變壓器內(nèi)部抽真空；次日再次對主變?nèi)∮蜆印Ｓ蜆臃治鼋Y(jié)果顯示，變壓器吊芯前的油樣中乙炔含量為零，吊芯后的油樣中乙炔含量為2.10 μL/L，吊芯前后油中溶解氣體含量測定值見表1。

一般認為，變壓器在停電大修期間，能使油中出現(xiàn)乙炔的途徑可能有：

（1）補充油未做色譜分析，將含有乙炔的油補加到變壓器中。

（2）對變壓器器身或附件進行過焊接作業(yè)，焊區(qū)的高溫使附近的油發(fā)生熱解產(chǎn)生乙炔。

（3）有載調(diào)壓開關在檢修后發(fā)生了滲漏，使含有乙炔的油進入變壓器本體。

（4）電氣試驗中變壓器內(nèi)部發(fā)生放電故障。

（5）現(xiàn)場油處理設備引起。如濾油機故障引起油過熱分解產(chǎn)生乙炔，或油罐、濾油機中的殘油含有乙炔，使用前又未處理干凈。

表1 主變吊芯前后油中溶解氣體含量測定值

由于本例中的變壓器無有載調(diào)壓開關，也未補充過油或進行過焊接作業(yè)，且取油樣是在電氣試驗之前，故可將這些因素排除。

所使用的壓力式濾油機經(jīng)檢查未見異常，而且該濾油機在后來的使用中也證明并無故障。此外，油處理設備(油罐及濾油機等)使用前，也未接觸過含有乙炔的油。所以也可排除現(xiàn)場油處理設備的因素。

經(jīng)過排查,最后認為這臺變壓器油產(chǎn)生乙炔的原因比較少見，應是注油過程中發(fā)生油流靜電放電引起。

2 油流靜電的形成

變壓器的油流靜電(或帶電)現(xiàn)象多見于強迫油循環(huán)的大型變壓器中。因為這類變壓器在運行中油的循環(huán)流速較高，油品的不斷流動中使油流與變壓器內(nèi)的固體絕緣物如絕緣紙、層壓板等相互摩擦而產(chǎn)生正負電荷，這些電荷在固體絕緣物表面和油中以相應的能量級積聚。盡管同時也存在正負電荷的中和及電荷對地泄漏，但如果電荷的積累速度大于電荷的泄漏及中和速度，油或固體絕緣材料表面所積累的電荷量達到一定程度后，所產(chǎn)生的電場強度超過了絕緣油的擊穿場強，就會在油中或固體絕緣表面發(fā)生靜電放電。

此外，變壓器在注油過程中，油分子之間、油品與輸油管之間的摩擦也會產(chǎn)生靜電，其靜電電壓隨著摩擦的加劇而增大，如不及時消除，當電壓增高到一定程度后，就會發(fā)生靜電放電。

影響油流帶電程度的因素很多，最主要的是油的流速，流速越高帶電越嚴重。其次，固體絕緣物的種類及表面形態(tài)、油流狀態(tài) （層流或湍流）、油溫及油的帶電傾向性能 （與油的成分及老化程度等因素有關）對油流帶電也有很大影響。

3 乙炔異常分析

3.1 對注油工藝的要求

有關變壓器檢修的標準[1]一般要求220 kV及以上變壓器必須進行真空注油，其他變壓器有條件時也應采用真空注油。真空注油一般按下述要求進行：

（1）注油前先對變壓器油箱進行抽真空脫氣、脫水，真空度達到規(guī)定值并保持2 h后，開始向變壓器油箱內(nèi)注油，油溫宜略高于器身溫度。

（2）注油時應繼續(xù)抽真空，以3～5 t/h的速度將油從油箱底部的進油口注入，當油位升至距箱頂約200 mm時停止，并繼續(xù)抽真空保持2 h（110 kV）或 4 h（220 kV）以上。 然后停止抽真空，并將余下的油從油枕注入。

3.2 發(fā)生靜電放電的條件

該次作業(yè)中所用的濾油機流速為200 L/min，相當于10 t/h，遠超過了有關標準的要求，而該變壓器油量很小 （2.7 t），底部進油口的口徑較小，這就出現(xiàn)了濾油機出油管口徑大于變壓器的進油口口徑，油在變壓器入口處的流速比正常情況下更高的現(xiàn)象。而心式變壓器容易出現(xiàn)靜電放電的部位也是這一區(qū)域[2]。為進一步了解該變壓器油的帶電傾向性能，對其與油庫中經(jīng)過濾合格的25號新油進行了油流帶電度對比試驗，結(jié)果顯示該變壓器油的油流帶電度（134.2 pC/mL）明顯高于新油（16.8 pC/mL）。因此這臺變壓器在注油中具備了發(fā)生油流放電的條件。

3.3 靜電放電的產(chǎn)氣特征

變壓器油的靜電放電屬低能量放電，其產(chǎn)生的特征氣體主要是氫和乙炔，其次是甲烷和乙烯。從表1可知，吊芯后油中烴類氣體含量比吊芯前略有增加，但氫、一氧化碳和二氧化碳的含量反而有不同程度的下降，這是否符合靜電放電的特征呢？

吊芯過程中變壓器油雖未進行真空脫氣，但有較長時間暴露在大氣中，油中部分溶解氣體的逃逸不可避免，油中原有的特征氣體含量因此大幅下降。注油時發(fā)生靜電放電新產(chǎn)生的特征氣體同樣也會從油中逸出。由此可見，該主變的產(chǎn)氣特征還需做進一步分析。

變壓器中的油從封閉狀態(tài)變?yōu)榕c大氣接觸的開放狀態(tài)后，油中特征氣體含量將會下降，但下降的幅度不同氣體各不相同，與氣體在油中的溶解系數(shù)有密切關系。

氣體溶解系數(shù)（或稱分配系數(shù)）的定義可以表述為：在一定的溫度和壓力下，密封容器中的氣、液兩相達到平衡后，氣體組分在液相中的濃度與其在氣相中的濃度之比為一定值，該值即為氣體的溶解系數(shù)。顯然，如果在氣、液接觸前氣相為空白氣體 （即不含分析對象的氣體），則氣體組分的溶解系數(shù)越小，氣、液兩相平衡后油中該組分的濃度將下降越多，即該組分從液相中轉(zhuǎn)移到氣相中的比例越大；反之亦然。所以，當油暴露在大氣中時，雖然氣、液兩相不能達到平衡，但并不影響用氣體溶解系數(shù)來衡量各氣體組分從油中逸出的難易程度（或比例大小）。表2給出了50℃時國產(chǎn)變壓器油各氣體組分的氣體溶解系數(shù)。

表2 50℃時國產(chǎn)變壓器油的氣體溶解系數(shù)

3.4 特征氣體含量分析

從表2看出，7種氣體組分中氫的溶解系數(shù)最小（0.06），意味著氫最容易從油中逸出。為便于分析，對氣、液平衡過程油中氫濃度的變化做一估算。

假設一封閉系統(tǒng)保持溫度(50℃)、壓力(101.3 kPa)不變，系統(tǒng)內(nèi)加入一定量氫濃度為X的試油和一定量的空白氣（如氮氣）；在氣、液兩相平衡后，使液相（油）與氣相的體積相等，均為V，此時液相和氣相中的氫濃度分別設為Cl和Cg。則在平衡狀態(tài)下式（1）成立：

根據(jù)氣體溶解系數(shù)定義：

將式（2）代入式（1），并整理后得：

式（3）表明，密封系統(tǒng)中氣、液兩相達到平衡后，若兩相體積相等，留在油中的氫濃度僅為原來的5.6%。由此不難推知，若氣相體積大于液相，則油中氫濃度還將下降更多。

在非密封環(huán)境中，因氣、液兩相難以達到平衡，油中的氫將持續(xù)向大氣中轉(zhuǎn)移；倘若油與大氣的接觸面積足夠大、接觸時間足夠長，則油中氫濃度的下降幅度將非常大。鑒于該變壓器吊芯前油中氫含量僅為12 μL/L，由以上分析可以判斷，吊芯后油中原有的氫應所剩無幾；而注油中因靜電放電產(chǎn)生的氫同樣也會有相當一部分逃逸，吊芯后油中氫含量比以前略有下降也在情理之中。

一氧化碳和二氧化碳的溶解系數(shù)較小，這表明在吊芯過程中，油中的一氧化碳和二氧化碳會有相當一部分逸散到大氣中 （尤其是一氧化碳）。靜電放電倘若涉及到固體絕緣，可能會產(chǎn)生一定量的一氧化碳和二氧化碳，但由于二者原來在油中含量很大（尤其是二氧化碳），增量的影響相對而言是微不足道的。油中發(fā)生靜電放電而一氧化碳和二氧化碳含量不增反降的現(xiàn)象應屬正常。

從表1、表2可知，烴類氣體溶解系數(shù)的大小排序是 CH4＜C2H2＜C2H4＜C2H6， 吊芯后油中乙炔含量由零增至2.1 μL/L，其它烴類氣體含量的增幅排序是CH4＞C2H4＞C2H6；據(jù)此綜合考慮，可以認為完全符合靜電放電產(chǎn)生烴類氣體所具有的特點。

4 結(jié)語

根據(jù)實例分析，得出變壓器注油過程中產(chǎn)生乙炔的原因。因此，變壓器注油要嚴格遵守相關工藝標準要求，對注油速度要予以重視，尤其是變壓器進油口閥門的口徑較小、而濾油機的流量又較大時，要控制注油時的油流速度不能過大，最好能使用流量適當?shù)臑V油機，以防發(fā)生油流靜電放電。

[1] DL/T 573-95，電力變壓器檢修導則[S].北京：中國電力出版社，1995.

[2] 周剛，咸日常，趙利.大型變壓器中的油流帶電現(xiàn)象及抑制對策[J].山東電力技術，2003，130（2）∶46-48.