變壓器油中腐蝕性硫的危害及應對措施分析

鄒平 胡亞平 劉明 張明剛

摘 要：近年來，被確認為變壓器油中腐蝕性硫造成的事故逐漸增多，引起國內外專家的廣泛關注，本文闡述了腐蝕性硫產生的機理及對變壓器造成的危害，并提出可以采取的防范措施。

關鍵詞：變壓器；腐蝕性硫；硫化亞銅；鈍化劑

1 引言

隨著電力變壓器電壓等級的提高，對其油品的性能要求越來越高。近年來，廣東電網發生了多起因變壓器絕緣油中含腐蝕性硫，導致變壓器絕緣下降的故障隱患。因此，深入了解變壓器油硫腐蝕的機理及對絕緣的影響，進而采取有效的應對措施，對避免變壓器出現硫腐蝕這一故障十分重要。

2 變壓器絕緣油中腐蝕性硫的來源

變壓器電力系統中采用的絕緣油主要是由天然石油煉制而成。石油的化學成分比較復雜，它既不是由單一的元素組成，也不是由簡單化合物組成，而是由許多種元素組成的多種化合物的混合物。

變壓器油生產商在油品中保留少量硫，是利用其作為天然氧化抑制劑的功能，在正常情況下，硫化合物能減慢油品的老化速度并防止形成酸性物質和沉淀，成品的變壓器油總硫含量一般在0.5%以下，油中的硫和硫化物分為“活性硫”和“非活性硫”兩類，活性硫主要包括元素硫、硫化氫、硫醇，它們可直接和金屬反應，具有較高腐蝕性，其余的稱為非活性硫，主要包括硫醚類化合物、烷基硫化物、環狀硫化物和磺酸等。對于沒有添加抗氧化劑或添加了微量抗氧化劑類型的低精煉進口變壓器油，硫醇的含量較高。

3 變壓器中腐蝕性硫的危害

3.1 油中硫化亞銅的形成機理

硫醇對銅的腐蝕速率隨溫度的升高而增大，當溫度從60℃增到120℃時，硫醇對銅的腐蝕速率可增大約16倍。硫化亞銅的形成一般經歷三個階段：

（1）變壓器中銅導線表面被氧化形成一層氧化亞銅膜。

（2）氧化亞銅膜與硫醇發生反應，生成可溶解于油的硫醇銅。

（3）硫醇銅可被油帶到變壓器的各個部分，但大部分被絕緣紙吸附留在絕緣紙上，當溫度較高時，將分解生成硫化亞銅Cu2S和油溶性的有機殘留物。

反應過程的反應式如下：

2Cu+O2→Cu2O

Cu2O+2RSH→2CuSR+H2O

2CuSR→Cu2S+RSH

式中RSH代表硫醇，R代表烷基。

目前220kv即以上變壓器都采用膠囊或金屬膨脹器的密封裝置，且在投運前進行了真空脫氣處理，但變壓器油中會殘留少量氧氣，按500kv變壓器運行中1%的油中含氣量標準以及油中氧氣和氮氣的溶解比率（約3：7），油中氧氣含量允許3000？滋L/L，因此從理論上講，在任何油浸式變壓器中都會產生上述反應。

3.2 硫化亞銅對變壓器絕緣性能的影響

硫化亞銅是一種微導電的物質，它的導電性能遠遠高于絕緣紙和變壓器油。

變壓器中硫化亞銅的產生最初是沉積在繞組內線圈的銅導體表面，這時的硫化亞銅沉積物危害較小，不足以引起匝間、層間的局部放電和短路事故。但在變壓器運行時，隨著變壓器油的流動，會對線圈造成不斷的沖刷，更多的硫化亞銅沉積物懸浮到油中，并被吸附到絕緣紙板上，當產生的硫化亞銅達到一定量時，吸附到絕緣紙板上的硫化亞銅會改變變壓器內部的電場分布，降低繞組內線圈的耐壓強度，在一定的運行條件下，繞組內部產生局部放電，絕緣材料被擊穿，產生嚴重的電弧放電，造成變壓器燒毀的事故。

3.3 事故案例

在深圳供電局有41臺芬蘭ABB公司生產的110kv變壓器，其型號為KTRT123×50型，使用尼納斯10GBX變壓器油。這41臺變壓器的出廠日期分別是1991年、1993年、1994年、1995年和1996年。投運至今，共有8臺次在運行中發生故障。特別是2005年就有5臺該型變壓器發生事故。故障情況見表1：

通過對多臺變壓器事故后的吊檢發現，這批變壓器繞組電磁線受腐蝕嚴重，特別是故障繞組的絕緣紙與銅線裹纏的一側中，經化學分析確定，發現有硫化亞銅，并從電氣試驗中巳證實，銅分子巳滲透到絕緣紙內部。

4 變壓器油中存在腐蝕性硫情況普查

變壓器油本身含有腐蝕性硫是變壓器內部產生硫化亞銅的前提，2007年3月28日至5月28日，廣東電科院對全省500kv主變壓器（電抗器）絕緣油進行了腐蝕性硫普查工作。結果表明，全省21個500kv變電站共201臺主變（電抗器）絕緣油中含有腐蝕性硫的有29臺（其中電抗器1臺），占普查總臺數14.4%，含腐蝕性硫的絕緣油主要存在法國阿爾斯通、重慶（或意大利）ABB生產的500kv變壓器中，其中六臺法國阿爾斯通的變壓器絕緣油中全部檢出腐蝕性硫，分別為羅洞站1號主變和增城3號主變。

500kv變壓器（含電抗器）絕緣油大多數使用的是進口油，集中在幾個大的絕緣油生產供應商：日本三菱、瑞典尼納斯、殼牌，國產油一般為新疆克拉瑪依和蘭州油，從普查結果顯示，國產油和三菱油、殼牌油一般不含腐蝕性硫，而尼納斯油基本上全部存在腐蝕性硫問題。

中核核電運行管理有限公司三廠所有主接線變壓器為英國阿爾斯通公司制造，變壓器油均采用瑞典尼納斯公司生產的10GBN號油。通過205大修2號機組主變B相取油樣和絕緣材料送外方試驗室檢驗，確定變壓器油中已經產生腐蝕性硫。同時主變內檢過程中在金屬表面也發現了硫化亞銅產生的征兆：

5 變壓器硫腐蝕的應對措施

目前國際上較為公認的的方法是在變壓器油中添加鈍化劑，鈍化劑為苯并三氮唑（BTA）及其衍生物。BTA及其衍生物分子中的N、O、S等雜原子含有孤對電子，易于和金屬的d軌道結合形成配位鍵，或是金屬提供電子給雜原子形成反饋配位鍵，從而在金屬表面形成保護膜，阻止變壓器繞組線圈的氧化和與油中腐蝕性硫的接觸。

尼納斯油制造公司給出的建議為：運行變壓器油中鈍化劑加入量為100ppm。

大量有腐蝕性硫風險的變壓器添加了鈍化劑，且目前為止，添加鈍化劑后的變壓器沒有發生過事故，但鈍化劑不能使已形成的硫化銅出現逆向反應而只能抑制腐蝕進一步發生，因此盡管添加鈍化劑的方法可以在一定程度上防范腐蝕性硫問題的發生，我們還應該通過以下手段對此問題進行方法：（1）選擇合適的方法對變壓器進行腐蝕性硫的檢測，并對變壓器進行有效的風險評估和運行狀態評估。（2）經常對變壓器的散熱系統進行檢查和清理，保持變壓器散熱通暢。（3）加強變壓器油中溶解氣體的色譜分析工作，對變壓器內部有過熱現象發生，尤其是過熱部位涉及絕緣的變壓器應引起重視。（4）嚴格控制變壓器油中的含氣量，保持油中氧氣含量盡可能低，可有效緩解硫腐蝕。

6 結束語

6.1 變壓器油中腐蝕性硫是造成硫化亞銅的重要因素。

6.2 硫化亞銅沉積可能導致變壓器和電抗器出現匝間短路故障。

6.3 添加鈍化劑可有效抑制硫腐蝕的發生。