變壓器油中糠醛質量濃度檢測與分析

王善龍，朱孟兆，馮 彩，王泓釗，陳玉峰

（1.山東理工大學，山東 淄博 255000；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

·電網技術·

變壓器油中糠醛質量濃度檢測與分析

王善龍1，2，朱孟兆2，馮 彩1，2，王泓釗1，2，陳玉峰1，2

（1.山東理工大學，山東 淄博 255000；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

大型變壓器廣泛采用絕緣紙與絕緣油的組合絕緣方式，而絕緣紙在劣化過程中會產生糠醛并溶解于油中，所以通過檢測變壓器油中糠醛質量濃度，可以簡單、快速地判斷變壓器絕緣材料老化程度。通過對在運變壓器的油中糠醛數據分析得出變壓器油中糠醛質量濃度與投運時間的關系。統計分析變壓器油中的糠醛質量濃度數據，得出變壓器油中糠醛質量濃度與投運時間之間有良好的相關關系，變壓器不同油紙比例對油中糠醛質量濃度有影響。提出應用油中糠醛質量濃度診斷電力變壓器絕緣老化時，要考慮不同油紙比例對油中糠醛質量濃度的影響。分析糠醛質量濃度低于標準中注意值的變壓器，提出與當年變壓器油中平均糠醛質量濃度進行比對，對質量濃度高的變壓器進行跟蹤監視。

糠醛質量濃度；油紙比例；固相萃取；投運時間

0 引言

變壓器作為電力系統的重要設備，它的安全、穩定運行對電力系統十分重要。目前，我國有較多大型變壓器運行時間已經超過其設計時間［1］，但由于成本、效益等相關因素的制約，這些設備仍然在電力系統中仍擔負著重要的輸配電任務，但其絕緣系統已經經歷了相當程度的老化。如何準確評估變壓器固體絕緣狀態及剩余壽命對于電網的安全、可靠、經濟運行具有重大意義。

大型電力變壓器普遍采用絕緣紙與絕緣油的組合絕緣方式，所以油紙的絕緣狀態是變壓器壽命的決定因素［2-5］。1984年12屆國際大電網會議中，英國學者首先提出了使用油中糠醛質量濃度評估絕緣紙老化的方法。該方法被提出以來受到了各國學者的廣泛關注［6］。糠醛是纖維素絕緣紙劣化的特征產物，因此油中糠醛質量濃度被認為是評估變壓器絕緣老化的有力化學特征量。

糠醛又名呋喃甲醛，易溶于醇或醚，淺黃至琥珀色透明液體，沸點159.5～162.5℃。分子式為C4H3OCHO。大量實驗結果和理論分析表明［7］，糠醛的產生只來自于絕緣紙的老化分解。變壓器油一般使用礦物油，主要成分為烷烴、環烷烴和芳香烴等；而絕緣紙的主要成分是纖維素，分子式為（C6H10O5）n，其中n為聚合度。在紙絕緣老化時，受到氧氣、水分、熱和油中酸性化合物的共同作用，紙中的纖維素會發生一系列的降解。纖維素中的氧鍵斷開，生成D-葡萄糖單體，由于D-葡萄糖單體不穩定，進一步降解產生一些含氧雜化合物，其中糠醛是其中的重要產物，這些化合物溶解于變壓器油中。因而，利用液相色譜法對油中糠醛進行定量檢測［8-9］，其質量濃度多少就間接反映了變壓器油紙絕緣的老化程度。

糠醛分析相對其他老化評估方法具有幾點優勢，一是糠醛取樣方便，用量少，一般只需油樣10～100mL；二是取油樣不需特別的容器，運輸和保存方便，而且是高沸點液體，不易損失；三是無需變壓器停電；四是油中糠醛可以被精確檢測；五是變壓器內部非纖維素絕緣材料的老化也不產生糠醛，變壓器油中的糠醛是唯有固體絕緣老化才生產的產物［10-13］。

對大量在運變壓器油中糠醛質量濃度測試［14］，分析測試數據，擬合變壓器油中糠醛濃度與投運時間的相關關系；與DL/T 984—2005油浸式變壓器絕緣老化判斷導則中變壓器油中糠醛注意值下限值進行比對，對數據中的差異進行分析，計算變壓器油中平均糠醛質量濃度，對平均糠醛質量濃度與投運時間進行擬合，對兩條擬合曲線對比。分析不同廠家變壓器油中糠醛質量濃度的差別，對其中兩廠家變壓器油中糠醛質量濃度進行分析，研究其中差異性。通過對變壓器油中糠醛質量濃度的研究，為更好地評估變壓器固體絕緣狀態及剩余壽命提供數據支持。對把握現役變壓器的老化狀態和剩余壽命，充分挖掘變壓器的使用潛力具有重要意義。

1 測量方法

油中糠醛質量濃度檢測分兩部分，如圖1所示。圖中第一部分為糠醛的萃取，第二部分為使用液相色譜儀檢測糠醛質量濃度。

1.1 糠醛萃取

現階段有兩種方法，一種是液相萃取，一種固相萃取。液相萃取是利用化合物在兩種互不相溶（或微溶）的溶劑中溶解度或分配系數的不同，使化合物從一種溶劑內轉移到另外一種溶劑中。經過反復多次萃取，將絕大部分的化合物提取出來。固相萃取（SPE）是從20世紀80年代中期開始發展起來的一項樣品前處理技術，由液固萃取和液相色譜技術相結合發展而來，主要通過固相填料對樣品組分的選擇性吸附及解吸過程，實現對樣品的分離、純化和富集，主要目的在于降低樣品基質干擾，提高檢測靈敏度。

圖1 糠醛檢測流程

相關研究顯示，利用固相萃取法，對樣品的萃取、濃縮和凈化較好，容易達到定量萃取，同時也減少了溶劑用量［15］，對油中糠醛的萃取實現批量化萃取，大大提高了糠醛萃取的工作效率。固相萃取裝置如圖2所示，萃取流程如圖3所示。

采用固相萃取是使液體樣品溶液通過吸附劑，保留其中被測物質，再選用適當強度溶劑沖去雜質，然后用少量溶劑迅速洗脫被測物質，實現被測物質快速萃取。

圖2 固相萃取裝置

圖3 固相萃取流程

1.2 糠醛檢測

萃取完成后，然后使用液相色譜儀（圖4）進行檢測。測量儀器采用高效液相色譜儀，檢測器為可變波長掃描紫外檢測器。

根據試驗方法的研究，有關分析條件如下：首先調試色譜儀設置測試方法，流動相為甲醇與水混合溶液；體積流量為0.5mL/min；檢測波長為280 nm；色譜柱溫度為30℃；進樣量為10mL。然后進樣測試，得出數據。

2 結果分析

2.1 糠醛質量濃度與運行時間的關系

本次所測樣品中服役最長的變壓器為15年，最大值為服役12年的1臺變壓器，糠醛質量濃度為0.105mg/L， 平均糠醛質量濃度為 0.028 19mg/L，DL/T 596—1996《電力設備預防性試驗規程》中糠醛質量濃度注意值對照如表1所示。

最大值 0.105mg/L遠小于注意值 0.40mg/L。本次所測所有變壓器的糠醛質量濃度都遠小于標準規定的注意值。針對這種現象，對所有數據進行擬合，擬合之后與DL/T 984—2005油浸式變壓器絕緣老化判斷導則中變壓器油中糠醛注意值下限值進行比對，分析其中差異。

表1 變壓器運行時間和糠醛質量濃度注意值對照表

圖5 不同運行時間變壓器油中糠醛質量濃度

圖6 糠醛質量濃度對數值與投運時間之間的關系

對所有油樣品中糠醛質量濃度與投運時間之間建立坐標系，進行擬合。圖5表明變壓器油中糠醛質量濃度與投運時間之間呈指數關系，圖6取糠醛質量濃度的對數值與投運時間進行線性擬合得函數：

DL/T 984—2005《油浸式變壓器絕緣老化判斷導則》中變壓器油中糠醛注意值下限值：

圖7 現場數據擬合曲線與標準注意值對比

圖7中顯示實際測量線遠低于標準線，糠醛增長速率即斜率K1＜K2現場在運變壓器油中糠醛質量濃度都遠小于標準中的注意值。分析原因有很多，不同變壓器廠家生產的變壓器投運時糠醛質量濃度也不盡相同；換油、補油對變壓器油中糠醛質量濃度影響比較大；事故狀態下，絕緣紙的老化速度會出現巨大變化，油中糠醛質量濃度也會迅速提高；與負荷率、運行溫度等密切相關；還可能由于變壓器油紙比例不同導致糠醛質量濃度會不同。

2.2 不同廠家變壓器油中糠醛質量濃度

通過圖5～7的分析，變壓器油中糠醛質量濃度與投運時間之間有良好的相關關系。但圖5中有很多點比較離散，考慮變壓器糠醛質量濃度可能與油紙質量分數不同有關，而不同廠家的變壓器油紙質量分數是不一樣的。現對不同廠家的變壓器進行分析。對所測變壓器廠家進行統計如圖8所示。

圖8 各廠家的變壓器占比

圖8為各廠家的變壓器占比，廠家a、b和c的變壓器數量比較多，根據每臺變壓器對應的糠醛質量濃度，在時間跨度上，a廠家被測變壓器投運時間跨越15年，b廠家的被測變壓器投運時間橫跨8年，c廠家被檢變壓器投運時間比較集中，投運時間基本在3～5年，綜上所述，選a廠家和b廠家的變壓器糠醛質量濃度進行分析，其糠醛質量濃度對數值與投運時間關系分別如圖9、圖10所示。

圖9 a廠家糠醛對數值與投運時間之間的關系

圖9中變壓器有中糠醛質量濃度與投運時間之間的關系式

其截距為-1.869 88，斜率為0.040 15。

圖10 b廠家糠醛質量濃度對數值與投運時間之間的關系

圖10中變壓器有中糠醛質量濃度與投運時間之間的關系式

其截距為-2.278 8，斜率為0.096 8。

由式（3）和式（4）得，Ka=0.040 15，Kb=0.096 8 通過斜率可以得出兩直線傾斜度差別很大。b廠家被測變壓器油中糠醛質量濃度在投運后，隨時間的增長，糠醛質量濃度增速明顯快于a廠家的變壓器，a廠家的糠醛質量濃度增速緩慢。說明不同油紙質量分數的變壓器油中的糠醛質量濃度產生速度不同。

油紙的比例不同對油中糠醛質量濃度影響大，在檢測變壓器油中糠醛質量濃度時，建議每個廠家的變壓器單獨建立一個數據庫，分析糠醛質量濃度。

2.3 變壓器油中糠醛平均質量濃度

在實際檢修過程中，現場在運變壓器會出現各種各樣的問題，單純的憑借注意值來監測變壓器是不足的。圖1中有很多相同投運時間的變壓器油中糠醛質量濃度也有很大差別。為了更好地監測變壓器運行情況，建議可以計算每年的變壓器油中平均糠醛質量濃度，然后對低于注意值的變壓器油中糠醛質量濃度與平均值進行比對，對偏離平均值的較大糠醛質量濃度進行跟蹤，監測其老化狀態。

對每年的糠醛質量濃度數據進行平均，如表2所示。

表2 糠醛質量濃度平均值

線性擬合所得函數為：

式（5）與式（1）直線差異很小，即平均糠醛質量濃度對數值與投運時間擬合函數和所有變壓器糠醛質量濃度與投運時間擬合函數差異很小，如圖11、圖12所示。變壓器油中糠醛質量濃度可以和平均糠醛質量濃度進行比對來判斷是否在正常范圍。對遠大于平均值的平均糠醛質量濃度的變壓器，跟蹤監視，密切跟蹤其老化狀態。

圖11 平均糠醛質量濃度與投運時間之間的關系

圖12 平均糠醛質量濃度對數值與投運時間之間的關系

3 結論

變壓器油中糠醛質量濃度與投運時間之間有良好的線性關系，變壓器油中糠醛含隨投運時間的增長而增長。

完全相同的變壓器在運行時，其糠醛質量濃度也各有不同，這與其負荷率和運行溫度等密切相關。

當糠醛實際測試擬合曲線與標準曲線相差較大時，建議計算每年的變壓器油中平均糠醛質量濃度，然后對低于注意值的糠醛質量濃度與平均值進行比對，對偏離平均值的較大糠醛質量濃度值進行跟蹤。

在應用糠醛質量濃度分析電力變壓器絕緣老化診斷時，要考慮不同油紙質量分數對油中糠醛質量濃度的影響。

建議對不同廠家的變壓器進行數據收集分析，對不同油紙質量分數變壓器建立數據庫，方便更準確地監測變壓器糠醛質量濃度，更好地判斷絕緣老化情況，保證電網的安全運行。

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Detection and Analysis of Furfural Content in Transformer Oil

WANG Shanlong1，2， ZHU Mengzhao2，FENG Cai1，2， WANG Hongzhao1，2，C HEN Yufeng1，2
（1.Shandong University of Technology，Zibo 255000，China；2.State Grid Shandong Electric Power Research Institute， Jinan 250003，China）

Large-scale transformers mainly use the insulating paper and insulating oil combined insulation.The insulating paper in the process of degradation will produce furfural which is then dissolved in oil.Therefore，detecting the transformer oil furfural content is a simple and quick way to determine the degree of aging of transformer insulation.The relationship between the furfural content in the transformer insulating oil and the service time is obtained by analyzing relevant data acquired.The statistic shows a clear correlation between the content of furfural in the transformer oil and the operating life.However one set of furfural content data is not enough to determine the operation life as the data will vary with the different paper-oil ratio in different transformers.It is necessary to take the effect of different paper-oil ratio into consideration when diagnosing the insulation aging of power transformer.The suggested insulation agingmonitoring procedure is that the furfural content should be analyzed comparatively according to average furfural content.Even the furfural content is below the warning standard，the transformerwith highest furfural content should bemonitored.

furfural content；oil-paper ratio；solid phase extraction；runtime

TM41

：A

：1007-9904（2017）08-0001-06

2017-05-26

王善龍（1989），男，碩士研究生，研究方向為高電壓技術及設備狀態評價研究；

朱孟兆（1980），男，高級工程師，主要從事電氣設備絕緣故障診斷和設備狀態評價研究；

馮 彩（1992），女，碩士研究生，研究方向為高電壓技術及設備狀態評價研究；

王泓釗（1991），男，碩士研究生，研究方向為新能源與并網發電研究；

陳玉峰（1970），男，高級工程師，主要從事高電壓試驗技術及設備狀態評價研究。

國家863高技術基金項目（2015AA050204）；國家電網科技項目（520626150032）