氣封技術在變壓器油生產中的應用

徐輝

中國石化潤滑油有限公司上海分公司

隨著我國經濟的迅猛發展，對電力等能源的需求也在持續增加，越來越多的變電站投入使用，變壓器油用量也隨之不斷增長。中國石化潤滑油有限公司上海分公司（以下簡稱上海分公司）生產的變壓器油具有良好的熱傳導性、流動性和優秀的絕緣性、氧化安定性，同時具有使用周期長等特點，得到了市場用戶的廣泛認可。變壓器油銷量2006年為3 000 t，到2017年一舉突破60 000 t，呈現出爆發式增長。

近年來，客戶對變壓器油的電氣性能等要求越來越高，其中一項關鍵指標就是擊穿電壓。將電壓施加于絕緣油時，隨著電壓增加，通過油的電流劇增，使之完全喪失所固有的絕緣性能而變成導體，這種現象稱為絕緣油的擊穿，而絕緣油發生擊穿時的臨界電壓值就是擊穿電壓[1]。

國標GB 2536—2011《電工流體變壓器油和開關用的礦物絕緣油》?中對變壓器油擊穿電壓的要求為≥30 kV，上海分公司的內控指標為擊穿電壓≥35 kV，而部分OEM（原始設備制造商）客戶，如正泰電氣提出了擊穿電壓≥40 kV的要求。

因此，如何進一步提升油品質量，滿足客戶的特殊要求，使長城變壓器油成為市場同類產品中的佼佼者，是擺在上海分公司面前的一道重要課題。

變壓器油生產中擊穿電壓的影響因素分析

上海分公司共有4個儲罐用來調合、儲存長城I-10 ℃變壓器油（通用）。儲罐為1 300 m3的拱頂罐，于2012年投用。儲罐的頂部設置有一個DN150的鵝頸彎透氣孔，調合方式采用氣動脈沖攪拌。

在一個統計周期內，上海分公司共生產94批次合計49 000 t變壓器油，不同批次油品的擊穿電壓情況見表1。

由表1可見，擊穿電壓＜40 kV的比例達到17%，這不能夠滿足部分OEM客戶對擊穿電壓≥40 kV的需求。

原材料質量

上海分公司生產變壓器油的原材料為A、B 2種基礎油，這2種基礎油的擊穿電壓見表2。

對原材料A和B的擊穿電壓指標進行了檢測，發現入廠的96批次原材料A與9批次原材料B的擊穿電壓指標均≥40 kV。因此，原材料質量不是造成擊穿電壓＜40 kV的原因。

加劑方式

由于抗氧劑的介電常數高于基礎油，如果抗氧劑加入過量或攪拌不均勻都會大幅降低變壓器油的擊穿電壓。變壓器油在調合過程中會脈沖攪拌2次，每次≥120 min，符合工藝通知書的要求。同時，對擊穿電壓＜40 kV的5個批次的變壓器油抗氧劑含量進行分析，見表3。

由表3可見，5個批次的變壓器油的抗氧劑含量均小于0.28 %（質量分數）的理論值，說明沒有加入過量抗氧劑的情況。因此，加劑方式也不是造成變壓器油擊穿電壓＜40 kV的原因。

水分

純凈的絕緣油與通常含有水等雜質的絕緣油具有不同的擊穿機理，前者的擊穿是由于在高電場強度下，油分子碰撞游離成正離子和電子，進而形成電子崩。電子崩向陽極發展，而積累的正電荷則聚集在陰極附近，最后形成一個具有高電導的通道，導致絕緣油的擊穿。后者則是受水分含量等影響。水是強極性物質，油中水滴和其他雜質的介電常數ε比油要大的多（水的ε=80，而變壓器油的ε≈2.3），在電場作用下易電離分解，從而增加了油的電導電流，使油的擊穿強度降低。

此外，水分還能促進有機酸對銅、鐵等金屬的腐蝕作用，產生的皂化物會惡化油的介質損耗因數，增加油的吸潮性，并對油品氧化起催化作用，使油生成雜質，導致絕緣電阻降低和絕緣強度進一步下降，并使油擊穿電壓降低[2]。一般情況下，變壓器油擊穿電壓與含水量的關系見圖1。

由圖1可見，當含水量小于0.01 %（質量分數）時，擊穿電壓隨水分增加而急劇降低，而含水量大于0.01 %（質量分數）時，擊穿電壓隨水分增加而下降，但下降速度已趨于平緩。但這只是反映了一般變化規律，由于不同油品質量、測試環境的不同，臨界變化數值也會有差異。因此，選取了5批次擊穿電壓＜40 kV的變壓器油與5批次擊穿電壓＞50 kV的變壓器油進行水分的對比分析，結果見表4。

表1 不同批次變壓器油擊穿電壓統計

表2 原材料的擊穿電壓

表3 擊穿電壓＜40 kV的變壓器油抗氧劑含量

從表4可以看出，擊穿電壓＞50 kV的5個批次，其水分均低于13 mg/kg，說明變壓器油中的水分含量是影響擊穿電壓的一個重要因素。

對生產的94批次變壓器油的生產月份進行了統計分析，發現擊穿電壓＜40 kV的批次集中出現在6～8月份，共12批，占全年不合格批次的75 %。6～8月份為長江中下游地區的梅雨季，空氣中相對濕度較高，平均濕度可達到80%以上。而4個變壓器油罐均安裝了DN150的鵝頸彎透氣孔，變壓器油直接與環境中的潮濕空氣接觸，造成水分上升，最終導致了擊穿電壓降低。

綜上所述，水分是影響變壓器油擊穿電壓的主要原因。要消除這個不利影響，最直接的方法是采取措施把儲罐中油品與自然環境中的潮濕空氣隔絕開。

氣封技術的原理

表4 不同批次變壓器油的水分與擊穿電壓

目前成熟的隔絕罐內介質與外界空氣的方法有2種：

◇采用浮頂罐來儲存介質；

◇在儲罐上加裝氮封系統，使儲罐的上部空間處于惰性氣體保護和微壓的控制之下，從而隔絕罐內油品與潮濕空氣的接觸。

由于拱頂罐改造為浮頂罐的費用高，且施工周期長，同時結合變壓器油的產品性質、工藝狀態及經濟性，決定采用經過干燥裝置處理過的壓縮空氣對變壓器油儲罐進行氣封，達到阻止油品與潮濕空氣接觸，最終提升產品質量的目的。

氣封系統是利用經過干燥的壓縮空氣，使儲罐的氣相空間充滿干燥空氣，從而避免罐內油品的水分增加。氣封系統主要由氣封閥、呼吸閥、緊急泄壓閥等組成，其原理見圖2。

氣封系統改造方案

上海分公司使用高橋石化的壓縮空氣作為氣源。壓縮空氣經儲氣緩沖罐、油水分離器和氧化鋁干燥器的初級處理后進入變壓器油罐區，在變壓器油儲罐的進口再經過水氣分離器和油霧過濾器的二級處理；對初級處理過的干燥壓縮空氣進一步除水、除油等之后進入變壓器油儲罐作為氣封介質使用。

氣封閥

氣封閥選用自力式調節閥。根據《中國石油化工股份有限公司煉油輕質油儲罐安全運行指導意見（試行）》附件中氮封設計的推薦，在儲罐罐頂增加氮氣接入口和引壓口。所以氣封閥應安裝在罐頂，同時為確保壓力取值的準確性，接入口與引壓口之間的距離不宜小于1 m。

因為氣封閥閥后壓縮空氣管道為動態平衡系統，管道背壓控制管道流量。當氣封閥的引壓管道由儲罐氣相空間引出時，可以使氣封閥的控制開度由儲罐的氣相壓力確定。當氣相空間的通氣量加大時，罐頂氣相空間壓力下降，氣封調節閥開啟，開始提供壓縮空氣。若壓縮空氣流量不足時，罐頂氣相壓力會持續下降使氣封閥增大調節量，直至壓縮空氣管道流量與氣相空間通氣量相等。當氣相空間通氣量減小并趨于靜止時，罐頂氣相空間壓力上升，氣封調節閥逐漸關閉減少壓縮空氣供應，直至氣封閥閥后背壓與儲罐氣相空間壓力相同。氣封閥安裝在罐頂，可以盡可能地減少壓縮空氣的消耗，同時滿足儲罐的設計壓力及其氣相空間靜止時的密閉要求。

綜上所述，在每臺儲罐的罐頂設置氣封閥組和限流孔板旁路，維持罐內氣相空間的壓力在1.2 kPa左右，當氣相空間壓力高于1.4 kPa時氣封閥關閉，停止壓縮空氣的供應；當氣相空間壓力低于0.8 kPa時氣封閥開啟，開始補充壓縮空氣；當氣封閥需要檢修或故障時，可臨時使用限流孔板旁路給儲罐內補充壓縮空氣，壓力高于1.5 kPa時，通過呼吸閥外排，保證儲罐在正常運行過程中不吸入大氣環境中的潮濕空氣。

呼吸閥

呼吸閥是利用正負壓閥盤的重量，來控制排氣正壓和吸氣負壓。作用是在儲罐進、出物料的情況下，提供壓力或真空泄放，從而防止儲罐破裂或被抽癟。呼吸閥的數量及規格按照SH/T 3007—2014《石油化工儲運系統罐區設計規范》來確定。該標準5.1.6條規定，儲罐呼吸閥的通氣量不得小于下列各項的呼出量與吸入量之和：

A：液體出罐時所造成的罐內氣體吸入量；

B：液體進入固定頂儲罐時造成的罐內氣體呼出量；

C：因大氣最大溫降導致罐內氣體收縮所造成儲罐吸入的空氣量和因大氣最大溫升導致罐內氣體膨脹而呼出的空氣量。

A、B又稱為大呼吸損耗，是指油品收發時罐內液面的升降而造成的蒸發損耗，是壓縮空氣消耗量的主因。按照SHS 01012—2004《常壓立式圓筒形鋼制焊接儲罐維護檢修規程》附錄B儲罐呼吸閥的要求：應按油品最大出油量考慮吸入量；當油品閃點（閉口）高于45 ℃時，應按最大進油量的1.07倍考慮呼出量。C又稱為小呼吸損耗，是指因晝夜氣溫的變化而造成的蒸發損耗，宜按表5確定。

同時，根據SHS 01012—2004《常壓立式圓筒形鋼制焊接儲罐維護檢修規程》附錄B儲罐呼吸閥的要求：呼吸閥應按確定的通氣量和呼吸閥的通氣量曲線來選定呼吸閥的規格，當缺乏呼吸閥的通氣量曲線時，可按表6確定。

綜上所述，應在每臺儲罐的罐頂設置2臺Dn150的呼吸閥。當罐內壓力高于1.5 kPa時，可通過呼吸閥外排；當罐內壓力低于-0.29 kPa時，可通過呼吸閥向罐內補充壓縮空氣，確保罐內壓力不低于儲罐的設計負壓-0.49 kPa。

緊急泄壓閥

緊急泄壓閥的主要功能是快速泄放由于介質快速進入儲罐造成的急劇上升的壓力。緊急泄壓閥的設計泄放流量必須保證滿足事故超壓狀態下的排放，保證儲罐的安全。緊急泄壓閥的定壓值不應高于儲罐的設計壓力1.96 kPa，所以將泄壓閥的整定壓力設為1.76 kPa。

表5 儲罐小呼吸通氣需要量

表6 呼吸閥規格的選擇

報警系統

為了有效監控氣封系統功能和安全性能，儲罐配備了氣封壓力報警系統。在儲罐頂部設置壓力變送器，壓力信號傳入到中央控制室，并組態到上位機生成數據趨勢圖，使操作人員可以隨時觀察和記錄儲罐的實時壓力參數。同時，設定壓力值的報警區間，實現儲罐壓力的高位和低位壓力報警。

方案實施效果

產品質量

儲罐氣封系統實施后，4個變壓器油儲罐共進行了12批次變壓器油的生產，對水分和擊穿電壓的情況進行了統計分析，見表7。

對變壓器油在氣封罐內的儲存穩定性進行了跟蹤分析，見表8。

由表7、表8可見，采用氣封系統后，變壓器油擊穿電壓均≥40 kV，且當環境中的大氣濕度波動時，變壓器油的水分和擊穿電壓基本沒有受到影響。擊穿電壓≥40 kV的通過率達到100%，說明儲罐氣封系統起到了良好效果。同時，由于罐內的氣相空間保持微壓，也降低了油品中輕組分的蒸發損耗，提高了經濟效益。

安全環保

采用氣封系統后，呼吸閥的安全防護性能比原先直通大氣的鵝頸彎透氣孔有所提高。同時，由于呼出氣體主要是干燥空氣，也降低了油氣量。

經檢測，非甲烷總烴排放濃度檢測值為2.38 mg/m3，遠低于DB 31/933—2015《大氣污染物綜合排放標準》的排放限值4.0 mg/m3，有效減少了油氣外排對大氣造成的環境污染。

表7 氣封后的變壓器油水分與擊穿電壓

表8 氣封后的變壓器油儲存穩定性

結束語

變壓器油在儲存過程中接觸潮濕空氣會造成水分增高，這是導致變壓器油擊穿電壓偏低的主要原因。采用儲罐氣封技術后，用微壓的干燥壓縮空氣來隔絕油品與大氣環境中的潮濕空氣接觸，可以有效避免這一負面影響。該技術的成功應用使上海分公司變壓器油產品的擊穿電壓≥40 kV的通過率達到了100%，滿足了大客戶對產品指標的特殊需求，為今后公司進一步開拓高端油市場做好了技術儲備。