電力變壓器腐蝕性硫研究

天津大唐國際盤山發電有限責任公司 毛宏宇

電力變壓器是發輸變電系統中電能傳輸及轉換的核心設備，他的安全穩定運行對發輸變電系統的可靠性起著至關重要的作用。變壓器的電氣絕緣主要依靠絕緣油與絕緣紙組成的油紙絕緣復合系統。變壓器在運行中，油紙絕緣系統受到電磁環境、機械振動、溫度等因素影響，其絕緣性能會發生緩慢老化，增加變壓器發生故障的可能性。同時，油紙絕緣系統也受到絕緣油中腐蝕性硫的影響。

部分2000年前后生產制造的進口變壓器，所使用絕緣油根據當時的煉制工藝要求，需添加適量二芐基二硫醚（DBDS）作為抗氧化劑，延長絕緣油使用壽命。然而后續研究發現，DBDS和其他腐蝕性硫化物可與銅繞組發生反應，生成銅的硫化物，積聚在絕緣紙表面形成半導電層，致使油紙絕緣系統的電氣性能下降而引發絕緣故障。我國華北電網、福建電網、廣東電網等區域，也先后多次在變壓器故障處理中發現了硫化物沉積腐蝕現象。因此，研究腐蝕性硫對變壓器的影響及腐蝕性硫的抑制措施，對保證變壓器安全穩定運行具有重要意義。

腐蝕性硫的危害在于，其可與銅繞組反應生成硫化亞銅（Cu2S），附著在絕緣紙表面后形成半導電層，顯著降低絕緣紙介電性能，其起始放電電壓及擊穿強度也明顯下降。大量Cu2S的產生也會導致局部電場場強發生畸變、溫度升高，最終導致絕緣失效，造成放電性故障[1]。

腐蝕產生的Cu2S還可溶于絕緣油中，影響絕緣油的電氣性能。當絕緣油中含有大量金屬粒子時，伴隨極性物質含量的增加也使絕緣油的帶電傾向升高，介質損耗增大。此外，Cu2S雜質進入絕緣油中，還會使絕緣油導電性能增加。當其流過固體絕緣材料時會改變局部電場分布，造成電荷積聚，嚴重時將產生油流帶電，甚至產生直流電動勢差，導致匝間短路或絕緣擊穿。

1 腐蝕性硫的檢測方法

定性檢測方法：對絕緣油中腐蝕性硫的檢測方法以定性檢測為主，常用的檢測標準為SH/T 0804《電氣絕緣油腐蝕性硫試驗 銀片試驗法》。該標準規定，將銀片置于測試油樣中放入100℃環境下加熱18h，通過觀察銀片表面顏色，判斷測試油樣是否具有腐蝕性。但此種方法不能完全模擬油紙絕緣系統，且部分案例發現，采用該方法檢測結果為非腐蝕性時，變壓器投運一定時間后仍發現存在硫腐蝕現象。為提高檢測的準確性，較為推薦的標準為IEC 62535，該標準規定，將包裹絕緣紙的銅片置于油樣中放入150℃環境下加熱72h，通過觀察除去絕緣紙的銅片表面顏色，判斷測試油樣是否具有腐蝕性。但以上兩種方法均未規定量化評價標準，檢測結果受主觀因素影響很大。

定量檢測方法：絕緣油中腐蝕性硫存在形式較多，但一般認為DBDS是腐蝕性硫的主要成分，故針對腐蝕性硫的定量檢測常圍繞DBDS開展。DBDS檢測依據的標準為GB∕T 32508《絕緣油中腐蝕性硫(二芐基二硫醚)定量檢測方法》，標準規定了氣相色譜-質譜聯用法（GC-MS）和氣相色譜-電子捕獲檢測器法（GC-ECD）兩種方法對絕緣油中DBDS進行定量檢測。其中，氣相色譜-質譜聯用法可靈敏檢出DBDS，但檢測精度較低；氣相色譜-電子捕獲檢測器法操作簡便、檢測精度高，但檢測結果易受環境干擾。

2 腐蝕性硫的影響機理

對于硫腐蝕過程的機理國內外學者有較多研究，但由于變壓器內部運行環境復雜，其腐蝕機理尚未達成統一共識。當前有2種主流學說，能解釋腐蝕性硫與銅繞組的反應機理。一種主流學說是由日本三菱公司（Mitsubishi Electric Corporation）提出的DBDS-Cu2S的腐蝕機理，指出DBDS可與絕緣油中的銅離子結合形成DBDS-Cu的化合物，該化合物可進一步分解生產二芐基硫醚（DBS）與1,2-二苯乙烷（BiBZ），此后DBS與銅繞組反應生成Cu2S與BiBZ：

另一種主流學說是由ABB公司提出的硫醇-Cu2S的腐蝕機理，指出銅在絕緣油中氧化生成Cu2O，該物質可部分溶于絕緣油，并進一步與硫醇（RSH）反應，生成硫醇銅（CuSH），其在一定條件下可分解生成Cu2S：4Cu+O2→2Cu2O，Cu2O+2RSH→2CuSH+H2O，2CuSH→Cu2S+ RSR。

以上兩種學說均能在一定程度上解釋硫腐蝕的發生過程，但也均缺乏微觀機理的具體驗證。變壓器中硫的存在形式多樣，已查明多種硫化物均具有腐蝕性，Cu2S的生成機理還需進一步的探究。

3 腐蝕性硫的抑制措施

3.1 使用不含腐蝕性硫的絕緣油

使用不含腐蝕性硫的絕緣油是防止硫腐蝕最直接有效的方法。對于新投運的變壓器要嚴格進行腐蝕性硫檢測，檢測結果應為“非腐蝕性”。由于在一定條件下油中非腐蝕性硫也可轉換為腐蝕性硫，故也應限制絕緣油中總硫含量，防止非腐蝕性硫的轉化、腐蝕銅繞組。對于運行變壓器，當油中腐蝕性硫超標時，可通過更換新油的方式根本解決硫腐蝕的問題。但也需注意，此種方法無法完全去除吸附在絕緣紙上的腐蝕性硫，殘留的腐蝕性硫仍會腐蝕銅繞組，破壞油紙絕緣系統的絕緣性能。

3.2 改善變壓器運行條件

腐蝕性硫的反應受多種因素影響，油中含氧量、變壓器運行溫度等都會影響腐蝕速率及程度。新油及運行中變壓器油均會含有一定量的氧氣，而銅繞組的腐蝕速率與氧氣濃度成正相關。研究表明，相同時間下，油中含氧量越高、腐蝕性硫與銅繞組反應后生成的硫化物積聚越多，對絕緣性能的破壞越大。因此，在新油驗收時應嚴格遵守GB 2536《電工流體 變壓器和開關用的未使用過的礦物絕緣油》相關規定，投運前進行濾油處理，脫除油中含有的氧氣；運行中應密切監視油中含氧量，當發現含氧量過高時擇機停機濾油。

溫度對硫腐蝕過程起著重要作用。相關實驗表明，油溫超過80℃時Cu2S會大量生成積聚，隨著溫度升高Cu2S的生成量呈指數級增長。在變壓器運行過程中應確保冷卻系統正常運行，控制變壓器運行在合理溫度區間。也應注意在巡檢過程中發現的局部過熱情況，當發現局部過熱時及時查明原因，消除缺陷。

3.3 添加金屬鈍化劑

針對運行變壓器，在絕緣油中添加金屬鈍化劑是當前應用最廣泛的腐蝕性硫抑制措施。常見的金屬鈍化劑主要成分為TTA、BTA、Irgamet 39，均為苯三唑及其衍生物，可與銅繞組反應在其表面形成防護膜，阻礙銅繞組與腐蝕性硫發生反應，達到抑制硫腐蝕的效果。金屬鈍化劑的添加劑量一般建議控制在100mg/kg左右，添加劑量過少難以達到有效防護效果、過高則會影響油品。且因金屬鈍化劑會與銅繞組反應消耗，故需對金屬鈍化劑含量進行定期監測，當油中金屬鈍化劑含量不足時應再次進行添加。

綜上，由于腐蝕性硫導致的變壓器故障已得到越來越廣泛關注。當前國內外相關研究還面臨較多挑戰，繼續深入研究腐蝕性硫的影響機理并制定針對性的抑制措施，是該領域未來的重點研究方向。