變壓器絕緣油化驗分析技術及應用

王靖凱

（國家能源集團朔黃鐵路發展有限責任公司原平分公司，山西忻州 034100）

0 引言

隨著重載鐵路技術的不斷突破和發展，鐵路運輸已經成為當今運輸系統中不可或缺的一個重要組成部分，年運量的不斷增加使得牽引變電所的負荷持續上升，這種情況下對牽引變電所的供電可靠性要求更加嚴格。牽引變電所主要通過變壓器實現對高電壓向低電壓的轉換，因此，在牽引供電系統中，變壓器扮演著重要角色。在發生主變故障時，能否準確查出變壓器的故障原因對修試部門來說非常重要，絕緣油化驗分析的方法在對油浸式變壓器的故障檢查中應用比較普遍。

1 絕緣油化驗指標分析

絕緣油化驗一般有對油品進行簡易識別，物理、化學性能試驗、電氣性能試驗、氣象色譜分析等幾個步驟來對油品進行檢驗。通過對變壓器內絕緣油進行化驗分析，可以得出絕緣油的物理、化學特性、電氣性能等是否合格，是否滿足充油設備運行的需要。

1.1 簡易識別方法

（1）看：將絕緣油靜置一段時間，觀察油品的顏色，未經使用的絕緣油顏色一般為淺黃色，被氧化后的顏色會變深。充油設備在運行中絕緣油的顏色在短時間內變深，則表示油質劣化；在玻璃燒杯取油樣，對著光線仔細觀察油底部是否存在油泥、沉淀、雜物等，油面上不得有漂浮物，油中不得有懸浮物和絮狀物；還需要觀察絕緣油在玻璃瓶中的透明度，新油清澈透明并伴有藍紫色熒光，若失去透明度和藍紫色熒光，則表示油中含有機械雜質和游離碳。

（2）聞：狀態和性能良好的絕緣油應沒有明顯氣味或者略帶一點煤油味，如果油品帶有其他氣味，說明油質劣化。

（3）搖：將油樣放置在透明玻璃瓶中搖晃，觀察油品產生的氣泡和晃動過程中的掛壁情況。黏度小的油，晃動中產生的氣泡直徑小、數量多、上升速度快、消失快、掛壁少，反之黏度大。

（4）摸：生產工藝好的油品，用手摸上去光滑感強，否則光滑感差。

1.2 物理性能試驗

（1）黏度。當液體流動時，液體內部會產生阻力，這是由于組成該液體的各個分子之間存在摩擦力，這種阻力稱為黏度。黏度是絕緣油重要的性質之一，黏度的大小影響絕緣油在充油設備內部流動的速度，進而影響絕緣油的散熱效果。對于充油設備來說，絕緣油的黏度盡可能低一些較好，油品黏度越小散熱效果越好。

（2）閃點。閃點是指油加熱以后產生的蒸汽與空氣混合時，遇火能發生燃燒的最低溫度。對于閃點的要求一般不低于135 ℃。絕緣油主要在變壓器等閉合充油設備中使用，所以常用閉口閃點測試儀對絕緣油閃點進行測試。閃點的高低決定了絕緣油在使用過程中是否安全。絕緣油閃點的降低說明油內產生了大量的易揮發的可燃性氣體，這些氣體的產生主要是由于充油設備在長時間的運行過程中放電和發熱使油裂解而形成。通過對絕緣油閃點的測試，能大大加強對充油設備狀態的監測，及時發現故障設備。

（3）界面張力。界面張力是作用在單位長度液體界面上的收縮力。通過測定絕緣油的界面張力可以有效發現絕緣油中是否含有因老化而產生的可溶性雜質。絕緣油界面張力在油老化初期變化速度最快，到中后期，變化速度逐漸降低，而油泥生成則明顯增加。因此，測定界面張力的同時也可以判斷出油泥生成的趨勢。

1.3 化學性能試驗

（1）酸值。新絕緣油在未使用的情況下幾乎不含酸性物質，酸值相對較小，如果絕緣油經過長時間的存放，或者在充油設備內長期運行后，很容易與氧氣接觸進而被氧化。在氧化初期其會產生各種低分子有機酸，隨著氧化過程的不斷加快，也會出現相應的酸性產物和高分子有機酸。如果這些酸性物質在絕緣油中存儲，油品導電性能會很大提升，絕緣性能下降，甚至腐蝕變壓器的金屬附件，對充油設備的使用壽命產生負面影響。

（2）水分。水分是加速充油設備絕緣老化的重要原因之一。如果變壓器油內含有大量水分，則會加劇絕緣材料的老化，對其絕緣性能產生負面影響，有可能會導致變壓器故障，影響變壓器壽命。對絕緣油內水分進行嚴格監督，是保證充油設備可靠運行的關鍵，電壓等級越高要求油內含水量越少。目前根據相關標準要求，油內含水量要控制在40×10-6左右。

（3）機械雜質。在試驗過程中，如果發現絕緣油呈現出絲狀纖維或存在不溶性油泥沉淀物等雜質，在運行過程中，這些雜質極易在變壓器繞組四周出現聚集或堵塞油道等，此時的繞組很容易出現過熱現象，嚴重者甚至燒毀變壓器。

（4）游離碳。在試驗過程中，若大量的游離碳在絕緣油內聚集，則會大大提升變壓器內部出現放電故障的概率，降低供電可靠性。

（5）pH 值。充油設備經過長時間的運行，絕緣油內就會產生甲酸等大量酸性物質，使得油內水分含量增多。在水分的侵蝕下絕緣材料的絕緣性能大大下降，充油設備的使用壽命也會縮短，對其正常運行產生不利影響。

1.4 電氣性能試驗

（1）擊穿電壓測定。擊穿電壓是考核絕緣油絕緣性能的一項重要指標，是油杯兩電極間油層擊穿時的最小電壓，可以用來衡量絕緣油在充油設備內的耐壓能力。其主要是用來判別絕緣油內水分和懸浮物含量的多少，同時還能對油品的干燥以及清潔度程度進行檢測。在對絕緣油施加逐步升高的電壓時，在油杯內的負極周圍會產生大量電子，電子集聚產生的能量使油分子逐步電離分解，電壓的不斷升高也會進一步促進油分子電離，當電壓達到某一個值時，就會突然出現大量的傳導電流形成電弧，這就是擊穿現象。絕緣油中如果存在雜質或水分就會導致擊穿電壓值下降，此時變壓器的正常運行也會受到負面影響。

（2）介質損耗因素測定。絕緣油在電場作用下會發生能量的損耗，這個過程稱為介質損耗，通常用介質損耗因數來反映絕緣油的介質損耗。絕緣油的介質損耗會使充油設備內部溫度升高，介質損失越大，內部產生的熱量就越多，熱量升高又會導致介質損失增加，如此反復循環會引起充油設備本體絕緣惡化，加劇充油設備運行的不穩定因素。

1.5 絕緣油色譜分析

絕緣油色譜分析就是對油中溶解氣體成分進行檢驗，根據氣體的成分和含量，判斷充油設備內部有無故障，并診斷故障類型。如果在試驗過程中得到的結果在正常范圍，且無明顯的增長趨勢，則判斷設備運行正常，否則需要對變壓器的運行狀況利用三比值法、產氣速率等方法進行詳細分析判斷。目前運用絕緣油色譜分析檢查變壓器等充油設備內部故障的方法在電力行業被廣泛應用。大量試驗證明，利用色譜法分析絕緣油中溶解氣體的含量，對于早期預防或及時發現設備故障具有重要意義。

2 變壓器油性能變化對變壓器的影響

2.1 物理變化

變壓器絕緣油在不斷運行過程中會產生氧化物以及油泥沉淀物等雜質，使其絕緣性能下降，同時，油品顏色也會逐漸加深，對變壓器穩定運行產生不利影響。此外，絕緣油會變得越來越黏稠，導致油的導熱性能下降，影響變壓器繞組和鐵芯的熱量散發，使變壓器的使用壽命縮短。變壓器在長期運行的條件下，絕緣油的表面張力會逐漸下降，加速油品劣化。此外，絕緣油內氧化物和機械雜質的增加也大大降低了充油設備運行的穩定性和安全性。

2.2 化學變化

絕緣油具有某些化學性質，油品中的水溶性酸、酸值、水分含量等都會反映出絕緣油性能的好壞，直接影響絕緣油試驗結果是否合格。例如，酸值可以反映絕緣油質量，也是對絕緣油老化程度的評估參考依據，從大量試驗結果來看，絕緣油酸值的增加會降低變壓器的絕緣性能。從試驗過程可以發現，酸值的測定結果會受到儀器以及容器清潔度的影響，例如，二氧化碳和空氣中的水發生化學反應后生成碳酸，碳酸等水溶性物質會對絕緣油酸值的測定有干擾。因此，在絕緣油含有水分等雜質的情況下進行油化試驗會對試驗結果產生影響。這就要求在變壓器出廠前保證絕緣油水中不含水分，即便是在后期的運輸和貯存過程中也要采取有效防護措施。

2.3 電氣性能出現變化

介質損耗因數可以反映絕緣油的潔凈程度和老化狀況。對于新油來說，介質損耗因數通常在0.005 以下，在變壓器持續運行的情況下，絕緣油老化的同時也會受到污染，油質逐漸劣化，此時需要明確污染物的來源，并采取有效措施對絕緣油進行過濾和吸附雜質，污染情況嚴重時可以考慮更換新油。

3 絕緣油化驗分析變壓器故障應用實例

以某變電所的變壓器故障檢查為例，進行問題的闡述。1 號變壓器在正常運行情況下，修試部門的工作人員對其絕緣油進行了色譜分析，通過試驗發現絕緣油中含有一定的乙炔。為此，修試部門相關技術人員對1 號變壓器內絕緣油進行了詳細檢查。3 月6 日，在檢測過程中發現，相較于3 月4 日絕緣油內氣體含量顯著增多，隨著變壓器負荷逐漸下降，油內氣體含量基本未產生變化，在這一過程中絕緣油內的乙炔含量相對較低，但是同時有其他氣體產生。此時，僅靠比較各種氣體含量不足以對變壓器故障原因進行判別，進一步判斷故障原因需要運用絕對產氣速率法。在絕緣油化驗分析過程中，一氧化碳以及二氧化碳含量并未出現顯著變化，這說明有兩種可能：一是變壓器內絕緣油中各類氣體的作用時間比較短；二是變壓器中絕緣材料使用量比較少。依據C2H2較為穩定的特性，表明變壓器內溫度應該低于80 ℃。所以，變壓器鐵芯部分的表面溫度過高或者多點接地是導致1 號變壓器出現故障的原因。相關技術人員經過實地檢測發現，高壓繞組與套管連接不合理是導致變壓器高壓線圈出現短路的主要原因。

4 結語

在供電系統中，變壓器的穩定運行至關重要，技術人員可以通過運用絕緣油化驗分析的方法實現對變壓器運行情況的判斷，結合實際情況采取不同措施有效解決變壓器運行過程中的各類故障問題，還可以對變壓器的運行情況予以動態監督，具有較高準確率的同時還可以保證油品的質量，并且能大大節省檢修時間，避免充油設備故障的頻繁發生，提升電氣化鐵路企業的經濟效益和社會效益。