高溫下變壓器油介質(zhì)損耗的不穩(wěn)定原因探析

吳 密

（中國石油大慶石化公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

石油在進行分餾的時候會產(chǎn)生變壓器油，變壓器油的絕緣性能非常好，理化性能也非常穩(wěn)定，屬于一種礦物油。變壓器油其品質(zhì)非常純凈，結(jié)構上屬于非極性的分子結(jié)構，由于其具有良好的絕緣性能，因此在變壓器、電纜、電容器等高壓電氣設備中起到了很好的作用。變壓器油可以填充在電器元件的空隙和氣孔中，這樣就能有效隔絕空氣。此外，變壓器油還能對電壓器的鐵芯、繞組等部位起到很好的冷卻作用。而變壓器油的高溫介質(zhì)損耗是評價變壓器油污染程度時一種非常重要的評價指標。變壓器油本身的品質(zhì)非常純凈，介質(zhì)損耗比較小，但是在使用過程中如果受到污染出現(xiàn)了劣化現(xiàn)象，其極性雜質(zhì)以及膠體等含量就會升高，介質(zhì)損耗也會相應升高。

1 影響因素分析

影響變壓器油在高溫下介質(zhì)損耗的因素有很多，如酸性物質(zhì)、取樣位置、油中老化產(chǎn)物、金屬離子、微生物污染、變壓器結(jié)構、儀器屬性、溶膠雜質(zhì)及含水量等。

1.1 酸性物質(zhì)

介質(zhì)損耗與介質(zhì)的pH 值直接相關，在規(guī)定的pH 范圍內(nèi)介質(zhì)不易損耗；酸性物質(zhì)主要是通過pH 值來影響介質(zhì)損耗情況的，但是需要注意的是酸值合格的情況下，損耗因數(shù)也可能超標。酸性物質(zhì)包含有機酸和無機酸，只是演變形成的途徑不同而已。

1.2 取樣位置

介質(zhì)底部含有大體積膠體含量高，雜質(zhì)由上至下長時間積淀而成，另外雜質(zhì)體積過大但沉積速度很慢，即使是在中層的介質(zhì)也會由于膠體的不穩(wěn)定性導致周邊體系的非平衡不穩(wěn)定狀態(tài)，所以取樣位置不同介質(zhì)損耗的檢測數(shù)值差距也會很大。

1.3 油中老化產(chǎn)物

由于變壓器的長期運行，在電場和溫度等因素的綜合影響下，變壓器油會出現(xiàn)老化，并進一步產(chǎn)生酸性物質(zhì)，從而導致介質(zhì)的損耗指數(shù)增大。

1.4 金屬離子

金屬離子融入介質(zhì)中也會增加介質(zhì)損耗數(shù)據(jù)，常見的金屬離子的來源主要是金屬構件和金屬導線在經(jīng)歷磨損、燒損和腐蝕過程后離子的脫落。

1.5 微生物污染

微生物自帶蛋白質(zhì)膠體性質(zhì)，具有分布不均、散落速度慢等特點，同時其自身的帶電性也容易導致介質(zhì)電導過大引起損耗。微生物的生長環(huán)境往往是由于安裝疏忽或者環(huán)境污染所引起的，需要特別注意，有時候運行溫度也會影響微生物的生存情況。

1.6 變壓器結(jié)構

含有凈油器的變壓器比不含凈油器的變壓器介質(zhì)損耗系數(shù)明顯偏低，更利于介質(zhì)的穩(wěn)定性，其降低介質(zhì)損耗系數(shù)的最核心途徑是減少介質(zhì)中水分的含量。

1.7 儀器屬性

試驗儀器的配型和廠家不同，對設備介質(zhì)損耗的程度也有明顯差異，當然也與人的操作水平有關。

1.8 溶膠雜質(zhì)

介質(zhì)中常因為雜質(zhì)導致膠體析出，體積一般在具有體積小、擴散慢、自帶電量的特性，這些特性也是導致分散體系不穩(wěn)定、容易出現(xiàn)凝結(jié)的原因。在引起介質(zhì)損耗系數(shù)增大的因素中，與溶膠直接或間接相關的可以占到70%以上。

1.9 含水量

介質(zhì)油的特殊性要求介質(zhì)油高度純凈，如果不小心滲入水分或其他物質(zhì)勢必會對介質(zhì)特性產(chǎn)生影響，進而引起損耗。不過水分含量低于40 mg/L 時，對介質(zhì)的損耗可以忽略不計，但如果超過60 mg/L 損耗程度就會非常明顯。

2 影響路徑分析

2.1 變壓器在安裝時受到污染

變壓器油內(nèi)出現(xiàn)增液溶膠，是導致變壓器油介質(zhì)損耗不穩(wěn)定的主要原因。變壓器油中的膠體，在受到外界光照、溫度變化、電廠及機械力影響時就會出現(xiàn)凝結(jié)甚至沉淀現(xiàn)象，在變壓器油的提純、運輸、保存及注入變壓器油的時候，如果方法不得當就有可能引起其性質(zhì)發(fā)生變化。例如，在安裝變壓器的時候，如果附帶了灰塵及水分等雜質(zhì)，在后期運行過程中就會逐漸出現(xiàn)膠體雜質(zhì)。雖然剛開始出現(xiàn)的膠體粒徑比較小，而且擴散速度較慢，但是由于其粒子具有一定的活動能量、會自行凝聚，膠體就會逐漸變大并形成一種粗分散系。其實膠體本身就處在一種非平衡的不穩(wěn)定狀態(tài)下[1]。

當膠體不斷擴大最終會出現(xiàn)沉積現(xiàn)象，但是膠體很容易受到溫度和電壓變化的影響，實際沉積速度非常慢。由于膠體在凝聚過程中處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，因此其在不同水平面上凝聚的濃度也不相同，通常認為高壓電器設備底部起絕緣效果的油的濃度會大于上層絕緣油，所以變壓器油介質(zhì)損耗較大的部分來自底部的絕緣油，而上層的要小一些。因此，測定變壓器油介質(zhì)損耗時要在高壓電器油箱的下方取樣。

2.2 微生物的污染

微生物在自然環(huán)境中是無處不在的，邊緣汽油的存儲以及制造過程中也會接觸到一些微生物，這樣就會污染變壓器。微生物污染變壓器的途徑有很多，在變壓器油制造過程中，在生產(chǎn)跟銷售的環(huán)節(jié)中存在庫存儲存的情況，儲存罐中的有會通過罐體上的氣孔與大氣進行接觸，這樣空氣中的水分、灰塵、微生物等會逐漸擴散至變壓器油內(nèi)。由于灰塵和微生物的比重大于變壓器油，這些物質(zhì)在變壓器油中最終會沉積在油管的底部。一些微生物在變壓器有的油水、有機物、礦物質(zhì)等環(huán)境下會迅速繁殖，而變壓器油的高溫介質(zhì)損耗對微生物非常敏感，而變壓器在不同階段的負荷情況也不相同，運行過程中油溫也會對微生物的繁殖速度有一定影響，這就導致變壓器有的高溫介質(zhì)損耗也呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的情況。大量實驗表明，當油溫高于90 ℃時，其高溫介質(zhì)損耗的變化很小。雖然變壓器油中不可避免地會出現(xiàn)一些微生物，但是變壓器油純凈的品質(zhì)并不適合微生物生長，只有當變壓器中含有水分及雜質(zhì)且在適當?shù)臏囟拳h(huán)境下，微生物才會大量產(chǎn)生。因此，在實際使用過程中變壓器油可以通過真空及提升油溫的方式阻止微生物繁殖。

2.3 大顆粒攜帶電荷對變壓器介質(zhì)損耗的影響

變壓器油中的雜質(zhì)、導電粒子、膠體雜質(zhì)等會導致電導，從而影響變壓器油介質(zhì)損耗值的不穩(wěn)定性。隨著科學技術的發(fā)展，人們研發(fā)出測試變壓器油中金屬元素含量的等離子發(fā)射光譜法，通過高效的吸附劑處理變壓器油的介質(zhì)損耗，如銅、鋁、鐵等金屬離子的含量高會導致油介質(zhì)損耗增大。大量研究發(fā)現(xiàn)，向變壓器油中添加苯并三唑可以有效降低變壓器油的帶電度，這樣可以有效控制介質(zhì)損耗。

2.4 油—固體絕緣的水平衡交換

充油設備中常常會通過外部的侵入及內(nèi)部自生而產(chǎn)生一些絕緣油和絕緣材料：外部侵入的絕緣材料主要是因為設備自身的絕緣材料在水分為徹底干燥的情況下，使得設備在安裝、運輸過程中再次受潮，設備在運行過程中由于進氣系統(tǒng)的呼吸使得潮氣通過油面進入油層；設備內(nèi)部的絕緣材料在運輸?shù)倪^程中由于氧化熱裂解產(chǎn)生了水分，在設備運行過程，隨著溫度的升高變壓器油在溶解氧的作用下很快被氧化，產(chǎn)生有機酸水[2]。

在特定的溫度下，水—纖維、空氣—纖維又會達到分布平衡，油中的水分會在隨著溫度的升高而升高，而紙的水分含量會隨著溫度的升高而降低，因此在夏季溫度較高的時候變壓器油的含水量會相對較高，而冬季相對較低，因此變壓器油的高塔介質(zhì)損耗會因季節(jié)的不同而有所變化。

3 處理措施分析

介質(zhì)損耗嚴重時，介質(zhì)損耗系數(shù)變化較快，此時除了及時更換設此類徹底的方法以外，還有諸多補救和再生的措施，例如串聯(lián)過濾法、真空抽濾法、吸附劑吸附法、更換變壓器油、去除老化產(chǎn)物等諸多方式。

3.1 串聯(lián)過濾法

由于介質(zhì)損的耗程度高，80%是介質(zhì)中微生物、金屬離子、水分或者溶膠雜質(zhì)等含量高。因此，合理的過濾更夠直接有效的減少介質(zhì)的損耗程度，在實際應用中經(jīng)常采用的是至少兩種機器的串聯(lián)過濾法。具體是，壓板濾油機和真空濾油機進行串聯(lián)，如果在過濾后介質(zhì)損耗系數(shù)仍沒有下降跡象或下降較少，則需要考慮其他方式進行再生處理。

3.2 真空抽濾法

真空抽濾機有時會單獨使用應用于以變壓器介質(zhì)的再生，在實際應用中常用于水分含量過高引起的介質(zhì)耗損過大，真空抽濾針對水分原因效果較好。

3.3 吸附劑吸附法

針對抽濾和吸濾效果不佳的情況，可以采用吸附劑強力吸附，如對極性物質(zhì)吸附效果很好的三氧化二鋁、801 顆粒吸附劑或細孔硅膠等，效果都很好。對于粗孔硅膠，可以采用新型精華材料及設備。但在使用過程要注意以下4 個問題：①使用濾油機的過程中應注意保持加熱狀態(tài)；②要嚴格控制吸附劑的使用量，不能超限；③處理系統(tǒng)的材料只能是尼龍或聚乙烯；④過濾終點以濾油檢測合格為止。

吸附劑更換的最小周期為3 個月，更換吸附劑時應將變壓器的本體溫度控制在一個穩(wěn)定的水平，配合吸附罐聯(lián)合開展吸附。吸附劑的使用劑量通常為3%～10%。

3.4 更換變壓器油法

更換變壓器油是操作最簡便、降低介質(zhì)損耗最快的一種方式，但材料成本較高、耗時較長，嚴格把控故障油與新的變壓器油的混合交界，可以規(guī)避不必要的損失，否則污染嚴重有可能造成變壓器油的大量浪費、介質(zhì)損耗系數(shù)反而更大。操作時，控制好機芯保持真空狀態(tài)、不進空氣，不被空氣污染，通過少量變壓器油噴淋的方式避免油劣化。具體說，噴淋需要真空濾油機和根淋管的配合，在溫度適宜的情況下進行循環(huán)噴淋。所謂溫度適宜，最重要的是進、出油口的溫度均在75 ℃以上并保持恒溫狀態(tài)，循環(huán)過2 次之后及時對變壓器油進行系數(shù)檢測，根據(jù)檢測結(jié)果決定是否進行下一個循環(huán)。

3.5 除去老化產(chǎn)物法

引起介質(zhì)損耗嚴重的原因有很多，其中運行時間長導致老化產(chǎn)物增多是重要的一條。對于這些老化產(chǎn)物，硫酸可以起到一次性的強力除去作用，但除污后的殘余化學物質(zhì)同樣需要凈化去除。在實際運行中，去酸最常用的是白土，具體包括以下4 個流程：

（1）沉降。通過沉降罐中的靜置過程，將水分和雜質(zhì)分離。

（2）加入硫酸除雜。硫酸除雜的入酸需分至少兩次進行，每次間隔0.5 h 除雜質(zhì)，直至酸渣排凈。

（3）白土除酸。材料操作前在100～110 ℃環(huán)境下預熱，預熱后的材料入油除酸，當材料由白色轉(zhuǎn)為黑色時此階段結(jié)束。（4）最后將變黑的白土材料過濾干凈。