運行變壓器油防劣化措施的實際應用

王慧艷

（陽城國際發電有限責任公司，山西晉城 048102）

1 變壓器油劣化的危害

變壓器在電廠輸送電環節起著舉足輕重的作用。變壓器線圈及絕緣材料浸泡在變壓器油中，變壓器油的品質好壞直接影響著變壓器的使用壽命。變壓器油在變壓器中的主要作用為絕緣、散熱冷卻以及滅弧[1]。充油變壓器投入運行后，變壓器油會受到空氣中的氧氣、工作溫度、電場、電弧及水分、雜質和金屬催化劑（銅、鐵材料）等各種外界因素的影響而逐漸被氧化變質。隨著氧化程度的加深，油中逐漸會生成各種酸及酸性物質，當油中同時含有低分子有機酸和水分時，就提高了油品的導電性，明顯降低了設備的電絕緣水平，縮短了設備的使用壽命[2]68-76。另外，油中的酸性物質還會使設備構件中使用的銅、鐵等金屬材料腐蝕生成各類金屬鹽，這些鹽又進一步加速油的氧化，生成更多的酸性物質，最終造成絕緣油的深度劣化，產生油泥并黏附在絕緣材料、變壓器殼體邊緣的壁上，或沉積于循環油道、冷卻散熱片等地方，不僅嚴重影響散熱，引起線圈局部過熱，使變壓器工作溫度升高，降低設備額定出力，而且加速固體絕緣材料老化和收縮，造成變壓器喪失吸收沖擊負荷的能力[2]192-193。

2 造成變壓器油劣化的因素

造成變壓器油劣化的因素分為2種：一是不能改變或控制的因素，比如設備中存在的銅鐵材料、電場、放電電弧等原因造成的劣化；二是可以控制的因素，比如氧氣、水分、溫度、催化劑（油品自身的酸性氧化產物）。在實際工作中，監督人員能做的就是將可控因素控制在較低的水平，減緩油品的劣化。

a）氧。氧是變壓器油劣化的根本原因。油中的氧主要來源于空氣。變壓器投入運行前，即使使用高真空脫氣法給主油箱注油，也不能將油中的氧完全去除。另外，變壓器中絕緣材料之一的紙纖維素在熱的作用下發生裂解反應的過程中也會產生氧氣。而變壓器油被氧氣氧化后，生成醛、酮和有機酸等，使油的酸值和黏度增大，一方面會使變壓器油的散熱性能變差，另一方面其中的酸性產物又會加速油質的氧化和劣化。

b）水分。水分是危害變壓器安全可靠運行的重要因素，它不僅可以降低絕緣紙和絕緣油的電氣強度，而且還是變壓器油發生氧化反應的催化劑，加速絕緣油和絕緣紙的劣化速度。油中的水分有3種來源：一是大氣中的濕氣從設備外部侵入油中。對于開放式變壓器而言，它的呼吸管僅通過一個干燥器（內裝吸濕變色硅膠）和大氣相通，當硅膠失效后就失去了應有的吸濕作用。當環境溫度下降時，水分在呼吸管周圍形成環狀水膜，通過毛細管作用沿呼吸管進入變壓器。二是纖維素吸附的水分在一定溫度下釋放到油中。變壓器絕緣系統的總濕度由纖維素和液體中的水分含量決定，水分在兩者之間處于動態的平衡狀態。溫度增加時，水在絕緣油中的溶解度增加，水分就會從絕緣紙中轉移到絕緣油中，溫度降低時，水分又會從絕緣油中轉移到絕緣紙中，但水分從液體介質流動到絕緣紙的速度相當緩慢。因此，絕緣油冷卻期間的含水量高于加熱期間。三是纖維素的老化產物。固體絕緣的主要成分是纖維素，其降解過程包括一系列復雜的化學反應，伴隨著纖維素長鏈的斷裂，生成的氣體、水分以及呋喃化合物在絕緣油、絕緣紙以及油面的氣體中達到動態平衡。

c）運行油溫。溫度是變壓器油發生氧化反應的加速劑。油與氧的化學反應速度取決于變壓器運行時的工作溫度。一般變壓器的主要絕緣是A級絕緣，規定最高使用溫度是105℃（變壓器工作時本身的溫度與當天的環境溫度相加），變壓器運行中繞組的溫度要比上層油溫高10～15℃。變壓器長時間在溫度很高的情況下運行，會縮短內部絕緣紙板的壽命，使絕緣紙板變脆，發生破裂，失去應有的絕緣作用，造成擊穿事故。對絕緣油而言也會加速油的劣化。如果油溫在75℃時，5 d時間就能與氧發生反應，而油溫在50℃時，該反應則需要幾個月的時間。即油溫越高，與氧的反應速度越快。

d）油的老化產物。老化產物會使變壓器油的劣化發生鏈式反應。變壓器油在熱、氧、水分和電場等的作用下慢慢老化，使油中低分子有機酸等氧化產物增多，不但腐蝕設備、降低油的絕緣性能，而且會使氧化反應速度加快，加速油品劣化。

以上各種因素互相促進，互相影響，一旦氧化開始就很難抑制，最終導致絕緣油失去應有的效能，所以要加強油品各項指標的監督，尤其是要加強對水分、酸值、界面張力和介質損耗因數等指標的監督，發現指標變化，注意跟蹤分析，適當控制，從而減緩反應速度，延長油品使用壽命，降低維護費用，提高變壓器運行的可靠性。

3 變壓器油的防劣化措施

多年來，陽城國際發電有限責任公司（以下簡稱“本公司”）油務管理人員嚴格執行國家標準，建立設備管理檔案，開展日常監督工作，按規定的檢驗項目和周期進行油品的取樣、化驗、分析比較，一有異常，會很快縮短取樣化驗的周期，跟蹤分析，及時掌握油品的變化趨勢，并盡快進行凈化處理。同時依據分析結果，采取了許多行之有效的處理措施，減緩了變壓器油的劣化。

3.1 變壓器油氧化初期的處理

針對初期氧化裂變的變壓器油，可通過吸附再生+抗氧化劑的再生處理法，能有效防止變壓器油進一步劣化。

a）超高壓主變壓器油變色。某年7月份一次變壓器油色譜分析例行監督取樣時發現，本公司1臺500 kV的超高壓主變壓器油由淺黃色變成了桔紅色。按照規定，該電壓等級變壓器油的色譜分析周期為3個月，說明最多3個月的時間，油品的顏色就發生了明顯的變化。于是，油化驗監督人員又增做了界面張力、運動黏度、水分、體積電阻率、介質損耗因數、抗氧化劑含量等分析試驗項目，還做了變壓器油的耐壓試驗和電氣性能試驗。從試驗結果看，除了該油的體積電阻率較低，介質損耗因數達到了0.028外，其他油質指標仍處于合格范圍，且和上一次試驗結果相比無明顯增大。將油樣送到西安熱工研究院有限公司檢測后發現，油中基本不含抗氧化劑，并且有少量油泥產生，說明該油已經開始有輕微的老化。針對這種情況，西安熱工研究院有限公司技術人員通過試驗室再生處理試驗和抗氧化劑感受性試驗等一系列小型實驗室模擬試驗，最終確定了針對性強、可實施性強的油處理方案。因運行油補加抗氧化劑應在設備停運或檢修時進行，添加前應先清除設備和油中的油泥、水分和雜質，且油耐壓試驗合格（對于新油、再生油，T501抗氧化劑的質量分數應不低于0.3%～0.5%，且補加時，油的水溶性酸pH值不低于5.0），故先用板式濾油機和真空濾油機串聯，對油進行凈化再生處理，待油質達標后，再添加0.3%的T501抗氧化劑。添加抗氧化劑，要在50℃下配制成含5%～10%的油溶液，然后通過真空濾油機將其加入循環狀態的設備油中并混合均勻，以防藥劑過濃導致未溶解的藥劑沉積在設備內。添加后，油的理化性能和電氣性能等各項指標優于處理前的變壓器油。

b）油的再生處理。再生處理采用吸附再生法（采用西安熱工研究院有限公司變壓器油再生濾元），再生過程中要注意以下事項：一是做好濾油機機油污染絕緣油的預防措施，尤其對輸油管路脫落造成大量絕緣油泄漏的情況，要做好預防措施；注油工作要在天氣良好的情況下進行，工作過程中要做好降雨的預防措施，避免由于降雨造成絕緣油濕度增大，影響變壓器的絕緣強度；保證工作范圍內整潔干凈。二是嚴格保證整個油系統密封，所有油管路及抽真空管路不應使用膠管，注油前必須認真檢查輸油管道，保證注油管道沒有氣泡；所有絕緣油必須通過真空濾油方式注入變壓器。三是對變壓器中油進行處理時，同時啟動潛油泵，使油在變壓器本體、油枕以及散熱器中進行大循環，以便對變壓器內部可能存在的油泥進行沖洗。四是采取再生與真空凈化串聯聯合處理工藝進行處理，再生機溫度控制在50℃左右，真空機溫度控制在60℃左右；凈化再生的過程中要取樣化驗，監督油品的水分和體積電阻率合格。五是制作中間油罐。中間油罐徹底清理干凈，準備適量的變壓器油在油罐中用真空濾油機進行循環再生，同時沖洗吸附再生系統及油管路。六是將中間油罐中的油處理好后，靜置，用于配制抗氧劑母液。七是本次計劃添加完成后，油中抗氧化劑質量分數在0.3%左右，考慮到可能在添加的過程中會有所損失，所以配制時按照0.35%的質量分數考慮T501的消耗量。啟動加熱裝置，將油加熱至50～55℃，將已稱好的抗氧化劑從油罐頂部法蘭口緩慢加入，封閉頂部法蘭盤，利用油罐與真空濾油機的內循環，將抗氧化劑充分溶解。待氧化劑充分溶解后，緩慢地操作閥門，讓絕緣油母液經真空濾油機進入主變壓器本體再生好的變壓器油中循環均勻。保持熱油循環3個周期，之后取油樣進行全分析和色譜分析。

注入抗氧化劑之前，對變壓器油取樣分析。注入抗氧化劑后，靜置24 h后取樣分析，變壓器投運前再次取樣化驗，監督油質的變化情況。當變壓器投入運行1 d、3 d和7 d后，都要進行取樣分析。經取樣分析可知，處理后的油酸值、介損值得到大幅度降低，油的界面張力和體積電阻率大幅度提高，無油泥與沉淀物，達到新油標準，T501抗氧化劑質量分數在0.33%左右，滿足超高壓變壓器的運行要求。

c）試運行1 a后，色譜分析和油質全分析結果顯示，油品的各項指標都保持合格、良好。于是，本公司油化驗和電氣人員利用機組檢修的機會，采用此方法對其他5臺機組的主變壓器油進行了同樣的處理。以最先處理的變壓器油為監測對象，連續收集介質損耗因數值近10 a，結果顯示介損值維持在0.005左右，遠低于國標要求的0.020。當遇有介損值升高的情況就及時對油進行真空凈化處理，使其保持在優良的水平。

3.2 開放式油枕的改造

將開放式油枕改造為膠囊式油枕，能有效降低油中含氣量，隔絕氧氣對變壓器油的影響。本公司主變壓器是德國西門子的TFUM88657型變壓器，電壓等級500 kV，為開放式變壓器。變壓器油通過呼吸器直接和大氣相通，外界的空氣和潮氣極易進入油中，使油加速氧化和老化。結合主變壓器多年的實際運行情況，油中水分含量逐年升高，含氣量更是遠遠超過國標要求的3%。經過技術部門多次研究決定，對油枕進行改造，將開放式油枕改造為膠囊式油枕。膠囊式油枕就是在油枕的油面上部放一個膠囊，把油與大氣隔開。膠囊通過連管和裝滿吸濕硅膠的呼吸器和大氣相通，通過膠囊的收縮來吸收變壓器溫度升高時油的膨脹。這樣一來，變壓器油和空氣的接觸機會就減少了。改造后設備運行穩定，油中含氣量明顯下降。改造前，油中含氣量基本維持在7%～8%，2016年3月份改造完畢后，油中含氣量降為1.32%，同年11月份，變為1.92%，2017年11月份，變為1.79%，2018年11月的測定值是1.28%。說明改造非常成功，變壓器油含氣量得到了有效控制，能有效防止空氣和外界的濕氣等進入變壓器內部，油的氧化速度大幅度降低[3-4]。

3.3 控制運行油的水分含量和介質損耗因數

水分是油品發生氧化作用的主要催化劑，必須將其控制在最低水平。除了做好3個月1次的水分含量分析和色譜分析外，更要做好介質損耗因數的監測。介質損耗因數是判斷油品是否發生劣化、生成極性雜質的最敏感的項目。如果水分和介損值任何一個有變大的趨勢，就必須利用設備大小修機會進行真空脫水或凈化處理。另外，油品取樣選擇在天氣干燥晴朗的時候進行，并且嚴格按照《取樣方法》規定操作，以防水分和雜質進入油箱。

3.4 嚴格控制變壓器油的運行溫度

溫度是油發生氧化作用的主要加速劑，油與氧的化學反應速度取決于變壓器運行時的溫度。本公司超高壓變壓器的冷卻方式是強迫油循環風冷，變壓器帶電聯鎖啟動潛油泵，當運行油溫超過50℃時啟動第一組冷卻風扇，當溫度超過55℃時啟動第二組冷卻風扇，使變壓器油始終工作在50～55℃之間。設備每一次檢修，設備維護人員都會認真檢查冷卻風扇和潛油泵是否有潛在故障，及時處理異常，確保變壓器運行時能正常投運。

3.5 變壓器發生異常后檢測變壓器油指標變化

變壓器的主要保護動作之后也要對變壓器油進行取樣分析。通過色譜分析來監測特征氣體含量，通過測定水分、酸值、水溶性酸、耐壓值和介損值，分析變壓器油是否發生劣化，是否需要真空脫氣脫水、再生處理或更換新油。

4 結束語

在變壓器運行中，要加強對變壓器油的監測與維護，重點加強對介損值、水分、含氣量、運行溫度、酸值、電阻率等指標的監測，發現異常，及時采取科學的防劣措施，以有效減緩變壓器油的老化速度，延長油和設備的使用壽命，保證設備安全穩定健康地運行。