变压器油中糠醛质量浓度检测与分析

王善龙，朱孟兆，冯 彩，王泓钊，陈玉峰

（1.山东理工大学，山东 淄博 255000；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

·电网技术·

变压器油中糠醛质量浓度检测与分析

王善龙1，2，朱孟兆2，冯 彩1，2，王泓钊1，2，陈玉峰1，2

（1.山东理工大学，山东 淄博 255000；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

大型变压器广泛采用绝缘纸与绝缘油的组合绝缘方式，而绝缘纸在劣化过程中会产生糠醛并溶解于油中，所以通过检测变压器油中糠醛质量浓度，可以简单、快速地判断变压器绝缘材料老化程度。通过对在运变压器的油中糠醛数据分析得出变压器油中糠醛质量浓度与投运时间的关系。统计分析变压器油中的糠醛质量浓度数据，得出变压器油中糠醛质量浓度与投运时间之间有良好的相关关系，变压器不同油纸比例对油中糠醛质量浓度有影响。提出应用油中糠醛质量浓度诊断电力变压器绝缘老化时，要考虑不同油纸比例对油中糠醛质量浓度的影响。分析糠醛质量浓度低于标准中注意值的变压器，提出与当年变压器油中平均糠醛质量浓度进行比对，对质量浓度高的变压器进行跟踪监视。

糠醛质量浓度；油纸比例；固相萃取；投运时间

0 引言

变压器作为电力系统的重要设备，它的安全、稳定运行对电力系统十分重要。目前，我国有较多大型变压器运行时间已经超过其设计时间［1］，但由于成本、效益等相关因素的制约，这些设备仍然在电力系统中仍担负着重要的输配电任务，但其绝缘系统已经经历了相当程度的老化。如何准确评估变压器固体绝缘状态及剩余寿命对于电网的安全、可靠、经济运行具有重大意义。

大型电力变压器普遍采用绝缘纸与绝缘油的组合绝缘方式，所以油纸的绝缘状态是变压器寿命的决定因素［2-5］。1984年12届国际大电网会议中，英国学者首先提出了使用油中糠醛质量浓度评估绝缘纸老化的方法。该方法被提出以来受到了各国学者的广泛关注［6］。糠醛是纤维素绝缘纸劣化的特征产物，因此油中糠醛质量浓度被认为是评估变压器绝缘老化的有力化学特征量。

糠醛又名呋喃甲醛，易溶于醇或醚，浅黄至琥珀色透明液体，沸点159.5～162.5℃。分子式为C4H3OCHO。大量实验结果和理论分析表明［7］，糠醛的产生只来自于绝缘纸的老化分解。变压器油一般使用矿物油，主要成分为烷烃、环烷烃和芳香烃等；而绝缘纸的主要成分是纤维素，分子式为（C6H10O5）n，其中n为聚合度。在纸绝缘老化时，受到氧气、水分、热和油中酸性化合物的共同作用，纸中的纤维素会发生一系列的降解。纤维素中的氧键断开，生成D-葡萄糖单体，由于D-葡萄糖单体不稳定，进一步降解产生一些含氧杂化合物，其中糠醛是其中的重要产物，这些化合物溶解于变压器油中。因而，利用液相色谱法对油中糠醛进行定量检测［8-9］，其质量浓度多少就间接反映了变压器油纸绝缘的老化程度。

糠醛分析相对其他老化评估方法具有几点优势，一是糠醛取样方便，用量少，一般只需油样10～100mL；二是取油样不需特别的容器，运输和保存方便，而且是高沸点液体，不易损失；三是无需变压器停电；四是油中糠醛可以被精确检测；五是变压器内部非纤维素绝缘材料的老化也不产生糠醛，变压器油中的糠醛是唯有固体绝缘老化才生产的产物［10-13］。

对大量在运变压器油中糠醛质量浓度测试［14］，分析测试数据，拟合变压器油中糠醛浓度与投运时间的相关关系；与DL/T 984—2005油浸式变压器绝缘老化判断导则中变压器油中糠醛注意值下限值进行比对，对数据中的差异进行分析，计算变压器油中平均糠醛质量浓度，对平均糠醛质量浓度与投运时间进行拟合，对两条拟合曲线对比。分析不同厂家变压器油中糠醛质量浓度的差别，对其中两厂家变压器油中糠醛质量浓度进行分析，研究其中差异性。通过对变压器油中糠醛质量浓度的研究，为更好地评估变压器固体绝缘状态及剩余寿命提供数据支持。对把握现役变压器的老化状态和剩余寿命，充分挖掘变压器的使用潜力具有重要意义。

1 测量方法

油中糠醛质量浓度检测分两部分，如图1所示。图中第一部分为糠醛的萃取，第二部分为使用液相色谱仪检测糠醛质量浓度。

1.1 糠醛萃取

现阶段有两种方法，一种是液相萃取，一种固相萃取。液相萃取是利用化合物在两种互不相溶（或微溶）的溶剂中溶解度或分配系数的不同，使化合物从一种溶剂内转移到另外一种溶剂中。经过反复多次萃取，将绝大部分的化合物提取出来。固相萃取（SPE）是从20世纪80年代中期开始发展起来的一项样品前处理技术，由液固萃取和液相色谱技术相结合发展而来，主要通过固相填料对样品组分的选择性吸附及解吸过程，实现对样品的分离、纯化和富集，主要目的在于降低样品基质干扰，提高检测灵敏度。

图1 糠醛检测流程

相关研究显示，利用固相萃取法，对样品的萃取、浓缩和净化较好，容易达到定量萃取，同时也减少了溶剂用量［15］，对油中糠醛的萃取实现批量化萃取，大大提高了糠醛萃取的工作效率。固相萃取装置如图2所示，萃取流程如图3所示。

采用固相萃取是使液体样品溶液通过吸附剂，保留其中被测物质，再选用适当强度溶剂冲去杂质，然后用少量溶剂迅速洗脱被测物质，实现被测物质快速萃取。

图2 固相萃取装置

图3 固相萃取流程

1.2 糠醛检测

萃取完成后，然后使用液相色谱仪（图4）进行检测。测量仪器采用高效液相色谱仪，检测器为可变波长扫描紫外检测器。

根据试验方法的研究，有关分析条件如下：首先调试色谱仪设置测试方法，流动相为甲醇与水混合溶液；体积流量为0.5mL/min；检测波长为280 nm；色谱柱温度为30℃；进样量为10mL。然后进样测试，得出数据。

2 结果分析

2.1 糠醛质量浓度与运行时间的关系

本次所测样品中服役最长的变压器为15年，最大值为服役12年的1台变压器，糠醛质量浓度为0.105mg/L， 平均糠醛质量浓度为 0.028 19mg/L，DL/T 596—1996《电力设备预防性试验规程》中糠醛质量浓度注意值对照如表1所示。

最大值 0.105mg/L远小于注意值 0.40mg/L。本次所测所有变压器的糠醛质量浓度都远小于标准规定的注意值。针对这种现象，对所有数据进行拟合，拟合之后与DL/T 984—2005油浸式变压器绝缘老化判断导则中变压器油中糠醛注意值下限值进行比对，分析其中差异。

表1 变压器运行时间和糠醛质量浓度注意值对照表

图5 不同运行时间变压器油中糠醛质量浓度

图6 糠醛质量浓度对数值与投运时间之间的关系

对所有油样品中糠醛质量浓度与投运时间之间建立坐标系，进行拟合。图5表明变压器油中糠醛质量浓度与投运时间之间呈指数关系，图6取糠醛质量浓度的对数值与投运时间进行线性拟合得函数：

DL/T 984—2005《油浸式变压器绝缘老化判断导则》中变压器油中糠醛注意值下限值：

图7 现场数据拟合曲线与标准注意值对比

图7中显示实际测量线远低于标准线，糠醛增长速率即斜率K1＜K2现场在运变压器油中糠醛质量浓度都远小于标准中的注意值。分析原因有很多，不同变压器厂家生产的变压器投运时糠醛质量浓度也不尽相同；换油、补油对变压器油中糠醛质量浓度影响比较大；事故状态下，绝缘纸的老化速度会出现巨大变化，油中糠醛质量浓度也会迅速提高；与负荷率、运行温度等密切相关；还可能由于变压器油纸比例不同导致糠醛质量浓度会不同。

2.2 不同厂家变压器油中糠醛质量浓度

通过图5～7的分析，变压器油中糠醛质量浓度与投运时间之间有良好的相关关系。但图5中有很多点比较离散，考虑变压器糠醛质量浓度可能与油纸质量分数不同有关，而不同厂家的变压器油纸质量分数是不一样的。现对不同厂家的变压器进行分析。对所测变压器厂家进行统计如图8所示。

图8 各厂家的变压器占比

图8为各厂家的变压器占比，厂家a、b和c的变压器数量比较多，根据每台变压器对应的糠醛质量浓度，在时间跨度上，a厂家被测变压器投运时间跨越15年，b厂家的被测变压器投运时间横跨8年，c厂家被检变压器投运时间比较集中，投运时间基本在3～5年，综上所述，选a厂家和b厂家的变压器糠醛质量浓度进行分析，其糠醛质量浓度对数值与投运时间关系分别如图9、图10所示。

图9 a厂家糠醛对数值与投运时间之间的关系

图9中变压器有中糠醛质量浓度与投运时间之间的关系式

其截距为-1.869 88，斜率为0.040 15。

图10 b厂家糠醛质量浓度对数值与投运时间之间的关系

图10中变压器有中糠醛质量浓度与投运时间之间的关系式

其截距为-2.278 8，斜率为0.096 8。

由式（3）和式（4）得，Ka=0.040 15，Kb=0.096 8 通过斜率可以得出两直线倾斜度差别很大。b厂家被测变压器油中糠醛质量浓度在投运后，随时间的增长，糠醛质量浓度增速明显快于a厂家的变压器，a厂家的糠醛质量浓度增速缓慢。说明不同油纸质量分数的变压器油中的糠醛质量浓度产生速度不同。

油纸的比例不同对油中糠醛质量浓度影响大，在检测变压器油中糠醛质量浓度时，建议每个厂家的变压器单独建立一个数据库，分析糠醛质量浓度。

2.3 变压器油中糠醛平均质量浓度

在实际检修过程中，现场在运变压器会出现各种各样的问题，单纯的凭借注意值来监测变压器是不足的。图1中有很多相同投运时间的变压器油中糠醛质量浓度也有很大差别。为了更好地监测变压器运行情况，建议可以计算每年的变压器油中平均糠醛质量浓度，然后对低于注意值的变压器油中糠醛质量浓度与平均值进行比对，对偏离平均值的较大糠醛质量浓度进行跟踪，监测其老化状态。

对每年的糠醛质量浓度数据进行平均，如表2所示。

表2 糠醛质量浓度平均值

线性拟合所得函数为：

式（5）与式（1）直线差异很小，即平均糠醛质量浓度对数值与投运时间拟合函数和所有变压器糠醛质量浓度与投运时间拟合函数差异很小，如图11、图12所示。变压器油中糠醛质量浓度可以和平均糠醛质量浓度进行比对来判断是否在正常范围。对远大于平均值的平均糠醛质量浓度的变压器，跟踪监视，密切跟踪其老化状态。

图11 平均糠醛质量浓度与投运时间之间的关系

图12 平均糠醛质量浓度对数值与投运时间之间的关系

3 结论

变压器油中糠醛质量浓度与投运时间之间有良好的线性关系，变压器油中糠醛含随投运时间的增长而增长。

完全相同的变压器在运行时，其糠醛质量浓度也各有不同，这与其负荷率和运行温度等密切相关。

当糠醛实际测试拟合曲线与标准曲线相差较大时，建议计算每年的变压器油中平均糠醛质量浓度，然后对低于注意值的糠醛质量浓度与平均值进行比对，对偏离平均值的较大糠醛质量浓度值进行跟踪。

在应用糠醛质量浓度分析电力变压器绝缘老化诊断时，要考虑不同油纸质量分数对油中糠醛质量浓度的影响。

建议对不同厂家的变压器进行数据收集分析，对不同油纸质量分数变压器建立数据库，方便更准确地监测变压器糠醛质量浓度，更好地判断绝缘老化情况，保证电网的安全运行。

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Detection and Analysis of Furfural Content in Transformer Oil

WANG Shanlong1，2， ZHU Mengzhao2，FENG Cai1，2， WANG Hongzhao1，2，C HEN Yufeng1，2
（1.Shandong University of Technology，Zibo 255000，China；2.State Grid Shandong Electric Power Research Institute， Jinan 250003，China）

Large-scale transformers mainly use the insulating paper and insulating oil combined insulation.The insulating paper in the process of degradation will produce furfural which is then dissolved in oil.Therefore，detecting the transformer oil furfural content is a simple and quick way to determine the degree of aging of transformer insulation.The relationship between the furfural content in the transformer insulating oil and the service time is obtained by analyzing relevant data acquired.The statistic shows a clear correlation between the content of furfural in the transformer oil and the operating life.However one set of furfural content data is not enough to determine the operation life as the data will vary with the different paper-oil ratio in different transformers.It is necessary to take the effect of different paper-oil ratio into consideration when diagnosing the insulation aging of power transformer.The suggested insulation agingmonitoring procedure is that the furfural content should be analyzed comparatively according to average furfural content.Even the furfural content is below the warning standard，the transformerwith highest furfural content should bemonitored.

furfural content；oil-paper ratio；solid phase extraction；runtime

TM41

：A

：1007-9904（2017）08-0001-06

2017-05-26

王善龙（1989），男，硕士研究生，研究方向为高电压技术及设备状态评价研究；

朱孟兆（1980），男，高级工程师，主要从事电气设备绝缘故障诊断和设备状态评价研究；

冯 彩（1992），女，硕士研究生，研究方向为高电压技术及设备状态评价研究；

王泓钊（1991），男，硕士研究生，研究方向为新能源与并网发电研究；

陈玉峰（1970），男，高级工程师，主要从事高电压试验技术及设备状态评价研究。

国家863高技术基金项目（2015AA050204）；国家电网科技项目（520626150032）