电力变压器腐蚀性硫研究

天津大唐国际盘山发电有限责任公司 毛宏宇

电力变压器是发输变电系统中电能传输及转换的核心设备，他的安全稳定运行对发输变电系统的可靠性起着至关重要的作用。变压器的电气绝缘主要依靠绝缘油与绝缘纸组成的油纸绝缘复合系统。变压器在运行中，油纸绝缘系统受到电磁环境、机械振动、温度等因素影响，其绝缘性能会发生缓慢老化，增加变压器发生故障的可能性。同时，油纸绝缘系统也受到绝缘油中腐蚀性硫的影响。

部分2000年前后生产制造的进口变压器，所使用绝缘油根据当时的炼制工艺要求，需添加适量二苄基二硫醚（DBDS）作为抗氧化剂，延长绝缘油使用寿命。然而后续研究发现，DBDS和其他腐蚀性硫化物可与铜绕组发生反应，生成铜的硫化物，积聚在绝缘纸表面形成半导电层，致使油纸绝缘系统的电气性能下降而引发绝缘故障。我国华北电网、福建电网、广东电网等区域，也先后多次在变压器故障处理中发现了硫化物沉积腐蚀现象。因此，研究腐蚀性硫对变压器的影响及腐蚀性硫的抑制措施，对保证变压器安全稳定运行具有重要意义。

腐蚀性硫的危害在于，其可与铜绕组反应生成硫化亚铜（Cu2S），附着在绝缘纸表面后形成半导电层，显著降低绝缘纸介电性能，其起始放电电压及击穿强度也明显下降。大量Cu2S的产生也会导致局部电场场强发生畸变、温度升高，最终导致绝缘失效，造成放电性故障[1]。

腐蚀产生的Cu2S还可溶于绝缘油中，影响绝缘油的电气性能。当绝缘油中含有大量金属粒子时，伴随极性物质含量的增加也使绝缘油的带电倾向升高，介质损耗增大。此外，Cu2S杂质进入绝缘油中，还会使绝缘油导电性能增加。当其流过固体绝缘材料时会改变局部电场分布，造成电荷积聚，严重时将产生油流带电，甚至产生直流电动势差，导致匝间短路或绝缘击穿。

1 腐蚀性硫的检测方法

定性检测方法：对绝缘油中腐蚀性硫的检测方法以定性检测为主，常用的检测标准为SH/T 0804《电气绝缘油腐蚀性硫试验 银片试验法》。该标准规定，将银片置于测试油样中放入100℃环境下加热18h，通过观察银片表面颜色，判断测试油样是否具有腐蚀性。但此种方法不能完全模拟油纸绝缘系统，且部分案例发现，采用该方法检测结果为非腐蚀性时，变压器投运一定时间后仍发现存在硫腐蚀现象。为提高检测的准确性，较为推荐的标准为IEC 62535，该标准规定，将包裹绝缘纸的铜片置于油样中放入150℃环境下加热72h，通过观察除去绝缘纸的铜片表面颜色，判断测试油样是否具有腐蚀性。但以上两种方法均未规定量化评价标准，检测结果受主观因素影响很大。

定量检测方法：绝缘油中腐蚀性硫存在形式较多，但一般认为DBDS是腐蚀性硫的主要成分，故针对腐蚀性硫的定量检测常围绕DBDS开展。DBDS检测依据的标准为GB∕T 32508《绝缘油中腐蚀性硫(二苄基二硫醚)定量检测方法》，标准规定了气相色谱-质谱联用法（GC-MS）和气相色谱-电子捕获检测器法（GC-ECD）两种方法对绝缘油中DBDS进行定量检测。其中，气相色谱-质谱联用法可灵敏检出DBDS，但检测精度较低；气相色谱-电子捕获检测器法操作简便、检测精度高，但检测结果易受环境干扰。

2 腐蚀性硫的影响机理

对于硫腐蚀过程的机理国内外学者有较多研究，但由于变压器内部运行环境复杂，其腐蚀机理尚未达成统一共识。当前有2种主流学说，能解释腐蚀性硫与铜绕组的反应机理。一种主流学说是由日本三菱公司（Mitsubishi Electric Corporation）提出的DBDS-Cu2S的腐蚀机理，指出DBDS可与绝缘油中的铜离子结合形成DBDS-Cu的化合物，该化合物可进一步分解生产二苄基硫醚（DBS）与1,2-二苯乙烷（BiBZ），此后DBS与铜绕组反应生成Cu2S与BiBZ：

另一种主流学说是由ABB公司提出的硫醇-Cu2S的腐蚀机理，指出铜在绝缘油中氧化生成Cu2O，该物质可部分溶于绝缘油，并进一步与硫醇（RSH）反应，生成硫醇铜（CuSH），其在一定条件下可分解生成Cu2S：4Cu+O2→2Cu2O，Cu2O+2RSH→2CuSH+H2O，2CuSH→Cu2S+ RSR。

以上两种学说均能在一定程度上解释硫腐蚀的发生过程，但也均缺乏微观机理的具体验证。变压器中硫的存在形式多样，已查明多种硫化物均具有腐蚀性，Cu2S的生成机理还需进一步的探究。

3 腐蚀性硫的抑制措施

3.1 使用不含腐蚀性硫的绝缘油

使用不含腐蚀性硫的绝缘油是防止硫腐蚀最直接有效的方法。对于新投运的变压器要严格进行腐蚀性硫检测，检测结果应为“非腐蚀性”。由于在一定条件下油中非腐蚀性硫也可转换为腐蚀性硫，故也应限制绝缘油中总硫含量，防止非腐蚀性硫的转化、腐蚀铜绕组。对于运行变压器，当油中腐蚀性硫超标时，可通过更换新油的方式根本解决硫腐蚀的问题。但也需注意，此种方法无法完全去除吸附在绝缘纸上的腐蚀性硫，残留的腐蚀性硫仍会腐蚀铜绕组，破坏油纸绝缘系统的绝缘性能。

3.2 改善变压器运行条件

腐蚀性硫的反应受多种因素影响，油中含氧量、变压器运行温度等都会影响腐蚀速率及程度。新油及运行中变压器油均会含有一定量的氧气，而铜绕组的腐蚀速率与氧气浓度成正相关。研究表明，相同时间下，油中含氧量越高、腐蚀性硫与铜绕组反应后生成的硫化物积聚越多，对绝缘性能的破坏越大。因此，在新油验收时应严格遵守GB 2536《电工流体 变压器和开关用的未使用过的矿物绝缘油》相关规定，投运前进行滤油处理，脱除油中含有的氧气；运行中应密切监视油中含氧量，当发现含氧量过高时择机停机滤油。

温度对硫腐蚀过程起着重要作用。相关实验表明，油温超过80℃时Cu2S会大量生成积聚，随着温度升高Cu2S的生成量呈指数级增长。在变压器运行过程中应确保冷却系统正常运行，控制变压器运行在合理温度区间。也应注意在巡检过程中发现的局部过热情况，当发现局部过热时及时查明原因，消除缺陷。

3.3 添加金属钝化剂

针对运行变压器，在绝缘油中添加金属钝化剂是当前应用最广泛的腐蚀性硫抑制措施。常见的金属钝化剂主要成分为TTA、BTA、Irgamet 39，均为苯三唑及其衍生物，可与铜绕组反应在其表面形成防护膜，阻碍铜绕组与腐蚀性硫发生反应，达到抑制硫腐蚀的效果。金属钝化剂的添加剂量一般建议控制在100mg/kg左右，添加剂量过少难以达到有效防护效果、过高则会影响油品。且因金属钝化剂会与铜绕组反应消耗，故需对金属钝化剂含量进行定期监测，当油中金属钝化剂含量不足时应再次进行添加。

综上，由于腐蚀性硫导致的变压器故障已得到越来越广泛关注。当前国内外相关研究还面临较多挑战，继续深入研究腐蚀性硫的影响机理并制定针对性的抑制措施，是该领域未来的重点研究方向。