运行变压器油防劣化措施的实际应用

2023-01-05王慧艳

山西电力 2022年1期

王慧艳

（阳城国际发电有限责任公司，山西晋城 048102）

1 变压器油劣化的危害

变压器在电厂输送电环节起着举足轻重的作用。变压器线圈及绝缘材料浸泡在变压器油中，变压器油的品质好坏直接影响着变压器的使用寿命。变压器油在变压器中的主要作用为绝缘、散热冷却以及灭弧[1]。充油变压器投入运行后，变压器油会受到空气中的氧气、工作温度、电场、电弧及水分、杂质和金属催化剂（铜、铁材料）等各种外界因素的影响而逐渐被氧化变质。随着氧化程度的加深，油中逐渐会生成各种酸及酸性物质，当油中同时含有低分子有机酸和水分时，就提高了油品的导电性，明显降低了设备的电绝缘水平，缩短了设备的使用寿命[2]68-76。另外，油中的酸性物质还会使设备构件中使用的铜、铁等金属材料腐蚀生成各类金属盐，这些盐又进一步加速油的氧化，生成更多的酸性物质，最终造成绝缘油的深度劣化，产生油泥并黏附在绝缘材料、变压器壳体边缘的壁上，或沉积于循环油道、冷却散热片等地方，不仅严重影响散热，引起线圈局部过热，使变压器工作温度升高，降低设备额定出力，而且加速固体绝缘材料老化和收缩，造成变压器丧失吸收冲击负荷的能力[2]192-193。

2 造成变压器油劣化的因素

造成变压器油劣化的因素分为2种：一是不能改变或控制的因素，比如设备中存在的铜铁材料、电场、放电电弧等原因造成的劣化；二是可以控制的因素，比如氧气、水分、温度、催化剂（油品自身的酸性氧化产物）。在实际工作中，监督人员能做的就是将可控因素控制在较低的水平，减缓油品的劣化。

a）氧。氧是变压器油劣化的根本原因。油中的氧主要来源于空气。变压器投入运行前，即使使用高真空脱气法给主油箱注油，也不能将油中的氧完全去除。另外，变压器中绝缘材料之一的纸纤维素在热的作用下发生裂解反应的过程中也会产生氧气。而变压器油被氧气氧化后，生成醛、酮和有机酸等，使油的酸值和黏度增大，一方面会使变压器油的散热性能变差，另一方面其中的酸性产物又会加速油质的氧化和劣化。

b）水分。水分是危害变压器安全可靠运行的重要因素，它不仅可以降低绝缘纸和绝缘油的电气强度，而且还是变压器油发生氧化反应的催化剂，加速绝缘油和绝缘纸的劣化速度。油中的水分有3种来源：一是大气中的湿气从设备外部侵入油中。对于开放式变压器而言，它的呼吸管仅通过一个干燥器（内装吸湿变色硅胶）和大气相通，当硅胶失效后就失去了应有的吸湿作用。当环境温度下降时，水分在呼吸管周围形成环状水膜，通过毛细管作用沿呼吸管进入变压器。二是纤维素吸附的水分在一定温度下释放到油中。变压器绝缘系统的总湿度由纤维素和液体中的水分含量决定，水分在两者之间处于动态的平衡状态。温度增加时，水在绝缘油中的溶解度增加，水分就会从绝缘纸中转移到绝缘油中，温度降低时，水分又会从绝缘油中转移到绝缘纸中，但水分从液体介质流动到绝缘纸的速度相当缓慢。因此，绝缘油冷却期间的含水量高于加热期间。三是纤维素的老化产物。固体绝缘的主要成分是纤维素，其降解过程包括一系列复杂的化学反应，伴随着纤维素长链的断裂，生成的气体、水分以及呋喃化合物在绝缘油、绝缘纸以及油面的气体中达到动态平衡。

c）运行油温。温度是变压器油发生氧化反应的加速剂。油与氧的化学反应速度取决于变压器运行时的工作温度。一般变压器的主要绝缘是A级绝缘，规定最高使用温度是105℃（变压器工作时本身的温度与当天的环境温度相加），变压器运行中绕组的温度要比上层油温高10～15℃。变压器长时间在温度很高的情况下运行，会缩短内部绝缘纸板的寿命，使绝缘纸板变脆，发生破裂，失去应有的绝缘作用，造成击穿事故。对绝缘油而言也会加速油的劣化。如果油温在75℃时，5 d时间就能与氧发生反应，而油温在50℃时，该反应则需要几个月的时间。即油温越高，与氧的反应速度越快。

d）油的老化产物。老化产物会使变压器油的劣化发生链式反应。变压器油在热、氧、水分和电场等的作用下慢慢老化，使油中低分子有机酸等氧化产物增多，不但腐蚀设备、降低油的绝缘性能，而且会使氧化反应速度加快，加速油品劣化。

以上各种因素互相促进，互相影响，一旦氧化开始就很难抑制，最终导致绝缘油失去应有的效能，所以要加强油品各项指标的监督，尤其是要加强对水分、酸值、界面张力和介质损耗因数等指标的监督，发现指标变化，注意跟踪分析，适当控制，从而减缓反应速度，延长油品使用寿命，降低维护费用，提高变压器运行的可靠性。

3 变压器油的防劣化措施

多年来，阳城国际发电有限责任公司（以下简称“本公司”）油务管理人员严格执行国家标准，建立设备管理档案，开展日常监督工作，按规定的检验项目和周期进行油品的取样、化验、分析比较，一有异常，会很快缩短取样化验的周期，跟踪分析，及时掌握油品的变化趋势，并尽快进行净化处理。同时依据分析结果，采取了许多行之有效的处理措施，减缓了变压器油的劣化。

3.1 变压器油氧化初期的处理

针对初期氧化裂变的变压器油，可通过吸附再生+抗氧化剂的再生处理法，能有效防止变压器油进一步劣化。

a）超高压主变压器油变色。某年7月份一次变压器油色谱分析例行监督取样时发现，本公司1台500 kV的超高压主变压器油由浅黄色变成了桔红色。按照规定，该电压等级变压器油的色谱分析周期为3个月，说明最多3个月的时间，油品的颜色就发生了明显的变化。于是，油化验监督人员又增做了界面张力、运动黏度、水分、体积电阻率、介质损耗因数、抗氧化剂含量等分析试验项目，还做了变压器油的耐压试验和电气性能试验。从试验结果看，除了该油的体积电阻率较低，介质损耗因数达到了0.028外，其他油质指标仍处于合格范围，且和上一次试验结果相比无明显增大。将油样送到西安热工研究院有限公司检测后发现，油中基本不含抗氧化剂，并且有少量油泥产生，说明该油已经开始有轻微的老化。针对这种情况，西安热工研究院有限公司技术人员通过试验室再生处理试验和抗氧化剂感受性试验等一系列小型实验室模拟试验，最终确定了针对性强、可实施性强的油处理方案。因运行油补加抗氧化剂应在设备停运或检修时进行，添加前应先清除设备和油中的油泥、水分和杂质，且油耐压试验合格（对于新油、再生油，T501抗氧化剂的质量分数应不低于0.3%～0.5%，且补加时，油的水溶性酸pH值不低于5.0），故先用板式滤油机和真空滤油机串联，对油进行净化再生处理，待油质达标后，再添加0.3%的T501抗氧化剂。添加抗氧化剂，要在50℃下配制成含5%～10%的油溶液，然后通过真空滤油机将其加入循环状态的设备油中并混合均匀，以防药剂过浓导致未溶解的药剂沉积在设备内。添加后，油的理化性能和电气性能等各项指标优于处理前的变压器油。

b）油的再生处理。再生处理采用吸附再生法（采用西安热工研究院有限公司变压器油再生滤元），再生过程中要注意以下事项：一是做好滤油机机油污染绝缘油的预防措施，尤其对输油管路脱落造成大量绝缘油泄漏的情况，要做好预防措施；注油工作要在天气良好的情况下进行，工作过程中要做好降雨的预防措施，避免由于降雨造成绝缘油湿度增大，影响变压器的绝缘强度；保证工作范围内整洁干净。二是严格保证整个油系统密封，所有油管路及抽真空管路不应使用胶管，注油前必须认真检查输油管道，保证注油管道没有气泡；所有绝缘油必须通过真空滤油方式注入变压器。三是对变压器中油进行处理时，同时启动潜油泵，使油在变压器本体、油枕以及散热器中进行大循环，以便对变压器内部可能存在的油泥进行冲洗。四是采取再生与真空净化串联联合处理工艺进行处理，再生机温度控制在50℃左右，真空机温度控制在60℃左右；净化再生的过程中要取样化验，监督油品的水分和体积电阻率合格。五是制作中间油罐。中间油罐彻底清理干净，准备适量的变压器油在油罐中用真空滤油机进行循环再生，同时冲洗吸附再生系统及油管路。六是将中间油罐中的油处理好后，静置，用于配制抗氧剂母液。七是本次计划添加完成后，油中抗氧化剂质量分数在0.3%左右，考虑到可能在添加的过程中会有所损失，所以配制时按照0.35%的质量分数考虑T501的消耗量。启动加热装置，将油加热至50～55℃，将已称好的抗氧化剂从油罐顶部法兰口缓慢加入，封闭顶部法兰盘，利用油罐与真空滤油机的内循环，将抗氧化剂充分溶解。待氧化剂充分溶解后，缓慢地操作阀门，让绝缘油母液经真空滤油机进入主变压器本体再生好的变压器油中循环均匀。保持热油循环3个周期，之后取油样进行全分析和色谱分析。

注入抗氧化剂之前，对变压器油取样分析。注入抗氧化剂后，静置24 h后取样分析，变压器投运前再次取样化验，监督油质的变化情况。当变压器投入运行1 d、3 d和7 d后，都要进行取样分析。经取样分析可知，处理后的油酸值、介损值得到大幅度降低，油的界面张力和体积电阻率大幅度提高，无油泥与沉淀物，达到新油标准，T501抗氧化剂质量分数在0.33%左右，满足超高压变压器的运行要求。

c）试运行1 a后，色谱分析和油质全分析结果显示，油品的各项指标都保持合格、良好。于是，本公司油化验和电气人员利用机组检修的机会，采用此方法对其他5台机组的主变压器油进行了同样的处理。以最先处理的变压器油为监测对象，连续收集介质损耗因数值近10 a，结果显示介损值维持在0.005左右，远低于国标要求的0.020。当遇有介损值升高的情况就及时对油进行真空净化处理，使其保持在优良的水平。

3.2 开放式油枕的改造

将开放式油枕改造为胶囊式油枕，能有效降低油中含气量，隔绝氧气对变压器油的影响。本公司主变压器是德国西门子的TFUM88657型变压器，电压等级500 kV，为开放式变压器。变压器油通过呼吸器直接和大气相通，外界的空气和潮气极易进入油中，使油加速氧化和老化。结合主变压器多年的实际运行情况，油中水分含量逐年升高，含气量更是远远超过国标要求的3%。经过技术部门多次研究决定，对油枕进行改造，将开放式油枕改造为胶囊式油枕。胶囊式油枕就是在油枕的油面上部放一个胶囊，把油与大气隔开。胶囊通过连管和装满吸湿硅胶的呼吸器和大气相通，通过胶囊的收缩来吸收变压器温度升高时油的膨胀。这样一来，变压器油和空气的接触机会就减少了。改造后设备运行稳定，油中含气量明显下降。改造前，油中含气量基本维持在7%～8%，2016年3月份改造完毕后，油中含气量降为1.32%，同年11月份，变为1.92%，2017年11月份，变为1.79%，2018年11月的测定值是1.28%。说明改造非常成功，变压器油含气量得到了有效控制，能有效防止空气和外界的湿气等进入变压器内部，油的氧化速度大幅度降低[3-4]。

3.3 控制运行油的水分含量和介质损耗因数

水分是油品发生氧化作用的主要催化剂，必须将其控制在最低水平。除了做好3个月1次的水分含量分析和色谱分析外，更要做好介质损耗因数的监测。介质损耗因数是判断油品是否发生劣化、生成极性杂质的最敏感的项目。如果水分和介损值任何一个有变大的趋势，就必须利用设备大小修机会进行真空脱水或净化处理。另外，油品取样选择在天气干燥晴朗的时候进行，并且严格按照《取样方法》规定操作，以防水分和杂质进入油箱。

3.4 严格控制变压器油的运行温度

温度是油发生氧化作用的主要加速剂，油与氧的化学反应速度取决于变压器运行时的温度。本公司超高压变压器的冷却方式是强迫油循环风冷，变压器带电联锁启动潜油泵，当运行油温超过50℃时启动第一组冷却风扇，当温度超过55℃时启动第二组冷却风扇，使变压器油始终工作在50～55℃之间。设备每一次检修，设备维护人员都会认真检查冷却风扇和潜油泵是否有潜在故障，及时处理异常，确保变压器运行时能正常投运。