變壓器注油工藝對(duì)油色譜影響實(shí)例分析

徐康健，郭素萍

（金華電業(yè)局，浙江 金華 321001）

正常情況下變壓器油中很少會(huì)出現(xiàn)乙炔。一般認(rèn)為，乙炔是油在高溫下（800～1200℃）發(fā)生熱解的產(chǎn)物。因此，乙炔成為判斷變壓器內(nèi)部各種放電性故障最有價(jià)值的特征氣體。鑒于放電性故障對(duì)設(shè)備危害的嚴(yán)重性，電力運(yùn)行部門對(duì)油中乙炔的重視程度遠(yuǎn)高于其它特征氣體。然而，油中出現(xiàn)乙炔并不等于設(shè)備內(nèi)部一定存在故障，為避免誤判，必須查明其來(lái)源。本文結(jié)合1臺(tái)35 kV主變吊芯作業(yè)期間油中出現(xiàn)乙炔事例進(jìn)行分析。

1 乙炔來(lái)源的排查

某主變（型號(hào)S7－6300/35）進(jìn)行吊芯檢查期間，油處理過(guò)程如下：先從變壓器本體取油樣，然后用壓力式濾油機(jī)將變壓器內(nèi)的油排到油罐中。當(dāng)日變壓器吊芯工作完成后，又將油罐中的油用同一臺(tái)濾油機(jī)從變壓器底部的進(jìn)油口注回到變壓器油箱，注油過(guò)程中未對(duì)變壓器內(nèi)部抽真空；次日再次對(duì)主變?nèi)∮蜆印Ｓ蜆臃治鼋Y(jié)果顯示，變壓器吊芯前的油樣中乙炔含量為零，吊芯后的油樣中乙炔含量為2.10 μL/L，吊芯前后油中溶解氣體含量測(cè)定值見(jiàn)表1。

一般認(rèn)為，變壓器在停電大修期間，能使油中出現(xiàn)乙炔的途徑可能有：

（1）補(bǔ)充油未做色譜分析，將含有乙炔的油補(bǔ)加到變壓器中。

（2）對(duì)變壓器器身或附件進(jìn)行過(guò)焊接作業(yè)，焊區(qū)的高溫使附近的油發(fā)生熱解產(chǎn)生乙炔。

（3）有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)在檢修后發(fā)生了滲漏，使含有乙炔的油進(jìn)入變壓器本體。

（4）電氣試驗(yàn)中變壓器內(nèi)部發(fā)生放電故障。

（5）現(xiàn)場(chǎng)油處理設(shè)備引起。如濾油機(jī)故障引起油過(guò)熱分解產(chǎn)生乙炔，或油罐、濾油機(jī)中的殘油含有乙炔，使用前又未處理干凈。

表1 主變吊芯前后油中溶解氣體含量測(cè)定值

由于本例中的變壓器無(wú)有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)，也未補(bǔ)充過(guò)油或進(jìn)行過(guò)焊接作業(yè)，且取油樣是在電氣試驗(yàn)之前，故可將這些因素排除。

所使用的壓力式濾油機(jī)經(jīng)檢查未見(jiàn)異常，而且該濾油機(jī)在后來(lái)的使用中也證明并無(wú)故障。此外，油處理設(shè)備(油罐及濾油機(jī)等)使用前，也未接觸過(guò)含有乙炔的油。所以也可排除現(xiàn)場(chǎng)油處理設(shè)備的因素。

經(jīng)過(guò)排查,最后認(rèn)為這臺(tái)變壓器油產(chǎn)生乙炔的原因比較少見(jiàn)，應(yīng)是注油過(guò)程中發(fā)生油流靜電放電引起。

2 油流靜電的形成

變壓器的油流靜電(或帶電)現(xiàn)象多見(jiàn)于強(qiáng)迫油循環(huán)的大型變壓器中。因?yàn)檫@類變壓器在運(yùn)行中油的循環(huán)流速較高，油品的不斷流動(dòng)中使油流與變壓器內(nèi)的固體絕緣物如絕緣紙、層壓板等相互摩擦而產(chǎn)生正負(fù)電荷，這些電荷在固體絕緣物表面和油中以相應(yīng)的能量級(jí)積聚。盡管同時(shí)也存在正負(fù)電荷的中和及電荷對(duì)地泄漏，但如果電荷的積累速度大于電荷的泄漏及中和速度，油或固體絕緣材料表面所積累的電荷量達(dá)到一定程度后，所產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)了絕緣油的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，就會(huì)在油中或固體絕緣表面發(fā)生靜電放電。

此外，變壓器在注油過(guò)程中，油分子之間、油品與輸油管之間的摩擦也會(huì)產(chǎn)生靜電，其靜電電壓隨著摩擦的加劇而增大，如不及時(shí)消除，當(dāng)電壓增高到一定程度后，就會(huì)發(fā)生靜電放電。

影響油流帶電程度的因素很多，最主要的是油的流速，流速越高帶電越嚴(yán)重。其次，固體絕緣物的種類及表面形態(tài)、油流狀態(tài) （層流或湍流）、油溫及油的帶電傾向性能 （與油的成分及老化程度等因素有關(guān)）對(duì)油流帶電也有很大影響。

3 乙炔異常分析

3.1 對(duì)注油工藝的要求

有關(guān)變壓器檢修的標(biāo)準(zhǔn)[1]一般要求220 kV及以上變壓器必須進(jìn)行真空注油，其他變壓器有條件時(shí)也應(yīng)采用真空注油。真空注油一般按下述要求進(jìn)行：

（1）注油前先對(duì)變壓器油箱進(jìn)行抽真空脫氣、脫水，真空度達(dá)到規(guī)定值并保持2 h后，開(kāi)始向變壓器油箱內(nèi)注油，油溫宜略高于器身溫度。

（2）注油時(shí)應(yīng)繼續(xù)抽真空，以3～5 t/h的速度將油從油箱底部的進(jìn)油口注入，當(dāng)油位升至距箱頂約200 mm時(shí)停止，并繼續(xù)抽真空保持2 h（110 kV）或 4 h（220 kV）以上。 然后停止抽真空，并將余下的油從油枕注入。

3.2 發(fā)生靜電放電的條件

該次作業(yè)中所用的濾油機(jī)流速為200 L/min，相當(dāng)于10 t/h，遠(yuǎn)超過(guò)了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，而該變壓器油量很小 （2.7 t），底部進(jìn)油口的口徑較小，這就出現(xiàn)了濾油機(jī)出油管口徑大于變壓器的進(jìn)油口口徑，油在變壓器入口處的流速比正常情況下更高的現(xiàn)象。而心式變壓器容易出現(xiàn)靜電放電的部位也是這一區(qū)域[2]。為進(jìn)一步了解該變壓器油的帶電傾向性能，對(duì)其與油庫(kù)中經(jīng)過(guò)濾合格的25號(hào)新油進(jìn)行了油流帶電度對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果顯示該變壓器油的油流帶電度（134.2 pC/mL）明顯高于新油（16.8 pC/mL）。因此這臺(tái)變壓器在注油中具備了發(fā)生油流放電的條件。

3.3 靜電放電的產(chǎn)氣特征

變壓器油的靜電放電屬低能量放電，其產(chǎn)生的特征氣體主要是氫和乙炔，其次是甲烷和乙烯。從表1可知，吊芯后油中烴類氣體含量比吊芯前略有增加，但氫、一氧化碳和二氧化碳的含量反而有不同程度的下降，這是否符合靜電放電的特征呢？

吊芯過(guò)程中變壓器油雖未進(jìn)行真空脫氣，但有較長(zhǎng)時(shí)間暴露在大氣中，油中部分溶解氣體的逃逸不可避免，油中原有的特征氣體含量因此大幅下降。注油時(shí)發(fā)生靜電放電新產(chǎn)生的特征氣體同樣也會(huì)從油中逸出。由此可見(jiàn)，該主變的產(chǎn)氣特征還需做進(jìn)一步分析。

變壓器中的油從封閉狀態(tài)變?yōu)榕c大氣接觸的開(kāi)放狀態(tài)后，油中特征氣體含量將會(huì)下降，但下降的幅度不同氣體各不相同，與氣體在油中的溶解系數(shù)有密切關(guān)系。

氣體溶解系數(shù)（或稱分配系數(shù)）的定義可以表述為：在一定的溫度和壓力下，密封容器中的氣、液兩相達(dá)到平衡后，氣體組分在液相中的濃度與其在氣相中的濃度之比為一定值，該值即為氣體的溶解系數(shù)。顯然，如果在氣、液接觸前氣相為空白氣體 （即不含分析對(duì)象的氣體），則氣體組分的溶解系數(shù)越小，氣、液兩相平衡后油中該組分的濃度將下降越多，即該組分從液相中轉(zhuǎn)移到氣相中的比例越大；反之亦然。所以，當(dāng)油暴露在大氣中時(shí)，雖然氣、液兩相不能達(dá)到平衡，但并不影響用氣體溶解系數(shù)來(lái)衡量各氣體組分從油中逸出的難易程度（或比例大小）。表2給出了50℃時(shí)國(guó)產(chǎn)變壓器油各氣體組分的氣體溶解系數(shù)。

表2 50℃時(shí)國(guó)產(chǎn)變壓器油的氣體溶解系數(shù)

3.4 特征氣體含量分析

從表2看出，7種氣體組分中氫的溶解系數(shù)最小（0.06），意味著氫最容易從油中逸出。為便于分析，對(duì)氣、液平衡過(guò)程油中氫濃度的變化做一估算。

假設(shè)一封閉系統(tǒng)保持溫度(50℃)、壓力(101.3 kPa)不變，系統(tǒng)內(nèi)加入一定量氫濃度為X的試油和一定量的空白氣（如氮?dú)猓辉跉狻⒁簝上嗥胶夂螅挂合啵ㄓ停┡c氣相的體積相等，均為V，此時(shí)液相和氣相中的氫濃度分別設(shè)為Cl和Cg。則在平衡狀態(tài)下式（1）成立：

根據(jù)氣體溶解系數(shù)定義：

將式（2）代入式（1），并整理后得：

式（3）表明，密封系統(tǒng)中氣、液兩相達(dá)到平衡后，若兩相體積相等，留在油中的氫濃度僅為原來(lái)的5.6%。由此不難推知，若氣相體積大于液相，則油中氫濃度還將下降更多。

在非密封環(huán)境中，因氣、液兩相難以達(dá)到平衡，油中的氫將持續(xù)向大氣中轉(zhuǎn)移；倘若油與大氣的接觸面積足夠大、接觸時(shí)間足夠長(zhǎng)，則油中氫濃度的下降幅度將非常大。鑒于該變壓器吊芯前油中氫含量?jī)H為12 μL/L，由以上分析可以判斷，吊芯后油中原有的氫應(yīng)所剩無(wú)幾；而注油中因靜電放電產(chǎn)生的氫同樣也會(huì)有相當(dāng)一部分逃逸，吊芯后油中氫含量比以前略有下降也在情理之中。

一氧化碳和二氧化碳的溶解系數(shù)較小，這表明在吊芯過(guò)程中，油中的一氧化碳和二氧化碳會(huì)有相當(dāng)一部分逸散到大氣中 （尤其是一氧化碳）。靜電放電倘若涉及到固體絕緣，可能會(huì)產(chǎn)生一定量的一氧化碳和二氧化碳，但由于二者原來(lái)在油中含量很大（尤其是二氧化碳），增量的影響相對(duì)而言是微不足道的。油中發(fā)生靜電放電而一氧化碳和二氧化碳含量不增反降的現(xiàn)象應(yīng)屬正常。

從表1、表2可知，烴類氣體溶解系數(shù)的大小排序是 CH4＜C2H2＜C2H4＜C2H6， 吊芯后油中乙炔含量由零增至2.1 μL/L，其它烴類氣體含量的增幅排序是CH4＞C2H4＞C2H6；據(jù)此綜合考慮，可以認(rèn)為完全符合靜電放電產(chǎn)生烴類氣體所具有的特點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)實(shí)例分析，得出變壓器注油過(guò)程中產(chǎn)生乙炔的原因。因此，變壓器注油要嚴(yán)格遵守相關(guān)工藝標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)注油速度要予以重視，尤其是變壓器進(jìn)油口閥門的口徑較小、而濾油機(jī)的流量又較大時(shí)，要控制注油時(shí)的油流速度不能過(guò)大，最好能使用流量適當(dāng)?shù)臑V油機(jī)，以防發(fā)生油流靜電放電。

[1] DL/T 573-95，電力變壓器檢修導(dǎo)則[S].北京：中國(guó)電力出版社，1995.

[2] 周剛，咸日常，趙利.大型變壓器中的油流帶電現(xiàn)象及抑制對(duì)策[J].山東電力技術(shù)，2003，130（2）∶46-48.