變壓器油糠醛含量檢測與固體絕緣老化的研究

劉 煥，薛守洪，孫利強

(內蒙古電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010000)

牛皮紙和紙板是油浸式變壓器中主要的固體絕緣材料，紙類的主要成分是纖維素。因為變壓器油相較容易使其再生與更換，而絕緣紙較不易更換且纖維素老化不能恢復，故油浸式變壓器的壽命通常是指固體絕緣的壽命，即絕緣紙的壽命。判斷變壓器壽命的方法可以通過氣相色譜法檢測固體絕緣老化的分解產物，CO和CO2的含量，也可以檢測固體絕緣的纖維素聚合度與抗張強度，但兩個方法前者準確性比較低，后者取樣略困難，所以目前通常使用一種更加方便快捷且取樣簡單的方法——液相色譜法。

在20世紀的80年代，英國研究人員在論文中就提出了糠醛這種物質是變壓器內部固體絕緣材料劣化老化的特征產物，并在當時公布了檢測變壓器固體絕緣材料老化程度的新方法。糠醛在絕緣油中有著較好的累積作用不易損失，變壓器油的取樣也較為簡單，僅從變壓器油箱底部取樣口取樣即可，不需要將設備停止運行，十分方便。

1 檢測原理

糠醛，系統名稱為α-呋喃甲醛，是在呋喃2位上氫原子被醛基取代的衍生物，故又名2-呋喃甲醛。外觀上為無色、透明、油狀的液體，擁有類似苯甲醛的特殊苦杏仁味，若暴露在光照下或空氣當中顏色會快速變成紅棕色。其分子式為C5H4O2，分子量96.08，由于具有醛基、二烯基醚官能團，故糠醛具有醛、醚、二烯烴等化合物的特性，易容于醚類、醇類等物質。糠醛在變壓器油中的溶解能力較好，沸點也比較高，故在常溫的環境下不容易揮發，利用這些特點使得變壓器油易于取樣、保存、檢測。

糠醛在變壓器油中具有良好的選擇性，可以用甲醇把糠醛從變壓器油中萃取出來，利用反向色譜C18色譜柱，使其作為非極性的固定相，用甲醇水溶液作為極性的流動相，采用梯度沖洗的方法，提高變壓器油中糠醛的分離時間與分離效果。

2 試驗設備

2.1 液相色譜儀

生產廠家：日本島津

設備型號：LC-2030

色譜柱：4.6×150mm，5μm C18

檢測器：紫外檢測器

工作站：LCsolution

液相色譜儀工作參數：流量1mL/min，流動相比例甲醇∶水=1∶1，檢測器波長277nm，柱溫40℃。

2.2 振蕩儀

振蕩頻率：275±5次/min

振幅：35±3mm

3 糠醛含量檢測

3.1 液相色譜法檢測變壓器油中糠醛含量流程

3.1.1 流動相的準備。 利用0.45μm的有機系濾膜抽濾足量的色譜級甲醇，并制備足量的蒸餾水也用0.45μm的水系濾膜進行抽濾，這樣的做法可以去除流動相中顆粒雜質，以避免儀器堵塞，將兩種液體分別置于儀器的兩個流動相瓶中，用超聲波振蕩儀振蕩15min，充分排除液體中的溶解氣體后，將兩個流動相瓶分別與液相色譜儀A泵與B泵連接。

3.1.2 變壓器油中糠醛萃取。利用100mL玻璃注射器取變壓器油40.0mL，用5mL注射器取5.0mL甲醇注入其中，調節玻璃注射器至55.0mL并堵好注射器針頭部，放入振蕩儀中振蕩5min，振蕩結束后靜置10min。靜置混合液分層后，用注射器抽取上層清液約1.5mL，將注射器針頭取下，換上0.45μm針頭式有機系濾膜，將清液過濾在液相色譜儀專用頂空瓶內，置入液相色譜儀樣品架中。

3.1.3 糠醛含量檢測。 上述步驟完成后，需先對液相色譜儀進行排氣，打開排空閥，點擊工作站中的排氣按鈕，排氣完畢后關閉排空閥。之后便可激活儀器，使儀器進行預熱、柱溫箱升溫，液相色譜儀按照設定參數開始運行，待儀器達到工作設定參數后，工作站操作界面就緒，此時即可開始試驗。在批處理程序中設定好樣品參數、方法、進樣量等信息，點擊開始進行檢測。液相色譜儀設定的沖洗方法采用梯度沖洗，先用1∶1的甲醇水溶液沖洗4min，然后用純甲醇繼續沖洗14min，最后再用1∶1的甲醇水溶液沖洗4min，儀器即可進樣檢測。根據做標準曲線時標準溶液中糠醛的保留時間約為2.5min，故將檢測時間設定為7min。檢測完成后，利用工作站的數據處理軟件對檢測的數據進行處理分析，根據每個樣品的峰高可以計算出油中的糠醛濃度(mg/L)。每個樣品需進行重復性試驗，當糠醛含量<1.0mg/L時，兩次測量數值之差應小于等于平均值的10%；當糠醛含量≥1.0mg/L時，兩次測量數值之差應小于等于平均值的5%。

3.2 變壓器絕緣油中糠醛含量與變壓器投運年限的關系

在電力標準DL/T 596-1996《電力設備預防性試驗規程》當中，對變壓器絕緣油中的糠醛含量提出了相應要求。當變壓器油中糠醛含量超過表1的值時，通常認定為非正常老化，需要對問題變壓器進行跟蹤檢測，也提出在跟蹤檢測時應注意糠醛含量的增長率。當變壓器油中的糠醛含量超過4mg/L時，通常認定變壓器內部絕緣老化已經相當嚴重。該電力標準建議變壓器在如下情況需要進行糠醛含量檢測：①當變壓器油中的氣體總烴超標或CO和CO2含量較高時；②500kV的變壓器或電抗器以及150MVA以上的升壓變壓器在設備投運3～5年后。

表1 糠醛含量檢測標準

3.3 檢測數據與分析

自2019年11月起，利用液相色譜法先后對內蒙古電網各供電局、火電廠、新能源場站的約350臺次變壓器絕緣油的糠醛含量進行了檢測，檢測的結果和情況如下：①經檢測，所有變壓器油樣品的糠醛含量均在0.1mg/L以下，其中檢測的最小值為0.0001mg/L，最大值為0.088mg/L。這些變壓器的投運時間為1～5年的占總數的16%，6～10年的占28%，11～15年的占45%，16～20年的占11%。糠醛含量檢測值超過0.05mg/L的變壓器占全部的5%，變壓器投運時間均已超過10年。所有變壓器設備的油中糠醛含量均未出現異常值，就檢測結果來看變壓器內部的固體絕緣老化均處于正常老化范圍。變壓器的電壓等級包括10kV、110kV、220kV、500kV等，在此不予統計，僅對變壓器油中糠醛含量與設備投運年限的關系做比對。②從經過檢測糠醛含量的變壓器角度來講，投運超過10年的變壓器占到了近六成，基本可以看出內蒙古電網地區的變壓器投運時間超過10年的已超半數，而糠醛含量檢測的數據卻較為良好，這是因為在補油、濾油、再生等過程中油中糠醛含量會減少，因此實際變壓器油中的糠醛含量應大于檢測值，那么，變壓器內部的固體絕緣老化情況應比實際檢測值推算的情況要嚴重一些。③有單位發現變壓器CO和CO2含量超標嚴重，故將此變壓器的油樣送檢進行糠醛含量檢測，但經檢測發現該樣品的糠醛含量并不高，此原因很可能也是由于變壓器油在經過補油、濾油、再生等處理后，會損失油中一部分的糠醛，導致糠醛含量的檢測值小于實際值。在今后的研究中也應考慮到糠醛產生的速率及消耗情況，使得糠醛含量檢測可以更好地為變壓器內部固體絕緣老化情況提供有力依據。④在試驗過程中，有極少情況下會出現變壓器油與甲醇在規定時間內無法完全分離的情況，遇到該情況時可以利用離心機進行分離。出現此類的原因有可能是變壓器油老化劣化所致，或者變壓器油中某類添加劑與甲醇有較強的親和性所致，導致變壓器油與甲醇不易分離。出現此類情況可以對變壓器油進行進一步的檢測，通過檢測數據再進行分析。

4 結束語

通過分析檢測數據基本可以看出，投運時間長的變壓器，其油中糠醛含量并不一定高，但糠醛含量高的變壓器往往投運時間比較長，CO和CO2的含量也并不一定能夠反映出變壓器油中糠醛含量以及變壓器內部固體絕緣老化的狀態。對于變壓器來說，單單檢測糠醛含量來判斷變壓器固體絕緣老化并不是十分的準確，要與其他絕緣材料檢測方法相結合，才能更好反映變壓器內部固體絕緣的狀態。但就液相色譜法測定糠醛含量而言，它是判斷固體絕緣老化的一種有效方法，其操作簡單、分析迅速、用樣量少、準確性好，使得該方法在電力化學領域和技術監督及服務中發揮了舉足輕重的作用。一直以來，科研人員對糠醛的檢測方法也從未停下改進和研究的腳步，對檢測變壓器油糠醛含量得來的數據進行積累和分析，從數據來剖析變壓器內部固體絕緣老化的情況已經成為電力行業變壓器化學監督的重要方法，利用變壓器油中糠醛含量檢測與其他試驗方法相結合，如油中溶解氣體色譜分析，運用綜合手段分析評估變壓器的內部狀況，必定是電力化學行業發展的一大趨勢。