變壓器油中腐蝕性硫的危害及應(yīng)對(duì)措施分析

鄒平 胡亞平 劉明 張明剛

摘 要：近年來(lái)，被確認(rèn)為變壓器油中腐蝕性硫造成的事故逐漸增多，引起國(guó)內(nèi)外專家的廣泛關(guān)注，本文闡述了腐蝕性硫產(chǎn)生的機(jī)理及對(duì)變壓器造成的危害，并提出可以采取的防范措施。

關(guān)鍵詞：變壓器；腐蝕性硫；硫化亞銅；鈍化劑

1 引言

隨著電力變壓器電壓等級(jí)的提高，對(duì)其油品的性能要求越來(lái)越高。近年來(lái)，廣東電網(wǎng)發(fā)生了多起因變壓器絕緣油中含腐蝕性硫，導(dǎo)致變壓器絕緣下降的故障隱患。因此，深入了解變壓器油硫腐蝕的機(jī)理及對(duì)絕緣的影響，進(jìn)而采取有效的應(yīng)對(duì)措施，對(duì)避免變壓器出現(xiàn)硫腐蝕這一故障十分重要。

2 變壓器絕緣油中腐蝕性硫的來(lái)源

變壓器電力系統(tǒng)中采用的絕緣油主要是由天然石油煉制而成。石油的化學(xué)成分比較復(fù)雜，它既不是由單一的元素組成，也不是由簡(jiǎn)單化合物組成，而是由許多種元素組成的多種化合物的混合物。

變壓器油生產(chǎn)商在油品中保留少量硫，是利用其作為天然氧化抑制劑的功能，在正常情況下，硫化合物能減慢油品的老化速度并防止形成酸性物質(zhì)和沉淀，成品的變壓器油總硫含量一般在0.5%以下，油中的硫和硫化物分為“活性硫”和“非活性硫”兩類，活性硫主要包括元素硫、硫化氫、硫醇，它們可直接和金屬反應(yīng)，具有較高腐蝕性，其余的稱為非活性硫，主要包括硫醚類化合物、烷基硫化物、環(huán)狀硫化物和磺酸等。對(duì)于沒(méi)有添加抗氧化劑或添加了微量抗氧化劑類型的低精煉進(jìn)口變壓器油，硫醇的含量較高。

3 變壓器中腐蝕性硫的危害

3.1 油中硫化亞銅的形成機(jī)理

硫醇對(duì)銅的腐蝕速率隨溫度的升高而增大，當(dāng)溫度從60℃增到120℃時(shí)，硫醇對(duì)銅的腐蝕速率可增大約16倍。硫化亞銅的形成一般經(jīng)歷三個(gè)階段：

（1）變壓器中銅導(dǎo)線表面被氧化形成一層氧化亞銅膜。

（2）氧化亞銅膜與硫醇發(fā)生反應(yīng)，生成可溶解于油的硫醇銅。

（3）硫醇銅可被油帶到變壓器的各個(gè)部分，但大部分被絕緣紙吸附留在絕緣紙上，當(dāng)溫度較高時(shí)，將分解生成硫化亞銅Cu2S和油溶性的有機(jī)殘留物。

反應(yīng)過(guò)程的反應(yīng)式如下：

2Cu+O2→Cu2O

Cu2O+2RSH→2CuSR+H2O

2CuSR→Cu2S+RSH

式中RSH代表硫醇，R代表烷基。

目前220kv即以上變壓器都采用膠囊或金屬膨脹器的密封裝置，且在投運(yùn)前進(jìn)行了真空脫氣處理，但變壓器油中會(huì)殘留少量氧氣，按500kv變壓器運(yùn)行中1%的油中含氣量標(biāo)準(zhǔn)以及油中氧氣和氮?dú)獾娜芙獗嚷剩s3：7），油中氧氣含量允許3000？滋L/L，因此從理論上講，在任何油浸式變壓器中都會(huì)產(chǎn)生上述反應(yīng)。

3.2 硫化亞銅對(duì)變壓器絕緣性能的影響

硫化亞銅是一種微導(dǎo)電的物質(zhì)，它的導(dǎo)電性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于絕緣紙和變壓器油。

變壓器中硫化亞銅的產(chǎn)生最初是沉積在繞組內(nèi)線圈的銅導(dǎo)體表面，這時(shí)的硫化亞銅沉積物危害較小，不足以引起匝間、層間的局部放電和短路事故。但在變壓器運(yùn)行時(shí)，隨著變壓器油的流動(dòng)，會(huì)對(duì)線圈造成不斷的沖刷，更多的硫化亞銅沉積物懸浮到油中，并被吸附到絕緣紙板上，當(dāng)產(chǎn)生的硫化亞銅達(dá)到一定量時(shí)，吸附到絕緣紙板上的硫化亞銅會(huì)改變變壓器內(nèi)部的電場(chǎng)分布，降低繞組內(nèi)線圈的耐壓強(qiáng)度，在一定的運(yùn)行條件下，繞組內(nèi)部產(chǎn)生局部放電，絕緣材料被擊穿，產(chǎn)生嚴(yán)重的電弧放電，造成變壓器燒毀的事故。

3.3 事故案例

在深圳供電局有41臺(tái)芬蘭ABB公司生產(chǎn)的110kv變壓器，其型號(hào)為KTRT123×50型，使用尼納斯10GBX變壓器油。這41臺(tái)變壓器的出廠日期分別是1991年、1993年、1994年、1995年和1996年。投運(yùn)至今，共有8臺(tái)次在運(yùn)行中發(fā)生故障。特別是2005年就有5臺(tái)該型變壓器發(fā)生事故。故障情況見(jiàn)表1：

通過(guò)對(duì)多臺(tái)變壓器事故后的吊檢發(fā)現(xiàn)，這批變壓器繞組電磁線受腐蝕嚴(yán)重，特別是故障繞組的絕緣紙與銅線裹纏的一側(cè)中，經(jīng)化學(xué)分析確定，發(fā)現(xiàn)有硫化亞銅，并從電氣試驗(yàn)中巳證實(shí)，銅分子巳滲透到絕緣紙內(nèi)部。

4 變壓器油中存在腐蝕性硫情況普查

變壓器油本身含有腐蝕性硫是變壓器內(nèi)部產(chǎn)生硫化亞銅的前提，2007年3月28日至5月28日，廣東電科院對(duì)全省500kv主變壓器（電抗器）絕緣油進(jìn)行了腐蝕性硫普查工作。結(jié)果表明，全省21個(gè)500kv變電站共201臺(tái)主變（電抗器）絕緣油中含有腐蝕性硫的有29臺(tái)（其中電抗器1臺(tái)），占普查總臺(tái)數(shù)14.4%，含腐蝕性硫的絕緣油主要存在法國(guó)阿爾斯通、重慶（或意大利）ABB生產(chǎn)的500kv變壓器中，其中六臺(tái)法國(guó)阿爾斯通的變壓器絕緣油中全部檢出腐蝕性硫，分別為羅洞站1號(hào)主變和增城3號(hào)主變。

500kv變壓器（含電抗器）絕緣油大多數(shù)使用的是進(jìn)口油，集中在幾個(gè)大的絕緣油生產(chǎn)供應(yīng)商：日本三菱、瑞典尼納斯、殼牌，國(guó)產(chǎn)油一般為新疆克拉瑪依和蘭州油，從普查結(jié)果顯示，國(guó)產(chǎn)油和三菱油、殼牌油一般不含腐蝕性硫，而尼納斯油基本上全部存在腐蝕性硫問(wèn)題。

中核核電運(yùn)行管理有限公司三廠所有主接線變壓器為英國(guó)阿爾斯通公司制造，變壓器油均采用瑞典尼納斯公司生產(chǎn)的10GBN號(hào)油。通過(guò)205大修2號(hào)機(jī)組主變B相取油樣和絕緣材料送外方試驗(yàn)室檢驗(yàn)，確定變壓器油中已經(jīng)產(chǎn)生腐蝕性硫。同時(shí)主變內(nèi)檢過(guò)程中在金屬表面也發(fā)現(xiàn)了硫化亞銅產(chǎn)生的征兆：

5 變壓器硫腐蝕的應(yīng)對(duì)措施

目前國(guó)際上較為公認(rèn)的的方法是在變壓器油中添加鈍化劑，鈍化劑為苯并三氮唑（BTA）及其衍生物。BTA及其衍生物分子中的N、O、S等雜原子含有孤對(duì)電子，易于和金屬的d軌道結(jié)合形成配位鍵，或是金屬提供電子給雜原子形成反饋配位鍵，從而在金屬表面形成保護(hù)膜，阻止變壓器繞組線圈的氧化和與油中腐蝕性硫的接觸。

尼納斯油制造公司給出的建議為：運(yùn)行變壓器油中鈍化劑加入量為100ppm。

大量有腐蝕性硫風(fēng)險(xiǎn)的變壓器添加了鈍化劑，且目前為止，添加鈍化劑后的變壓器沒(méi)有發(fā)生過(guò)事故，但鈍化劑不能使已形成的硫化銅出現(xiàn)逆向反應(yīng)而只能抑制腐蝕進(jìn)一步發(fā)生，因此盡管添加鈍化劑的方法可以在一定程度上防范腐蝕性硫問(wèn)題的發(fā)生，我們還應(yīng)該通過(guò)以下手段對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行方法：（1）選擇合適的方法對(duì)變壓器進(jìn)行腐蝕性硫的檢測(cè)，并對(duì)變壓器進(jìn)行有效的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估。（2）經(jīng)常對(duì)變壓器的散熱系統(tǒng)進(jìn)行檢查和清理，保持變壓器散熱通暢。（3）加強(qiáng)變壓器油中溶解氣體的色譜分析工作，對(duì)變壓器內(nèi)部有過(guò)熱現(xiàn)象發(fā)生，尤其是過(guò)熱部位涉及絕緣的變壓器應(yīng)引起重視。（4）嚴(yán)格控制變壓器油中的含氣量，保持油中氧氣含量盡可能低，可有效緩解硫腐蝕。

6 結(jié)束語(yǔ)

6.1 變壓器油中腐蝕性硫是造成硫化亞銅的重要因素。

6.2 硫化亞銅沉積可能導(dǎo)致變壓器和電抗器出現(xiàn)匝間短路故障。

6.3 添加鈍化劑可有效抑制硫腐蝕的發(fā)生。