變壓器油中糠醛質(zhì)量濃度檢測(cè)與分析

王善龍，朱孟兆，馮 彩，王泓釗，陳玉峰

（1.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255000；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

·電網(wǎng)技術(shù)·

變壓器油中糠醛質(zhì)量濃度檢測(cè)與分析

王善龍1，2，朱孟兆2，馮 彩1，2，王泓釗1，2，陳玉峰1，2

（1.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255000；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

大型變壓器廣泛采用絕緣紙與絕緣油的組合絕緣方式，而絕緣紙?jiān)诹踊^程中會(huì)產(chǎn)生糠醛并溶解于油中，所以通過檢測(cè)變壓器油中糠醛質(zhì)量濃度，可以簡(jiǎn)單、快速地判斷變壓器絕緣材料老化程度。通過對(duì)在運(yùn)變壓器的油中糠醛數(shù)據(jù)分析得出變壓器油中糠醛質(zhì)量濃度與投運(yùn)時(shí)間的關(guān)系。統(tǒng)計(jì)分析變壓器油中的糠醛質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，得出變壓器油中糠醛質(zhì)量濃度與投運(yùn)時(shí)間之間有良好的相關(guān)關(guān)系，變壓器不同油紙比例對(duì)油中糠醛質(zhì)量濃度有影響。提出應(yīng)用油中糠醛質(zhì)量濃度診斷電力變壓器絕緣老化時(shí)，要考慮不同油紙比例對(duì)油中糠醛質(zhì)量濃度的影響。分析糠醛質(zhì)量濃度低于標(biāo)準(zhǔn)中注意值的變壓器，提出與當(dāng)年變壓器油中平均糠醛質(zhì)量濃度進(jìn)行比對(duì)，對(duì)質(zhì)量濃度高的變壓器進(jìn)行跟蹤監(jiān)視。

糠醛質(zhì)量濃度；油紙比例；固相萃?。煌哆\(yùn)時(shí)間

0 引言

變壓器作為電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，它的安全、穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)十分重要。目前，我國(guó)有較多大型變壓器運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)超過其設(shè)計(jì)時(shí)間［1］，但由于成本、效益等相關(guān)因素的制約，這些設(shè)備仍然在電力系統(tǒng)中仍擔(dān)負(fù)著重要的輸配電任務(wù)，但其絕緣系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了相當(dāng)程度的老化。如何準(zhǔn)確評(píng)估變壓器固體絕緣狀態(tài)及剩余壽命對(duì)于電網(wǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重大意義。

大型電力變壓器普遍采用絕緣紙與絕緣油的組合絕緣方式，所以油紙的絕緣狀態(tài)是變壓器壽命的決定因素［2-5］。1984年12屆國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議中，英國(guó)學(xué)者首先提出了使用油中糠醛質(zhì)量濃度評(píng)估絕緣紙老化的方法。該方法被提出以來受到了各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注［6］?？啡┦抢w維素絕緣紙劣化的特征產(chǎn)物，因此油中糠醛質(zhì)量濃度被認(rèn)為是評(píng)估變壓器絕緣老化的有力化學(xué)特征量。

糠醛又名呋喃甲醛，易溶于醇或醚，淺黃至琥珀色透明液體，沸點(diǎn)159.5～162.5℃。分子式為C4H3OCHO。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析表明［7］，糠醛的產(chǎn)生只來自于絕緣紙的老化分解。變壓器油一般使用礦物油，主要成分為烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴等；而絕緣紙的主要成分是纖維素，分子式為（C6H10O5）n，其中n為聚合度。在紙絕緣老化時(shí)，受到氧氣、水分、熱和油中酸性化合物的共同作用，紙中的纖維素會(huì)發(fā)生一系列的降解。纖維素中的氧鍵斷開，生成D-葡萄糖單體，由于D-葡萄糖單體不穩(wěn)定，進(jìn)一步降解產(chǎn)生一些含氧雜化合物，其中糠醛是其中的重要產(chǎn)物，這些化合物溶解于變壓器油中。因而，利用液相色譜法對(duì)油中糠醛進(jìn)行定量檢測(cè)［8-9］，其質(zhì)量濃度多少就間接反映了變壓器油紙絕緣的老化程度。

糠醛分析相對(duì)其他老化評(píng)估方法具有幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，一是糠醛取樣方便，用量少，一般只需油樣10～100mL；二是取油樣不需特別的容器，運(yùn)輸和保存方便，而且是高沸點(diǎn)液體，不易損失；三是無需變壓器停電；四是油中糠醛可以被精確檢測(cè)；五是變壓器內(nèi)部非纖維素絕緣材料的老化也不產(chǎn)生糠醛，變壓器油中的糠醛是唯有固體絕緣老化才生產(chǎn)的產(chǎn)物［10-13］。

對(duì)大量在運(yùn)變壓器油中糠醛質(zhì)量濃度測(cè)試［14］，分析測(cè)試數(shù)據(jù)，擬合變壓器油中糠醛濃度與投運(yùn)時(shí)間的相關(guān)關(guān)系；與DL/T 984—2005油浸式變壓器絕緣老化判斷導(dǎo)則中變壓器油中糠醛注意值下限值進(jìn)行比對(duì)，對(duì)數(shù)據(jù)中的差異進(jìn)行分析，計(jì)算變壓器油中平均糠醛質(zhì)量濃度，對(duì)平均糠醛質(zhì)量濃度與投運(yùn)時(shí)間進(jìn)行擬合，對(duì)兩條擬合曲線對(duì)比。分析不同廠家變壓器油中糠醛質(zhì)量濃度的差別，對(duì)其中兩廠家變壓器油中糠醛質(zhì)量濃度進(jìn)行分析，研究其中差異性。通過對(duì)變壓器油中糠醛質(zhì)量濃度的研究，為更好地評(píng)估變壓器固體絕緣狀態(tài)及剩余壽命提供數(shù)據(jù)支持。對(duì)把握現(xiàn)役變壓器的老化狀態(tài)和剩余壽命，充分挖掘變壓器的使用潛力具有重要意義。

1 測(cè)量方法

油中糠醛質(zhì)量濃度檢測(cè)分兩部分，如圖1所示。圖中第一部分為糠醛的萃取，第二部分為使用液相色譜儀檢測(cè)糠醛質(zhì)量濃度。

1.1 糠醛萃取

現(xiàn)階段有兩種方法，一種是液相萃取，一種固相萃取。液相萃取是利用化合物在兩種互不相溶（或微溶）的溶劑中溶解度或分配系數(shù)的不同，使化合物從一種溶劑內(nèi)轉(zhuǎn)移到另外一種溶劑中。經(jīng)過反復(fù)多次萃取，將絕大部分的化合物提取出來。固相萃?。⊿PE）是從20世紀(jì)80年代中期開始發(fā)展起來的一項(xiàng)樣品前處理技術(shù)，由液固萃取和液相色譜技術(shù)相結(jié)合發(fā)展而來，主要通過固相填料對(duì)樣品組分的選擇性吸附及解吸過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的分離、純化和富集，主要目的在于降低樣品基質(zhì)干擾，提高檢測(cè)靈敏度。

圖1 糠醛檢測(cè)流程

相關(guān)研究顯示，利用固相萃取法，對(duì)樣品的萃取、濃縮和凈化較好，容易達(dá)到定量萃取，同時(shí)也減少了溶劑用量［15］，對(duì)油中糠醛的萃取實(shí)現(xiàn)批量化萃取，大大提高了糠醛萃取的工作效率。固相萃取裝置如圖2所示，萃取流程如圖3所示。

采用固相萃取是使液體樣品溶液通過吸附劑，保留其中被測(cè)物質(zhì)，再選用適當(dāng)強(qiáng)度溶劑沖去雜質(zhì)，然后用少量溶劑迅速洗脫被測(cè)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)物質(zhì)快速萃取。

圖2 固相萃取裝置

圖3 固相萃取流程

1.2 糠醛檢測(cè)

萃取完成后，然后使用液相色譜儀（圖4）進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)量?jī)x器采用高效液相色譜儀，檢測(cè)器為可變波長(zhǎng)掃描紫外檢測(cè)器。

根據(jù)試驗(yàn)方法的研究，有關(guān)分析條件如下：首先調(diào)試色譜儀設(shè)置測(cè)試方法，流動(dòng)相為甲醇與水混合溶液；體積流量為0.5mL/min；檢測(cè)波長(zhǎng)為280 nm；色譜柱溫度為30℃；進(jìn)樣量為10mL。然后進(jìn)樣測(cè)試，得出數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果分析

2.1 糠醛質(zhì)量濃度與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系

本次所測(cè)樣品中服役最長(zhǎng)的變壓器為15年，最大值為服役12年的1臺(tái)變壓器，糠醛質(zhì)量濃度為0.105mg/L， 平均糠醛質(zhì)量濃度為 0.028 19mg/L，DL/T 596—1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中糠醛質(zhì)量濃度注意值對(duì)照如表1所示。

最大值 0.105mg/L遠(yuǎn)小于注意值 0.40mg/L。本次所測(cè)所有變壓器的糠醛質(zhì)量濃度都遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的注意值。針對(duì)這種現(xiàn)象，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合之后與DL/T 984—2005油浸式變壓器絕緣老化判斷導(dǎo)則中變壓器油中糠醛注意值下限值進(jìn)行比對(duì)，分析其中差異。

表1 變壓器運(yùn)行時(shí)間和糠醛質(zhì)量濃度注意值對(duì)照表

圖5 不同運(yùn)行時(shí)間變壓器油中糠醛質(zhì)量濃度

圖6 糠醛質(zhì)量濃度對(duì)數(shù)值與投運(yùn)時(shí)間之間的關(guān)系

對(duì)所有油樣品中糠醛質(zhì)量濃度與投運(yùn)時(shí)間之間建立坐標(biāo)系，進(jìn)行擬合。圖5表明變壓器油中糠醛質(zhì)量濃度與投運(yùn)時(shí)間之間呈指數(shù)關(guān)系，圖6取糠醛質(zhì)量濃度的對(duì)數(shù)值與投運(yùn)時(shí)間進(jìn)行線性擬合得函數(shù)：

DL/T 984—2005《油浸式變壓器絕緣老化判斷導(dǎo)則》中變壓器油中糠醛注意值下限值：

圖7 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)擬合曲線與標(biāo)準(zhǔn)注意值對(duì)比

圖7中顯示實(shí)際測(cè)量線遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)線，糠醛增長(zhǎng)速率即斜率K1＜K2現(xiàn)場(chǎng)在運(yùn)變壓器油中糠醛質(zhì)量濃度都遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)中的注意值。分析原因有很多，不同變壓器廠家生產(chǎn)的變壓器投運(yùn)時(shí)糠醛質(zhì)量濃度也不盡相同；換油、補(bǔ)油對(duì)變壓器油中糠醛質(zhì)量濃度影響比較大；事故狀態(tài)下，絕緣紙的老化速度會(huì)出現(xiàn)巨大變化，油中糠醛質(zhì)量濃度也會(huì)迅速提高；與負(fù)荷率、運(yùn)行溫度等密切相關(guān)；還可能由于變壓器油紙比例不同導(dǎo)致糠醛質(zhì)量濃度會(huì)不同。

2.2 不同廠家變壓器油中糠醛質(zhì)量濃度

通過圖5～7的分析，變壓器油中糠醛質(zhì)量濃度與投運(yùn)時(shí)間之間有良好的相關(guān)關(guān)系。但圖5中有很多點(diǎn)比較離散，考慮變壓器糠醛質(zhì)量濃度可能與油紙質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同有關(guān)，而不同廠家的變壓器油紙質(zhì)量分?jǐn)?shù)是不一樣的?，F(xiàn)對(duì)不同廠家的變壓器進(jìn)行分析。對(duì)所測(cè)變壓器廠家進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如圖8所示。

圖8 各廠家的變壓器占比

圖8為各廠家的變壓器占比，廠家a、b和c的變壓器數(shù)量比較多，根據(jù)每臺(tái)變壓器對(duì)應(yīng)的糠醛質(zhì)量濃度，在時(shí)間跨度上，a廠家被測(cè)變壓器投運(yùn)時(shí)間跨越15年，b廠家的被測(cè)變壓器投運(yùn)時(shí)間橫跨8年，c廠家被檢變壓器投運(yùn)時(shí)間比較集中，投運(yùn)時(shí)間基本在3～5年，綜上所述，選a廠家和b廠家的變壓器糠醛質(zhì)量濃度進(jìn)行分析，其糠醛質(zhì)量濃度對(duì)數(shù)值與投運(yùn)時(shí)間關(guān)系分別如圖9、圖10所示。

圖9 a廠家糠醛對(duì)數(shù)值與投運(yùn)時(shí)間之間的關(guān)系

圖9中變壓器有中糠醛質(zhì)量濃度與投運(yùn)時(shí)間之間的關(guān)系式

其截距為-1.869 88，斜率為0.040 15。

圖10 b廠家糠醛質(zhì)量濃度對(duì)數(shù)值與投運(yùn)時(shí)間之間的關(guān)系

圖10中變壓器有中糠醛質(zhì)量濃度與投運(yùn)時(shí)間之間的關(guān)系式

其截距為-2.278 8，斜率為0.096 8。

由式（3）和式（4）得，Ka=0.040 15，Kb=0.096 8 通過斜率可以得出兩直線傾斜度差別很大。b廠家被測(cè)變壓器油中糠醛質(zhì)量濃度在投運(yùn)后，隨時(shí)間的增長(zhǎng)，糠醛質(zhì)量濃度增速明顯快于a廠家的變壓器，a廠家的糠醛質(zhì)量濃度增速緩慢。說明不同油紙質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變壓器油中的糠醛質(zhì)量濃度產(chǎn)生速度不同。

油紙的比例不同對(duì)油中糠醛質(zhì)量濃度影響大，在檢測(cè)變壓器油中糠醛質(zhì)量濃度時(shí)，建議每個(gè)廠家的變壓器單獨(dú)建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫，分析糠醛質(zhì)量濃度。

2.3 變壓器油中糠醛平均質(zhì)量濃度

在實(shí)際檢修過程中，現(xiàn)場(chǎng)在運(yùn)變壓器會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題，單純的憑借注意值來監(jiān)測(cè)變壓器是不足的。圖1中有很多相同投運(yùn)時(shí)間的變壓器油中糠醛質(zhì)量濃度也有很大差別。為了更好地監(jiān)測(cè)變壓器運(yùn)行情況，建議可以計(jì)算每年的變壓器油中平均糠醛質(zhì)量濃度，然后對(duì)低于注意值的變壓器油中糠醛質(zhì)量濃度與平均值進(jìn)行比對(duì)，對(duì)偏離平均值的較大糠醛質(zhì)量濃度進(jìn)行跟蹤，監(jiān)測(cè)其老化狀態(tài)。

對(duì)每年的糠醛質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，如表2所示。

表2 糠醛質(zhì)量濃度平均值

線性擬合所得函數(shù)為：

式（5）與式（1）直線差異很小，即平均糠醛質(zhì)量濃度對(duì)數(shù)值與投運(yùn)時(shí)間擬合函數(shù)和所有變壓器糠醛質(zhì)量濃度與投運(yùn)時(shí)間擬合函數(shù)差異很小，如圖11、圖12所示。變壓器油中糠醛質(zhì)量濃度可以和平均糠醛質(zhì)量濃度進(jìn)行比對(duì)來判斷是否在正常范圍。對(duì)遠(yuǎn)大于平均值的平均糠醛質(zhì)量濃度的變壓器，跟蹤監(jiān)視，密切跟蹤其老化狀態(tài)。

圖11 平均糠醛質(zhì)量濃度與投運(yùn)時(shí)間之間的關(guān)系

圖12 平均糠醛質(zhì)量濃度對(duì)數(shù)值與投運(yùn)時(shí)間之間的關(guān)系

3 結(jié)論

變壓器油中糠醛質(zhì)量濃度與投運(yùn)時(shí)間之間有良好的線性關(guān)系，變壓器油中糠醛含隨投運(yùn)時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。

完全相同的變壓器在運(yùn)行時(shí)，其糠醛質(zhì)量濃度也各有不同，這與其負(fù)荷率和運(yùn)行溫度等密切相關(guān)。

當(dāng)糠醛實(shí)際測(cè)試擬合曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線相差較大時(shí)，建議計(jì)算每年的變壓器油中平均糠醛質(zhì)量濃度，然后對(duì)低于注意值的糠醛質(zhì)量濃度與平均值進(jìn)行比對(duì)，對(duì)偏離平均值的較大糠醛質(zhì)量濃度值進(jìn)行跟蹤。

在應(yīng)用糠醛質(zhì)量濃度分析電力變壓器絕緣老化診斷時(shí)，要考慮不同油紙質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)油中糠醛質(zhì)量濃度的影響。

建議對(duì)不同廠家的變壓器進(jìn)行數(shù)據(jù)收集分析，對(duì)不同油紙質(zhì)量分?jǐn)?shù)變壓器建立數(shù)據(jù)庫，方便更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)變壓器糠醛質(zhì)量濃度，更好地判斷絕緣老化情況，保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

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Detection and Analysis of Furfural Content in Transformer Oil

WANG Shanlong1，2， ZHU Mengzhao2，F(xiàn)ENG Cai1，2， WANG Hongzhao1，2，C HEN Yufeng1，2
（1.Shandong University of Technology，Zibo 255000，China；2.State Grid Shandong Electric Power Research Institute， Jinan 250003，China）

Large-scale transformers mainly use the insulating paper and insulating oil combined insulation.The insulating paper in the process of degradation will produce furfural which is then dissolved in oil.Therefore，detecting the transformer oil furfural content is a simple and quick way to determine the degree of aging of transformer insulation.The relationship between the furfural content in the transformer insulating oil and the service time is obtained by analyzing relevant data acquired.The statistic shows a clear correlation between the content of furfural in the transformer oil and the operating life.However one set of furfural content data is not enough to determine the operation life as the data will vary with the different paper-oil ratio in different transformers.It is necessary to take the effect of different paper-oil ratio into consideration when diagnosing the insulation aging of power transformer.The suggested insulation agingmonitoring procedure is that the furfural content should be analyzed comparatively according to average furfural content.Even the furfural content is below the warning standard，the transformerwith highest furfural content should bemonitored.

furfural content；oil-paper ratio；solid phase extraction；runtime

TM41

：A

：1007-9904（2017）08-0001-06

2017-05-26

王善龍（1989），男，碩士研究生，研究方向?yàn)楦唠妷杭夹g(shù)及設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)研究；

朱孟兆（1980），男，高級(jí)工程師，主要從事電氣設(shè)備絕緣故障診斷和設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)研究；

馮 彩（1992），女，碩士研究生，研究方向?yàn)楦唠妷杭夹g(shù)及設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)研究；

王泓釗（1991），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉磁c并網(wǎng)發(fā)電研究；

陳玉峰（1970），男，高級(jí)工程師，主要從事高電壓試驗(yàn)技術(shù)及設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)研究。

國(guó)家863高技術(shù)基金項(xiàng)目（2015AA050204）；國(guó)家電網(wǎng)科技項(xiàng)目（520626150032）