電力變壓器腐蝕性硫研究

天津大唐國際盤山發(fā)電有限責(zé)任公司 毛宏宇

電力變壓器是發(fā)輸變電系統(tǒng)中電能傳輸及轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備，他的安全穩(wěn)定運(yùn)行對發(fā)輸變電系統(tǒng)的可靠性起著至關(guān)重要的作用。變壓器的電氣絕緣主要依靠絕緣油與絕緣紙組成的油紙絕緣復(fù)合系統(tǒng)。變壓器在運(yùn)行中，油紙絕緣系統(tǒng)受到電磁環(huán)境、機(jī)械振動、溫度等因素影響，其絕緣性能會發(fā)生緩慢老化，增加變壓器發(fā)生故障的可能性。同時，油紙絕緣系統(tǒng)也受到絕緣油中腐蝕性硫的影響。

部分2000年前后生產(chǎn)制造的進(jìn)口變壓器，所使用絕緣油根據(jù)當(dāng)時的煉制工藝要求，需添加適量二芐基二硫醚（DBDS）作為抗氧化劑，延長絕緣油使用壽命。然而后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，DBDS和其他腐蝕性硫化物可與銅繞組發(fā)生反應(yīng)，生成銅的硫化物，積聚在絕緣紙表面形成半導(dǎo)電層，致使油紙絕緣系統(tǒng)的電氣性能下降而引發(fā)絕緣故障。我國華北電網(wǎng)、福建電網(wǎng)、廣東電網(wǎng)等區(qū)域，也先后多次在變壓器故障處理中發(fā)現(xiàn)了硫化物沉積腐蝕現(xiàn)象。因此，研究腐蝕性硫?qū)ψ儔浩鞯挠绊懠案g性硫的抑制措施，對保證變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

腐蝕性硫的危害在于，其可與銅繞組反應(yīng)生成硫化亞銅（Cu2S），附著在絕緣紙表面后形成半導(dǎo)電層，顯著降低絕緣紙介電性能，其起始放電電壓及擊穿強(qiáng)度也明顯下降。大量Cu2S的產(chǎn)生也會導(dǎo)致局部電場場強(qiáng)發(fā)生畸變、溫度升高，最終導(dǎo)致絕緣失效，造成放電性故障[1]。

腐蝕產(chǎn)生的Cu2S還可溶于絕緣油中，影響絕緣油的電氣性能。當(dāng)絕緣油中含有大量金屬粒子時，伴隨極性物質(zhì)含量的增加也使絕緣油的帶電傾向升高，介質(zhì)損耗增大。此外，Cu2S雜質(zhì)進(jìn)入絕緣油中，還會使絕緣油導(dǎo)電性能增加。當(dāng)其流過固體絕緣材料時會改變局部電場分布，造成電荷積聚，嚴(yán)重時將產(chǎn)生油流帶電，甚至產(chǎn)生直流電動勢差，導(dǎo)致匝間短路或絕緣擊穿。

1 腐蝕性硫的檢測方法

定性檢測方法：對絕緣油中腐蝕性硫的檢測方法以定性檢測為主，常用的檢測標(biāo)準(zhǔn)為SH/T 0804《電氣絕緣油腐蝕性硫試驗(yàn) 銀片試驗(yàn)法》。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將銀片置于測試油樣中放入100℃環(huán)境下加熱18h，通過觀察銀片表面顏色，判斷測試油樣是否具有腐蝕性。但此種方法不能完全模擬油紙絕緣系統(tǒng)，且部分案例發(fā)現(xiàn)，采用該方法檢測結(jié)果為非腐蝕性時，變壓器投運(yùn)一定時間后仍發(fā)現(xiàn)存在硫腐蝕現(xiàn)象。為提高檢測的準(zhǔn)確性，較為推薦的標(biāo)準(zhǔn)為IEC 62535，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將包裹絕緣紙的銅片置于油樣中放入150℃環(huán)境下加熱72h，通過觀察除去絕緣紙的銅片表面顏色，判斷測試油樣是否具有腐蝕性。但以上兩種方法均未規(guī)定量化評價標(biāo)準(zhǔn)，檢測結(jié)果受主觀因素影響很大。

定量檢測方法：絕緣油中腐蝕性硫存在形式較多，但一般認(rèn)為DBDS是腐蝕性硫的主要成分，故針對腐蝕性硫的定量檢測常圍繞DBDS開展。DBDS檢測依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為GB∕T 32508《絕緣油中腐蝕性硫(二芐基二硫醚)定量檢測方法》，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法（GC-MS）和氣相色譜-電子捕獲檢測器法（GC-ECD）兩種方法對絕緣油中DBDS進(jìn)行定量檢測。其中，氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法可靈敏檢出DBDS，但檢測精度較低；氣相色譜-電子捕獲檢測器法操作簡便、檢測精度高，但檢測結(jié)果易受環(huán)境干擾。

2 腐蝕性硫的影響機(jī)理

對于硫腐蝕過程的機(jī)理國內(nèi)外學(xué)者有較多研究，但由于變壓器內(nèi)部運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，其腐蝕機(jī)理尚未達(dá)成統(tǒng)一共識。當(dāng)前有2種主流學(xué)說，能解釋腐蝕性硫與銅繞組的反應(yīng)機(jī)理。一種主流學(xué)說是由日本三菱公司（Mitsubishi Electric Corporation）提出的DBDS-Cu2S的腐蝕機(jī)理，指出DBDS可與絕緣油中的銅離子結(jié)合形成DBDS-Cu的化合物，該化合物可進(jìn)一步分解生產(chǎn)二芐基硫醚（DBS）與1,2-二苯乙烷（BiBZ），此后DBS與銅繞組反應(yīng)生成Cu2S與BiBZ：

另一種主流學(xué)說是由ABB公司提出的硫醇-Cu2S的腐蝕機(jī)理，指出銅在絕緣油中氧化生成Cu2O，該物質(zhì)可部分溶于絕緣油，并進(jìn)一步與硫醇（RSH）反應(yīng)，生成硫醇銅（CuSH），其在一定條件下可分解生成Cu2S：4Cu+O2→2Cu2O，Cu2O+2RSH→2CuSH+H2O，2CuSH→Cu2S+ RSR。

以上兩種學(xué)說均能在一定程度上解釋硫腐蝕的發(fā)生過程，但也均缺乏微觀機(jī)理的具體驗(yàn)證。變壓器中硫的存在形式多樣，已查明多種硫化物均具有腐蝕性，Cu2S的生成機(jī)理還需進(jìn)一步的探究。

3 腐蝕性硫的抑制措施

3.1 使用不含腐蝕性硫的絕緣油

使用不含腐蝕性硫的絕緣油是防止硫腐蝕最直接有效的方法。對于新投運(yùn)的變壓器要嚴(yán)格進(jìn)行腐蝕性硫檢測，檢測結(jié)果應(yīng)為“非腐蝕性”。由于在一定條件下油中非腐蝕性硫也可轉(zhuǎn)換為腐蝕性硫，故也應(yīng)限制絕緣油中總硫含量，防止非腐蝕性硫的轉(zhuǎn)化、腐蝕銅繞組。對于運(yùn)行變壓器，當(dāng)油中腐蝕性硫超標(biāo)時，可通過更換新油的方式根本解決硫腐蝕的問題。但也需注意，此種方法無法完全去除吸附在絕緣紙上的腐蝕性硫，殘留的腐蝕性硫仍會腐蝕銅繞組，破壞油紙絕緣系統(tǒng)的絕緣性能。

3.2 改善變壓器運(yùn)行條件

腐蝕性硫的反應(yīng)受多種因素影響，油中含氧量、變壓器運(yùn)行溫度等都會影響腐蝕速率及程度。新油及運(yùn)行中變壓器油均會含有一定量的氧氣，而銅繞組的腐蝕速率與氧氣濃度成正相關(guān)。研究表明，相同時間下，油中含氧量越高、腐蝕性硫與銅繞組反應(yīng)后生成的硫化物積聚越多，對絕緣性能的破壞越大。因此，在新油驗(yàn)收時應(yīng)嚴(yán)格遵守GB 2536《電工流體 變壓器和開關(guān)用的未使用過的礦物絕緣油》相關(guān)規(guī)定，投運(yùn)前進(jìn)行濾油處理，脫除油中含有的氧氣；運(yùn)行中應(yīng)密切監(jiān)視油中含氧量，當(dāng)發(fā)現(xiàn)含氧量過高時擇機(jī)停機(jī)濾油。

溫度對硫腐蝕過程起著重要作用。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，油溫超過80℃時Cu2S會大量生成積聚，隨著溫度升高Cu2S的生成量呈指數(shù)級增長。在變壓器運(yùn)行過程中應(yīng)確保冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)行，控制變壓器運(yùn)行在合理溫度區(qū)間。也應(yīng)注意在巡檢過程中發(fā)現(xiàn)的局部過熱情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)局部過熱時及時查明原因，消除缺陷。

3.3 添加金屬鈍化劑

針對運(yùn)行變壓器，在絕緣油中添加金屬鈍化劑是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的腐蝕性硫抑制措施。常見的金屬鈍化劑主要成分為TTA、BTA、Irgamet 39，均為苯三唑及其衍生物，可與銅繞組反應(yīng)在其表面形成防護(hù)膜，阻礙銅繞組與腐蝕性硫發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到抑制硫腐蝕的效果。金屬鈍化劑的添加劑量一般建議控制在100mg/kg左右，添加劑量過少難以達(dá)到有效防護(hù)效果、過高則會影響油品。且因金屬鈍化劑會與銅繞組反應(yīng)消耗，故需對金屬鈍化劑含量進(jìn)行定期監(jiān)測，當(dāng)油中金屬鈍化劑含量不足時應(yīng)再次進(jìn)行添加。

綜上，由于腐蝕性硫?qū)е碌淖儔浩鞴收弦训玫皆絹碓綇V泛關(guān)注。當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)研究還面臨較多挑戰(zhàn)，繼續(xù)深入研究腐蝕性硫的影響機(jī)理并制定針對性的抑制措施，是該領(lǐng)域未來的重點(diǎn)研究方向。