變壓器絕緣油化驗(yàn)分析技術(shù)及應(yīng)用

王靖凱

（國家能源集團(tuán)朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司，山西忻州 034100）

0 引言

隨著重載鐵路技術(shù)的不斷突破和發(fā)展，鐵路運(yùn)輸已經(jīng)成為當(dāng)今運(yùn)輸系統(tǒng)中不可或缺的一個(gè)重要組成部分，年運(yùn)量的不斷增加使得牽引變電所的負(fù)荷持續(xù)上升，這種情況下對牽引變電所的供電可靠性要求更加嚴(yán)格。牽引變電所主要通過變壓器實(shí)現(xiàn)對高電壓向低電壓的轉(zhuǎn)換，因此，在牽引供電系統(tǒng)中，變壓器扮演著重要角色。在發(fā)生主變故障時(shí)，能否準(zhǔn)確查出變壓器的故障原因?qū)π拊嚥块T來說非常重要，絕緣油化驗(yàn)分析的方法在對油浸式變壓器的故障檢查中應(yīng)用比較普遍。

1 絕緣油化驗(yàn)指標(biāo)分析

絕緣油化驗(yàn)一般有對油品進(jìn)行簡易識別，物理、化學(xué)性能試驗(yàn)、電氣性能試驗(yàn)、氣象色譜分析等幾個(gè)步驟來對油品進(jìn)行檢驗(yàn)。通過對變壓器內(nèi)絕緣油進(jìn)行化驗(yàn)分析，可以得出絕緣油的物理、化學(xué)特性、電氣性能等是否合格，是否滿足充油設(shè)備運(yùn)行的需要。

1.1 簡易識別方法

（1）看：將絕緣油靜置一段時(shí)間，觀察油品的顏色，未經(jīng)使用的絕緣油顏色一般為淺黃色，被氧化后的顏色會變深。充油設(shè)備在運(yùn)行中絕緣油的顏色在短時(shí)間內(nèi)變深，則表示油質(zhì)劣化；在玻璃燒杯取油樣，對著光線仔細(xì)觀察油底部是否存在油泥、沉淀、雜物等，油面上不得有漂浮物，油中不得有懸浮物和絮狀物；還需要觀察絕緣油在玻璃瓶中的透明度，新油清澈透明并伴有藍(lán)紫色熒光，若失去透明度和藍(lán)紫色熒光，則表示油中含有機(jī)械雜質(zhì)和游離碳。

（2）聞：狀態(tài)和性能良好的絕緣油應(yīng)沒有明顯氣味或者略帶一點(diǎn)煤油味，如果油品帶有其他氣味，說明油質(zhì)劣化。

（3）搖：將油樣放置在透明玻璃瓶中搖晃，觀察油品產(chǎn)生的氣泡和晃動過程中的掛壁情況。黏度小的油，晃動中產(chǎn)生的氣泡直徑小、數(shù)量多、上升速度快、消失快、掛壁少，反之黏度大。

（4）摸：生產(chǎn)工藝好的油品，用手摸上去光滑感強(qiáng)，否則光滑感差。

1.2 物理性能試驗(yàn)

（1）黏度。當(dāng)液體流動時(shí)，液體內(nèi)部會產(chǎn)生阻力，這是由于組成該液體的各個(gè)分子之間存在摩擦力，這種阻力稱為黏度。黏度是絕緣油重要的性質(zhì)之一，黏度的大小影響絕緣油在充油設(shè)備內(nèi)部流動的速度，進(jìn)而影響絕緣油的散熱效果。對于充油設(shè)備來說，絕緣油的黏度盡可能低一些較好，油品黏度越小散熱效果越好。

（2）閃點(diǎn)。閃點(diǎn)是指油加熱以后產(chǎn)生的蒸汽與空氣混合時(shí)，遇火能發(fā)生燃燒的最低溫度。對于閃點(diǎn)的要求一般不低于135 ℃。絕緣油主要在變壓器等閉合充油設(shè)備中使用，所以常用閉口閃點(diǎn)測試儀對絕緣油閃點(diǎn)進(jìn)行測試。閃點(diǎn)的高低決定了絕緣油在使用過程中是否安全。絕緣油閃點(diǎn)的降低說明油內(nèi)產(chǎn)生了大量的易揮發(fā)的可燃性氣體，這些氣體的產(chǎn)生主要是由于充油設(shè)備在長時(shí)間的運(yùn)行過程中放電和發(fā)熱使油裂解而形成。通過對絕緣油閃點(diǎn)的測試，能大大加強(qiáng)對充油設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障設(shè)備。

（3）界面張力。界面張力是作用在單位長度液體界面上的收縮力。通過測定絕緣油的界面張力可以有效發(fā)現(xiàn)絕緣油中是否含有因老化而產(chǎn)生的可溶性雜質(zhì)。絕緣油界面張力在油老化初期變化速度最快，到中后期，變化速度逐漸降低，而油泥生成則明顯增加。因此，測定界面張力的同時(shí)也可以判斷出油泥生成的趨勢。

1.3 化學(xué)性能試驗(yàn)

（1）酸值。新絕緣油在未使用的情況下幾乎不含酸性物質(zhì)，酸值相對較小，如果絕緣油經(jīng)過長時(shí)間的存放，或者在充油設(shè)備內(nèi)長期運(yùn)行后，很容易與氧氣接觸進(jìn)而被氧化。在氧化初期其會產(chǎn)生各種低分子有機(jī)酸，隨著氧化過程的不斷加快，也會出現(xiàn)相應(yīng)的酸性產(chǎn)物和高分子有機(jī)酸。如果這些酸性物質(zhì)在絕緣油中存儲，油品導(dǎo)電性能會很大提升，絕緣性能下降，甚至腐蝕變壓器的金屬附件，對充油設(shè)備的使用壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。

（2）水分。水分是加速充油設(shè)備絕緣老化的重要原因之一。如果變壓器油內(nèi)含有大量水分，則會加劇絕緣材料的老化，對其絕緣性能產(chǎn)生負(fù)面影響，有可能會導(dǎo)致變壓器故障，影響變壓器壽命。對絕緣油內(nèi)水分進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)督，是保證充油設(shè)備可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，電壓等級越高要求油內(nèi)含水量越少。目前根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，油內(nèi)含水量要控制在40×10-6左右。

（3）機(jī)械雜質(zhì)。在試驗(yàn)過程中，如果發(fā)現(xiàn)絕緣油呈現(xiàn)出絲狀纖維或存在不溶性油泥沉淀物等雜質(zhì)，在運(yùn)行過程中，這些雜質(zhì)極易在變壓器繞組四周出現(xiàn)聚集或堵塞油道等，此時(shí)的繞組很容易出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，嚴(yán)重者甚至燒毀變壓器。

（4）游離碳。在試驗(yàn)過程中，若大量的游離碳在絕緣油內(nèi)聚集，則會大大提升變壓器內(nèi)部出現(xiàn)放電故障的概率，降低供電可靠性。

（5）pH 值。充油設(shè)備經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行，絕緣油內(nèi)就會產(chǎn)生甲酸等大量酸性物質(zhì)，使得油內(nèi)水分含量增多。在水分的侵蝕下絕緣材料的絕緣性能大大下降，充油設(shè)備的使用壽命也會縮短，對其正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

1.4 電氣性能試驗(yàn)

（1）擊穿電壓測定。擊穿電壓是考核絕緣油絕緣性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是油杯兩電極間油層擊穿時(shí)的最小電壓，可以用來衡量絕緣油在充油設(shè)備內(nèi)的耐壓能力。其主要是用來判別絕緣油內(nèi)水分和懸浮物含量的多少，同時(shí)還能對油品的干燥以及清潔度程度進(jìn)行檢測。在對絕緣油施加逐步升高的電壓時(shí)，在油杯內(nèi)的負(fù)極周圍會產(chǎn)生大量電子，電子集聚產(chǎn)生的能量使油分子逐步電離分解，電壓的不斷升高也會進(jìn)一步促進(jìn)油分子電離，當(dāng)電壓達(dá)到某一個(gè)值時(shí)，就會突然出現(xiàn)大量的傳導(dǎo)電流形成電弧，這就是擊穿現(xiàn)象。絕緣油中如果存在雜質(zhì)或水分就會導(dǎo)致?lián)舸╇妷褐迪陆?，此時(shí)變壓器的正常運(yùn)行也會受到負(fù)面影響。

（2）介質(zhì)損耗因素測定。絕緣油在電場作用下會發(fā)生能量的損耗，這個(gè)過程稱為介質(zhì)損耗，通常用介質(zhì)損耗因數(shù)來反映絕緣油的介質(zhì)損耗。絕緣油的介質(zhì)損耗會使充油設(shè)備內(nèi)部溫度升高，介質(zhì)損失越大，內(nèi)部產(chǎn)生的熱量就越多，熱量升高又會導(dǎo)致介質(zhì)損失增加，如此反復(fù)循環(huán)會引起充油設(shè)備本體絕緣惡化，加劇充油設(shè)備運(yùn)行的不穩(wěn)定因素。

1.5 絕緣油色譜分析

絕緣油色譜分析就是對油中溶解氣體成分進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)氣體的成分和含量，判斷充油設(shè)備內(nèi)部有無故障，并診斷故障類型。如果在試驗(yàn)過程中得到的結(jié)果在正常范圍，且無明顯的增長趨勢，則判斷設(shè)備運(yùn)行正常，否則需要對變壓器的運(yùn)行狀況利用三比值法、產(chǎn)氣速率等方法進(jìn)行詳細(xì)分析判斷。目前運(yùn)用絕緣油色譜分析檢查變壓器等充油設(shè)備內(nèi)部故障的方法在電力行業(yè)被廣泛應(yīng)用。大量試驗(yàn)證明，利用色譜法分析絕緣油中溶解氣體的含量，對于早期預(yù)防或及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障具有重要意義。

2 變壓器油性能變化對變壓器的影響

2.1 物理變化

變壓器絕緣油在不斷運(yùn)行過程中會產(chǎn)生氧化物以及油泥沉淀物等雜質(zhì)，使其絕緣性能下降，同時(shí)，油品顏色也會逐漸加深，對變壓器穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。此外，絕緣油會變得越來越黏稠，導(dǎo)致油的導(dǎo)熱性能下降，影響變壓器繞組和鐵芯的熱量散發(fā)，使變壓器的使用壽命縮短。變壓器在長期運(yùn)行的條件下，絕緣油的表面張力會逐漸下降，加速油品劣化。此外，絕緣油內(nèi)氧化物和機(jī)械雜質(zhì)的增加也大大降低了充油設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

2.2 化學(xué)變化

絕緣油具有某些化學(xué)性質(zhì)，油品中的水溶性酸、酸值、水分含量等都會反映出絕緣油性能的好壞，直接影響絕緣油試驗(yàn)結(jié)果是否合格。例如，酸值可以反映絕緣油質(zhì)量，也是對絕緣油老化程度的評估參考依據(jù)，從大量試驗(yàn)結(jié)果來看，絕緣油酸值的增加會降低變壓器的絕緣性能。從試驗(yàn)過程可以發(fā)現(xiàn)，酸值的測定結(jié)果會受到儀器以及容器清潔度的影響，例如，二氧化碳和空氣中的水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成碳酸，碳酸等水溶性物質(zhì)會對絕緣油酸值的測定有干擾。因此，在絕緣油含有水分等雜質(zhì)的情況下進(jìn)行油化試驗(yàn)會對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。這就要求在變壓器出廠前保證絕緣油水中不含水分，即便是在后期的運(yùn)輸和貯存過程中也要采取有效防護(hù)措施。

2.3 電氣性能出現(xiàn)變化

介質(zhì)損耗因數(shù)可以反映絕緣油的潔凈程度和老化狀況。對于新油來說，介質(zhì)損耗因數(shù)通常在0.005 以下，在變壓器持續(xù)運(yùn)行的情況下，絕緣油老化的同時(shí)也會受到污染，油質(zhì)逐漸劣化，此時(shí)需要明確污染物的來源，并采取有效措施對絕緣油進(jìn)行過濾和吸附雜質(zhì)，污染情況嚴(yán)重時(shí)可以考慮更換新油。

3 絕緣油化驗(yàn)分析變壓器故障應(yīng)用實(shí)例

以某變電所的變壓器故障檢查為例，進(jìn)行問題的闡述。1 號變壓器在正常運(yùn)行情況下，修試部門的工作人員對其絕緣油進(jìn)行了色譜分析，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)絕緣油中含有一定的乙炔。為此，修試部門相關(guān)技術(shù)人員對1 號變壓器內(nèi)絕緣油進(jìn)行了詳細(xì)檢查。3 月6 日，在檢測過程中發(fā)現(xiàn)，相較于3 月4 日絕緣油內(nèi)氣體含量顯著增多，隨著變壓器負(fù)荷逐漸下降，油內(nèi)氣體含量基本未產(chǎn)生變化，在這一過程中絕緣油內(nèi)的乙炔含量相對較低，但是同時(shí)有其他氣體產(chǎn)生。此時(shí)，僅靠比較各種氣體含量不足以對變壓器故障原因進(jìn)行判別，進(jìn)一步判斷故障原因需要運(yùn)用絕對產(chǎn)氣速率法。在絕緣油化驗(yàn)分析過程中，一氧化碳以及二氧化碳含量并未出現(xiàn)顯著變化，這說明有兩種可能：一是變壓器內(nèi)絕緣油中各類氣體的作用時(shí)間比較短；二是變壓器中絕緣材料使用量比較少。依據(jù)C2H2較為穩(wěn)定的特性，表明變壓器內(nèi)溫度應(yīng)該低于80 ℃。所以，變壓器鐵芯部分的表面溫度過高或者多點(diǎn)接地是導(dǎo)致1 號變壓器出現(xiàn)故障的原因。相關(guān)技術(shù)人員經(jīng)過實(shí)地檢測發(fā)現(xiàn)，高壓繞組與套管連接不合理是導(dǎo)致變壓器高壓線圈出現(xiàn)短路的主要原因。

4 結(jié)語

在供電系統(tǒng)中，變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，技術(shù)人員可以通過運(yùn)用絕緣油化驗(yàn)分析的方法實(shí)現(xiàn)對變壓器運(yùn)行情況的判斷，結(jié)合實(shí)際情況采取不同措施有效解決變壓器運(yùn)行過程中的各類故障問題，還可以對變壓器的運(yùn)行情況予以動態(tài)監(jiān)督，具有較高準(zhǔn)確率的同時(shí)還可以保證油品的質(zhì)量，并且能大大節(jié)省檢修時(shí)間，避免充油設(shè)備故障的頻繁發(fā)生，提升電氣化鐵路企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。