沈陽變壓器回收專題變壓器油介損回升原因分析及處理
摘要：對變壓器油介損回升的原因作了具體分析，并提出了防止變壓器油介損回升的處理工藝。
關鍵詞：變壓器；變壓器油；介損；分析；處理
1前言
近年來變壓器油介損升高問題一直困擾著供電部門。為解決此問題，許多供電部門紛紛與廠家積極聯系，嘗試找出經濟可行的解決辦法。但由于油介損升高原因不明，因此不能對癥下藥。經觀察發現處理后的變壓器油介損很快回升的現象主要有以下特點。
(1)介損容易恢復到接近處理前的水平或更高；
(2)從變壓器油處理后到產生介損回升現象的時間不長，一般在處理后的一至兩年內。
為解決上述問題，本文根據現場處理變壓器本體油介損的經驗及相關資料，對變壓器油介損處理后回升原因作出分析，并提出防止變壓器本體油介損處理后回升的處理工藝要點。
2變壓器油介損回升實例
我局變壓器檢修人員對變壓器油進行處理后，過段時間油介損又回升的實例不少，其典型例子如下。
［實例1］南方A廠家生產的變壓器
處理方法：
(1)采用真空濾油機并用濾芯進行吸附處理。
(2)處理時變壓器不放油，處理時間共約48h。
(3)濾油溫度控制在65～70℃。
注：該處理方法與A廠處理方法相似。
［實例2］220kV紅星站2號主變
第三次處理后，經一年多時間的觀察該主變油介損值沒有快速回升的跡象，因此得出變壓器油處理方法：
(1)將油放出本體，用廠家產的帶吸附劑濾紙來處理濾油至油介損小于0.5%為止。
(2)將油注入本體至浸過鐵心，然后在油溫度達70～75℃時，連續48h進行熱油
循環后停止(期間每隔12h開一次潛油泵)。處理過程如圖1所示。該處理方法與A廠家處理方法相似。
［實例3］110kV富灣站1號主變
處理方法
(1)第一次處理用南非產FLUIDEX變壓器油凈化車處理，處理時變壓器不放油，處理時間
共約48h，濾油溫度控制在60℃左右。
(2)第二次處理用廠家產帶吸附劑濾紙處理，處理時變壓器不放油，處理時間共約48h
，濾油溫度控制在55～60℃之間。
3變壓器油介損回升的原因分析
對變壓器油介損升高的原因眾說紛紜，人們通常認為是膠體或微生物引起的，但也有文獻提出不同看法，認為是橡膠增塑劑引起油介損升高。文獻［1］則通過試驗得出下面的結論：
(1)運行中變壓器油的介質損耗值增大，其主要原因是油受到氧化和金屬元素對油品氧化的催化作用，使油產生酸性氧化產物和油泥。酸性氧化產物腐蝕金屬，又使油中的金屬含量增加，加速油的氧化。
(2)油中羥基化合物的存在，明顯影響油的介質損耗值。
(3)變壓器油中存在少量微生物，但對其介質損耗值的影響不大。
對此，筆者另有不同看法，分析討論如下。
3.1變壓器油化學成分及特點
(1)變壓器油是由烷烴、環烷烴和芳香烴等組成的結構復雜的液態烴類混合物。
(2)油中烴類的幾種組分中，以芳香烴最不易氧化，環烷烴次之，烷烴在高溫時抗氧化安定性最校現將烴類的氧化及其生成物概述如下。
①芳香烴。帶側鏈的芳香烴比無側鏈的芳香烴更易氧化。隨芳香烴環數的增加、側鏈的增加和側鏈碳原子數目的增加，芳香烴被氧化的傾向就增大。無側鏈芳香烴氧化產物為酸及其聚合物，帶側鏈的芳香烴隨著側鏈長度的增加而聚合產物減少，生成酸性和中性產物，如酸、醇、醛、酮、酯等的數量就增加。
②環烷烴。環烷烴的氧化傾向也隨其分子體積增大和結構復雜而增加，如有側鏈也會增加氧化傾向。氧化產物大部分是由環斷裂生成羧酸和羥酸，少部分由于縮合生成膠質和瀝青質。
③烷烴。烷烴在低溫下是比較穩定的，其氧化過程隨溫度升高而急劇加快。氧化產物為酸、醇、醛、酮、酯等。只有在深度氧化并有分支結構的烷烴氧化時才會生成烴基酸，以及羥基酸縮合的產物和少量的膠質。
④烴類混合物的氧化。上述芳香烴、環烷烴、烷烴的氧化規律，是他們呈單體形態氧化時的規律。如是烴類混合物，則其氧化規律就不一樣。隨各種烴類的結構不同，各種烴類的數量比例不同，其氧化規律也就不同。
綜上所述，烴類的氧化反應是很復雜的，其氧化產物也是多樣性的。
(3)油品的化學性能與其煉制工藝、精制深度，以及基礎油的化學組成有關。油品的化學性能可隨環境的影響而變化，或自身的氧化而變質。
(4)油中所含的有機酸主要是環烷酸，是環烷烴的羧基衍生物，通式為CnH2n-1COOH。此外還有在貯存、運輸時因氧化生成的酸性物質，某些油品中還含有酚、脂肪酸和一些硫化物、瀝青質等酸性化合物。
3.2變壓器油劣化的有關理論
(1)溫度、氧氣及金屬氧化物是促使油品老化的重要因素。如油品的抗氧化安定性好，則氧化后油的酸值與沉淀物少。
(2)熱、電壓是油品氧化的加速劑，但纖維基絕緣在較高工作電壓下，尤其在超高壓下對油氧化作用有什么影響尚不清楚。
(3)水分是油氧化過程的主要催化劑，而在電應力作用下纖維基絕緣卻會加速生成更多的水。
(4)油劣化過程的主要生成物是過氧化物、酸類、醇類、酮類和油泥。在早期劣化階段，一旦生成了一系列的過氧化物，這種不穩定的化合物就開始了鏈反應，其遞增順序如表4所示。
(5)烴類氧化反應是以自由基鏈式反應機理來解釋的。氧化反應包括三個階段，即鏈的引發，鏈的延續和發展，以及鏈的中斷和反應的熄滅。
(6)在烴類液相氧化過程中，通常鏈式反應是靠氧化中間產物來作為新鏈的引發中心。不是所有的初次氧化物都分解為自由基，而是有一大部分分解為氧化二次產物。由于氧化的最初產物——烴基過氧化氫(ROOH)的分解需要足夠的能量，還需要一段積累(停滯)時間，不象氣相氧化那樣劇烈，通常把這叫做“退化分支”。從鏈反應到退化分支的形成所需的時期，就是誘導期。一般油品的誘導期愈長，其抗氧化安定性愈好。
(7)環烷烴的抗氧化性能差，容易氧化生成酸和其他產物，但其對抗氧化劑感受性較好，彌補了不足之處，因此是變壓器油理想組分。烷烴的抗氧化性能與環烷烴差不多，但在強電場作用下容易發生脫氫反應，產生高分子聚合物，通常稱為X—蠟。芳香烴對變壓器油的氧化安定性能起著重要作用。
3.3與變壓器油中溶解的水分、纖維基絕緣有關的理論
(1)水分的腐蝕產物，如環烷酸皂類極易使介損升高，這是水分影響介損的間接后果；
(2)溫度升高時油中含水量增加，纖維中含水量減少；溫度下降時，則相反。
(3)水分助長了有機酸的腐蝕能力，加速了對金屬部件的腐蝕，形成金屬皂化物，會促使油質迅速老化，即對油質老化起催化作用。
(4)新油對水的溶解能力與其精制程度有關，如精制質量不高，油中含有未除盡的酚類、酸類、樹脂皂化物等，會增加油的吸濕性。
(5)變壓器中的水約99%存在于固體絕緣中，只有約1%的水分溶解在油中。
(6)紙絕緣中吸收的變壓器油最高可達注入變壓器本體油的10%。
(7)纖維基絕緣老化會生成水及極性基團。
3.4與變壓器油介損、界面張力有關的理論
(1)油介損隨油老化產物的增加而增大，但其與擊穿電壓、酸值和其它參數之間并不是直線關系，要根據實際情況進行綜合分析。
(2)實踐表明，變壓器本體介損與油介損之間無明顯規律性。
(3)在油中老化產物甚微，用化學方法尚不能察覺時，介質損耗因數就已能將其明顯地分辨出來。
(4)油水之間界面張力的測定是檢查油中含有因老化而產生的可溶性極性雜質的一種間接有效的方法，是檢查油早期氧化的一種手段。
(5)新油的界面張力高表明油中不含極性雜質，但該指標最主要用途是用來靈敏指示已老化的油被浸于其中的固體材料所污染和劣化的程度。
3.5石蠟基油和環烷基油的比較
(1)石蠟基油的氧化物比環烷基油的氧化物更有害，由石蠟基油生成的各種類型的酸明顯地強于環烷基油生成的酸。
(2)石蠟基油固有較高的苯胺點溫度(79～94℃)，與它相比環烷基油苯胺點溫度較低(59～82℃)。因此石蠟基油的再生明顯比環烷基油再生困難，這是石蠟基油固有的缺點。
(3)石蠟基油需進行合適的混油、脫蠟及加入流動改良劑才可能具有與傳統環烷基油相似的特性。
4變壓器本體油介損升高的原因分析
(1)從本文所舉例子來看，膠體雜質微生物不是致使油介損升高的主要原因，尤其是紅星站2號變已于1996年下半年處理過，且一直到1998年5月28日油介損值仍只是1.829%，但到了1999年5月22日變壓器油介損卻驟升至8.0628%，這與膠體、微生物本身引起油介損升高的漸進規律不相符。另外，文獻［1］中亦提出：所謂微生物問題未見有關詳細試驗數據，特別是膠體雜質和微生物對變壓器油介損的影響問題，多為理論分析與推斷，反而文獻［1］通過試驗證明介損高的油里并無微生物且假設有微生物也很容易通過吸附處理去除。因而膠體雜質、微生物應不是變壓器油介損升高的主要原因。
(2)有人認為橡膠制品中的增塑劑“丁酯”、“辛酯”以及醇酸樹脂是油介損升高的主要原因，但由于這三種物質釋放溶入油中的速度較慢，且各廠家使用的材料不同，不易造成油介損普遍升高或回升。
(3)文獻［1］認為金屬是油介損增加的主要原因，是羥基化合物明顯影響油介損，但上述兩種材料本身在吸附處理后，絕大部分已去掉，應不會再導致油介損在短時間內又迅速升高，除非是另有物質導致金屬微粒和羥基化合物再度生成并擴散。
(4)變壓器本體絕緣吸附的物質中含有導致油介損升高的物質。從紅星2號變、富灣1號變本體油處理后油介損很快回升的現象來看，由于本體油已用帶吸附劑濾油的方式將油介損處理至較低水平，但在不到兩年的時間，油介損又迅速回升(尤其是紅星2號變)。對此現象，由于已排除膠體、微生物、橡膠增塑劑、金屬微粒的影響，注意到變壓器本體大量采用紙絕緣，而紙絕緣和絕緣板是多孔性的吸附物質，故可判斷應是變壓器本體繞組絕緣紙、層壓紙板等吸附的某種物質導致油介損升高，且其過程大致如下
(1)變壓器投運時可能已含有一定數量該物質。
(2)變壓器投運后，該物質與油中某些物質反應生成導致油介損升高的某物質，但即使在濾油后該物質總量未見明顯減少。
(3)濾好的油進入變壓器本體后，該物質又再度進入好油中(或許會與好油反應)，導致油介損升高。
(4)當該物質與油反應到一定程度時，可能會出現類似雪崩效應的加速反應現象，加快生成某物質，致使油介損大幅升高。
4.5綜上所述，可有如下推斷
(1)油介損回升應主要與油本身有關，與膠體、微生物、橡膠增塑劑、金屬微粒等外來雜質無明顯關系。
(2)上述例子中的變壓器油均是石蠟基油。由于石蠟基油本身固有的特性，其生成的各種酸明顯強于環烷基油生成的酸(尤其是石蠟基油油質不夠好時，這種現象更明顯)
，因而從油注入變壓器后開始，出現以下情況：
①主變投運前，一切正常，油充分浸潤紙絕緣，僅含微量有機酸(其中主要是環烷酸)。
②主變投運后，溫度升高，電應力加強，另外金屬、水分也參與作用，油老化過程開始，生成酸、水、金屬皂化物等產物，其中低分子酸、環烷酸皂類易被纖維吸附，發生反應的應以紙絕緣所吸的油、水為主，此時紙絕緣周圍形成一層油氧化的強反應區。
③經過一段時間后(一般約為一年或兩年)，老化生成物中易使介損升高的極性物質(其中主要是環烷酸皂類)，大多積聚于紙絕緣內，并已積累至一定程度，開始使油介損明顯升高，但此時油的各類常見化學指標未見任何異常。
④發現油介損異常升高，用常規方法進行濾油處理后，油中的老化產物大部分去除，雜質基本清除，但實際上變壓器的紙絕緣中含有老化產物(如環烷酸、環烷酸皂類)及大量未處理好的油。當處理后的好油灌入后，致使油介損劣化的物質總體上原來相差不多。于是，變壓器投運后，又重復著②、③的過程，甚至可能出現反應加速現象。一段時間后，油介損“變本加厲”地升高!
⑤再次處理變壓器油時，只有在處理過程中能有效地去除部分紙絕緣中的環烷酸皂類及一部分水分，再加上繞組以外的油已處理得相當好，這樣，②、③過程才會顯著不如以前發展迅速，從而油介損在一段較長時間內不會出現顯著上升。
5相關情況及討論
(1)根據上述分析，處理變壓器油介損時，不但要用油凈化機對變壓器油進行除水、除酸、除雜質，使其達到好油的標準，而且更重要的是用好油在接近其苯胺點的較高的溫度下，不斷地沖刷變壓器繞組，使繞組上吸附的變壓器油氧化產物及水分(包括纖維老化產生的水分)不斷被熱油帶走，經過一段時間后，繞組才會變得“干燥”而且“干凈”。
(2)在實際處理中，有些變壓器的油介損在處理后兩三年內并無顯著回升。對此，筆者認為由于油介損回升是多種重要因素共同作用的結果，如水分、油再生程度、處理時間等，繞組干燥程度好壞，或油再生所用的吸附劑的好壞，均會對介損回升程度有明顯影響。富灣1號變采用質量較好的南非FLUIDEX油凈化機處理，因而變壓器油介損回升慢、幅度較小，但兩年半后，因未能對癥處理，油介損上升幅度還是很大。
(3)紅星2號主變在第二次處理后，其油介損為1.829%，實際上未處理好，因而根據上述分析，不難預測油介損回升勢頭甚猛，而事實正是如此。
(4)經驗表明，變壓器油處理后介損最好小于0.1%(且越小越好)，方可將油回注變壓器本體內。
(5)文獻［1］中提到發現羥基物質存在并對油介損有明顯影響，筆者認為，這主要是由于環烷烴氧化、由環斷裂生成羥基酸所致。正是由于油中有環烷烴等的存在，源源不斷地“供給”生成氧化物的“原料”，所以變壓器油雖經多次處理仍不可能完全根絕介損升高的隱患。
(6)文獻［1］關于“運行中變壓器油的介質損耗值增大，其主要原因是油的氧化和金屬元素對油品氧化的催化作用，使油產生酸性氧化產物和油泥。酸性氧化產物腐蝕金屬，又使油中的金屬含量增加，加速油的氧化”的結論應是本文所述油介損回升原因中與金屬有關的反應過程的反映。
(7)近年開展的變壓器油界面張力測試應有助于揭示油中極性物質與油介損間的規律。但筆者認為，按現在的測試周期取油的時間間隔過長，取樣點過少，不易及時反映短短幾年內的油質變化規律與趨勢。
6結論
(1)變壓器油介損處理后回升的主要原因不是因為油受膠體雜質、微生物、橡膠增塑劑、金屬微粒污染。
(2)變壓器油介損回升與石蠟基油油質關系較大。石蠟基油與環烷基油相比(尤其是油質較差時)易生成有害氧化物及強酸，故容易在變壓器本體中富集水分、金屬(主要是繞組)產生氧化產物，其中主要是環烷酸皂化類物質致使油介損升高。由于該類物質易被吸附于纖維基絕緣上，較難除掉，故用普通油處理方法不易去除，多次處理后仍不斷積累并使油介損迅速回升。
(3)徹底解決石蠟基油處理后介損回升的辦法只能是換油(換成環烷基油為宜)，進行濾油處理只能是延緩油介損回升的時間、降低油介損回升的幅度。
(4)現場處理變壓器油介損時，為防止油介損很快回升，在確定處理工藝時應注意做好以下幾項工作。
①應先將變壓器油放出，在變壓器外用帶吸附劑濾紙將油介損處理至小于0.5%(越小越好)。②用符合標準的變壓器油處理變壓器本體時，可采用熱油噴淋或熱油循環方式，但應注意油溫應接近石蠟基油苯胺點(根據現場經驗，約為75℃)。
③由于是用變壓器油帶走氧化物、水分，而這些均與纖維基絕緣油有較好的親和力，故處理時間應足夠長，一般實際處理時間不能少于48h。
④采用大流速、交叉循環的油循環方式，會使處理效果更好。
⑤處理時不能僅用壓力式濾油機處理，必須串聯上真空濾油機進行處理，以隨時除去油中的水分。
(5)處理變壓器油介損時，用沈變產的帶吸附劑濾紙處理效果較好。
7結束語
電力變壓器油處理后介損回升是近年變壓器運行中的一個突出問題。本文所述觀點難免有局限性，只是希望有關部門能對此問題予以足夠重視，切實解決好油介損回升問題。
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