沈阳变压器回收专题变压器油介损回升原因分析及处理
摘要：对变压器油介损回升的原因作了具体分析，并提出了防止变压器油介损回升的处理工艺。
关键词：变压器；变压器油；介损；分析；处理
1前言
近年来变压器油介损升高问题一直困扰着供电部门。为解决此问题，许多供电部门纷纷与厂家积极联系，尝试找出经济可行的解决办法。但由于油介损升高原因不明，因此不能对症下药。经观察发现处理后的变压器油介损很快回升的现象主要有以下特点。
(1)介损容易恢复到接近处理前的水平或更高；
(2)从变压器油处理后到产生介损回升现象的时间不长，一般在处理后的一至两年内。
为解决上述问题，本文根据现场处理变压器本体油介损的经验及相关资料，对变压器油介损处理后回升原因作出分析，并提出防止变压器本体油介损处理后回升的处理工艺要点。
2变压器油介损回升实例
我局变压器检修人员对变压器油进行处理后，过段时间油介损又回升的实例不少，其典型例子如下。
［实例1］南方A厂家生产的变压器
处理方法：
(1)采用真空滤油机并用滤芯进行吸附处理。
(2)处理时变压器不放油，处理时间共约48h。
(3)滤油温度控制在65～70℃。
注：该处理方法与A厂处理方法相似。
［实例2］220kV红星站2号主变
第三次处理后，经一年多时间的观察该主变油介损值没有快速回升的迹象，因此得出变压器油处理方法：
(1)将油放出本体，用厂家产的带吸附剂滤纸来处理滤油至油介损小于0.5%为止。
(2)将油注入本体至浸过铁心，然后在油温度达70～75℃时，连续48h进行热油
循环后停止(期间每隔12h开一次潜油泵)。处理过程如图1所示。该处理方法与A厂家处理方法相似。
［实例3］110kV富湾站1号主变
处理方法
(1)第一次处理用南非产FLUIDEX变压器油净化车处理，处理时变压器不放油，处理时间
共约48h，滤油温度控制在60℃左右。
(2)第二次处理用厂家产带吸附剂滤纸处理，处理时变压器不放油，处理时间共约48h
，滤油温度控制在55～60℃之间。
3变压器油介损回升的原因分析
对变压器油介损升高的原因众说纷纭，人们通常认为是胶体或微生物引起的，但也有文献提出不同看法，认为是橡胶增塑剂引起油介损升高。文献［1］则通过试验得出下面的结论：
(1)运行中变压器油的介质损耗值增大，其主要原因是油受到氧化和金属元素对油品氧化的催化作用，使油产生酸性氧化产物和油泥。酸性氧化产物腐蚀金属，又使油中的金属含量增加，加速油的氧化。
(2)油中羟基化合物的存在，明显影响油的介质损耗值。
(3)变压器油中存在少量微生物，但对其介质损耗值的影响不大。
对此，笔者另有不同看法，分析讨论如下。
3.1变压器油化学成分及特点
(1)变压器油是由烷烃、环烷烃和芳香烃等组成的结构复杂的液态烃类混合物。
(2)油中烃类的几种组分中，以芳香烃最不易氧化，环烷烃次之，烷烃在高温时抗氧化安定性最校现将烃类的氧化及其生成物概述如下。
①芳香烃。带侧链的芳香烃比无侧链的芳香烃更易氧化。随芳香烃环数的增加、侧链的增加和侧链碳原子数目的增加，芳香烃被氧化的倾向就增大。无侧链芳香烃氧化产物为酸及其聚合物，带侧链的芳香烃随着侧链长度的增加而聚合产物减少，生成酸性和中性产物，如酸、醇、醛、酮、酯等的数量就增加。
②环烷烃。环烷烃的氧化倾向也随其分子体积增大和结构复杂而增加，如有侧链也会增加氧化倾向。氧化产物大部分是由环断裂生成羧酸和羟酸，少部分由于缩合生成胶质和沥青质。
③烷烃。烷烃在低温下是比较稳定的，其氧化过程随温度升高而急剧加快。氧化产物为酸、醇、醛、酮、酯等。只有在深度氧化并有分支结构的烷烃氧化时才会生成烃基酸，以及羟基酸缩合的产物和少量的胶质。
④烃类混合物的氧化。上述芳香烃、环烷烃、烷烃的氧化规律，是他们呈单体形态氧化时的规律。如是烃类混合物，则其氧化规律就不一样。随各种烃类的结构不同，各种烃类的数量比例不同，其氧化规律也就不同。
综上所述，烃类的氧化反应是很复杂的，其氧化产物也是多样性的。
(3)油品的化学性能与其炼制工艺、精制深度，以及基础油的化学组成有关。油品的化学性能可随环境的影响而变化，或自身的氧化而变质。
(4)油中所含的有机酸主要是环烷酸，是环烷烃的羧基衍生物，通式为CnH2n-1COOH。此外还有在贮存、运输时因氧化生成的酸性物质，某些油品中还含有酚、脂肪酸和一些硫化物、沥青质等酸性化合物。
3.2变压器油劣化的有关理论
(1)温度、氧气及金属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，则氧化后油的酸值与沉淀物少。
(2)热、电压是油品氧化的加速剂，但纤维基绝缘在较高工作电压下，尤其在超高压下对油氧化作用有什么影响尚不清楚。
(3)水分是油氧化过程的主要催化剂，而在电应力作用下纤维基绝缘却会加速生成更多的水。
(4)油劣化过程的主要生成物是过氧化物、酸类、醇类、酮类和油泥。在早期劣化阶段，一旦生成了一系列的过氧化物，这种不稳定的化合物就开始了链反应，其递增顺序如表4所示。
(5)烃类氧化反应是以自由基链式反应机理来解释的。氧化反应包括三个阶段，即链的引发，链的延续和发展，以及链的中断和反应的熄灭。
(6)在烃类液相氧化过程中，通常链式反应是靠氧化中间产物来作为新链的引发中心。不是所有的初次氧化物都分解为自由基，而是有一大部分分解为氧化二次产物。由于氧化的最初产物——烃基过氧化氢(ROOH)的分解需要足够的能量，还需要一段积累(停滞)时间，不象气相氧化那样剧烈，通常把这叫做“退化分支”。从链反应到退化分支的形成所需的时期，就是诱导期。一般油品的诱导期愈长，其抗氧化安定性愈好。
(7)环烷烃的抗氧化性能差，容易氧化生成酸和其他产物，但其对抗氧化剂感受性较好，弥补了不足之处，因此是变压器油理想组分。烷烃的抗氧化性能与环烷烃差不多，但在强电场作用下容易发生脱氢反应，产生高分子聚合物，通常称为X—蜡。芳香烃对变压器油的氧化安定性能起着重要作用。
3.3与变压器油中溶解的水分、纤维基绝缘有关的理论
(1)水分的腐蚀产物，如环烷酸皂类极易使介损升高，这是水分影响介损的间接后果；
(2)温度升高时油中含水量增加，纤维中含水量减少；温度下降时，则相反。
(3)水分助长了有机酸的腐蚀能力，加速了对金属部件的腐蚀，形成金属皂化物，会促使油质迅速老化，即对油质老化起催化作用。
(4)新油对水的溶解能力与其精制程度有关，如精制质量不高，油中含有未除尽的酚类、酸类、树脂皂化物等，会增加油的吸湿性。
(5)变压器中的水约99%存在于固体绝缘中，只有约1%的水分溶解在油中。
(6)纸绝缘中吸收的变压器油最高可达注入变压器本体油的10%。
(7)纤维基绝缘老化会生成水及极性基团。
3.4与变压器油介损、界面张力有关的理论
(1)油介损随油老化产物的增加而增大，但其与击穿电压、酸值和其它参数之间并不是直线关系，要根据实际情况进行综合分析。
(2)实践表明，变压器本体介损与油介损之间无明显规律性。
(3)在油中老化产物甚微，用化学方法尚不能察觉时，介质损耗因数就已能将其明显地分辨出来。
(4)油水之间界面张力的测定是检查油中含有因老化而产生的可溶性极性杂质的一种间接有效的方法，是检查油早期氧化的一种手段。
(5)新油的界面张力高表明油中不含极性杂质，但该指标最主要用途是用来灵敏指示已老化的油被浸于其中的固体材料所污染和劣化的程度。
3.5石蜡基油和环烷基油的比较
(1)石蜡基油的氧化物比环烷基油的氧化物更有害，由石蜡基油生成的各种类型的酸明显地强于环烷基油生成的酸。
(2)石蜡基油固有较高的苯胺点温度(79～94℃)，与它相比环烷基油苯胺点温度较低(59～82℃)。因此石蜡基油的再生明显比环烷基油再生困难，这是石蜡基油固有的缺点。
(3)石蜡基油需进行合适的混油、脱蜡及加入流动改良剂才可能具有与传统环烷基油相似的特性。
4变压器本体油介损升高的原因分析
(1)从本文所举例子来看，胶体杂质微生物不是致使油介损升高的主要原因，尤其是红星站2号变已于1996年下半年处理过，且一直到1998年5月28日油介损值仍只是1.829%，但到了1999年5月22日变压器油介损却骤升至8.0628%，这与胶体、微生物本身引起油介损升高的渐进规律不相符。另外，文献［1］中亦提出：所谓微生物问题未见有关详细试验数据，特别是胶体杂质和微生物对变压器油介损的影响问题，多为理论分析与推断，反而文献［1］通过试验证明介损高的油里并无微生物且假设有微生物也很容易通过吸附处理去除。因而胶体杂质、微生物应不是变压器油介损升高的主要原因。
(2)有人认为橡胶制品中的增塑剂“丁酯”、“辛酯”以及醇酸树脂是油介损升高的主要原因，但由于这三种物质释放溶入油中的速度较慢，且各厂家使用的材料不同，不易造成油介损普遍升高或回升。
(3)文献［1］认为金属是油介损增加的主要原因，是羟基化合物明显影响油介损，但上述两种材料本身在吸附处理后，绝大部分已去掉，应不会再导致油介损在短时间内又迅速升高，除非是另有物质导致金属微粒和羟基化合物再度生成并扩散。
(4)变压器本体绝缘吸附的物质中含有导致油介损升高的物质。从红星2号变、富湾1号变本体油处理后油介损很快回升的现象来看，由于本体油已用带吸附剂滤油的方式将油介损处理至较低水平，但在不到两年的时间，油介损又迅速回升(尤其是红星2号变)。对此现象，由于已排除胶体、微生物、橡胶增塑剂、金属微粒的影响，注意到变压器本体大量采用纸绝缘，而纸绝缘和绝缘板是多孔性的吸附物质，故可判断应是变压器本体绕组绝缘纸、层压纸板等吸附的某种物质导致油介损升高，且其过程大致如下
(1)变压器投运时可能已含有一定数量该物质。
(2)变压器投运后，该物质与油中某些物质反应生成导致油介损升高的某物质，但即使在滤油后该物质总量未见明显减少。
(3)滤好的油进入变压器本体后，该物质又再度进入好油中(或许会与好油反应)，导致油介损升高。
(4)当该物质与油反应到一定程度时，可能会出现类似雪崩效应的加速反应现象，加快生成某物质，致使油介损大幅升高。
4.5综上所述，可有如下推断
(1)油介损回升应主要与油本身有关，与胶体、微生物、橡胶增塑剂、金属微粒等外来杂质无明显关系。
(2)上述例子中的变压器油均是石蜡基油。由于石蜡基油本身固有的特性，其生成的各种酸明显强于环烷基油生成的酸(尤其是石蜡基油油质不够好时，这种现象更明显)
，因而从油注入变压器后开始，出现以下情况：
①主变投运前，一切正常，油充分浸润纸绝缘，仅含微量有机酸(其中主要是环烷酸)。
②主变投运后，温度升高，电应力加强，另外金属、水分也参与作用，油老化过程开始，生成酸、水、金属皂化物等产物，其中低分子酸、环烷酸皂类易被纤维吸附，发生反应的应以纸绝缘所吸的油、水为主，此时纸绝缘周围形成一层油氧化的强反应区。
③经过一段时间后(一般约为一年或两年)，老化生成物中易使介损升高的极性物质(其中主要是环烷酸皂类)，大多积聚于纸绝缘内，并已积累至一定程度，开始使油介损明显升高，但此时油的各类常见化学指标未见任何异常。
④发现油介损异常升高，用常规方法进行滤油处理后，油中的老化产物大部分去除，杂质基本清除，但实际上变压器的纸绝缘中含有老化产物(如环烷酸、环烷酸皂类)及大量未处理好的油。当处理后的好油灌入后，致使油介损劣化的物质总体上原来相差不多。于是，变压器投运后，又重复着②、③的过程，甚至可能出现反应加速现象。一段时间后，油介损“变本加厉”地升高!
⑤再次处理变压器油时，只有在处理过程中能有效地去除部分纸绝缘中的环烷酸皂类及一部分水分，再加上绕组以外的油已处理得相当好，这样，②、③过程才会显著不如以前发展迅速，从而油介损在一段较长时间内不会出现显著上升。
5相关情况及讨论
(1)根据上述分析，处理变压器油介损时，不但要用油净化机对变压器油进行除水、除酸、除杂质，使其达到好油的标准，而且更重要的是用好油在接近其苯胺点的较高的温度下，不断地冲刷变压器绕组，使绕组上吸附的变压器油氧化产物及水分(包括纤维老化产生的水分)不断被热油带走，经过一段时间后，绕组才会变得“干燥”而且“干净”。
(2)在实际处理中，有些变压器的油介损在处理后两三年内并无显著回升。对此，笔者认为由于油介损回升是多种重要因素共同作用的结果，如水分、油再生程度、处理时间等，绕组干燥程度好坏，或油再生所用的吸附剂的好坏，均会对介损回升程度有明显影响。富湾1号变采用质量较好的南非FLUIDEX油净化机处理，因而变压器油介损回升慢、幅度较小，但两年半后，因未能对症处理，油介损上升幅度还是很大。
(3)红星2号主变在第二次处理后，其油介损为1.829%，实际上未处理好，因而根据上述分析，不难预测油介损回升势头甚猛，而事实正是如此。
(4)经验表明，变压器油处理后介损最好小于0.1%(且越小越好)，方可将油回注变压器本体内。
(5)文献［1］中提到发现羟基物质存在并对油介损有明显影响，笔者认为，这主要是由于环烷烃氧化、由环断裂生成羟基酸所致。正是由于油中有环烷烃等的存在，源源不断地“供给”生成氧化物的“原料”，所以变压器油虽经多次处理仍不可能完全根绝介损升高的隐患。
(6)文献［1］关于“运行中变压器油的介质损耗值增大，其主要原因是油的氧化和金属元素对油品氧化的催化作用，使油产生酸性氧化产物和油泥。酸性氧化产物腐蚀金属，又使油中的金属含量增加，加速油的氧化”的结论应是本文所述油介损回升原因中与金属有关的反应过程的反映。
(7)近年开展的变压器油界面张力测试应有助于揭示油中极性物质与油介损间的规律。但笔者认为，按现在的测试周期取油的时间间隔过长，取样点过少，不易及时反映短短几年内的油质变化规律与趋势。
6结论
(1)变压器油介损处理后回升的主要原因不是因为油受胶体杂质、微生物、橡胶增塑剂、金属微粒污染。
(2)变压器油介损回升与石蜡基油油质关系较大。石蜡基油与环烷基油相比(尤其是油质较差时)易生成有害氧化物及强酸，故容易在变压器本体中富集水分、金属(主要是绕组)产生氧化产物，其中主要是环烷酸皂化类物质致使油介损升高。由于该类物质易被吸附于纤维基绝缘上，较难除掉，故用普通油处理方法不易去除，多次处理后仍不断积累并使油介损迅速回升。
(3)彻底解决石蜡基油处理后介损回升的办法只能是换油(换成环烷基油为宜)，进行滤油处理只能是延缓油介损回升的时间、降低油介损回升的幅度。
(4)现场处理变压器油介损时，为防止油介损很快回升，在确定处理工艺时应注意做好以下几项工作。
①应先将变压器油放出，在变压器外用带吸附剂滤纸将油介损处理至小于0.5%(越小越好)。②用符合标准的变压器油处理变压器本体时，可采用热油喷淋或热油循环方式，但应注意油温应接近石蜡基油苯胺点(根据现场经验，约为75℃)。
③由于是用变压器油带走氧化物、水分，而这些均与纤维基绝缘油有较好的亲和力，故处理时间应足够长，一般实际处理时间不能少于48h。
④采用大流速、交叉循环的油循环方式，会使处理效果更好。
⑤处理时不能仅用压力式滤油机处理，必须串联上真空滤油机进行处理，以随时除去油中的水分。
(5)处理变压器油介损时，用沈变产的带吸附剂滤纸处理效果较好。
7结束语
电力变压器油处理后介损回升是近年变压器运行中的一个突出问题。本文所述观点难免有局限性，只是希望有关部门能对此问题予以足够重视，切实解决好油介损回升问题。
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