變壓器油中腐蝕性硫問(wèn)題研究進(jìn)展

李臻，萬(wàn)濤，龔尚昆

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

變壓器油中腐蝕性硫問(wèn)題研究進(jìn)展

李臻，萬(wàn)濤，龔尚昆

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外發(fā)生了多起由于變壓器油中腐蝕性硫的存在而導(dǎo)致的變壓器絕緣事故。本文綜述了變壓器油中腐蝕性硫的來(lái)源及種類、腐蝕性硫的定性及定量檢測(cè)方法、硫化亞銅產(chǎn)生機(jī)理、腐蝕機(jī)理及腐蝕性硫的預(yù)防與處理等內(nèi)容。

變壓器油；腐蝕性硫；檢測(cè)方法；機(jī)理

電力設(shè)備的安全運(yùn)行是保證電網(wǎng)安全的第一道防線，而作為電能傳輸和配送過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換的核心，電力變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行極為重要。文獻(xiàn)〔1〕中提到:“很多數(shù)據(jù)表明:變壓器絕緣系統(tǒng)損壞造成的故障，占到變壓器所有故障因素的85%以上”。變壓器內(nèi)絕緣系統(tǒng)的主要組成部分是油-紙絕緣，其中變壓器油又是變壓器最重要的絕緣材料之一〔2〕。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外發(fā)生了多起由于變壓器油中腐蝕性硫的存在而導(dǎo)致的變壓器事故，引起相關(guān)學(xué)者與技術(shù)人員的廣泛關(guān)注〔3〕。福建和廣東電網(wǎng)已確認(rèn)有4例變壓器事故為腐蝕性硫引起，且主要發(fā)生在 500 kV、大容量、高油溫、大負(fù)荷、帶密封油枕的高壓變壓器上；故障檢查還發(fā)現(xiàn):變壓器高壓繞組和絕緣紙上存在淺灰色或藍(lán)紫色硫化亞銅 (Cu2S)沉淀，Cu2S為變壓器油中的含硫物質(zhì)與繞組銅材料反應(yīng)后的產(chǎn)物，會(huì)對(duì)導(dǎo)線絕緣紙產(chǎn)生滲透和污染，使絕緣強(qiáng)度逐漸減弱，最終導(dǎo)致變壓器匝間絕緣擊穿，變壓器線圈燒毀。

1 腐蝕性硫的來(lái)源及種類

變壓器油中硫的含量約為0.1%～0.5%〔4〕。硫在礦物油中主要以5種形式存在，如表1所示〔3〕。從表1中可以看出并不是所有的硫都具備腐蝕性，元素硫和硫醇非?；顫姡蛎演^為活潑，二硫醚較為穩(wěn)定，噻吩則非常穩(wěn)定。許多研究人員認(rèn)為造成銅繞組發(fā)生腐蝕的主要原因?yàn)槎S基二硫(DBDS)〔5〕，目前關(guān)于油中腐蝕性硫的研究大多也是圍繞DBDS展開(kāi)的。

表1 硫在礦物油中的5種存在形式

除了變壓器油，墊圈、絕緣紙、水基膠粘合劑以及銅線中也都不同程度含有硫。Lewand〔3〕指出變壓器用到的O型散熱墊圈、蝶形閥平墊圈及氟橡膠墊圈等含有較高含量的硫，但墊圈中的硫并不會(huì)向油中轉(zhuǎn)移；錢(qián)藝華等〔6〕則通過(guò)離子色譜對(duì)絕緣紙板及粘合劑中的硫元素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這兩種物質(zhì)中的硫已固化，性質(zhì)穩(wěn)定，一般也不具有腐蝕性。

圖1 總硫含量的時(shí)間變化趨勢(shì)圖

圖2 腐蝕性硫含量的時(shí)間變化趨勢(shì)圖

實(shí)際上，隨著礦物油精煉加工技術(shù)的提升，變壓器/電抗器絕緣油中的總硫含量在逐漸的下降，如圖1所示〔4〕。然而，近年來(lái)變壓器絕緣油中腐蝕性硫的含量在不斷增加，如圖2所示。這可能因?yàn)殡S著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的增加，在熱點(diǎn)區(qū)域局部放電、電弧、水分和金屬催化劑等其它周?chē)h(huán)境作用下，某些硫化合物可能會(huì)轉(zhuǎn)化為腐蝕性硫。在還原條件下，氫氣結(jié)合油的銅催化劑可以使穩(wěn)定非腐蝕性硫化合物轉(zhuǎn)變?yōu)楦g性的硫化合物，如式 (1)至式(3)所示〔7〕。圖2的趨勢(shì)提醒電力工作者，必須充分重視變壓器油中腐蝕性硫的監(jiān)測(cè)與相關(guān)研究。

2 腐蝕性硫的測(cè)定方法

2.1 定性檢測(cè)方法

早在1948年，Clark和Raab〔8〕提出了測(cè)試變壓器油中腐蝕性硫的方法，即ASTM D1275 A方法。近些年來(lái)，針對(duì)腐蝕性硫的定性檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外研究人員制定了多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。然而這些方法存在共同的問(wèn)題，即作為一種定性方法，其結(jié)果僅憑目測(cè)，導(dǎo)致判斷結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

表2 油中腐蝕性硫檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件

2.2 定量檢測(cè)方法

目前有多種硫含量的定量測(cè)定方法，如電感耦合等離子體法 (ICP)、庫(kù)倫滴定法 (ASTM D3120)等〔9〕測(cè)定變壓器油中總硫含量。Toyama等〔10〕通過(guò)固相萃取 (SPE)和GC—MS聯(lián)用方法測(cè)量濃度較低 (0.1 μL/L)的二芐基二硫 (DBDS)。IEC 62697提出了定量測(cè)定絕緣油中DBDS和其它腐蝕性硫的標(biāo)準(zhǔn)方法〔11〕。標(biāo)準(zhǔn)共包括3個(gè)部分:第一部分為通過(guò)GC/ECD，GC/AED和GC/MS等手段定量測(cè)定絕緣油中DBDS含量；第二部分為定量測(cè)定絕緣油中總硫含量，通過(guò)使用銅粉與變壓器油在適當(dāng)條件下進(jìn)行反應(yīng)，后將銅粉及腐蝕產(chǎn)物過(guò)濾后，使用濁度測(cè)試和離子色譜等方法測(cè)定總硫含量；第三部分為定量測(cè)定總硫醇和二硫化物及其它腐蝕性硫含量，該部分內(nèi)容還在制訂中。此外，吳梅等〔12〕通過(guò)單掃描示波極譜法測(cè)定了元素硫含量，田松柏等〔13〕通過(guò)硝酸銀電位滴定法測(cè)定硫醇硫和硫化氫的含量。

3 腐蝕性硫的腐蝕機(jī)理

腐蝕性硫?qū)︺~的主要腐蝕產(chǎn)物是硫化亞銅(Cu2S)。常溫常壓下，元素硫和H2S能直接與銅片發(fā)生反應(yīng)生成Cu2S，而硫醇在常溫常壓下與銅片基本不發(fā)生反應(yīng)，但在有微量氧氣存在時(shí)會(huì)與銅片發(fā)生反應(yīng)生成 Cu2S〔14〕。因此，ABB公司的Hajek等〔15〕提出了硫醇-Cu2S機(jī)理，即在氧氣的參與下，銅在油中先被氧化生成Cu2O，之后油中的硫醇和銅的氧化物反應(yīng)生成硫醇銅，硫醇銅在一定條件下再分解產(chǎn)生Cu2S，如式 (4)— (5)所示。

而在無(wú)氧氣參與的條件下，腐蝕性硫同樣可能與銅反應(yīng)生成Cu2S。Toyama等〔10〕認(rèn)為銅在變壓器油中的腐蝕過(guò)程應(yīng)為式 (6)— (7)所示的反應(yīng)過(guò)程。銅首先與DBDS反應(yīng)生成DBDS—Cu絡(luò)合物，DBDS—Cu絡(luò)合物再分解生成Cu2S，DBS(二芐基硫醚)及BiBZ(1，2-二苯乙烷)，而DBS仍可與銅再次反應(yīng)生成CuS和BiBZ，如式 (8)所2示。此種反應(yīng)過(guò)程中不需要氧氣的參與。

萬(wàn)濤等〔2〕則提出當(dāng)環(huán)境中沒(méi)有氧氣時(shí)，銅的腐蝕過(guò)程為銅→銅復(fù)合離子→硫化亞銅，而當(dāng)環(huán)境中含氧氣時(shí)，銅的腐蝕過(guò)程為銅→氧化銅→銅復(fù)合離子→硫化亞銅與銅→銅復(fù)合離子→硫化亞銅兩種過(guò)程同時(shí)存在。此外，氧氣的濃度也會(huì)對(duì)于Cu2S沉積的部位產(chǎn)生影響。Kawarai等〔16〕通過(guò)研究腐蝕過(guò)程中絕緣紙、絕緣油及反應(yīng)容器等的重量變化，發(fā)現(xiàn)隨著氧氣濃度的提高，沉積在絕緣紙表面、玻璃容器底部、溶解在變壓器油中及銅片上沉積的Cu2S均明顯的提高。

4 硫化亞銅導(dǎo)致故障的機(jī)理

國(guó)內(nèi)外針對(duì)硫化亞銅導(dǎo)致故障的機(jī)理開(kāi)展了大量的研究。Lewand等〔17〕通過(guò)對(duì)線圈的匝對(duì)匝模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，表明當(dāng)繞組線圈頻繁受到高于起始放電電壓的瞬態(tài)電壓作用時(shí)，受硫化亞銅污染的絕緣會(huì)發(fā)生局部放電，絕緣性能持續(xù)下降，直至在正常運(yùn)行電壓下發(fā)生匝間故障，絕緣損壞。Scatiggio等〔4〕則提出在銅表面形成的Cu2S沉淀會(huì)擴(kuò)散至多孔的絕緣紙上，進(jìn)而導(dǎo)致其導(dǎo)電性的增加及介損的明顯增大，并形成熱點(diǎn)區(qū)域，而熱點(diǎn)區(qū)域形成的電流會(huì)逐漸形成短路電流進(jìn)而導(dǎo)致線圈短路并崩潰。

對(duì)Cu2S造成變壓器故障具體的過(guò)程有以下兩種觀點(diǎn)。第一種觀點(diǎn)認(rèn)為，銅離子與腐蝕性硫反應(yīng)生成的Cu2S沉積在絕緣紙最外層。Cu2S沉積層會(huì)導(dǎo)致油中氣隙的形成，氣隙中又可能發(fā)生局部放電。而第二種觀點(diǎn)則認(rèn)為，Cu2S沉積在絕緣紙的最內(nèi)層，之后逐漸地污染、滲透至下一層絕緣紙，致使絕緣紙的擊穿強(qiáng)度下降，介損增加，導(dǎo)致繞組之間產(chǎn)生短路電流，最終導(dǎo)致繞組承受不住電場(chǎng)應(yīng)力而被擊穿燒毀。以上兩種說(shuō)法的區(qū)別在于Cu2S沉積的位置。Maina等〔18〕提出接近銅導(dǎo)線的絕緣紙上的Cu2S的濃度最高，并隨著間距的加大而逐漸地下降，這與第二種觀點(diǎn)契合。

5 腐蝕性硫的預(yù)防與處理

1)要加強(qiáng)新絕緣油的驗(yàn)收，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行腐蝕性硫試驗(yàn)。而對(duì)于新油的選擇，應(yīng)選擇精制脫硫并添加了T501抗氧化劑的國(guó)產(chǎn)油或國(guó)外低硫含量的精制油。

2)應(yīng)控制絕緣油中氧氣的含量，還應(yīng)控制好運(yùn)行溫度，避免設(shè)備超負(fù)荷引起局部過(guò)熱。

3)對(duì)于發(fā)現(xiàn)腐蝕性硫的油要及時(shí)處理。可以除去油中腐蝕性硫，萬(wàn)濤等〔19〕通過(guò)使用分子篩等對(duì)變壓器油進(jìn)行吸附濾油處理，使得油中腐蝕性硫及銅離子大幅減小，取得良好的效果。

4)向變壓器油中添加抑制劑。常見(jiàn)的油溶性抑制劑包括Iragamet 39(甲苯甲?；今壢虻囊环N衍生物)和DBPC(2，6-叔丁基對(duì)甲酚)等。Iragamet 39為金屬鈍化劑，其作用是在銅表面生成分子層以達(dá)到保護(hù)銅導(dǎo)體的目的〔5〕。其作用機(jī)理為:鈍化劑分子中氮基與金屬原子形成共價(jià)鍵和配位鍵，并相互交替成鏈狀聚合物，進(jìn)而在金屬表面形成多層保護(hù)膜，使得它不能再接受活性硫分子攻擊，從而使金屬表面得到保護(hù)，起到金屬鈍化和緩蝕作用〔20〕。萬(wàn)濤等〔21〕通過(guò)使用SEM、紅外光譜及飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜等方法發(fā)現(xiàn)Iragamet 39可脫去氨甲基，與銅表面反應(yīng)形成Cu-TTA絡(luò)合物，該絡(luò)合物在高溫富氧條件下依然可以穩(wěn)定存在。萬(wàn)濤等〔22〕還向變壓器油添加苯三唑型T551金屬減活劑，確定了T551具有抑制銅腐蝕和油品老化的作用。DBPC則是通過(guò)DBPC反應(yīng)掉油中的腐蝕性硫(DBDS)，如式 (9)— (10) 所示〔23〕。但隨著DBPC的消耗，DBDS仍有可能繼續(xù)對(duì)銅產(chǎn)生腐蝕，故該方法對(duì)添加劑的濃度要求較高。

6 結(jié)語(yǔ)

從國(guó)內(nèi)外變壓器油中腐蝕性硫的研究進(jìn)展情況來(lái)看，對(duì)于腐蝕性硫的產(chǎn)生來(lái)源、檢測(cè)方法及Cu2S生成機(jī)理等的研究均取得了一定的進(jìn)展。然而，依然存在一定的問(wèn)題需要解決。

1)相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室條件，在電場(chǎng)的作用下，硫?qū)︺~導(dǎo)線的腐蝕情況更為復(fù)雜。因此，電老化條件下對(duì)變壓器油中腐蝕性硫的研究為未來(lái)研究的熱點(diǎn)。

2)對(duì)于不同種類腐蝕性硫的定量檢測(cè)，缺少穩(wěn)定可靠的方法，可采用多種方法進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試。

3)油中氧氣濃度對(duì)Cu2S生成的影響尚不明確。氧氣是否參與Cu2S的生成尚無(wú)統(tǒng)一結(jié)論。其次，油中氧氣濃度不同，可能會(huì)影響Cu2S在絕緣紙表面的附著情況，但該說(shuō)法缺乏合理的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)其進(jìn)行證明。

4)關(guān)于含有腐蝕性硫的變壓器油的回收與處理將會(huì)是未來(lái)研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)。

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A review in research progress of corrosive sulfur in transformer oil

LI Zhen，WAN Tao，GONG Shangkun

(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

In recent years，a number of transformer failures due to the corrosive sulfur in mineral insulation oils have been reported.This paper reviews the types and corrosive sulfur sources of corrosive sulfur，detection methods，formation mechanism of Cu2S，the corrosion mechanism，prevention and treatment of corrosive sulfur.

transformer oil；corrosive sulfur；detection method；mechanism｀

TM214

B

1008-0198(2016)04-0005-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.04.002

2015-12-03 改回日期:2015-12-24