潘 文，郇述鋼，李 寧，陳 新

（常州東芝變壓器有限公司，江蘇 常州 213012）

0 引言

文獻(xiàn)［1］提出在絕緣紙上產(chǎn)生硫化亞銅（Cu2S）的機(jī)理是變壓器油中腐蝕性的二芐基二硫（DBDS）與銅反應(yīng)生成油溶性絡(luò)合物，該絡(luò)合物通過(guò)變壓器油擴(kuò)散并吸附在紙或紙板上，分解后就形成了硫化亞銅（Cu2S）。硫化亞銅可以在80～150 ℃的條件下生成，但在較低溫度（低于80 ℃）及電場(chǎng)作用下的生成機(jī)理尚未明確。

調(diào)查腐蝕性硫造成變壓器故障的案例，發(fā)現(xiàn)絕大部分為繞組內(nèi)絕緣紙附著硫化亞銅導(dǎo)致故障的案例，鮮有引線附著硫化亞銅導(dǎo)致絕緣失效的案例。

在2000年前后，NYTRO 10GBX和NYTRO 10GBN變壓器油廣泛應(yīng)用在國(guó)內(nèi)500 kV 等級(jí)的變壓器上。這些運(yùn)行了20 年左右的變壓器，如果沒(méi)有對(duì)變壓器油進(jìn)行有效管理，例如定期添加鈍化劑、對(duì)油中的腐蝕性硫進(jìn)行有效測(cè)試［2-3］，長(zhǎng)年運(yùn)行硫化亞銅不斷積聚使絕緣失效，導(dǎo)致變壓器發(fā)生突發(fā)性故障，影響變壓器安全運(yùn)行。

本文分析了腐蝕性硫?qū)ψ儔浩饕€絕緣的影響，揭示了腐蝕性硫?qū)е乱€絕緣失效前各層絕緣紙的絕緣特征，包括各層絕緣紙表面附著的銅與硫成分含量的分布、聚合度及各層絕緣紙擊穿電壓的分布等，這些數(shù)據(jù)為以后類似問(wèn)題的分析及防止其再發(fā)生提供了參考。

1 概況

2007 年投運(yùn)的某OSFPS-750000/500 變壓器，在線油色譜分析沒(méi)有任何異常，2022 年10 月突然發(fā)生引線匝間短路，變壓器損壞，退出運(yùn)行。

該變壓器高壓側(cè)電壓為550 kV，中壓側(cè)電壓為230 kV，低壓側(cè)電壓為36 kV。高壓側(cè)與中壓側(cè)的容量為750 MVA，低壓側(cè)容量為360 MVA，采用中壓230 kV線端調(diào)壓的無(wú)載調(diào)壓結(jié)構(gòu)。該變壓器的冷卻方式為強(qiáng)迫油循環(huán)導(dǎo)向風(fēng)冷，采用大功率風(fēng)冷卻器進(jìn)行冷卻。故障位于B相上壓環(huán)上部的調(diào)壓線圈上部引線位置。在90%負(fù)荷高中低三繞組聯(lián)合運(yùn)行的工況下，變壓器頂層油的溫升為23.1 K，該引線對(duì)油的溫升為19 K，在月平均溫度為30 ℃的環(huán)境下［4］，該故障部位引線導(dǎo)體溫度為72.1 ℃。即使考慮到長(zhǎng)期運(yùn)行冷卻器的散熱翅片會(huì)遭受污染，冷卻功率下降，導(dǎo)致變壓器油溫上升，引線的溫度也只處于國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）提出的硫化亞銅產(chǎn)生的可能下限溫度。

為全面、完整地分析腐蝕性硫?qū)σ€絕緣的影響，分別對(duì)該故障變壓器的油和引線絕緣紙進(jìn)行了分析。故障只發(fā)生在B 相，變壓器的其他兩相繞組未受破壞，因此對(duì)A相和C相繞組引線的絕緣狀態(tài)進(jìn)行分析，以有效評(píng)估腐蝕性硫?qū)ψ儔浩鹘^緣的影響。

2 對(duì)絕緣影響的分析

2.1 變壓器油

2.1.1 變壓器油的型號(hào)與參數(shù)

該變壓器使用的是NYTRO 10GBX 環(huán)烷基變壓器油，其參數(shù)如表1 所示。NYTRO 10GBX 是一種添加抗氧化劑的變壓器油。該變壓器油與克煉廠生產(chǎn)的45號(hào)油屬于同等級(jí)產(chǎn)品，均為環(huán)烷基礦物油，但在2000 年初期克煉廠生產(chǎn)的45 號(hào)變壓器油在500 kV等級(jí)變壓器上很少采用。

表1 NYTRO 10GBX變壓器油參數(shù)

2.1.2 變壓器故障前后的油色譜特征

在線色譜測(cè)試儀記錄了該變壓器故障前后的油色譜數(shù)據(jù)，如表2 所示。由表2 可見(jiàn)，故障前變壓器油色譜數(shù)據(jù)正常，故障后色譜數(shù)據(jù)具有典型的高能量放電電弧色譜特征。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)該變壓器引線發(fā)生匝間短路并對(duì)油箱壁放電。

表2 故障前后變壓器油色譜數(shù)據(jù) 單位：μL/L

2.1.3 變壓器油中腐蝕性硫的測(cè)試

對(duì)該故障變壓器油中的腐蝕性硫采用2 種方法進(jìn)行判定。

第一種方法是按文獻(xiàn)［5］進(jìn)行測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果與文獻(xiàn)［6］規(guī)定的總硫含量進(jìn)行比較。實(shí)測(cè)該變壓器油的總硫含量為125 mg/L，小于文獻(xiàn)［6］中的規(guī)定值1500 mg/L。但這種方法的測(cè)試結(jié)果無(wú)法對(duì)變壓器油中腐蝕性硫的特性進(jìn)行判定。

第二種方法是按ASTM D1275—15Standard Test Method for Corrosive Sulfur in Electrical Insulating Liquids的要求，將銅片試樣放入150 ℃油中保持48 h后，對(duì)銅表面的顏色進(jìn)行對(duì)比以判定腐蝕等級(jí)，判定結(jié)果為腐蝕性4c等級(jí)。

對(duì)上述兩種方法進(jìn)行比較，第二種方法對(duì)變壓器油中腐蝕性硫特征的判斷更加有效。

實(shí)際上生產(chǎn)廠家2005年前后已經(jīng)停止供應(yīng)NYTRO 10GBX 變壓器油，并對(duì)該型號(hào)變壓器油中的硫含量進(jìn)行了調(diào)整，用牌號(hào)為“天秤X(jué)”的變壓器油替代了NYTRO 10GBX。

2.2 引線絕緣紙

2.2.1 外觀檢查

由于故障變壓器的B 相引線已經(jīng)燒毀，將與B相處于相同位置的A 相的一根調(diào)壓引線絕緣分解剝離，結(jié)果如圖1和圖2所示。由圖1和圖2可見(jiàn)，雖然引線的外側(cè)絕緣紙還保持著正常的絕緣紙顏色，但靠近導(dǎo)體側(cè)的絕緣紙已經(jīng)明顯變色，且其顏色呈現(xiàn)金屬光澤并保持一定的韌性。原本為黃色的銅絞線表面已經(jīng)完全變黑，但與銅絞線連接的壓接端子依然保持正常的顏色。由絕緣紙依然保持韌性及壓接端子顏色依然保持正常，可以判定銅絞線及皺紋紙變色非過(guò)熱造成。

圖1 引線絕緣剝離

圖2 移除導(dǎo)線后的絕緣紙

與引線不同，變壓器各繞組用的銅導(dǎo)線均為漆膜絕緣的換位導(dǎo)線，漆膜阻斷了油中腐蝕性硫?qū)︺~的影響，使得所有繞組都保持著良好的狀態(tài)。

2.2.2 絕緣紙表面成分分析

為明確絕緣紙變色的原因，對(duì)調(diào)壓引線絕緣的外表面、中部和靠近導(dǎo)線側(cè)的絕緣紙取樣，使用掃描電鏡和能譜儀對(duì)其進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3—圖5所示。由掃描電鏡（放大500 倍）二次電子成像圖可以看出，絕緣紙的纖維紋理清晰。由能譜分析圖可見(jiàn)，在外表面絕緣紙、中部絕緣紙及靠近導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)絕緣紙上，除碳、氧、氮等基本構(gòu)成元素外，均檢測(cè)到了硫和銅元素。

圖3 外表面絕緣紙的表面結(jié)構(gòu)和能譜分析圖

圖4 中部絕緣紙的表面結(jié)構(gòu)和能譜分析圖

圖5 導(dǎo)線側(cè)絕緣紙的表面結(jié)構(gòu)和能譜分析圖

表3 為各層絕緣紙表面元素含量的百分比。根據(jù)表中的元素含量及銅和硫的相對(duì)原子質(zhì)量，計(jì)算得到絕緣紙中的銅硫原子比，分別為外表面絕緣紙5.9：1，中部絕緣紙3.6：1，導(dǎo)線側(cè)絕緣紙4.5：1，而不是文獻(xiàn)［7］和文獻(xiàn)［8］中描述的2：1 的關(guān)系。因?yàn)槭褂妹河蜌庀喔稍镌O(shè)備對(duì)該變壓器的繞組和絕緣進(jìn)行高溫脫油處理，加上硫化亞銅的不穩(wěn)定性造成硫的消耗，絕緣紙上硫原子的附著量減少，所以銅硫原子比增大。外表面絕緣紙的銅硫原子比最大這個(gè)現(xiàn)象進(jìn)一步說(shuō)明外側(cè)絕緣紙所處的位置更有助于硫元素的消耗。

表3 各層絕緣紙表面元素含量百分比 單位：%

2.2.3 絕緣紙耐壓測(cè)試

為判定引線絕緣紙的耐壓水平，對(duì)變壓器故障相（B 相）對(duì)應(yīng)位置的A 相調(diào)壓引線絕緣紙取樣，并進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)。從引線絕緣的導(dǎo)線側(cè)（內(nèi)側(cè)）到變壓器油側(cè)（外側(cè)）一共選取15 層，每層3 個(gè)共45個(gè)絕緣紙?jiān)嚇?。試樣首先?0 ℃的烘箱內(nèi)干燥4 h，然后進(jìn)行12 h 的浸油處理，最后使用擊穿電壓測(cè)試儀BTS-75 測(cè)量其擊穿電壓，測(cè)量結(jié)果如圖6 所示。該部位絕緣紙基紙的單層標(biāo)稱厚度是0.125 mm，正常的耐受電壓最小值為9 kV。從測(cè)量結(jié)果可以看出，第5 層到第15 層的絕緣紙?jiān)嚇拥膿舸╇妷阂呀?jīng)降至1.5 kV 左右，僅為正常耐受電壓的16.7%，絕緣性能嚴(yán)重下降。雖然油側(cè)第1 層絕緣紙的平均耐壓水平還保持在正常水平的80%，但總體絕緣性能下降，已經(jīng)不能確保該變壓器可以長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

圖6 引線絕緣紙的擊穿電壓

2.2.4 聚合度測(cè)量

為明確絕緣的老化程度及腐蝕性硫的影響，對(duì)變壓器C 相引線與導(dǎo)線接觸處的絕緣紙取樣，并進(jìn)行聚合度測(cè)量，結(jié)果如表4 所示。測(cè)量結(jié)果顯示紙尚未老化，也是故障變壓器冷卻效率高的體現(xiàn)。

表4 引線絕緣紙的聚合度測(cè)量結(jié)果

2.2.5 引線間絕緣試驗(yàn)

為對(duì)引線間的整體絕緣水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)兩套試驗(yàn)樣本進(jìn)行絕緣試驗(yàn)。樣本一選取故障變壓器C相繞組兩根相鄰的調(diào)壓引線，樣本二為新制的兩段引線的組合。樣本一和樣本二引線的銅絞線尺寸相同，但引線絕緣厚度不同，樣本一兩根引線的單側(cè)絕緣厚度為6 mm，樣本二兩根引線的單側(cè)絕緣厚度為3 mm。為防止升壓過(guò)程中發(fā)生異常放電，對(duì)引線的開(kāi)放端進(jìn)行了屏蔽整形處理。

為模擬實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的絕緣，采用煤油氣相干燥、真空注油、靜放工藝對(duì)兩套樣本進(jìn)行相同的處理。對(duì)樣本進(jìn)行絕緣試驗(yàn)時(shí)，施加100 kV 以下電壓時(shí)每次升壓5 kV并保持5 min，施加100 kV及以上電壓時(shí)每次升壓5 kV 并保持1 min。加壓過(guò)程中記錄局部放電起始電壓、局部放電量及擊穿電壓。

兩套樣本的絕緣試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。對(duì)擊穿的樣本進(jìn)行脫油、檢查，發(fā)現(xiàn)擊穿點(diǎn)均在兩引線相互接觸的彎折處，其中樣本一的擊穿點(diǎn)位于變色絕緣紙位置。

表5 引線間絕緣試驗(yàn)結(jié)果

樣本二的設(shè)計(jì)局部放電起始電壓為90 kV，實(shí)測(cè)為100 kV，說(shuō)明本次試驗(yàn)有效。樣本一的有效絕緣應(yīng)該是在施加120 kV 電壓的情況下也不產(chǎn)生局部放電，但實(shí)測(cè)局部放電起始電壓已經(jīng)低至20 kV，并表現(xiàn)出電壓稍微增加就出現(xiàn)局部放電量突然增大的現(xiàn)象，說(shuō)明樣本一的絕緣已經(jīng)嚴(yán)重劣化，且故障發(fā)生具有突發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)，這與故障變壓器的現(xiàn)象一致。

3 結(jié)論

本文對(duì)一例腐蝕性硫造成的變壓器損壞事故進(jìn)行分析，揭示了腐蝕狀態(tài)下變壓器引線絕緣的特征，同時(shí)得出以下結(jié)論：

1）對(duì)繞組全采用漆膜絕緣導(dǎo)線的變壓器進(jìn)行腐蝕性硫影響評(píng)價(jià)時(shí)，還需重點(diǎn)關(guān)注引線絕緣，可以采用對(duì)樣本進(jìn)行耐壓試驗(yàn)的方法進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

2）僅通過(guò)油色譜的變化可能無(wú)法對(duì)腐蝕性硫造成的引線絕緣劣化狀態(tài)進(jìn)行判斷。但從腐蝕引線的局部放電特征看，進(jìn)行局部放電在線監(jiān)測(cè)可能是預(yù)判腐蝕性硫?qū)ψ儔浩鹘^緣影響的有效手段。

3）對(duì)使用NYTRO 10GBX 或NYTRO 10GBN 變壓器油的在運(yùn)變壓器進(jìn)行維護(hù)點(diǎn)檢時(shí)，宜按照ASTM D1275-15Standard Test Method for Corrosive Sulfur in Electrical Insulating Liquids的規(guī)定，對(duì)油中的腐蝕性硫進(jìn)行試驗(yàn)判定。

4）使用能譜儀測(cè)量絕緣紙中銅、硫等元素的含量時(shí)，需要在變壓器回油后立即取絕緣紙樣進(jìn)行分析，以防止高溫脫油及長(zhǎng)時(shí)露空造成硫元素消耗，產(chǎn)生測(cè)量誤差。

5）CIGRE 對(duì)硫化亞銅產(chǎn)生的溫度下限值并沒(méi)有明確的定論，下一步將對(duì)運(yùn)行時(shí)間與運(yùn)行溫度兩要素共同影響下的硫化亞銅產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行研究，為在相對(duì)低溫運(yùn)行條件下油中含有腐蝕性硫的變壓器的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有效支持。