變壓器油是電力系統供輸電設備的重要絕緣介質(zhì)，其質(zhì)量好壞關(guān)乎電力設備的安全穩定運行。變壓器油的老化檢測技術(shù)一直受 到 國內外眾多學(xué)者 的關(guān)注，而近年來(lái)銅及其離子對油品的影響引起 了電力企業(yè)和研究者 的關(guān)注 。因為變壓器油在運行 過(guò)程 中，不 可避免地與金屬銅接觸 ，因此油中經(jīng)常含有微量的金屬銅元素 。銅及其離子能促進(jìn)油品的氧化反應 ，影響其氧化安定性 ，且銅離子對油品的介 電性能有很強 的負面效應 。F Scatiggio等對運行近幾十年的變壓器油中硫化銅作了統計并跟蹤 ，發(fā)現硫化銅對變壓器油 的熱穩定性具有很大的影響。鑒于 目前國家標準和行業(yè)標準還沒(méi)有將 變壓器油 中雜質(zhì)銅含量這一參數納入 出廠(chǎng) 以及例行試驗的項 目，本實(shí)驗室建立 了火焰原子吸收法測定變壓器油中微量銅的方法 ，這對監測變壓器油中微量銅具有應用價(jià)值。
廖瑞金等對有銅無(wú)銅樣品的T 501消耗速度以及酸值進(jìn)行了測定，分析了銅對油品老化的催化作用 ；廖瑞金等還通過(guò)分析絕緣油酸值 、擊穿電壓、微水等老化特征參數 的變化規律 ，研究 了絕緣油中溶解 的銅類(lèi)產(chǎn)物質(zhì)量分數 和絕緣紙表 面銅類(lèi)產(chǎn) 物質(zhì)量分數 的變化規律 。但針對不 同價(jià)態(tài)銅對變壓器油影響的研究鮮見(jiàn)報道 ，而這方面的研究將有利于揭示銅及其離子對變壓器油性能的影響機理。
為此 ，設計 了變壓器油加速熱老化試驗 ，在25克拉 瑪依變壓器新油中分別加入C u片 、Cu：O 粉末和CuO粉末 ，考察120 ℃、48天內不同老化階段變壓器油的微水 、酸值及介質(zhì)損耗參數 的變化 ，分析不同價(jià)態(tài)的銅對變壓器油性能的影響。
1 材料與方法
1．1 實(shí)驗材料
25 克拉瑪依變壓器新油 、銅片(純度 99．9％，厚度為 1 m m )、Cu20 粉末 (純度 99．9％，200 目)、C uO粉末 (純度 99．9％，200 目)、絕緣紙 (電力變壓器常用的普通牛皮紙)。
1．2 老化試驗設計
1．2．1 銅片的制備
準備一張厚度為 1 m m 的銅片，分別用 2 、4 、6砂紙打磨至銅片表面平滑發(fā)亮 ；剪取面積為 10 mmx20mm的銅片 ，立即用脫脂棉將其表面擦干凈 ，并從中間折成直角 ，浸泡在無(wú)水 乙醇溶液 中；將氮氣通入無(wú)水乙醇中 5 m in ，防止銅片表面在老化前與氧氣接觸而被氧化 ；通氣完成后用鑷子夾出銅 片 ，放在濾紙上 ，用吹風(fēng)機吹干 ，并迅速放人干燥器中。
1．2．2 絕緣紙的制備
將絕緣紙在真空度小于 50 Pa、90 ℃下脫氣 48h ，確保除去絕緣紙 中的水分。
1．2．3 老化實(shí)驗步驟
準備若干個(gè)500 m L 潔凈干燥的試驗瓶，在真空箱中將200 g 25 克拉瑪依變壓器新油裝入每個(gè)試驗瓶 中，按 20 ：1 的油紙質(zhì)量 比放入 10 g 絕緣 紙 ，按O．05 cm 銅片／1 g變壓器油的比例(此比例為A BB公司提供 的參考值 )放人 10 cm 的銅片 ，即 5 片 l0mmx20mm的銅片。立即密封 ，放入 120 ℃的恒溫老化箱中，每?jì)商烊〕鲆粋€(gè)試驗瓶進(jìn)行測量。
按上述步驟 ，另外做 Cu20 粉末 和 C uO 粉末 的對 比試驗。其 中試驗瓶 中c u20 粉末和 CuO 粉末的添加量分別為8．775 g 、9．750 g 。
1-3 性 能測試方法
按照G B／T 7600- - 19876運行中變壓器油水分含量測定法(庫侖法 )》測定微水 ；按照 G B ／T 7599—19876運行中變壓器油、汽輪機油酸值測定法(BTB法)》測定酸值；按照G B／T 5654- - 20076液體絕緣材料 相對 電容率 、介質(zhì)損耗 因數和直流 電阻率的測量》測定介質(zhì)損耗因數。
2 結果與討論
2．1 微量水分
微水是指油中含有的水分 ，由于含量一般很少 ，稱(chēng)為微水，單位為gg／g。變壓器油中的水分含量雖然很少 ，卻對油品的質(zhì)量有著(zhù)極大的破壞作用。圖 l為微水與老化時(shí)間的關(guān)系。
從 圖 1可知 ，在 120 ℃下 ，將 C u 片 、Cu：O 粉末 、C uO 粉末加人老化變壓器油 中后 ，水分含量隨老化時(shí)間的延長(cháng)均呈 現先增長(cháng)后下 降再增長(cháng)的趨勢 。老化初期，在雜質(zhì)銅和高溫的共同作用下 ，油品迅速劣化 ，發(fā)生 了復雜 的反應生成水 ，還會(huì )生成有機酸 、醇以及醛類(lèi)物質(zhì) ，這些 物質(zhì) 隨老化 的繼續進(jìn)行發(fā)生聚合和縮合反應 ，在油品中生成瀝青質(zhì) 、樹(shù)脂等 ，增強變壓器油對水分 的吸收 ，因而水分含量一老化時(shí)間曲線(xiàn)呈現增長(cháng) 的趨勢 。一段時(shí)間后 ，水分含出現下降是因為油品氧化劣化反應生成的水分在 120 ℃高溫下蒸發(fā)，導致油品中水分含量減少；此外當油品中水分聚集到一定程度時(shí)，會(huì ) 自由沉到試驗瓶底部 ，如果變壓器油中產(chǎn)生油泥時(shí) ，水分會(huì )隨油泥一起沉 降。老化后期 ，油品劣化進(jìn)一步加劇 ，油中反應生成水的速率明顯高于水分被反應掉 與沉降到底部的總和 ，從 而出現水分含量又急劇增長(cháng)的現象。
從 圖 1還可 以看 出 ，在整個(gè)老化過(guò)程 中 ，加入C u：O 粉末的老化變壓器油微水含量明顯高于加入C u 片及 CuO 粉末的老化變壓器油的微水含量 ，其水分含量的變化最大 ，說(shuō)明 I 價(jià)銅對油中水分含量的影響最大。
2．2 酸值
酸值是指中和 1 g 油樣 中的酸性物質(zhì)所需要的KO H 毫克數 ，單位為m gK O H／g。酸值是評定新油和判斷運行 中油質(zhì)氧化程度的重要指標之一 ，關(guān)注油樣酸值的變化 ，對監測變壓器的運行狀況具有重 要 的意 義 。在 國 家標 準 中 ，酸值 的警 戒 值 為0．1 m gK O H ／g。圖 2 為變壓器油酸值與老化 時(shí)間的關(guān)系。
由圖 2可知 ，在 120 ℃下 ，將 C u 片 、C u20 粉末和CuO 粉末分別加入到變壓器油 中后 ，其酸值在整個(gè)老化期 間呈先緩慢增長(cháng) 、后迅速增長(cháng)的趨勢。加入Cu：0 粉末的變壓器油其酸值迅速增長(cháng)的時(shí)間明顯早 于加入 C u 片 和 CuO 粉末 的變壓 器油 ，說(shuō)明 I 價(jià)銅對變壓器油的酸值影響最大，CuO粉末比Cu片對老化變壓器油酸值的影響大 ，但相差不明顯 。由此可知 ，雜質(zhì)銅的價(jià)態(tài)對變壓器油酸值的影 響從大到小的順序依次為：I價(jià)、II價(jià)、0價(jià)。
2．3 介質(zhì)損耗因數
介質(zhì)損耗因數 是變壓器油 內含有極性分子或不平衡電荷造成的電阻性傳導電流，導致功率的損失 ，通常用 tan6來(lái)表示 ，簡(jiǎn)稱(chēng)介損 ，其 中 為變壓器油的介質(zhì)損耗角 。介損是絕緣 油一項重要 的電氣性能指標 ，能直接反應運行變壓器油 的老化程度 ，說(shuō)明變壓器油 中的極性雜質(zhì) 。一般新 油 中含有的極性雜質(zhì)比較少 ，因此介損比較 小 ，僅 為 O．01％～0．1％。介損能 比較 敏感地分 辨出油 中是否存在老化產(chǎn)物 ，因此介損的測定是變壓器油監測的常用手段 。圖3 為變壓器油介損與老化時(shí)間的關(guān)系。從圖3可知 ，加入 3 種不 同價(jià)態(tài)的銅 ，油品的介質(zhì)損耗隨老化時(shí)間的延長(cháng)均呈先緩慢增長(cháng) 、后快速增長(cháng) 的趨勢 。其原因是 ：高溫條件下 ，油品的電導損耗增加 ，致使介損增加 ；銅離子作為活性帶電離子，有電泳電導 的傾 向 ，在施加 電壓條件下 ，它們能激活周 圍的烴分子產(chǎn)生游離基 ，使這些基團在 電場(chǎng) 中作定 向運動(dòng)，從而使油品的介損升高 ；油品氧化劣化生成的產(chǎn)物 (如有機酸)會(huì )加速對金屬部件的腐蝕 ，形成金屬皂化物 ，使介質(zhì)損耗因數升高 ；另外 ，水分具有較強 的極性 ，在 電場(chǎng) 的作用下容易極化 ，因此油中的水分含量增加也會(huì )導致介損增大 。加入 Cu：0 粉末 、CuO 粉末 、Cu 片后的老化變壓器油介損增長(cháng)速度依次增大 ，說(shuō)明 I 價(jià)銅對變壓器油的介損影響最大。
2．4 界面張力
界面張力州是指測定油與水之間的交界面所產(chǎn)生的張力，單位為mN ／m ，界面張力會(huì )因為油中存在表面活性物質(zhì)而降低，當油中存在一CO OH 、一0H 等類(lèi)型的親水基和 R 一類(lèi)型的憎水基時(shí) ，界面張力會(huì )明顯下降 ；當油 中有被氧化的產(chǎn)物時(shí) ，也會(huì )使界面張力急劇下降。在國家標準中，界面張力不能低于 19m N ／m 。圖 4 為變 壓器 油界 面 張力 與老化 時(shí) 間 的關(guān) 系 。
由圖4 可以看 出 ，界面張力在整個(gè)老化期 間都呈下降趨勢 ，下降速率先快后慢 ，這是因為變壓器油在運行過(guò)程 中 ，油品老化后生成各種醇 以及有機酸會(huì )導致界面張力下降。其 中，加入 Cu20 粉末 的變壓器油界面張力下 降速率最快 ，其次是加入 C uO 粉末的，最后是加入 Cu 片的。說(shuō)明不 同價(jià)態(tài)銅對變壓器油界面張力的影 響從大N ／I'依次是 ：I 價(jià) 、II價(jià) 、0 價(jià)。
3 結 論
(1)加入 C u：O 粉末的變壓器油中水分含量的變化最大 ，說(shuō)明 I 價(jià)銅對變壓器油中水分含量的影響最大 ；
(2 )不 同價(jià)態(tài)銅對變壓器油酸值 的影響從大到小的順序依次為：I 價(jià) 、II價(jià) 、0 價(jià) ；
(3)不同價(jià)態(tài)銅對變壓器油介損增長(cháng)速度的影響從大到小依次為：I 價(jià)、1I價(jià)、0價(jià)，I價(jià)銅對變壓器油的介損影響最大；
(4 )不 同價(jià)態(tài)銅對變壓器油界面張力的影響從大到小依次是 ：I 價(jià)、II價(jià) 、0 價(jià)。
由上 可知 ，在老化過(guò)程中 ，銅對變壓器油性 能影響顯著(zhù) ，在實(shí)際生產(chǎn) 中，I 價(jià)銅含量 的監測應受到重視。
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