产生异常现象的原因：深入探析

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：油中存在溶胶粒子后,由电泳现象引起的电导系数,可能超过介质正常电导系数的几倍或几十倍。例如,有的单位采用进口二级真空净油机对油进行热油循环处理100h以上,油的tanδ值仍没有下降。现场通过对油样中微生物的分离、培养、再回种到合格油中,发现含有微生物的油并没有明显改变油的介质损耗因数tanδ。但是,当微生物达到一定数量,以致使变压器外观变为混浊且呈乳白色时,变压器油的介质损耗因数tanδ有增长的现象。

1.油中侵入溶胶杂质

变压器在出厂前残油或固体绝缘材料中存在着溶胶杂质,注油后使油受到一定的污染;在进行热油循环干燥过程中,循环回路、储油罐内不洁净或储油罐内有被污染的残油,都能使循环油受到污染,导致油中再次侵入溶胶杂质。

溶胶具有以下特性:

(1)粒子能通过滤纸,扩散极慢;普通显微镜下看不见。

(2)粒子与介质之间有分界面,各成一相,并持有足够大的界面自由能。由于界面自由能有一个自发的减少过程,所以势必引起粒子自动聚结,粒子自动合并,由小变大,当粒子直径大于10-7m时,体系即转变为粗分散系 (通常把一种物质细分成或大或小的粒子,分散在另一种物质中所形成的体系)。所以溶胶在热力学上是处于非平衡的不稳定状态。

(3)溶胶具有一定的动力稳定性,即胶粒处于不断的运动状态,不能从分散质中分离出来。分散度越大,粒子越小,动力稳定性越大;分散相和分散介质密度差越小,动力稳定性也越大。实际上胶粒有一个沉降平衡过程,即粒子因重力而沉降,使容器底层浓度加大,而粒子的扩散是使全部浓度趋于一致,当这两个过程所起的作用相等时,分散体系在各水平面上的浓度,保持某一固定数值。

(4)由于溶胶热力学上的不稳定性,胶粒迟早要经过聚结变大,使分散度降低,胶粒动力稳定性减弱。当粒子大小超出胶体范围时,粒子的布朗运动就克服不了重力作用,而从介质中沉出,这种现象叫做聚沉。所以从理论上说,经聚结而聚沉是溶胶体系的必然发展趋势。

溶胶动稳定性大,发展聚沉的时间就长,动稳定性小时,在几分钟之内即可聚沉。许多因素如光、温度、电场等作用能加速聚沉。

(5)由于溶胶具有很大的界面和界面自由能,所以有吸附某些物质而降低界面能的趋势。溶胶粒子常常选择吸附作为稳定剂的电解质的某种离子,而其表面带有电荷。带电的溶胶粒子在外电场作用下有做定向移动的现象,被称为电泳现象。液体介质的电泳的电导用下式表示

式中 n——单位体积中的粒子数;

r——粒子半径;

V——粒子动电位;

η——油的粘度。

变压器油的介质损耗因数tanδ 主要决定于油的电导,它可用下式表示

式中 γ——体积电导系数;

ε——介电常数;

f——电场频率。

由此式可知,油的tanδ正比于电导系数γ。油中存在溶胶粒子后,由电泳现象引起的电导系数,可能超过介质正常电导系数的几倍或几十倍。

由于溶胶粒子的直径在10-9～10-7m 之间,能通过滤纸,所以油的tanδ 值升高后,经过真空和压力式滤油机处理都降不下来。例如,有的单位采用进口二级真空净油机对油进行热油循环处理100h以上,油的tanδ值仍没有下降。

胶粒能自动聚结,热力学上处于非平衡的不稳定状态,以及光、温度等因素能加速胶粒聚沉的特性,可用来解释油的tanδ 分散性以及油见光、加温、加电压和放置一定时间之后,tanδ 值减小的现象。

胶粒的沉降平衡,使分散体系在各水平面上浓度不相等,越往容器底层浓度越大的特性,可用来解释油上层tanδ 小,下层tanδ 大的现象。但是,在热油循环干燥后,当没有达到沉降平衡时,也可能出现上层油tanδ大而下层油tanδ小的现象。

2.微生物细菌感染

变压器油中的微生物细菌感染问题受到广泛重视,是目前变压器油研究的关注点之一。通常认为,微生物细菌感染主要是在安装和大修中苍蝇、蚊虫和细菌类的侵入所造成。在吊罩检查时发现有一些蚊虫附着在绕组的表面上。它们也有滤过的特性,大致可分为微小虫类、细菌类、霉菌类等,它们大多生活在油的下部沉积层中。由于污染所致,在油中含有水、空气、碳化物有机物、各种矿物质及微细量元素,因而构成了菌类生长、代谢、繁殖的基础条件。现场不少单位对微生物及其影响进行了研究,虽然由于试验条件不同,得到的结论不完全相同,但是对下述问题的看法还是一致的:

(1)温度的影响。

变压器油在运行时的温度也是微生物生长的重要条件,故温度对油中微生物的生长及油的性能有一定影响,试验发现冬季的tanδ 值较稳定。温度对油中微生物的存在也有明显影响。试验表明,某油样中的细菌平均数为0.3个/ml,经升温至70℃且保持30min后,测定油样中的细菌数为0。

(2)微生物数量的影响。

辽宁电力科学研究院曾用OLYMPUS显微镜(10×100)对不同油样中微生物存在的数量进行观察,其结果如表1-40所示。

表1-40　不同的油样中微生物存在的数量

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由表中数据可见,不同地区的油样中均含有一定数量的微生物。现场通过对油样中微生物的分离、培养、再回种到合格油中,发现含有微生物的油并没有明显改变油的介质损耗因数tanδ。另外,通过对合格油和不合格油的油样进行分析,发现都有微生物存在,并且在数量上没有实质的差别。这就证明了少量的微生物对变压器油没有影响。但是,当微生物达到一定数量,以致使变压器外观变为混浊且呈乳白色时,变压器油的介质损耗因数tanδ有增长的现象。

由上所述,环境条件对油中微生物的增长有着直接的关系;而油中微生物的数量又决定了油的电气性能。由于微生物都含有丰富的蛋白质,因此微生物对油污染实际是一种微生物胶体的污染。其影响是使油的电导增大,所以电导损耗也增大,致使tanδ增大。

3.油的黏度偏低使电泳电导增加,导致tanδ值升高

新疆生产的用于国产首批500kV电力变压器的45号油与25号油相比,切割馏分较窄 (干点与初馏点温度之差),为72～82℃,而石油七厂和兰州炼油厂生产的25 号油,分别为108℃和127～167℃,所以油的平均分子量较低,黏度、比重、闪点虽然均在合格范围之内,但比较来说是偏低的。因此,在同一污染情况下,就更容易受到污染,这是因为黏度低很容易将接触到的固体材料中的尘埃迁移出来,使油单位体积中的溶胶粒子数n增加。由上所述,n增加、黏度η 减小,均使电泳电导γc增加,从而导致总的电导系数γ 增加,即总介质损耗因数增加,分散性也明显增加。

4.热油循环使油的带电倾向增加,导致tanδ值升高

大型变压器安装结束之后,要进行热油循环干燥。一般情况下,制造厂供应的新油,其带电倾向很小,但当注入变压器以后,有些仍具有新油的低带电倾向,有些带电倾向则增大了。经过热油循环之后,加热将使所有油的带电倾向均有不同程度的增加。油的带电倾向与变压器内所用的绝缘材料、油品及油的流速、温度等因素有关,所以在处理油的过程中,要特别考虑影响带电倾向增加的因素。

油的带电倾向与其介质损耗因数有密切关系,如图1-71所示。虽然呈现很大的分散性,但基本规律是tanδ随着油带电倾向的增加而上升。因此,热油循环后油带倾向增加,也是导致油tanδ 升高的原因之一。

5.铜、铝和铁金属元素含量较高

由于油浸电器多为金属组合体,油中难免含有某些金属元素。有人根据其试验结果提出,铜、铝和铁等金属元素含量较高是油介质损耗因数增大的主要原因。这是因为这些金属元素对变压器油的氧化起催化作用,使油产生酸性氧化物和油泥。酸性氧化物腐蚀金属,又使油中的金属含量增加,加速油的氧化,导致其介质损耗因数增大。

6.补充油的介质损耗因数高

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图1-71　油的tanδ与其带电倾向的关系

某SFSZL—31500/110 型变压器,补充2.5t(约占总油量的10%)油后,测量其介质损耗因数,在70℃时为5.29%,超过《规程》(DL/T 596—1996)要求值。为查找原因,测试补充油的介质损耗因数,其结果是:在32℃时为5.75%,70℃时仪表指示超过量程无法读数。《规程》规定,补充油的介质损耗因数不大于原设备内油的介质损耗因数。否则会使原设备中油的介质损耗因数增大。这是因为两种油混合后会导致油中迅速析出油泥,使油的绝缘电阻下降,而介质损耗因数增高。

7.油中含有醇酸树脂

广东省电力试验研究所的研究表明,有的运行变压器油介质损耗因数异常升高的主要原因是由于绝缘漆质量不佳,造成变压器油与绝缘漆不相容,在运行中绝缘漆发生溶解现象,使变压器油受到化学污染。绝缘漆的溶解物主要是醇酸树脂。

8.油管路污染

东北某送变电公司在安装的多个一次变电所和电厂的变压器中发现,同一容器里顶部油与底部油在色泽上有明显的差别,顶部油为较淡的绿色,底部油为较浓的黄色。浅绿色的油介质损耗因数明显地大于浓黄色的,有的相差几倍、十几倍、甚至几十倍。只要是这样分层的油,即使原先的介质损耗因数满足运行要求的指标,但一经加热 (加热温度无需太高)其介质损耗因数都将迅速地增加。

沈阳变压器厂通过对许多例子的分析研究得出结论是:这类变压器油介质损耗因数变大的主要原因,是使用橡胶油管路而引起的微粒胶体和脱膜剂对变压器油有污染。目前在该厂所有的循环变压器油的管路中取消了橡胶管,均采用合金波纹管和钢管。

应当指出,虽然导致变压器油产生介质损耗因数异常现象的原因很多,但是这些因素并不一定同时起作用,从研究结果来看,往往只有一种或两种因素起主导作用。这就导致不同研究者,在不同条件下得出的研究结论有一定的差异。

产生异常现象的原因：深入探析

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