变压器油中金属元素与酸值和介质损耗因子的相关性研究

变压器油中金属元素与酸值和介质损耗因子的相关性研究

唐峰

（深圳电力技术研究院518028）

摘要：本文利用微波消解-电感耦合等离子发生光谱仪（ICP-OES），对深圳供电局下属的变压器，进行变压器油中的金属元素含量普查。通过普查对个变压器油中的金属元素进行统计分析。并对其与变压器油酸值，介质损耗因子两项质量指标进行了相关性研究。发现变压器油的介质损耗因子与油中金属元素的含量呈对数关系，酸值与油中金属含量呈线性关系。

关键词：金属元素；老化；酸值；介质损耗因子；相关性

1.前言

国外早在上世纪80年代就已经引入变压器油中金属含量分析技术应用于变压器故障诊断中。

在变压器油中金属含量分析是用辅助油中溶解气体分析（DGA）分析的一种切实可行的方法。当油中故障气体分析表明存在可能的故障时，油中金属分析将有助于确定故障类型并查明其位置。

高能故障不仅会破坏变压器的绝缘（油、纸、木头等），而且会产生金属粒子，分散在油中。这些颗粒将在整个变压器中分布，主要是由于油循环。某些变压器部件产生特定的金属颗粒。这些金属颗粒将单独或在不同的组合和浓度中被发现。油中金属元素的类型将有助于缩小与故障诊断范围。

在变压器油中发现的金属主要有：铝、铜、铁、铅、银、锡和锌。例如，在绕组和任何青铜或黄铜部件中都可以找到铜。铅是发现在焊接接头，连接器和其他外围元件。铁位于变压器铁芯和油箱中，而铝则存在于绕组、电晕屏蔽和陶瓷衬套中。耳、螺栓、连接器和一些外围部件也可能含有锡、银和锌。

目前国内外有关变压器油中金属含量分析的标准和相关的研究已经很多，但没有对变压器油中金属含量给到一个具体的现限值。本文通过对深圳供电局下属的变压器油的普查，通过的数据统计以及金属元素与酸值，介质损耗因数的相关性研究，找出相关性，初步设立一个预警值。

统计范围：见表1

表1元素分析普查设备名称

2.实验方法

2.1金属元素分析

2.1.1仪器

美国安捷伦公司720ICP-OES型电感耦合等离子体发射光谱仪。其主要组成为：RF发生器（改型号频率为40.68MHz），等离子体和进样系统，分光系统，检测系统，计算机系统。实验条件：等离子气流量15L/min；辅助气流量1.5L/min；泵进样量1.0L/min。

样品前处理采用Titan-10密闭式微波消解仪，具有10为转子，可同时树立10个样品，每个转子可独立向同一方向转动，保证样品的均匀受热，提高消解效果。最高压力20MPa，最高温度300℃。微波消解仪配套赶酸器-ED20消解罐赶酸装置

2.1.2样品与试剂

样品，46个变压器变压器油，Zn、Cu、Na、Mg、Cr、Ca、Mn、Ba、Al、Ni、Fe、Pb、W、Ag、Sn、Mo、Si、V等18种元素油基标准溶液，试剂分析纯浓硝酸，30%过氧化氢。超纯水，电阻率为18.3MΩ.cm。

2.1.3分析步骤

取向每个罐中称取0.2g样品，分别加入10ml浓硝酸2ml过氧化氢，密封后放入Titan-10密闭式微波消解仪进行消解。消解完成后，冷却至室温，赶酸至溶液至约2ml，用超纯水稀释过滤然后定容至50ml容量瓶中。然后进行仪器分析。对于变压器油老化模拟实验老化过程中的油每隔72小时取样一次，冷却干燥后

2.2绝缘油老化与油质测试

2.2.1变压器油的老化

根据中华人民共和国石油化工行业标准NB/SH/T0811-2010，《使用过的烃类绝缘油氧化安定性测定法》进行老化试验。

在待测样品中放入固体铜催化剂，恒速通入空气，在120℃条件下进行老化，定期对油进行介质损耗测量。

采用固态铜做氧化催化剂，使用软电解铜线，直径2mm长度由表面积决定，为（8.6cm2±0.3cm2）*8。用满足GB/T2480要求的220号碳化硅砂纸打磨，绕成外径为2cm的螺旋状。

样品：25号变压器油，（25g±0.1g）*8.氧化气体：空气，气体流速0.15L/h，试验温度120℃。

在样品氧化时间达到72小时后，取出部分样品，立即放入干燥器中冷却，干燥，防止空气中水分进入油中。

2.2.2酸值的测定

老化过程中的变压器油每隔72小时取样一次，冷却干燥后，按照GB/T264《石油产品酸值测定法》测出其酸值。

2.2.3介质损耗因子的测定

老化过程中的变压器油每隔72小时取样一次，冷却干燥后按照GB/T5654-2007《体绝缘材料相对电容率、介质损耗因数和直流电阻率的测量》测量出其介质损耗因子。注意在经绝缘油倒入油杯时不要引入气泡。

3.数据分析

3.1普查数据分析

表2检出元素最多的四个样品

表3介质损耗变化情况

表4酸值变化情况

表5金属元素含量变化情况

通过统计分析发现：46个样本中共发现18中元素中的11种，分别是：

其中有一种非金属元素Si。Cu、Na、Ag所有样品中均有发现。华强站#1，滨河站#1，海景站#3，六约站#3四个样品检出的元素种类有11种，这四个样品覆盖了检出元素的100%。

含量也最多。于是对这四台变压器的变压器油进行了优质分析，分别测试了酸值，水分，耐压，介质损耗因子，这四项基本性能指标。结合金属元素含量发现：随着金属元素的含量增加，酸值，介质损耗因子也呈现出逐渐增大的趋势。为了进一步验证变压器油中金属元素含量与酸值和介质损耗因子的关系，进行了在铜的催化下对变压器油进行老化的模拟实验。

3.2模拟实验数据分析

老化初期金属元素，酸值，介质损耗因子变化不明显。怀疑是绝缘油中含有抗氧化剂，所以在老化初期抗氧化剂抑制了老化过程，所以老化不明显，响应的数据也没有表现出变化。为了验证推测，对本次试验所用到的未老化的变压器油进行了红外光谱分析，发现含有抗氧化剂T501的存在。后期的数据也对样品进行了T501含量测试。发现老化360小时后取出的样品中T501消耗完。

表6Cu含量与介质损耗因子随老化时间变化情况

以介质损耗因子为纵坐标，以Cu元素含量为横坐标作图，得到介质损耗因子随Cu含量变化而变化的曲线图见表7.

表7Cu含量与介质损耗因子关系曲线

从图中曲线的变化趋势可以看出，变压器油中金属元素的含量与介质损耗因子之间成对数关系。将数据进行线性拟合，得到线性拟合方差为：tanδ=klnc+β式中，tanδ为介质损耗因子，c为变压器油中金属元素Cu的含量，k，β为相关系数（与油的组成，自身状态以及温度等有关）.

变压器油的介质损耗因子随着油中金属元素的升高不断增大，根据对数关系tanδ=klnc+β，老化初期介质损耗增大的速度是很小的，但是随着时间的推移这一过程会慢慢的加快，因为随着变压器油载热，酸，水等因素的作用下，逐步老化，反应所产生的酸性成分、氧化物会对铜产生腐蚀作用，从而使油中铜元素的含量增加，普遍认为，铜离子通过传递分解过氧化氢产生氧化自由基，从而促进油品的氧化，机理如下：

ROOH+M+→RO+M2++OH–

ROOH+M2+→ROO+M++H+

如此恶性循环，由于介质中不均匀性的存在，经引起偶极损耗的增加，绝缘介质在老化后，当酸值达到一定程度的时候，有的成分会发生某种变化，在交变电厂中周期性的极化存在，吸收了电场中的能量而转变为热能的形式，从而引起介质损耗在散热程度及热效应形式上的改变，导致变压器油中焦耳热效应加剧，使有的老化加速，引发有功攻速的增长变化，其介电性能会显著下降，介质损耗因子迅速升高，介质损耗因子大于0.04时，油质已经急剧变坏。

表8Cu含量与酸值随老化时间变化情况

以酸值为纵坐标，以Cu元素含量为横坐标作图，得到介质损耗因子随Cu含量变化而变化的曲线图见表9.

表9Cu含量与酸值关系曲线

从图中曲线的变化趋势可以看出，变压器油中金属元素的含量与介质损耗因子之间成对数关系。将数据进行线性拟合，得到线性拟合方程为：y=kx+b式中，y为酸值，x为变压器油中金属元素Cu的含量，k，b为相关系数（与油的组成，自身状态以及温度等有关）.随着变压器油的老化，油中的酸类逐渐增多，酸类腐蚀溶解变压器中的金属部件，同时进入到油中的金属元素Cu又会进一步催化变压器油的进一步加速老化从而产生更多的酸类物质。形式一个恶性循环。

4.结论

1.由于变压器油老化过程中产生水，酸类等物质，对接触的变压器内金属部件油腐蚀溶解作用，所以跟踪检查变压器油中的金属元素可以发现变压器油的优质变化。

2.变压器油的介质损耗因子与金属元素含量成对数关系：tanδ=klnc+β，当金属元素含量达到4.8mg/kg时，介质损耗因子快速升高到0.04以上。

3.变压器油的酸值与金属元素含量成线性关系，当金属元素达到4.8mg/kg时，酸值达到0.1以上。