变压器油介质损耗因数异常及处理方法

近几年来，大型电力变压器在安装和运行过程中，多次发现变压器油介质损耗因数tgδ的异常现象，它不仅影响施工进度，造成人力和物力的浪费，而且也影响变压器的安全运行。所以是当前变压器的一个突出问题。本节将分析产生异常现象的原因，并指出处理方法。
一、异常现象
大型电力变压器在安装和运行过程中，出现的异常现象主要有：
（1）变压器油介质损耗因数tgδ增大。例如，某台SFPZ7一120000/220型电力变压器，经现场验收合格后，于1993年9月28日投入运行。验收试验结果如表1－26所示。
表1－26 收验试验结果
绝缘电阻(Ω) 变压器油介质损耗因数
tgδ(90℃)
测量方式 1min 10min 极化指数
高压低压及地 5000 10000 2．0 0.38%
低压高压及地 5000 11000 2．2
　变压器投入运行后，满负荷运行，油色谱跟踪试验一切正常，其中1994年6月7日变压器油的tgδ值为0．98％，也满足运行要求。1991年11月21日停电预防性试验时，发现变压器绝缘电阻下降，变压器的tgδ值高达9．77％，其试验结果如表1-27所示。
表1－27 预防性试验结果
绝缘电阻(Ω) 变压器油介质损耗因数
tgδ(90℃)
测量方式 1min 10min 极化指数
高压低压及地 1240 1350 1．09 9．77%
低压高压及地 2779 3390 1．22
（2）变压器油介质损耗因数tgδ值分散性大。例如，某台250MVA、500kV的单相自耦变压器，多次测量其油的介质损耗因数tgδ，测量结果分散性较大，如表1-28所示。
表1－28 250MVA、500kV主变压器的油介质损耗因数tgδ测量结果
油样号 第一次测量 第二次测量
电容量
（pF） tgδ
（％） 加温时间
（min） 温度
（℃） 电容量
（pF） tgδ
（％） 加温时间
（min） 温度
（℃）
1 131．7 2，44 34 90 133．6 2．17 40 90
131．9 1．21 55 90 133．6 1．46 55 90
132．1 0．70 97 90 133．4 0．75 95 90
_ _ _ _ 133．6 0．51 135 90
2 132．6 1．98 28 90 133．6 1．63 35 90
133．6 1．19 40 90 _ _ _ _
3 133．7 1．97 27 90 133．5 1．89 34 90
4 133．7 1．98 26 70 133．5 2．81 14 90
133．7 2．21 45 80 133．4 2．30 24 　
132．4 1．74 60 90 133．4 1．89 29 90
再加，某500kV电力变压器，避光取抽样，测得油的tgδ值为4.85％，不避光取油样，测得油的tgδ值则为0．14％。
对同一油样，避光取出之后，及时测试时，tgδ值较高，存放一段时间或者加温、加压测过一次tgδ后，再进行测量时，其tgδ值明显减小。例如，某500kV电力变压器，进光取油样曾测得油的tgδ为1．63％，放置17h后再进行测量，测得油的tgδ值则为0．272％。若光和时间同时作用，油样的tgδ将大大降低，如表1－29所示。
表1－29光和时间同时作用对油tgδ值的影
见光放置无数 电a（％）（70℃）
油样A 抽样B 抽样C 油样D
1 4．7 1．4 0．574 0．59

6 0.24 0．25 0．35 0．32
1 4．91 1．95 0．93 0．86
8 0.89 0．10 0．11 0．07
1 6．04 1．4 0．59 0．575
6 _ _ 0．14 0．64
8 0．34 0．10 0．11 0．08
（3）变压器油介质损耗因数tgδ值超标、分层。例如，某合90MVA、220kV电力变压器，由于在安装过程中多次放油，使变压器绕组表面受潮，引起整体绝缘性能下降。因此对该变压器进行真空热油循环干燥处理。在处理过程中，当热油循环的油温上升到30℃以上时，变压器油的介质损耗因数tgδ明显上升，油温升到80～85 ℃时，油的tgδ达到规范规定值的10倍以上，而且油箱上部油的tgδ大（静放时为15．146％），油箱下部油的tgδ小（静放时为0．102％）。再如，某合90MVA、220kV电力变压器，在上部和下部分别取油样，测得的tgδ值上部为5．20%，下都为8.63％。

产生异常现象的原因
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：
（l）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交大，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，而其表面带有电行。带电的溶胶粒子在外电场作用下有作定向移动的现象，被称为电泳现象。液体介质的电泳的电导
用下式表未


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tgδ主要决定于油的电导，它可用下式表示


式中 r-体积电导系数；
ε-介电常数；
f一电场频率。
由此式可知，油的tgδ正比于电导系数r。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tgδ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tgδ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tgδ分散性以及油见光、加温、加电压和放置一定时间之后，tgδ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tgδ小，下层tgδ大的现象。但是，在热油循环干燥后，当没有达到沉降平衡时，也可能出现上层油村大而下层油tgδ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。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，试验发现冬季的办值较稳定。另外，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。
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tgδ增大。
3.油的粘度偏低使电泳电导增加，导致tgδ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，粘度、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，这是因为粘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。增加。由上所述，n增加、粘度η减小，均使电泳电导rc增加，从而导致总的电导系数r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tgδ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， 其带电频向很小，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1－59所示。虽然呈现很大的分散性，但基本规律是tgδ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tgδ升高的原因之一。

图1-59 油的tgδ与其带电倾向的关系
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
某SFSZL一31500／110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》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，补充油的介质损耗团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。

三、油介质损耗国数增大的处理方法
通过对油的介质损耗因数增大的原因分析并结合现场的处理经验，在不停电的情况下，可采用新材料、新工艺以真空滤油机中接吸附罐的方法进行带电处理，处理流程如图l-60所示。
　

图1-60 变压器油处理流程图
1-油门；2-放气阀；3-吸咐剂罐；4-真空滤油机；5-油泵；6-变压器本体；7-油流方向
在吸附剂罐中可加装沈阳北方干燥剂厂生产的二氧化二铝高效吸附剂，它对油中的酸性组分及其氧化产物有很强的吸附功能；滤油机滤纸可采用沈阳变压器厂制作的新型净化材料%26amp;#0;%26amp;#0;吸附滤板，它可以滤掉半径较大的杂质粒子和胶粒，它与吸附剂联合作用，使油的净化效果显著。上述SFPZ7一12000/220型电力变压器曾采用该系统处理变压器油。系统投入运行后。变压器油的介质损耗因数明显下降，以后每月更换一次吸附滤板，两个月更换一次吸附剂，经过3个多月带电循环运行、，将油的办由巴11％降低到几42％，满足运行要求。
对油进行处理时，需要注意的问题有：
（1）吸附剂的使用量可取为处理油量的1%。
（2）吸附剂处理要连续进行，并且最好24～48h换一次吸附剂。
（3）换吸附剂的同时取油样，测量tgδ火花放电电压值和含水量。若在合格范围内，吸附处理变压器油的工作即可结束。
（4）取出的油样一定要避光保存，最好用茶色瓶取样。对取出的油样要及时进行测试，对同一油样要进行重复测试时，必须重新更换油样，以反映真实情况。
（5）油处理系统的油路连接不能用橡胶管，因橡胶在高温作用下能分解出微粒胶体，影响油的tgδ，所以应采用尼龙管等。