牛皮纸和纸板是油浸式变压器中主要的固体绝缘材料,纸类的主要成分是纤维素｡因为变压器油相较容易使其再生与更换,而绝缘纸较不易更换且纤维素老化不能恢复,故油浸式变压器的寿命通常是指固体绝缘的寿命,即绝缘纸的寿命｡判断变压器寿命的方法可以通过气相色谱法检测固体绝缘老化的分解产物,CO和CO2的含量,也可以检测固体绝缘的纤维素聚合度与抗张强度,但两个方法前者准确性比较低,后者取样略困难,所以目前通常使用一种更加方便快捷且取样简单的方法———液相色谱法｡
在20世纪的80年代,英国研究人员在论文中就提出了糠醛这种物质是变压器内部固体绝缘材料劣化老化的特征产物,并在当时公布了检测变压器固体绝缘材料老化程度的新方法｡糠醛在绝缘油中有着较好的累积作用不易损失,变压器油的取样也较为简单,仅从变压器油箱底部取样口取样即可,不需要将设备停止运行,十分方便｡
1.检测原理
糠醛,系统名称为α-呋喃甲醛,是在呋喃2位上氢原子被醛基取代的衍生物,故又名2-呋喃甲醛｡外观上为无色､透明､油状的液体,拥有类似苯甲醛的特殊苦杏仁味,若暴露在光照下或空气当中颜色会快速变成红棕色｡其分子式为C5H4O2,分子量96.08,由于具有醛基､二烯基醚官能团,故糠醛具有醛､醚､二烯烃等化合物的特性,易容于醚类､醇类等物质｡糠醛在变压器油中的溶解能力较好,沸点也比较高,故在常温的环境下不容易挥发,利用这些特点使得变压器油易于取样､保存､检测｡糠醛在变压器油中具有良好的选择性,可以用甲醇把糠醛从变压器油中萃取出来,利用反向色谱C18色谱柱,使其作为非极性的固定相,用甲醇水溶液作为极性的流动相,采用梯度冲洗的方法,提高变压器油中糠醛的分离时间与分离效果｡
2.试验设备
2.1 液相色谱仪
生产厂家:日本岛津设备型号:LC-2030
色谱柱:4.6×150mm,5μmC18
检测器:紫外检测器工作站:LCsolution
液相色谱仪工作参数:流量1mL/min,流动相比例甲醇∶水=1∶1,检测器波长277nm,柱温40℃｡
2.2.振荡仪
振荡频率:275±5次/min
振幅:35±3mm
3.糠醛含量检测
3.1 液相色谱法检测变压器油中糠醛含量流程
3.1.1流动相的准备｡利用0.45μm的有机系滤膜抽滤足量的色谱级甲醇,并制备足量的蒸馏水也用0.45μm的水系滤膜进行抽滤,这样的做法可以去除流动相中颗粒杂质,以避免仪器堵塞,将两种液体分别置于仪器的两个流动相瓶中,用超声波振荡仪振荡15min,充分排除液体中的溶解气体后,将两个流动相瓶分别与液相色谱仪A泵与B泵连接｡3.1.2变压器油中糠醛萃取｡利用100mL玻璃注射器取变压器油40.0mL,用5mL注射器取5.0mL甲醇注入其中,调节玻璃注射器至55.0mL并堵好注射器针头部,放入振荡仪中振荡5min,振荡结束后静置10min｡静置混合液分层后,用注射器抽取上层清液约1.5mL,将注射器针头取下,换上0.45μm针头式有机系滤膜,将清液过滤在液相色谱仪专用顶空瓶内,置入液相色谱仪样品架中｡
3.1.3糠醛含量检测｡上述步骤完成后,需先对液相色谱仪进行排气,打开排空阀,点击工作站中的排气按钮,排气完毕后关闭排空阀｡之后便可激活仪器,使仪器进行预热､柱温箱升温,液相色谱仪按照设定参数开始运行,待仪器达到工作设定参数后,工作站操作界面就绪,此时即可开始试验｡在批处理程序中设定好样品参数､方法､进样量等信息,点击开始进行检测｡液相色谱仪设定的冲洗方法采用梯度冲洗,先用1∶1的甲醇水溶液冲洗4min,然后用纯甲醇继续冲洗14min,最后再用1∶1的甲醇水溶液冲洗4min,仪器即可进样检测｡根据做标准曲线时标准溶液中糠醛的保留时间约为2.5min,故将检测时间设定为7min｡检测完成后,利用工作站的数据处理软件对检测的数据进行处理分析,根据每个样品的峰高可以计算出油中的糠醛浓度(mg/L)｡每个样品需进行重复性试验,当糠醛含量<1.0mg/L时,两次测量数值之差应小于等于平均值的10%;当糠醛含量≥1.0mg/L时,两次测量数值之差应小于等于平均值的5%｡
3.2 变压器绝缘油中糠醛含量与变压器投运年限的关系
在电力标准DL/T596-1996《电力设备预防性试验规程》当中,对变压器绝缘油中的糠醛含量提出了相应要求｡当变压器油中糠醛含量超过表1的值时,通常认定为非正常老化,需要对问题变压器进行跟踪检测,也提出在跟踪检测时应注意糠醛含量的增长率｡当变压器油中的糠醛含量超过4mg/L时,通常认定变压器内部绝缘老化已经相当严重｡该电力标准建议变压器在如下情况需要进行糠醛含量检测:
①当变压器油中的气体总烃超标或CO和CO2含量较高时;
②500kV的变压器或电抗器以及150MVA以上的升压变压器在设备投运3~5年后｡
3.3 检测数据与分析
自2019年11月起,利用液相色谱法先后对内蒙古电网各供电局､火电厂､新能源场站的约350台次变压器绝缘油的糠醛含量进行了检测,检测的结果和情况如下:
①经检测,所有变压器油样品的糠醛含量均在0.1mg/L以下,其中检测的最小值为0.0001mg/L,更大值为0.088mg/L｡这些变压器的投运时间为1~5年的占总数的16%,6~10年的占28%,11~15年的占45%,16~20年的占11%｡糠醛含量检测值超过0.05mg/L的变压器占全部的5%,变压器投运时间均已超过10年｡所有变压器设备的油中糠醛含量均未出现异常值,就检测结果来看变压器内部的固体绝缘老化均处于正常老化范围｡变压器的电压等级包括10kV､110kV､220kV､500kV等,在此不予统计,仅对变压器油中糠醛含量与设备投运年限的关系做比对｡
②从经过检测糠醛含量的变压器角度来讲,投运超过10年的变压器占到了近六成,基本可以看出内蒙古电网地区的变压器投运时间超过10年的已超半数,而糠醛含量检测的数据却较为良好,这是因为在补油､滤油､再生等过程中油中糠醛含量会减少,因此实际变压器油中的糠醛含量应大于检测值,那么,变压器内部的固体绝缘老化情况应比实际检测值推算的情况要严重一些｡
③有单位发现变压器CO和CO2含量超标严重,故将此变压器的油样送检进行糠醛含量检测,但经检测发现该样品的糠醛含量并不高,此原因很可能也是由于变压器油在经过补油､滤油､再生等处理后,会损失油中一部分的糠醛,导致糠醛含量的检测值小于实际值｡在今后的研究中也应考虑到糠醛产生的速率及消耗情况,使得糠醛含量检测可以更好地为变压器内部固体绝缘老化情况提供有力依据｡
④在试验过程中,有极少情况下会出现变压器油与甲醇在规定时间内无法完全分离的情况,遇到该情况时可以利用离心机进行分离｡出现此类的原因有可能是变压器油老化劣化所致,或者变压器油中某类添加剂与甲醇有较强的亲和性所致,导致变压器油与甲醇不易分离｡出现此类情况可以对变压器油进行进一步的检测,通过检测数据再进行分析｡
4.结束语
通过分析检测数据基本可以看出,投运时间长的变压器,其油中糠醛含量并不一定高,但糠醛含量高的变压器往往投运时间比较长,CO和CO2的含量也并不一定能够反映出变压器油中糠醛含量以及变压器内部固体绝缘老化的状态｡对于变压器来说,单单检测糠醛含量来判断变压器固体绝缘老化并不是十分的准确,要与其他绝缘材料检测方法相结合,才能更好反映变压器内部固体绝缘的状态｡但就液相色谱法测定糠醛含量而言,它是判断固体绝缘老化的一种有效方法,其操作简单､分析迅速､用样量少､准确性好,使得该方法在电力化学领域和技术监督及服务中发挥了举足轻重的作用｡一直以来,科研人员对糠醛的检测方法也从未停下改进和研究的脚步,对检测变压器油糠醛含量得来的数据进行积累和分析,从数据来剖析变压器内部固体绝缘老化的情况已经成为电力行业变压器化学监督的重要方法,利用变压器油中糠醛含量检测与其他试验方法相结合,如油中溶解气体色谱分析,运用综合手段分析评估变压器的内部状况,必定是电力化学行业发展的一大趋势
