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變壓器油中氣體的產(chǎn)生機(jī)理

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油和紙是充油電氣設(shè)備的主要絕緣材料,油中氣體的產(chǎn)生機(jī)理與材料的性能和各種因素有關(guān)。
    一、變壓器油劣化及產(chǎn)氣
    變壓器油是由天然石油經(jīng)過(guò)蒸餾、精煉而獲得的一種礦物油。它是由各種碳?xì)浠衔锼M成的混合物,其中,碳、氫兩元素占其全部重量95%~99%,其他為硫、氮、氧及極少量金屬元素等。石油基碳?xì)浠衔镉协h(huán)烷烴(CnH2n)、烷烴(CnH2n+2)、芳香烴(CnH2n-m)以及其他一些成分。表1-1列出了部分國(guó)產(chǎn)變壓器油的成分分析結(jié)果。

表1-1 部分國(guó)產(chǎn)變壓器油的成分分析依據(jù)
油類及廠家
芳烴/(CA%)
烷烴/(CP%)
環(huán)烷烴/(CN%)
新疆獨(dú)煉,#45
3.30
49.70
47.00
新疆獨(dú)煉,#25
4.56
45.83
50.06
蘭煉,#45
4.46
45.83
49.71
蘭煉,#25
6.10
57.80
36.10
東北七廠,#25
8.28
60.46
31.26
天津大港,#25
11.80
24.50
63.70

 環(huán)烷烴具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和介電穩(wěn)定性,黏度隨溫度的變化小。芳香烴化學(xué)穩(wěn)定性和介電穩(wěn)定性也較好,在電場(chǎng)作用下不析出氣體,而且能吸收氣體。變壓器油中芳香烴含量高,則油的吸氣性強(qiáng),反之則吸氣性差。但芳香烴在電弧作用下生成碳粒較多,又會(huì)降低油的電氣性能;芳香烴易燃,且隨其含量增加,油的比重和黏度增大,凝固點(diǎn)升高。環(huán)烷烴中的石蠟烴具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和易使油凝固,在電場(chǎng)作用下易發(fā)生電離而析出氣體,并形成樹(shù)枝狀的X臘,影響油的導(dǎo)熱性。
    變壓器油在運(yùn)行中因受溫度、電場(chǎng)、氧氣及水分和銅、鐵等材料的催化作用,發(fā)生氧化、裂解與碳化等反應(yīng),生成某些氧化產(chǎn)物及其縮合物(油泥),產(chǎn)生氫及低分子烴類氣體和固體X臘等。
    總之,在熱、電、氧的作用下,變壓器油的劣化過(guò)程以游離基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行,反應(yīng)速率隨著溫度的上升而增加。氧和水分的存在及其含量高低對(duì)反應(yīng)影響很大,銅和鐵等金屬也起觸媒作用使反應(yīng)加速,老化后所生成的酸和H2O及油泥等危及油的絕緣特性。經(jīng)過(guò)精煉的變壓器油中不含低分子烴類氣體,但變壓器油在運(yùn)行中受到高溫作用將分解產(chǎn)生二氧化碳、低分子烴類氣體和氫氣等。
    綜上所述,變壓器油是由許多不同分子量的碳?xì)浠衔锓肿咏M成的混合物,分子中含有CH3*,CH2*和CH*化學(xué)基團(tuán),并由C─C鍵鍵合在一起。由于電或熱故障的原因,可以使某些C─H鍵和C─C鍵斷裂,伴隨生成少量活潑的氫原子和不穩(wěn)定的碳?xì)浠衔锏淖杂苫?,這些氫原子或自由基通過(guò)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)迅速重新化合,形成氫氣和低分子烴類氣體,如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等,也可能生成碳的固體顆粒及碳?xì)渚酆衔?X臘)。在故障初期,所形成的氣體溶解于油中;當(dāng)故障能量較大時(shí),也可能聚集成游離氣體。油碳化生成碳粒的溫度在500-800℃,碳的固體顆粒及碳?xì)渚酆衔锟沙练e在設(shè)備的內(nèi)部。低能量放電性故障,如局部放電通過(guò)離子反應(yīng)促使最弱的鍵C─H鍵(338kJ/mol)的形成重新化合成烴類氣體,依次需要越來(lái)越高的溫度和越來(lái)越多的能量。
    乙烯雖然在較低的溫度時(shí)也有少量生成,但主要是在高于甲烷和乙烷的溫度即大約為500℃下生成。乙炔一般在800-1200℃的溫度下生成,而且當(dāng)溫度降低時(shí),反應(yīng)迅速被抑制,作為重新化合物的穩(wěn)定產(chǎn)物而積累。因此,雖然在較低的溫度下(低于800℃)也會(huì)有少量乙炔生成,但大量乙炔是在電弧的弧道中產(chǎn)生。此外,油在起氧化反應(yīng)時(shí),伴隨生成少量CO和CO2,并且CO和CO2能長(zhǎng)期積累,成為數(shù)量顯著的特征氣體。
    二、固體絕緣材料的分解及氣體
    油紙絕緣包括絕緣紙、絕緣紙板等,它們的主要成分是纖維素。纖維素?zé)岱纸獾臍怏w組分主要是CO和CO2。聚合物裂解的有效溫度高于105℃,完全裂解和碳化高于300℃,在生成水的同時(shí),生成大量的CO和CO2及少量烴類氣體和呋喃化合物,同時(shí)油被氧化。CO和CO2的生成不僅隨溫度升高而加快,而且隨油中氧的含量和紙的濕度增大而增加。


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