学术简报｜噻吩对变压器油纸绝缘系统热老化特性研究
华北电力大学电气与电子工程学院的研究人员丛浩熹、舒想等，在2018年第21期《电工技术学报》上撰文，为研究噻吩对变压器油纸绝缘系统热老化的影响规律，将添加总硫的质量浓度相等的苯并噻吩（BT）与二苄基二硫（DBDS）的油样在140℃温度下进行加速热老化试验，定期取样测试相应老化特征参量。
研究结果表明：噻吩比较稳定，一般情况下不与铜片发生反应，对高温氧气环境也有一定的耐受能力，但长期处于高温高氧环境下可能转变成某种具有腐蚀性的硫化物；噻吩能够减小油中糠醛含量、油中水分及纸中水分的波动幅度、绝缘纸聚合度的下降速率，使油中酸值拐点延后，能在一定程度上延缓油纸绝缘系统的老化，是一种天然的抗氧化剂。
综合来看，噻吩对于延缓油纸绝缘系统的老化具有一定的积极作用，但仍需要控制变压器运行过程中油中氧气含量及变压器的运行温度，防止长期高温高氧环境的存在，从而预防硫腐蚀故障的发生。
油浸式电力变压器在电力行业应用广泛，其使用的绝缘油由天然石油提炼，再通过蒸馏、精制、调和等程序炼制而成。炼制所得的变压器绝缘油中除烷烃等碳氢化合物外，还含有一定的硫化物。腐蚀性硫是指一定条件下能够直接与银、铜、铁等金属发生反应生成金属硫化物的元素硫或热不稳定的硫化物。
油中腐蚀性硫与铜片反应可生成铜的硫化物而附着在绝缘纸表面，导致绝缘纸电气性能下降，危害绝缘安全。近十几年来，全球由于绝缘油中腐蚀性硫的存在而导致的变压器绝缘问题频发，引起了国内外学者的重视。
现有研究表明，变压器绝缘油中的硫元素主要以硫醇、硫醚、二硫化物、噻吩等形式存在，而目前国内外对腐蚀性硫的研究大多数集中在二苄基二硫醚（DBDS）上，且认为DBDS是变压器油中最主要的腐蚀性硫化物。除DBDS外，油中存在的其他硫化物，如硫醚、硫醇等已经被验证具有一定的腐蚀性，并且不同硫化物在一定条件下可能发生相互转变。
目前，关于腐蚀性硫与铜片反应的机理有以下两种说法：①由ABB公司提出的硫醇-Cu2S机理；②由日本三菱公司指出的二苄基二硫醚-Cu2S机理。其他硫化物与铜片的反应机理尚未明确。
围绕硫化物对变压器油纸绝缘系统热老化的影响，文献[15]指出腐蚀性硫DBDS和十二硫醇会导致绝缘纸降解速率、油中糠醛的质量浓度、油中水分及纸中酸值的波动幅度变大，促进油纸绝缘系统的老化。温度会加快硫腐蚀速率，现有研究表明温度每上升10℃硫腐蚀速率将增加1倍。
文献[18]通过试验研究了氧气和温度对油纸绝缘系统老化的影响，表明随温度和氧气浓度的升高，腐蚀性硫对油纸绝缘系统老化特征参量影响增大，对油纸绝缘系统老化的促进作用增强。由此可知，相对于变压器的一般运行环境，运行过程中可能出现的高温高氧环境对硫化物腐蚀性的考验更为严峻。
对福建泉州500 kV变压器高抗B相变压器运行油样（简称泉高抗）中硫成分检测结果显示，泉高亢中总硫的质量浓度为1 562 mg/L，而噻吩类化合物硫元素的质量浓度为1 380 mg/L，占总硫的质量浓度的88.3%，是该变压器绝缘油中含量最多的一类硫化物。
对噻吩类硫化物的进一步检测结果表明，变压器油中的噻吩类硫化物主要以苯并噻吩（BT）和二苯并噻吩（DBT）的形式存在。噻吩分子结构为环状，性质相对稳定，常温下不与金属发生反应，被认为是油中天然的抗氧化剂而保留在绝缘油中，但其在相对恶劣的高温高氧运行环境下是否会转化成具有腐蚀性的硫化物继而与铜片发生反应还不得而知，并且大量噻吩残留在绝缘油中，其对油纸绝缘系统热老化的影响规律也未见报道。
本文选取了具有代表性的苯并噻吩、二苄基二硫，参考IEEE中相关老化试验标准，在140℃的环境下对添加不同硫化物的试样进行加速老化试验，通过对比分析铜片表面颜色、绝缘油和绝缘纸老化特征参量等，获得了噻吩在高温高氧环境下对铜的腐蚀性及对变压器油纸绝缘热老化特性的影响规律，对于探究变压器油中噻吩的腐蚀性及预防硫腐蚀故障的发生具有一定的参考价值。
图1 ASTM铜片腐蚀标准比色卡
本文选取了总硫浓度相同的苯并噻吩和二苄基二硫，在140℃环境下进行加速老化试验，通过对比分析铜片表面颜色、绝缘纸聚合度、绝缘油中糠醛含量、水分、酸值等老化特征参量，获得了噻吩对变压器油纸绝缘热老化特性的影响规律，主要结论如下：
1）噻吩性质比较稳定，一般情况下不与铜片发生反应，对高温高氧环境也有一定的耐受能力，但长期处于高温环境可能因能量累积而开环生成具有腐蚀性的硫醚或硫醇，进而腐蚀铜片。而氧气的存在会加剧硫腐蚀反应造成的影响，促进油纸绝缘系统的老化。
2）噻吩可使老化后期纤维素降解速率减慢，抑制了糠醛的累积和油中的水分波动幅度，对于延缓油纸绝缘系统的老化具有一定的积极作用。但长期处于高温环境下噻吩在老化后期可能转化成另一种具有腐蚀性的硫化物，且该硫化物的存在会导致油中酸值急剧增长。综合来看，噻吩能使油中糠醛含量、油中水分的波动幅度、绝缘纸聚合度的下降速率减小，使油中酸值快速增长的拐点延后。
3）实际变压器运行过程中应该控制油中氧气含量及运行温度，防止长期高温高氧环境的存在，预防硫腐蚀故障的发生。