引言：电力行业与氧气O2之间，有哪些实际联系？#知识创作官#

近期，电力能源君一直在思考一个问题，工程实践中的实际应用中，氧气O2与电力行业之间，到底存在着哪些主要关联？

今天，我们就一起作一次梳理汇总和简要分析，看看电力行业与氧气O2之间，到底发生着哪些主要联系与故事。

一、氧气O2与发电

相信大家对火力发电（含常规煤电、新型天然气发电）、水力发电（含普通水力发电、抽水蓄能发电）、核能发电（主要是核裂变发电）三大常规发电方式是非常非常熟悉，对太阳能发电（含常规光伏发电、少量光热发电）、风力发电（含常规陆上风电、海上风电）、海洋能发电（主要是潮汐发电、波浪能发电）、生物质能发电（如城市垃圾焚烧发电、沼气发电及秸秆燃烧发电等主要形式）等一些可再生及新能源发电方式也早已不再陌生。但是，如果说氧气O2也能发电，你是否也知道能？是否感觉有些奇怪？

研究资料表明，化学家们最初用氧气O2进行常温发电的装置和方法很简单，就是取两条金属铂片，在铂片的表面涂一层铂黑，然后分别套上一根玻管，再把两根玻管作为电极一起插入盛有30%氢氧化钾溶液的烧杯里，使两条铂片的下端都浸在溶液中。然后从一个电极的上端注入氧气，另一电极则注入氢气。这时用电流表接触铂片上引出的两根导线，即能检测出电流。注有氢气的一极为负极，其中氢气通过铂电极放出电子并和溶液中的氢氧根离子结合而生成水。放出的电子通过导线流到正极，正极的氧气从铂片上获得电子，并和水作用而生成氢氧根离子。两个电极的反应加在一起，就是氢气和氧气合二而一变成了水。随着反应的进行，电子通过导线不断地从负极流向正极，从而把化学能转变为电能。由于这种发电方法和蓄电池及干电池有些相似，所用的原料又为氧气、氢气等燃料，所以这种类型的发电装置，人们又称之为燃料电池。

早在年，阿波罗登月计划航天器上就采用了一种碱性的燃料电池；到了年，利用氧气O2和氢气H2做原料的燃料电池，就已经用于美国佛罗里达州的航天飞机哥伦比亚号上了，并在潜水艇上有所应用。与其把它们叫做电池，不如说它是小型发电站来得更为恰当些。

其实，除了氧气O2和氢气H2能组成燃料电池发电外，还有一些其他气体（甲烷、乙烷、两烷等）、液体（甲醇、乙醇等）也同样可以通过类似的电极反应而产生电流发电。因此可以讲，氧气发电所代表的，是一类以燃料电池装置为核心的化学发电方式，它们不同于以往的大体量传统能源发电和主流可再生能源发电形式，这类化学发电形式适应多种燃料、发电效率高、环境友好，因此是一个重要的热点领域，尤其是在新能源汽车、航空航天、商业工业及住宅储能及备用电源上的应用前景广泛。

二、氧气O2与输电

输电领域主要的输电线路形式有两类，最主要的就是架空输电线路，其次是电缆线路。对于架空输电线路而言，其主要绝缘为空气绝缘，因为可以想象，其与空气及空气的氧气，自然也有着必然的故事与关联。比如，架空输电线路的接地氧化锈蚀问题，就是一个有趣的实际案例。

架空线路接地线入土时，在地面表层与接地线接触处最易锈蚀，这是因为地面表层处的接地线易受潮且暴露在外，与空气中的氧气接触，接地线铁部件在富氧和潮湿的条件下，极易锈蚀。而超出地面部分的接地线虽然也与空气中的氧气接触，但其受潮情况明显优于地面表层处，所以这部分接地线不易锈蚀。

另一方面，入土后的接地线部分，土里的潮湿情况虽然严重，但该部位处于缺氧状态，所以这部分接地线也不易锈蚀。在年湖北工程学院学报发表的一篇三峡大学进行的研究《输电铁塔基础土层氧气浓度检测与分析》中，同样证明了这一现象，并用函数模型进行计算，得到不同深度土中的氧气含量具体数值。研究指出，随着土层深度的增加，土体孔隙比逐渐减小，土层结构由疏松变得逐渐密实，土中气体的渗透率逐渐减小。计算数据显示，在土层深度为0~0.2ｍ时，土中氧气含量减小速率最快；当输电铁塔基础土层深度大于0.3m时，土中氧气含量趋于０，并随着土层深度的增加氧气浓度值稳定在０附近，故输电铁塔基础钢筋不会发生锈蚀破坏。

所以，需要解决的主要问题就是，地面表层与接地线接触部位接地线，如何既与潮湿的土壤隔绝，又与空气中的氧气隔绝，这样便有效地解决了该部位接地线的锈蚀问题，实质上也就是解决了接地线的锈蚀问题。

三、氧气O2与变电

毫无疑问，变电领域中，最主要的一次设备是电力变压器。作为众多高压高压电力设备的代表，电力变压器与氧气O2之间，存在什么联系呢？

从行业应用情况来看，变压器的绝缘方面，与氧气O2之间存在着非常强的关联，尤其是在固体绝缘和液体绝缘材料方面。

首先，固体绝缘材料的劣解与氧气存在着互动关联。在油浸式变压器中，氧气主要来源于变压器油里的空气溶解残存，即使在全密封的变压器内部仍有容积约为0.25%左右的氧存在，氧的溶解度较高；同时，油浸式变压器设备中的绝缘材料之一纸纤维素在热的作用下而发生的劣解反应过程中也有氧的析出，而水分和氧气的存在亦将加速绝缘纸纤维素、半纤维素和木质等的分解，并同时会产生某些气体成分。油浸式电力变压器DGA诊断分析技术中，常常将气体产物与故障类型等建立一些联系，这个劣化与分析试验过程通常，也离不开温度、水分和氧气O2的身影。

其次，对于变压器的绝缘油而言，氧气的影响非常明显。氧气的生成、自氧化反应以及过氧化物的系列反应，会使绝缘油产生醛、酮和有机酸等，使其酸值和粘度增加，最终影响其绝缘性能。因此，可以认为，油中氧含量的存在是使变压器油变劣的化学反应的根源，氧气最终使得变压器绝缘性能受到很大的影响，是一项不利因素。

此外，对干式变压器而言，环氧工艺的绝缘材料几乎是标配，比如环氧树脂。环氧，是指在有机物里碳链中间加入氧原子，比如最常见的环氧乙烷（CH2-O-CH2）两个碳链在一起组成一个三角形；而环氧树脂，是一种分子式为(C11H12O3)n的高分子聚合物，是分子中含有两个以上环氧基团的一类聚合物的总称。由于环氧基的化学活性，可用多种含有活泼氢的化合物使其开环，固化交联生成网状结构，因此它是一种热固性树脂。环氧树脂电力绝缘材料中的应用广泛，具有耐酸碱化学品性优良、内聚力大、粘着力强和漆膜附着性能佳（特别是对金属）、高强度、耐热性和电绝缘性好等特点，目前绝大多数干式变压器均采用了环氧树脂绝缘材料，其他电气设备如发电机、电动机、绝缘子、套管、接头盒、极柱等场景也均有普遍的实际应用。

四、氧气O2与配电

在各类配电站内，有一种气体绝缘组合开关设备称为GIS。通常，发电厂的升压开关站、电网公司各级大中型输变配电站，以及用户侧众多小型变配电所室内，也都有GIS组合开关设备。

由于GIS设备的绝缘气体主要为SF6气体，无色、无味、无臭、无毒、不燃、稳定、无腐蚀，但可以窒息和破坏大气臭氧层，因此，SF6气体的密封性监测是一件不容小觑的大事。除了提醒进入前的通风操作外，氧气值监测或巡检，也是重要安规手段。

通常，针对GIS开关室环境，可采用许多先进的传感器和控制技术，如氧气传感器和衍生气体传感器等，在各个区域实现独立监控或者移动巡检测试，当气体环境中氧气浓度低于一定的数值（如18%）时，系统或仪器就会发出报警，并自动启动排风机或提醒人员立即撤离。

在GIS设备的SF6气体状态监测中，除了常规的密度微水监测、压力值等必备监测之外，就要数这类气体泄漏监测或O2值测试最为重要了。作为常规安全措施，O2值得监测或巡检测试，在类似的场合也是非常广泛，如火电厂高炉、电弧炉和除氧器处、电缆管井和电缆隧道等密闭场所、充气站和氧气瓶存储室等等，都离不开氧气O2的测量。

五、氧气O2与用电

用电过程中，与氧气发生的故事，也并不少见，有些问题还非常值得我们注意。举例如下，比如：

（1）氧气瓶/罐为什么不能与用电设施（或电源）放到一起？——因为氧气遇到明火会燃烧，如果氧气瓶与用电设备放在一起，用电设备或电源接口万一发生打火，或氧气泄漏，就可能会发生火灾，所以，两者不能放在一起。

（2）电焊中会使用到氧气吗？——焊接中常使用的气体包括氧气、乙炔、二氧化碳、氩气、丙烷以及混合气体。采用氧气进行焊接的是气焊的一种，也可以与乙炔（可燃气体）或者CO2（保护气体）混合配比后使用，而还有很多焊接用的是其他保护气，一些非保护气焊接是不用保护气的，比如焊条电弧焊，埋弧焊就不用保护气，这时也不会用到氧气。气焊中气体的使用与否、选用什么种类和比例的气体，主要与焊接工艺有关。其中，氧气-乙炔焊接应该算是比较古老的工艺了，也可以用于切割厚金属板（我们常说的气割），氧气O2主要的作用是作为助燃气体出现。

（3）开关柜中含氧产物监测有必要吗？——通常，电气设备绝缘介质中电场分布、绝缘的电气物理性能等决定了发生局部放电的条件，一般情况下高电场强度、低电气强度的条件下容易出现局部放电。配电开关柜内也存在局部放电的问题，当开关设备有放电现象时，它会消耗机柜中两个氧原子的氧气，并将其转换成三个氧原子的臭氧。因此，它可以通过氧气或臭氧传感器检测开关设备内氧成分浓度的变化来间接监控开关设备是否在内部存在放电现象，从而实现对电力柜中的绝缘状态的评估，并及时识别潜在的安全隐患。

年，曾有国内某省市电力公司曾经对臭氧监测传感器监测方法的研究，希望将其集成到配电柜绝缘监测大系统之中；年，也曾有ISweek工采网技术工程师推荐，可以使用日本FIGARO长寿命电化学氧气传感器（O2传感器）进行开关柜内测氧气的监测应用。

尽管如此，由于业内已经有RF/TEV/AA/UHF等多类局放检测技术的应用，再增加上述这种基于氧气或氧化产物在线监测的局放判断间接性方法，似乎完全没有必要和应用前景，且这类监测传感器还会面临安装问题、使用寿命、密封性等问题。因此，电力能源君认为这种开关柜内氧监测是没有必要的，或者说这种技术方法是不具有技术经济性的。

六、总结

氧气O2与电力行业的主要关联汇总：从发电、输变电，到变配电、用电的整条电力行业路线内，作为典型举例，上面我们梳理了氧气O2与电力行业之间的一些实实在在的应用场景，但应该坦言，二者之间从宏观到微观，还有更多更细微的其他方面的联系，必定也还有更多可圈可点的趣事可谈，可参照下图，本文就不再一一分析。欢迎感兴趣的读者们评论和补充，多多益善，谢谢各位！

本文作者在本次数据整理和分析过程中，引用了网络部分基础性素材，如有不当之处，敬请指出。

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