電熱混合場(chǎng)下變壓器油產(chǎn)氣特性研究

王會(huì)娟，于會(huì)民，馬書(shū)杰，張 綺

(中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心，中國(guó)石油潤(rùn)滑油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 克拉瑪依 834003)

電熱混合場(chǎng)下變壓器油產(chǎn)氣特性研究

王會(huì)娟，于會(huì)民，馬書(shū)杰，張 綺

(中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心，中國(guó)石油潤(rùn)滑油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 克拉瑪依 834003)

實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)研發(fā)了電熱混合場(chǎng)下變壓器油產(chǎn)氣特性裝置，首次建立了電熱混合場(chǎng)下測(cè)定變壓器油產(chǎn)氣特性的方法，并考察了溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度、基礎(chǔ)油種類(lèi)以及抗氧劑對(duì)變壓器油產(chǎn)氣特性的影響。研究結(jié)果表明：電場(chǎng)和溫度場(chǎng)同時(shí)存在時(shí)，溫度場(chǎng)對(duì)變壓器油基礎(chǔ)油產(chǎn)氣特性的影響大于電場(chǎng)；變壓器油中溶解氣含量隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加呈略增加趨勢(shì)，隨芳烴含量的增加而增加；不含芳烴的環(huán)烷基油與石蠟基油基礎(chǔ)油產(chǎn)氣特性相當(dāng)；抗氧劑可使變壓器油產(chǎn)氣量大幅降低。

變壓器油 芳烴 電熱混合場(chǎng) 產(chǎn)氣特性

變壓器油中的溶解氣是指油中溶解的氣體，包括氧氣、氮?dú)狻錃狻⒓淄?、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳和二氧化碳等。在電氣設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)下，油中溶解的氣體主要來(lái)源于變壓器油本身和固體絕緣材料逐漸老化、變質(zhì)過(guò)程中分解出的極少量氣體；當(dāng)電氣設(shè)備內(nèi)部發(fā)生過(guò)熱性故障、放電性故障或受潮時(shí)，這些氣體的量會(huì)迅速增加。這些氣體大部分溶解在絕緣油中，少部分上升到絕緣油表面。經(jīng)驗(yàn)證明，油中氣體各種成分含量的多少與故障的性質(zhì)及程度直接相關(guān)，檢測(cè)電氣設(shè)備中變壓器油的溶解氣變化從而判斷電氣設(shè)備故障(通常指低熱、高溫過(guò)熱、局部放電、電弧放電等)，已成為電力行業(yè)的普遍做法[1-4]。因此，定期測(cè)量溶解于油中的氣體成分和含量，對(duì)于及早發(fā)現(xiàn)充油電力設(shè)備內(nèi)部存在的潛伏性故障有重要的意義。為避免引起電氣設(shè)備故障誤判，電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 722—2014對(duì)新設(shè)備投運(yùn)前的檢測(cè)周期、新投運(yùn)時(shí)的檢測(cè)周期、運(yùn)行中的檢測(cè)周期以及特殊情況下的檢測(cè)提出了明確要求，同時(shí)對(duì)投運(yùn)前設(shè)備和運(yùn)行設(shè)備中的溶解氣含量提出了具體指標(biāo)要求。如330 kV及以上新設(shè)備投運(yùn)前要求含氣量不大于1%，氫氣體積分?jǐn)?shù)不大于10 μLL，總烴體積分?jǐn)?shù)不大于10 μLL，乙炔體積分?jǐn)?shù)不大于0.1 μLL。電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)變壓器油中溶解氣注意值為氫氣體積分?jǐn)?shù)不大于150 μLL，總烴體積分?jǐn)?shù)不大于150 μLL，乙炔體積分?jǐn)?shù)不大于1 μLL。

運(yùn)行中變壓器油的溶解氣體組分與電氣設(shè)備的絕緣故障有密切的關(guān)系，然而變壓器油在過(guò)熱或油品含有某些污染物時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生大量氣體，一些新油在沒(méi)有電氣設(shè)備絕緣材料或電場(chǎng)下，同樣能產(chǎn)生大量的氣體尤其是氫氣[5]，因此錯(cuò)誤地顯示出電力設(shè)備的不正常操作，這種現(xiàn)象使得用溶解氣體分析來(lái)判斷電力設(shè)備運(yùn)行狀況顯得更為復(fù)雜，影響電氣設(shè)備故障判斷的準(zhǔn)確性。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于變壓器油產(chǎn)氣特性的研究以采用ASTM D7150《熱應(yīng)力下測(cè)定絕緣液體產(chǎn)氣特性的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》為主[6]。該方法只在溫度場(chǎng)下對(duì)絕緣油產(chǎn)氣特性進(jìn)行考察，不能真正模擬變壓器運(yùn)行工況。為此，實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)研發(fā)了電熱混合場(chǎng)下變壓器油產(chǎn)氣特性裝置，建立變壓器油在電場(chǎng)和溫度場(chǎng)同時(shí)存在下的產(chǎn)氣特性測(cè)定法，測(cè)定不同變壓器油產(chǎn)氣特性，為電氣設(shè)備部門(mén)提供更為真實(shí)可靠的參考數(shù)據(jù)。同時(shí)，該方法建立后，對(duì)合理解釋電氣設(shè)備在非故障狀態(tài)下變壓器油中溶解氣體組分含量超標(biāo)問(wèn)題和進(jìn)一步優(yōu)化變壓器油基礎(chǔ)油組成及添加劑配方都具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。本研究采用自主設(shè)計(jì)的變壓器油產(chǎn)氣特性裝置，在非故障狀態(tài)下考察溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度、基礎(chǔ)油種類(lèi)以及抗氧劑等對(duì)變壓器油產(chǎn)氣特性的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

選擇國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上常見(jiàn)的，涉及不同生產(chǎn)廠家、不同基屬的變壓器油基礎(chǔ)油和成品油，其主要性質(zhì)見(jiàn)表1。主要添加劑T501的性質(zhì)見(jiàn)表2。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)主要儀器及設(shè)備見(jiàn)表3。

自主設(shè)計(jì)的變壓器油在電熱混合場(chǎng)下產(chǎn)氣特性試驗(yàn)裝置(專(zhuān)利號(hào)ZL201220073833.7)如圖1所示，其中電極杯設(shè)計(jì)電壓為0～100 kV，使用場(chǎng)強(qiáng)為0～10 kV/mm，溫度控制范圍為-50～150 ℃。

表1 主要原材料性質(zhì)

表2 主要添加劑T501的性質(zhì)

表3 主要儀器及設(shè)備

圖1 變壓器油在電場(chǎng)下產(chǎn)氣特性試驗(yàn)裝置1—高壓電源連接端； 2—高壓電極固定旋筒； 3—F1球閥；4—密封墊片； 5—容器外筒； 6—高壓電極棒； 7—低壓電極筒；8—低壓電極筒接地端； 9—O型密封圈；10—固定底座； 11—F2球閥

該裝置較好地解決了高壓爬電對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的問(wèn)題。

1.3 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)室自建不同電場(chǎng)和溫度場(chǎng)下變壓器油產(chǎn)氣特性試驗(yàn)方法：將新的未使用過(guò)的變壓器油經(jīng)過(guò)真空脫氣脫水后，在真空狀態(tài)下將約120 mL油樣注滿(mǎn)電極杯，隨后將電極杯置于80 ℃或120 ℃烘箱中，施加不同交流電場(chǎng)(0～4 kV/mm)，16 h后試驗(yàn)結(jié)束，趁熱立即將電極杯中的油樣轉(zhuǎn)移至兩支注射器中，以防止冷卻后電極杯產(chǎn)生負(fù)壓進(jìn)氣，從而影響檢測(cè)結(jié)果。

其它試驗(yàn)方法：氣相色譜法(GB/T 17623)測(cè)定絕緣油中溶解氣體組分含量；低熱下測(cè)定絕緣液體產(chǎn)氣特性的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法(ASTM D7150)；石油基絕緣油碳型組成計(jì)算法(SH/T 0725)；未使用過(guò)的烴類(lèi)絕緣油氧化安定性測(cè)定方法(NB/SH/T0811)；PDSC法測(cè)定礦物絕緣油的氧化安定性(IEC TR62036)；旋轉(zhuǎn)氧彈法測(cè)定潤(rùn)滑油的氧化安定性(SH/T 0193)。

2 結(jié)果與討論

變壓器油產(chǎn)氣特性前期研究結(jié)果[7-10]表明，低熱下油中溶解氣超標(biāo)的主要原因是油品老化引起的。變壓器油的老化過(guò)程，是指變壓器油在光、熱、氧、電場(chǎng)、輻射等物理化學(xué)因素的作用下，顏色、氣味、運(yùn)動(dòng)黏度等物理性能發(fā)生變化，電氣性能逐漸下降或變壞的過(guò)程。變壓器油的老化過(guò)程基本上可分為熱老化和電氣老化。以下重點(diǎn)從影響油品老化的因素如溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度、基礎(chǔ)油種類(lèi)及抗氧劑等方面對(duì)變壓器油產(chǎn)氣特性進(jìn)行考察。

2.1 溫度對(duì)變壓器油基礎(chǔ)油產(chǎn)氣特性的影響

GB 1094.2《電力變壓器》規(guī)定變壓器壽命設(shè)計(jì)溫度為98 ℃，上層油的最高溫度不應(yīng)超過(guò)95 ℃，而運(yùn)行部門(mén)為保證變壓器的安全運(yùn)行規(guī)定不超過(guò)85 ℃，夏季滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行一般為70～80 ℃。油浸式變壓器在額定負(fù)載下，變壓器最熱點(diǎn)(鐵芯)溫升為78 ℃，變壓器周?chē)淖罡邷囟葹?0 ℃，則最熱點(diǎn)(鐵芯)溫度為118 ℃，變壓器如果超銘牌容量運(yùn)行，則溫升還會(huì)增大?；谝陨显?，本研究主要選取變壓器油正常運(yùn)行溫度較高值80 ℃和最熱點(diǎn)溫度120 ℃作為試驗(yàn)溫度。

在電場(chǎng)強(qiáng)度為2 kV/mm的條件下，考察溫度對(duì)變壓器油R1產(chǎn)氣特性的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，在相同電場(chǎng)強(qiáng)度和相同運(yùn)行時(shí)間下，R1油中溶解氣含量隨溫度的升高而增加，正常運(yùn)行溫度下油中溶解氣含量很低，但當(dāng)在最熱點(diǎn)溫度時(shí)，R1中總烴氣體含量迅速增大，超過(guò)了GB/T 7252[11]中要求的溶解氣體注意值150 μLL。這進(jìn)一步證明了非故障狀態(tài)下，運(yùn)行油中溶解氣含量也可能會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。

注意值是指特征氣體(氫氣、總烴等)的含量或增量需引起關(guān)注的值。當(dāng)超過(guò)注意值時(shí)，需按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定縮短檢測(cè)周期，并結(jié)合其它判斷方法進(jìn)行綜合分析。正常運(yùn)行時(shí)電氣設(shè)備內(nèi)由于油紙絕緣材料老化產(chǎn)生的氣體與由于電氣設(shè)備故障產(chǎn)生的氣體這兩種來(lái)源的氣體在技術(shù)上無(wú)法區(qū)分開(kāi)，在數(shù)值上也沒(méi)有嚴(yán)格的界限，而且與負(fù)荷、溫度、油中氧氣含量、油的保護(hù)系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)等許多可變因素有關(guān)。因此，在判斷設(shè)備是否存在故障及其故障的嚴(yán)重程度時(shí)，應(yīng)根據(jù)氣體含量的絕對(duì)值、增長(zhǎng)速率以及設(shè)備的運(yùn)行狀況、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、外部環(huán)境等因素進(jìn)行綜合判斷，采用三比值法判斷故障類(lèi)型[11]。

圖2 溫度對(duì)變壓器油基礎(chǔ)油R1產(chǎn)氣特性的影響■—H2； ■—總烴； —注意值

2.2 電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)變壓器油基礎(chǔ)油產(chǎn)氣特性的影響

分別在80 ℃和120 ℃的條件下，考察電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)R1產(chǎn)氣特性的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知：R1中溶解氣含量隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而略增大；電場(chǎng)與溫度場(chǎng)同時(shí)存在時(shí)，R1油中溶解氣含量比只有溫度場(chǎng)時(shí)略大。結(jié)合圖2可知，在所考察的電場(chǎng)強(qiáng)度內(nèi)，溫度場(chǎng)比電場(chǎng)對(duì)變壓器油基礎(chǔ)油產(chǎn)氣特性的影響更大，表明熱老化是引起變壓器油基礎(chǔ)油中溶解氣含量增大的主要原因。

圖3 電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)變壓器油基礎(chǔ)油R1產(chǎn)氣特性的影響■—總烴； ◆—H2

2.3 芳烴含量對(duì)變壓器油基礎(chǔ)油產(chǎn)氣特性的影響

在電場(chǎng)強(qiáng)度為2 kV/mm、溫度分別為80 ℃和120 ℃的條件下，考察不同芳烴含量的環(huán)烷基變壓器油基礎(chǔ)油R2(CA=0)，R1(CA=4.1%)，R4(CA=16.2%)的產(chǎn)氣特性，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知，無(wú)論在80 ℃還是120 ℃條件下，變壓器油基礎(chǔ)油產(chǎn)氣量從小到大的順序均為：R2

圖4 芳烴含量對(duì)變壓器油基礎(chǔ)油產(chǎn)氣特性的影響■—H2； ■—總烴

2.4 不同基屬變壓器油基礎(chǔ)油的產(chǎn)氣特性

在電場(chǎng)強(qiáng)度2 kV/mm、溫度分別為80 ℃和120 ℃的條件下，考察不含芳烴的環(huán)烷基變壓器油基礎(chǔ)油R2和石蠟基基礎(chǔ)油R8的產(chǎn)氣特性，結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知，80 ℃和120 ℃時(shí)雖然R2和R8的產(chǎn)氣量存在差異，但可視為相當(dāng)。這與兩種油品的氧化安定性結(jié)果一致，采用IEC TR62036方法測(cè)定R2和R8的氧化誘導(dǎo)期分別為29.2 min和29.8 min?？傊寡趸阅芟嘟淖儔浩饔突A(chǔ)油產(chǎn)氣特性相當(dāng)，與油品基屬無(wú)關(guān)。

表4 不同芳烴含量變壓器油的氧化安定性對(duì)比

圖5 不同基屬變壓器油產(chǎn)氣特性對(duì)比■—環(huán)烷基油； ■—石蠟基油

2.5 抗氧劑對(duì)變壓器油基礎(chǔ)油產(chǎn)氣特性的影響

目前國(guó)內(nèi)變壓器油生產(chǎn)商為提高油品氧化安定性，添加劑配方中均含抗氧劑。選擇市場(chǎng)上常用的抗氧劑T501，考察添加劑配方對(duì)變壓器油產(chǎn)氣特性的影響。

向R1中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%的T501，在電場(chǎng)強(qiáng)度2 kV/mm、溫度分別為80 ℃和120 ℃的條件下，考察抗氧劑T501對(duì)脫氣后變壓器油基礎(chǔ)油產(chǎn)氣特性的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6可知，在80 ℃和120 ℃時(shí)，加入抗氧劑T501后R1的產(chǎn)氣量降低，說(shuō)明電熱混合場(chǎng)下T501發(fā)揮了較好的抗氧化作用。抗氧劑T501為酚型抗氧劑，在氧化過(guò)程中起鏈終止作用，與形成的自由基進(jìn)行反應(yīng)從而使產(chǎn)生的自由基穩(wěn)定，結(jié)果使反應(yīng)速率下降，或是完全阻止了氧化反應(yīng)，表現(xiàn)為產(chǎn)氣趨勢(shì)大幅降低。

圖6 抗氧劑對(duì)變壓器油基礎(chǔ)油產(chǎn)氣特性的影響■—R1； ■—R1+T501(脫氣后)； 注意值

3 結(jié) 論

(1) 變壓器油基礎(chǔ)油的產(chǎn)氣量隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加；電場(chǎng)和溫度場(chǎng)同時(shí)存在時(shí)，溫度場(chǎng)對(duì)變壓器油基礎(chǔ)油產(chǎn)氣特性的影響大于電場(chǎng)，熱老化是引起變壓器油產(chǎn)氣的主要原因。

(2) 變壓器油基礎(chǔ)油產(chǎn)氣特性與其氧化安定性有關(guān)，芳烴含量越高，氧化安定性越差，越容易產(chǎn)生氣體；不含芳烴的環(huán)烷基油與石蠟基油基礎(chǔ)油氧化安定性相當(dāng)，產(chǎn)氣特性相當(dāng)。

(3) 抗氧抑制劑可使基礎(chǔ)油產(chǎn)氣量大幅降低。鑒于加抑制劑的基礎(chǔ)油具有更優(yōu)良的氧化安定性，更好的產(chǎn)氣特性，建議客戶(hù)使用加劑油。

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GASSING CHARACTERISTICS OF TRANSFORMER OIL UNDER CONDITIONS OF COEXISTING ELECTRIC FIELD AND HEAT

Wang Huijuan， Yu Huimin， Ma Shujie， Zhang Qi

(PetroChinaLanzhouLubricantResearchInstitute，PetroChinaLubricantKeyLaboratory，Karamay，Xinjiang834003)

A lab device was built for testing gassing characteristics of transformer oil under condition of coexisting electric field and temperature， and the relative test method was established. The effect of temperature， electric field strength， base oil composition， and anti-oxidation additives on gassing characteristics was studied. The results show that temperature has a greater influence than electricity field under the coexisting conditions， the gas content increases with the increase of the electric field strength and the aromatic content of the oil tested. Gassing characteristics performance of naphthenic base transformer oil without aromatics was similar to paraffinic base transformer oil； antioxidant in transformer oil can reduce gas content significantly.

transformer oil； aromatics； coexisting electric field and temperature； gassing characteristics

2015-06-18； 修改稿收到日期： 2015-08-28。

王會(huì)娟，碩士，工程師，主要從事變壓器油產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及基礎(chǔ)研究工作，已公開(kāi)發(fā)表論文7篇。

王會(huì)娟，E-mail：wanghuijuan_rhy@petrochina.com。

中國(guó)石油潤(rùn)滑油公司科技項(xiàng)目(20110203)。