韓 超, 陳 彬, 劉 閣
(重慶工商大學(xué) 廢油資源化技術(shù)與裝備工程研究中心, 重慶 400067)
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顆粒污染物對(duì)變壓器油理化性能的影響
韓 超, 陳 彬, 劉 閣
(重慶工商大學(xué) 廢油資源化技術(shù)與裝備工程研究中心, 重慶 400067)
變壓器油中存在顆粒污染物極易使油液劣化,影響設(shè)備的安全運(yùn)行,從實(shí)驗(yàn)角度探討了顆粒污染物對(duì)油液性能的影響規(guī)律。根據(jù)均勻設(shè)計(jì)法,配制了不同顆粒含量、不同污染度的含Cu、Fe顆粒油樣和含Cu、Fe、SiO2顆粒的油樣各24個(gè),測(cè)試了油樣的40℃運(yùn)動(dòng)黏度、擊穿電壓以及熱氧化實(shí)驗(yàn)前后酸值,并比較了含和不含SiO2顆粒油樣的這些理化性能變化的差別。結(jié)果表明,顆粒污染度對(duì)油液理化性能的影響較大。隨著污染度的增加,含Cu、Fe、SiO23種顆粒油樣的運(yùn)動(dòng)黏度呈下降趨勢(shì),其變化幅度為0.96 mm2/s;擊穿電壓呈下降趨勢(shì),其變化幅度為25.4 kV;油液熱氧化后酸值升高,變化幅度為0.073 mgKOH/g。含SiO2顆粒的油樣的擊穿電壓和酸值的變化趨勢(shì)與不含SiO2顆粒的油樣的基本一致,含有SiO2顆粒的油樣的擊穿電壓比不含SiO2顆粒的油樣擊穿電壓要大,SiO2顆粒對(duì)油液熱氧化前后酸值的影響不大。
變壓器油; 顆粒污染物; 理化性能; 均勻設(shè)計(jì)法
隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,電力設(shè)備趨向于集成化、大型化,變壓器油作為電力設(shè)備的重要絕緣介質(zhì),其質(zhì)量的好壞對(duì)保證電力設(shè)備的安全運(yùn)行具有極其重要的意義[1-2]。油液在使用過(guò)程中不可避免地受到污染[3-4],如在生產(chǎn)、運(yùn)輸和設(shè)備使用的過(guò)程中,由于外界水分、空氣中灰塵等雜質(zhì)的侵入或運(yùn)動(dòng)摩擦副產(chǎn)生的磨損顆粒等,造成油液的污染度發(fā)生變化,從而使得油液的黏度[5]、酸值[6]等一系列理化性能指標(biāo)發(fā)生變化。不同含量、不同種類(lèi)的顆粒污染物對(duì)油液理化性能的影響程度不同,Cu、Fe等金屬顆粒物的存在會(huì)加速油品的劣化[7]。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)油中顆粒物進(jìn)行了研究,并取得了一些重要的成果。
劉渤華等[8]研究了變壓器油的介質(zhì)損耗性能,結(jié)果表明,油中極性物質(zhì)與油介損值有直接的關(guān)系。石景燕等[9]分析了變壓器油絕緣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)果表明,油中Cu、Fe顆粒物含量的成倍增加造成絕緣電阻明顯下降、介質(zhì)損耗因數(shù)增大。李興等[10]監(jiān)測(cè)研究分析了500kV變壓器油的顆粒度,結(jié)果表明,在顆粒度NAS級(jí)相差較大范圍內(nèi),擊穿電壓變化并不明顯,但金屬顆粒數(shù)目與擊穿電壓具有線性關(guān)系。楊道武等[11]、Akshatha等[12]表明,Cu顆粒物對(duì)變壓器油的老化劣化具有催化作用。變壓器油中有微量硫化物存在,分解出性質(zhì)極為活潑的元素硫。Lance[13]認(rèn)為,腐蝕性硫和Cu的反應(yīng)不需要熱量,但熱能促使反應(yīng)加速。Scatiggio等[14]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),由于Cu的硫化物具有部分導(dǎo)電性,受污染的油浸漬紙膠帶的介質(zhì)損耗因數(shù)明顯增加。Mainad等[15]分析了變壓器油中的Cu含量后發(fā)現(xiàn),隨著Cu含量的升高其介質(zhì)損耗因數(shù)逐漸增大,油中Cu含量的減少可顯著改善油的介質(zhì)損耗因數(shù)。
由于油中存在的金屬或非金屬顆粒污染物對(duì)變壓器油的擊穿電壓、介質(zhì)損耗等性能影響較為明顯,因而按照均勻設(shè)計(jì)法配制不同組分不同含量的顆粒污染物油樣,測(cè)定油樣的顆粒污染度以及理化性能,獲取顆粒污染物對(duì)變壓器油的各個(gè)關(guān)鍵理化性能的影響規(guī)律,為采取有效的控制措施奠定基礎(chǔ)。
1.1 實(shí)驗(yàn)儀器
采用昆山蘇美超聲儀器有限公司KQ-400KDB型高功率數(shù)控超聲波振蕩器對(duì)不同污染度的含顆粒污染物油樣進(jìn)行預(yù)處理,超聲波功率400 W、頻率40 kHz;采用HACH CompanyHIAC8012油品污染度測(cè)試儀對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中配制含顆粒污染物油樣的污染度進(jìn)行檢測(cè),得到14-21污染度等級(jí)(ISO4406)的油樣;采用上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司SYD-265H石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定器測(cè)定預(yù)處理好的24組含Cu、Fe以及SiO2顆粒污染物的混合油樣的40℃運(yùn)動(dòng)黏度,黏度計(jì)內(nèi)徑0.8 mm,黏度計(jì)常數(shù)0.04354 mm2/s;采用II J-II-80 KV型絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀測(cè)定擊穿電壓,測(cè)量范圍0~80 kV,電極間距2.5 mm,測(cè)試精度3%;采用SYD-0206型變壓器油氧化安定性測(cè)定器對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的油樣進(jìn)行熱氧化;采用Titrando905全自動(dòng)電位滴定儀測(cè)定經(jīng)過(guò)熱氧化的油樣的酸值。
1.2 實(shí)驗(yàn)材料及油樣的配制
1.2.1 實(shí)驗(yàn)用油的選取及預(yù)處理
新疆克拉瑪依25#變壓器油,中國(guó)石油天然氣股份有限公司潤(rùn)滑油分公司產(chǎn)品。為避免出廠油在生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中混入顆粒污染物對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)中油樣配制產(chǎn)生干擾,將25#變壓器油經(jīng)過(guò)8層中性濾紙進(jìn)行抽濾處理,得到的油液作為實(shí)驗(yàn)初始油樣。Cu粉和Fe粉作為金屬顆粒污染物,顆粒大小均為1000目,純度大于99%;SiO2作為非金屬顆粒污染物,顆粒大小1500目。
1.2.2 配制Cu、Fe、SiO2單種顆粒污染物油樣
(1)含Cu顆粒物油樣配制:采用玻璃砂芯過(guò)濾裝置,其中添加一張慢速濾紙并將過(guò)濾裝置密封好,稱(chēng)取0.02 g Cu粉與1 L 25#變壓器油不斷攪拌,使Cu粉與油液充分混合,同時(shí)打開(kāi)真空泵進(jìn)行抽濾。過(guò)濾過(guò)程中需要不停地?cái)嚢枰员苊庑纬蔀V餅而影響過(guò)濾效果?;煊蠧u粉的油樣經(jīng)8 h(溫度30~60℃)超聲波振蕩器充分振蕩后,采用HIAC8012油品污染度測(cè)試儀檢測(cè),得到污染度等級(jí)23/18(ISO4406)的油樣;按一定的體積比例向污染度等級(jí)為23/18的含Cu顆粒物油樣中加入實(shí)驗(yàn)初始油樣,混合后經(jīng)過(guò)8 h(溫度30~60℃)超聲波振蕩器振蕩均勻,采用油品污染度測(cè)試儀器檢測(cè),得到14/11~21/18梯度污染度等級(jí)的含Cu顆粒物油樣共24組,分別盛入500 mL錐形瓶中,待用。
(2)含F(xiàn)e顆粒物油樣配制:采用與含Cu顆粒物油樣配制相同的方法,將15 g Fe與100 mL 25#變壓器油進(jìn)行抽濾,得到污染度等級(jí)22/17(ISO4406)的油樣;再按一定的體積比例向22/17的含F(xiàn)e顆粒物油樣中加入實(shí)驗(yàn)初始油樣,進(jìn)行振蕩、檢測(cè),得到14/11~21/16梯度污染度等級(jí)的含F(xiàn)e顆粒物油樣共24組,分別盛入500 mL錐形瓶中,待用。
(3)含SiO2顆粒物油樣配制:采用與含Cu顆粒物油樣配制相同的方法,將0.03g SiO2與1L 25#變壓器油進(jìn)行抽濾,得到污染度等級(jí)22/16(ISO4406)的油樣;按一定的體積比例向22/16的含SiO2顆粒物油樣中加入實(shí)驗(yàn)初始油樣,經(jīng)過(guò)振蕩、檢測(cè),得到14/11~21/15梯度污染度等級(jí)的含SiO2顆粒油樣共24組,分別盛入500 mL錐形瓶中,待用。
1.2.3 混合油樣的配制
采用配制好的含Cu和含F(xiàn)e顆粒的油樣,根據(jù)均勻設(shè)計(jì)法的原理,配制Cu、Fe 2種顆粒的油樣。根據(jù)均勻U24(249)表(見(jiàn)表1)1、2,選用兩因素(因素1、2)、二十四水平組成U24(242)表。將含Cu、Fe顆粒物油樣置于超聲波振蕩器中振蕩8 h(溫度30~60℃),然后按對(duì)應(yīng)的水平、體積1∶1 混合盛入1 L錐形瓶,得到24組混合油樣。將其放入超聲波振蕩器中振蕩均勻,采用油品污染度測(cè)試儀檢測(cè)混合油樣的顆粒物含量和污染度,結(jié)果列于表2。
表1 均勻U24(249)表
表2 24組Cu和Fe顆?;旌嫌蜆又蓄w粒物含量和污染度
采用相同方法,配制Cu、Fe和SiO23種顆?;旌嫌蜆樱鶕?jù)均勻U24(249)表選用三因素(因素1、3、6)、二十四水平組成U24(243)表,得到的24個(gè)混合油樣的顆粒物含量和污染度檢測(cè)結(jié)果列于表3。
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
根據(jù)GB/T265-88標(biāo)準(zhǔn)《石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定法和動(dòng)力黏度計(jì)算法》,采用石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定器測(cè)定經(jīng)過(guò)8 h(溫度30~60℃)超聲波振蕩后的24組含3種顆粒污染物的混合油樣的40℃運(yùn)動(dòng)黏度,取3次測(cè)定平均值。
根據(jù)GB/T507-2002標(biāo)準(zhǔn)《絕緣油擊穿電壓的測(cè)定方法》,采用絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀分別測(cè)定2種、3種顆粒污染物的混合油樣的擊穿電壓,取3次測(cè)定平均值。
根據(jù)SH/T 0206標(biāo)準(zhǔn)《變壓器油氧化安定性測(cè)定法》,采用SYD-0206型變壓器油氧化安定性測(cè)定器分別對(duì)2種、3種顆粒的混合油樣進(jìn)行熱氧化實(shí)驗(yàn)。油樣質(zhì)量25.0 g,Cu催化線圈Cu絲長(zhǎng)度90 cm,熱氧化時(shí)間164 h,溫度110℃,氧氣流量1.0 L/h。采用Titrando905全自動(dòng)電位滴定儀測(cè)定熱氧化實(shí)驗(yàn)前后油樣的酸值,等量滴定,滴定精度50 μL,氫氧化鉀-乙醇溶液(KOH-CH3CH2OH)濃度0.0513 mol/L。
表3 24 個(gè)Cu、Fe和SiO2顆粒混合油樣中顆粒物含量和污染度
2.1 顆粒污染物對(duì)變壓器油黏度的影響
圖1為不同污染度含3種顆粒的混合油樣的運(yùn)動(dòng)黏度。從圖1可以看出,隨著污染度的增加,含3種顆粒的混合油樣的運(yùn)動(dòng)黏度整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。油液的運(yùn)動(dòng)黏度由分子間的內(nèi)摩擦作用產(chǎn)生,含顆粒物油樣是非均相混合流體,屬于分散系統(tǒng),油液為分散介質(zhì),Cu、Fe以及SiO2顆粒物為分散相,兩相的界面有一定的界面張力,分散相的存在使連續(xù)相分子間的作用力變?nèi)酰斐捎蜆舆\(yùn)動(dòng)黏度降低。當(dāng)油液污染度在15/12~16/12范圍內(nèi)時(shí),由于污染物顆粒的數(shù)量較少,顆粒對(duì)油液分子間作用力的影響較小,油液運(yùn)動(dòng)時(shí)分子間的內(nèi)摩擦力基本不變,運(yùn)動(dòng)黏度的變化不大,在10.49~10.58 mm2/s范圍;而當(dāng)污染度增至19/15時(shí),顆粒和油液分子間產(chǎn)生的表面能增強(qiáng),使得油液分子間的作用力減小、內(nèi)摩擦力減小,從而導(dǎo)致油液運(yùn)動(dòng)黏度急劇下降,下降幅度為0.85 mm2/s;當(dāng)油液污染度大于19/15后,油液運(yùn)動(dòng)黏度隨著污染度增加的變化幅度較小,基本趨于穩(wěn)定,運(yùn)動(dòng)黏度下降幅度僅為0.11 mm2/s,這是因?yàn)轭w粒和油液分子產(chǎn)生表面能與油液分子間的作用力達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡,油液分子間的內(nèi)摩擦力相對(duì)穩(wěn)定,從而油液的運(yùn)動(dòng)黏度逐漸趨于平穩(wěn)。
圖1 含Cu, Fe和SiO2顆粒的不同污染度的油液的40℃運(yùn)動(dòng)黏度
2.2 顆粒污染物對(duì)變壓器油擊穿電壓的影響
圖2為24個(gè)含不同量≥5 μm Cu、Fe顆粒的油樣以及24個(gè)含不同量≥5 μm Cu、Fe和SiO2顆粒的油樣的擊穿電壓。
圖2 ≥5 μm顆粒物含量對(duì)油液擊穿電壓性能的影響
從圖2可以看出,隨著含Cu、Fe顆粒油液中Cu、Fe顆粒含量的增加,油液擊穿電壓呈現(xiàn)出先急劇減小后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。當(dāng)Cu、Fe顆粒含量由125個(gè)/mL增加到2500個(gè)/mL時(shí),擊穿電壓急劇減小,減小幅度為22.7 kV;當(dāng)Cu、Fe顆粒含量超過(guò)2500個(gè)/mL后,擊穿電壓隨著金屬顆粒含量的增加而發(fā)生的變化較小,減小幅度為2.7 kV。
含Cu、Fe和SiO23種顆粒的油樣的擊穿電壓比不含SiO2顆粒僅含Cu、Fe顆粒的油樣的擊穿電壓大,但整體變化趨勢(shì)基本一致。油液中顆粒含量由292個(gè)/mL增加到3862個(gè)/mL時(shí),油液的擊穿電壓變化較大,變化幅度為23.5 kV,且隨著顆粒含量的增加,擊穿電壓上下波動(dòng)較大;當(dāng)顆粒含量大于3862個(gè)/mL后,擊穿電壓隨顆粒增加的變化較小,基本趨于平穩(wěn)。由于油樣中SiO2顆粒的存在破壞了原有不含SiO2顆粒油樣的極性,因而擊穿電壓較大;隨著油樣中顆粒含量的增加,SiO2顆粒量的比例逐漸降低,對(duì)油樣中的極性受到的破壞程度逐漸降低,因而顆粒量在3862個(gè)/mL以下含SiO2顆粒物的油樣擊穿電壓的波動(dòng)較大。
2.3 顆粒污染物對(duì)變壓器油酸值的影響
含不同量Cu、Fe 2種顆粒油樣以及含不同量Cu、Fe和SiO23種顆粒油樣的酸值示于圖3。從圖3可以看出,每一個(gè)油樣經(jīng)氧化后的酸值均比氧化前的酸值大。對(duì)于熱氧化實(shí)驗(yàn)前的同一種油樣,酸值隨著顆粒含量的增加有相對(duì)微小幅度的增加,如含Cu、Fe和SiO23種顆粒的油樣中顆粒含量由292個(gè)/mL 增加至14568個(gè)/mL,酸值增加幅度為0.004 mg KOH/g,說(shuō)明油樣中顆粒含量對(duì)其酸值的影響較小。
圖3 熱氧化實(shí)驗(yàn)前后≥5 μm顆粒物含量對(duì)油液酸值的影響
經(jīng)過(guò)熱氧化后,含Cu、Fe 2種顆粒的油樣的酸值隨著油液中顆粒含量的增加,整體呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì),增加幅度為0.069 mg KOH/g;油液中Cu、Fe顆粒含量由125個(gè)/mL增加至2518個(gè)/mL時(shí),酸值增加幅度較小,為0.015 mgKOH/g;Cu、Fe顆粒含量大于2518個(gè)/mL后,隨著Cu、Fe顆粒含量的增加,酸值增加較大,增加幅度為0.054 mgKOH/g。隨著Cu、Fe顆粒含量增加,油樣的酸值呈先緩慢增加后急劇增加的變化趨勢(shì)說(shuō)明,變壓器油的氧化安定性呈現(xiàn)先慢后快的降低趨勢(shì)。
經(jīng)過(guò)熱氧化后,含Cu、Fe和SiO23種顆粒的油樣的酸值隨著顆粒含量的增加,整體呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì),增加幅度為0.073 mg KOH/g,與僅含Cu、Fe顆粒的油樣酸值的增加幅度差值不大。這是由于油樣中Cu、Fe顆粒對(duì)油樣的氧化起到催化作用,使熱氧化過(guò)程產(chǎn)生更多酸性物質(zhì)[16],而SiO2顆粒化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,基本不參加反應(yīng)。油液中顆粒含量由292個(gè)/mL增加至2193個(gè)/mL時(shí),含SiO2油樣與不含SiO2油樣熱氧化后酸值的最大差值為0.017 mgKOH/g;當(dāng)顆粒含量大于2193個(gè)/mL后,二者熱氧化后酸值的差值為0.014 mgKOH/g,這是由于隨著油樣中顆粒含量的增加,SiO2顆粒含量的比例逐漸降低,而油樣中顆粒含量小于2193個(gè)/mL 時(shí),Cu、Fe顆粒物含量相對(duì)較少,對(duì)油樣氧化的催化作用較小,油樣的酸值增加幅度較小,且SiO2的存在降低了金屬顆粒與油樣的接觸面,使含SiO2的油樣與不含SiO2的油樣熱氧化后酸值的差值相對(duì)較大;當(dāng)顆粒含量大于2193個(gè)/mL時(shí),Cu、Fe顆粒對(duì)油樣氧化的催化作用較大,油樣的酸值增加幅度較大,SiO2的存在對(duì)金屬顆粒與油樣的接觸面影響較小,使含SiO2的油樣與不含SiO2的油樣熱氧化后酸值的差值較小??梢?jiàn),SiO2顆粒物對(duì)熱氧化前后酸值的影響不大。
(1)隨著污染度的增加,變壓器油的運(yùn)動(dòng)黏度整體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。當(dāng)污染度在15/12~16/12范圍內(nèi)時(shí),油液運(yùn)動(dòng)黏度在10.49~10.58 mm2/s范圍變化;當(dāng)污染度由16/12增加至19/15時(shí),油液運(yùn)動(dòng)黏度急劇下降,下降幅度為0.85 mm2/s;當(dāng)污染度大于19/15后,隨著污染度的增加,油液運(yùn)動(dòng)黏度變化幅度較小,基本趨于穩(wěn)定。
(2)油液中金屬顆粒對(duì)擊穿電壓有顯著影響。隨著油液中Cu、Fe顆粒含量的增加,擊穿電壓呈現(xiàn)出先急劇減小后逐漸趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì)。當(dāng)Cu、Fe顆粒含量由292個(gè)/mL增加到2500個(gè)/mL時(shí),油液擊穿電壓急劇減小,減小幅度為22.7 kV;當(dāng)Cu、Fe顆粒含量大于2500個(gè)/mL后,隨著顆粒含量的增加,油液擊穿電壓變化較小,變化幅度為2.7 kV。含SiO2顆粒的油樣的擊穿電壓變化趨勢(shì)與不含SiO2顆粒的油樣的基本一致,且隨著顆粒含量的增加,擊穿電壓初期波動(dòng)較大,后期趨于平穩(wěn)。
(3)含Cu、Fe 2種顆粒的油樣以及含Cu、Fe和SiO23種顆粒的油樣的酸值隨著顆粒含量的增加有相對(duì)微小幅度的增加;顆粒含量由292個(gè)/mL增加至14568個(gè)/mL,酸值增加幅度為0.004 mg KOH/g,整體趨于平穩(wěn),說(shuō)明油樣中顆粒含量對(duì)其酸值影響較小。
熱氧化實(shí)驗(yàn)后,含Cu、Fe 2種顆粒的油樣的酸值增加,且隨著油液中Cu、Fe顆粒含量的增加有明顯升高的趨勢(shì),增加幅度為0.069 mg KOH/g,說(shuō)明隨著Cu、Fe顆粒含量的增多,油液的氧化安定性降低;含有SiO2顆粒的油樣酸值隨著顆粒含量的增加整體呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì),增加幅度為0.073 mg KOH/g。
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Effect of Particulate Contamination on Physical and Chemical Properties of Transformer Oil
HAN Chao, CHEN Bin, LIU Ge
(EngineeringResearchCentreforWasteOilRecoveryTechnologyandEquipment,ChongqingTechnologyandBusinessUniversity,Chongqing400067,China)
Transformer oil is degraded easily, if particulate pollutants exist in it, which will affect the safe operation of equipment. There is a great significance of taking effective measures to control the influence of particle pollutants on oil performance from the experimental point of view. According to the uniform design method, the 24 oil samples of different Cu、Fe、SiO2contents and different pollution degrees were prepared, then the key physical and chemical properties of the samples were tested, involving the 40℃ kinematic viscosity, breakdown voltage and the acid values before and after thermal oxidation. The influence laws of the metal and non-metallic particles on the oil physical and chemical properties were analyzed. The results showed that particle pollution degree affected the oil performance significantly. With the increase of pollution degree, the 40℃ kinematic viscosity of the oil sample containing Cu、Fe、SiO2particles was decreased by 0.96 mm2/s, while its breakdown voltage was decreased by 25.4 kV, and the acid value was increased by 0.073 mgKOH/g. The change trends of the breakdown voltage and the acid value of the oil samples containing SiO2particles were the same as of the oil samples without SiO2particles basically, however, the breakdown voltage of the oil samples containing SiO2particles was larger than that of oil sample without SiO2particles. There was little effect of SiO2particles on the acid value of the oil sample before and after thermal oxidation.
transformer oil; particulate pollutant; physical and chemical property; uniform design method
2016-01-04
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51375516)資助
韓超,女,碩士研究生,研究方向?yàn)橛鸵何廴緳z測(cè)技術(shù);E-mail:751632068@qq.com
陳彬,男,教授,博士,主要研究方向?yàn)橛鸵何廴究刂萍夹g(shù); Tel:023-62768316;E-mail:hustchb@163.com
1001-8719(2016)06-1156-08
O657.99; TM215.4
A
10.3969/j.issn.1001-8719.2016.06.011