不同油族變壓器油以及高溫對(duì)快速氧化過程的影響研究

雍軍，辜超，周加斌，邢海文

不同油族變壓器油以及高溫對(duì)快速氧化過程的影響研究

雍軍，辜超，周加斌，邢海文

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

采用3種不同的油族變壓器油進(jìn)行閉口杯老化的試驗(yàn)，加入金屬裸銅作為催化劑，分別進(jìn)行140 ℃、150 ℃、160 ℃、170 ℃、180 ℃5種溫度下試驗(yàn)時(shí)間為125 h的快速氧化試驗(yàn)，氧化試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)定油品的總酸值、沉淀物含量及介質(zhì)損耗因數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同樣品隨著溫度的升高氧化反應(yīng)越來越劇烈，且會(huì)生成酸性物質(zhì)以及油泥等沉淀物；不同精制工藝、不同油基的變壓器油的自身結(jié)構(gòu)特性也決定了其氧化性能，即加氫油大于環(huán)烷基油大于石蠟基油。

變壓器油；總酸值；沉淀物含量；介質(zhì)損耗因數(shù)

1 引言

變壓器油是從石油中分餾出的一種物質(zhì)，含直鏈烷烴、異構(gòu)烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴等烴類的混合物[1]，其中，經(jīng)過不同的精制反應(yīng)形成石蠟基變壓器油、環(huán)烷基變壓器油，再經(jīng)過加氫工藝使得不穩(wěn)定的烴類物質(zhì)形成穩(wěn)定的飽和烴，從而獲得氧化性能的變壓器油。變壓器油容易與空氣以及于高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在變壓器內(nèi)部材料銅的催化下加速變質(zhì)，失去原有的絕緣作用[2]。LUNDAARD等人[3]通過研究指出，變壓器油-紙絕緣體系在老化過程中會(huì)產(chǎn)生低分子酸（分子量小的酸）和高分子酸（分子量大的酸）。低分子酸主要由絕緣紙的老化產(chǎn)生，極易被絕緣紙吸收。高分子酸則主要因變壓器油的老化產(chǎn)生，存在絕緣油中，隨著變壓器運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，變壓器油中的高分子酸會(huì)不斷增加，從而導(dǎo)致變壓器油的老化加劇，最終影響變壓器運(yùn)行[4]。

變壓器油長(zhǎng)期在高溫運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生氧化產(chǎn)物，主要是酸類產(chǎn)物，包括羧酸、羥基酸、酚類、少量的低分子有機(jī)酸以及油泥等[5]，這些酸類物質(zhì)以及油泥等沉淀物對(duì)電力設(shè)備的金屬部件有較強(qiáng)的腐蝕作用，它們會(huì)侵蝕電氣設(shè)備的絕緣材料，降低設(shè)備的絕緣性能和機(jī)械強(qiáng)度。因此，高溫對(duì)變壓器油的影響是不可忽視的。

通過研究不同油族的結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定性以及在高溫運(yùn)行中的變壓器油的質(zhì)量變化，便能選擇更加優(yōu)質(zhì)的變壓器油來保證變壓器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)材料：石蠟基變壓器油、環(huán)烷基變壓器油、加氫型變壓器油、銅絲、快速氧化試驗(yàn)杯。

儀器：DTL油測(cè)試儀、奧地利保爾、可控溫烘箱、南通滬南科學(xué)儀器。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 方法概述

采用3種不同的油族的變壓器油油進(jìn)行閉口杯老化的試驗(yàn)。為了滿足該溫度下的試驗(yàn)條件，加入金屬裸銅作為催化劑。分別稱取4種油樣各250 g、所需銅絲均置于試驗(yàn)杯中，分別進(jìn)行140 ℃、150 ℃、160 ℃、170 ℃以及180 ℃5種溫度下試驗(yàn)時(shí)間為125 h的快速氧化試驗(yàn)，氧化試驗(yàn)結(jié)束后按照《未使用過的烴類絕緣油氧化安定性測(cè)試法》（NB/SH/T 0811—2010）測(cè)定油品的總酸值、沉淀物含量及介質(zhì)損耗因數(shù)。

2.2.2 測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)

變壓器油的氧化安定性測(cè)試按照標(biāo)準(zhǔn)《未使用過的烴類絕緣油氧化安定性測(cè)試法》（NB/SH/T 0811—2010）。介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)試按照標(biāo)準(zhǔn)《液體絕緣材料相對(duì)電容率、介質(zhì)損耗因數(shù)和直流電阻率的測(cè)量》（GB 5654—2007）。

3 結(jié)果與討論

3.1 石蠟基變壓器油不同溫度下的變化規(guī)律

不同溫度下石蠟基變壓器油的氧化數(shù)據(jù)如表1所示。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著溫度的不斷升高，石蠟基變壓器油的介質(zhì)損耗因數(shù)、沉淀物含量、總酸值都是隨之增加，從160 ℃開始的氧化數(shù)據(jù)超出GB 2536—2011[6]通用型油標(biāo)準(zhǔn)，說明從160 ℃開始，石蠟基變壓器油已經(jīng)開始發(fā)生急劇氧化反應(yīng)以及裂解反應(yīng)，生成酸類、雜質(zhì)等物質(zhì)，從而影響石蠟基變壓器油的質(zhì)量。

3.2 環(huán)烷基變壓器油不同溫度下的變化規(guī)律

不同溫度下環(huán)烷基變壓器油的氧化數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)表2的數(shù)據(jù)及趨勢(shì)可以看出，隨著溫度的不斷升高，環(huán)烷基變壓器油的介質(zhì)損耗因數(shù)、沉淀物含量、總酸值都是隨之增加，從170 ℃開始的氧化數(shù)據(jù)超出GB 2536—2011特殊型油標(biāo)準(zhǔn)，說明從170 ℃開始，環(huán)烷基變壓器油開始發(fā)生急劇化學(xué)反應(yīng)，生成酸類、雜質(zhì)等物質(zhì)，環(huán)烷基變壓器油是以環(huán)烷基為基礎(chǔ)油，環(huán)烷基油通常是含有大量的飽和環(huán)狀碳鏈結(jié)構(gòu)分子，可能是五元環(huán)、六元環(huán)或是它的同系物，也可能是多種環(huán)連接在一起的多環(huán)結(jié)構(gòu)[7]，因此環(huán)烷基變壓器油的性能穩(wěn)定，抗氧化性能優(yōu)于石蠟基變壓器油。

表1 不同溫度下石蠟基變壓器油的氧化數(shù)據(jù)表

試驗(yàn)溫度/℃介質(zhì)損耗因數(shù)沉淀物含量/（%）總酸值/mgKOH/g 1400.05600.8 1500.0980.11.1 1600.1250.362.1 1700.2390.792.56 1800.5661.033.02

表2 不同溫度下環(huán)烷基變壓器油的氧化數(shù)據(jù)表

試驗(yàn)溫度/℃介質(zhì)損耗因數(shù)沉淀物含量/（%）總酸值/mgKOH/g 1400.04300.7 1500.0850.091.15 1600.1160.31.94 1700.2290.692.28 1800.5540.952.88

3.3 加氫型變壓器油不同溫度下的變化規(guī)律

不同溫度下加氫型變壓器油的氧化數(shù)據(jù)如表3所示。由表3的數(shù)據(jù)可以看出，隨著溫度的不斷升高，加氫型變壓器油的介質(zhì)損耗因數(shù)、沉淀物含量、總酸值隨之增加，加氫型變壓器油所有的氧化數(shù)據(jù)結(jié)果均符合GB 2536—2011通用型油標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)榧託湫妥儔浩饔褪墙?jīng)過加氫工藝獲得，加氫補(bǔ)充精制可降低基礎(chǔ)油中的硫、氮、氧等雜質(zhì)含量，并通過少量的芳烴飽和，從而改善基礎(chǔ)油的光安定性和氧化安定性，因此加氫型變壓器油的氧化安定性能優(yōu)良[8]，且氧化數(shù)據(jù)優(yōu)于環(huán)烷基變壓器油。

表3 不同溫度下加氫型變壓器油的氧化數(shù)據(jù)表

試驗(yàn)溫度/℃介質(zhì)損耗因數(shù)沉淀物含量/（%）總酸值/mgKOH/g 1400.001 200.02 1500.005 600.10 1600.007 80.040.26 1700.010.070.56 1800.0250.090.89

4 結(jié)論

3種試驗(yàn)樣品均在隨著溫度的升高氧化反應(yīng)越劇烈，造成試樣樣品油的加速氧化，使得油樣的質(zhì)量變差，生成很多酸類物質(zhì)和油泥等沉淀物；由于加氫工藝使得基礎(chǔ)油中的少量芳烴飽和，形成的單鍵使得鍵能增強(qiáng)，雙鍵的鍵能低于單鍵的鍵能，且雙鍵比單鍵更易斷裂，這使得加氫型變壓器油本身分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此加氫型變壓器油抗氧化性能優(yōu)于環(huán)烷基變壓器油；由于環(huán)烷基變壓器油，環(huán)烷基油通常含大量的飽和環(huán)狀碳鏈結(jié)構(gòu)分子，可能是五元環(huán)、六元環(huán)或是它的同系物，也可能是多種環(huán)連接在一起的多環(huán)結(jié)構(gòu)，因此環(huán)烷基變壓器油的性能穩(wěn)定，抗氧化性能優(yōu)于石蠟基變壓器油。

［1］曹建軍，隋彬，楊飛豹，等.變壓器油紙絕緣水分含量和老化程度定量評(píng)估研究［J］.高壓電器，2018，54（1）：143-151.

［2］王偉，馬志青，李成榕，等.纖維素老化油紙絕緣水分平衡的影響［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（31）：100-105.

［3］LUNDAARD L E，HANSEN W，LINHJEL D，et al. Aging of oil-impregnated paper in power transformers［J］.IEEE Transitions on Power Delivery，2004，19（1）：230-238.

［4］DUMITRAN L M，SETNESCU R，NOTINGHER P V，et al. Method for lifetime estimation of power transformer mineral oil［J］.Fuel，2014（117）：756-762.

［5］廖瑞金，劉婕豐，呂顏冬，等.變壓器油紙絕緣含水量定量評(píng)估的頻域介電特征參量研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（1）：204-211．

［6］中國(guó)石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院，西安熱工研究院有限公司，中國(guó)石油天然氣股份有限公司潤(rùn)滑油分公司，等.GB 2536—2011 電工流體變壓器和開關(guān)用的未使用過的礦物絕緣油［S］.北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2011.

［7］梁洲.變壓器油的生產(chǎn)工藝及質(zhì)量評(píng)價(jià)［J］.技術(shù)應(yīng)用，2018，25（1）：152.

［8］馬蕊燕，甄新平，張靜，等.變壓器油生產(chǎn)技術(shù)及國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品介紹［J］.潤(rùn)滑油，2017，32（6）：56-60.

TM41

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.19.049

2095－6835（2019）19－0120－02

雍軍（1971—），男，研究方向?yàn)樘馗邏涸O(shè)備運(yùn)檢技術(shù)。

〔編輯：王霞〕