變壓器油組成與氧化安定性相關(guān)性研究

馬蕊燕，何軍，周勇，張美瓊，張靜

(克拉瑪依石化有限責(zé)任公司煉油化工研究院，新疆 克拉瑪依 834003)

0 引言

變壓器是輸變電設(shè)備中最重要的電器設(shè)備,這就要求變壓器在使用過(guò)程中一定要具有長(zhǎng)的使用壽命和可靠性,尤其是高壓輸電設(shè)備,世界各國(guó)在設(shè)計(jì)變壓器時(shí),都做到使變壓器油和變壓器內(nèi)的絕緣材料同壽命,一般為20～30 年。變壓器油填充在絕緣材料的縫隙中起到了絕緣作用、冷卻作用以及延緩氧對(duì)絕緣材料的侵蝕，從而起到保護(hù)鐵芯和線圈的作用，油品的優(yōu)劣直接影響電力設(shè)備的安全性能[1-2]。變壓器油是非常復(fù)雜的混合物，現(xiàn)代分析手段不能將其完全分離，目前只能按其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單分為烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴，芳烴中還會(huì)有一些雜環(huán)化合物，環(huán)烷烴中還含氧、含硫等[3]。變壓器油的氧化安定性是保證變壓器長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的重要指標(biāo)，這就要求變壓器油不僅具有良好電氣性能，而且必須具有良好的氧化安定性能，不同的結(jié)構(gòu)組成對(duì)油品的氧化安定性影響差異很大[4-5]。鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴對(duì)變壓器油氧化安定性貢獻(xiàn)有很大的差別[6-8]，關(guān)于這方面的定性關(guān)系已經(jīng)有很多前人做過(guò)研究，但是定量關(guān)系卻很少研究。

1 變壓器油A餾分段氧化安定性評(píng)價(jià)試驗(yàn)

以環(huán)烷基變壓器油A作為基礎(chǔ)油，以每10 ℃為單位進(jìn)行窄餾分切割試驗(yàn)，將切割的窄餾分段作為研究對(duì)象進(jìn)行氧化安定性試驗(yàn)，研究變壓器油A餾分段在氧化條件下，酸值、介損和油泥量與組成之間的定量關(guān)系，考察組成中鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴等對(duì)變壓器油A氧化安定性差別的大小，從而確定關(guān)鍵組分，表1為氧化安定性試驗(yàn)條件。

表1 氧化安定性試驗(yàn)條件[9]

表2顯示的是變壓器油A在表1中的試驗(yàn)條件下進(jìn)行的氧化安定性試驗(yàn)后的性質(zhì)分析，圖1～圖3顯示的是變壓器油A隨著餾分段的變重，餾分段氧化后總酸值、介損和沉淀的變化趨勢(shì)。

圖1 餾分段總酸值變化趨勢(shì)

圖2 餾分段介損變化趨勢(shì)

圖3 餾分段沉淀變化趨勢(shì)

表2 氧化安定性試驗(yàn)性質(zhì)測(cè)定

(1)從圖1中的總酸值圖形可以看出：變壓器油A窄餾分段中中間餾分段308～318 ℃的揮發(fā)性酸增長(zhǎng)趨勢(shì)要大于其他餾分段；

(2)從圖2可以看出，變壓器油A窄餾分段除去前面變化比較突兀的輕組分段228～278 ℃后，餾分段308～318 ℃的介損值較大，與總酸值的變化趨勢(shì)基本相似；

(3)從圖3可以看出，變壓器油A窄餾分段的沉淀變化趨勢(shì)呈現(xiàn)鋸齒狀，其中餾分段308～318 ℃的沉淀值較高。

2 質(zhì)譜分析以及關(guān)鍵組分的確定

質(zhì)譜分析以及關(guān)鍵組分的確定見表3。

表3 變壓器油A組成分析

從表3顯示的是變壓器油A通過(guò)氣相色譜儀測(cè)定的質(zhì)譜組成分析，為了考察變壓器油A組成里不同組分對(duì)變壓器油A的氧化安定性的影響程度，通過(guò)化工數(shù)據(jù)計(jì)算軟件列出以下多元線性回歸方程[10]，從而得到表4～表6中回歸系數(shù)a1……an，以及相關(guān)系數(shù)值R2分別為：

C01=a0+a1C02+a2C03+……+anC0(n+1)

(1)

其中C01為變壓器油A窄餾分段氧化安定性質(zhì)測(cè)試分析所得到的油泥值、介損值和酸值；

C02，C0(n+1)為變壓器油A窄餾份段的質(zhì)譜組成分析；

a0為常數(shù)項(xiàng)；a1，an為回歸系數(shù)，n為自然數(shù)；R2為相關(guān)系數(shù)值；

相關(guān)系數(shù)值R2介于-1與+1之間，即-1≤R2≤+1，其性質(zhì)如下：

當(dāng)R2>0時(shí)，表示兩變量正相關(guān)，R2<0時(shí)，兩變量為負(fù)相關(guān)；

當(dāng)∣R2∣=1時(shí)，表示兩變量為完全線性相關(guān)，即為函數(shù)關(guān)系；

當(dāng)R2=0時(shí)，表示兩變量間無(wú)線性相關(guān)關(guān)系；

當(dāng)0<∣R2∣<1時(shí)，表示兩變量存在一定程度的線性相關(guān)，且∣R2∣越接近1，兩變量間線性關(guān)系越密切，∣R2∣越接近于0，表示兩變量的線性相關(guān)越弱；

一般可按三級(jí)劃分：∣R2∣<0.4為低度線性相關(guān)；0.4≤∣R2∣<0.7為顯著性相關(guān)；0.7≤∣R2∣<1為高度線性相關(guān)[11]。

表4～表6中分別得到變壓器油A氧化之后的油泥、介損以及酸值與組成的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用化工計(jì)算軟件，通過(guò)多元線性回歸方程，從而得到回歸系數(shù)a1……an，以及相關(guān)系數(shù)值R2。

表4 油泥與組成的相關(guān)度數(shù)據(jù)

表5 介損與組成的相關(guān)度數(shù)據(jù)

表6 酸值與組成的相關(guān)度數(shù)據(jù)

表4中的相關(guān)系數(shù)值R2為0.9214，說(shuō)明方程(1)高度線性相關(guān)，方程比較可靠，得出變壓器油A氧化安定性后油泥與組成中的四環(huán)芳烴、四環(huán)烷烴、二環(huán)烷基苯以及環(huán)烷基苯有關(guān)，從回歸系數(shù)a1～a4的值的大小來(lái)看，基礎(chǔ)油氧化后對(duì)油泥的貢獻(xiàn)大小的順序是：四環(huán)芳烴、四環(huán)烷烴、二環(huán)烷基苯，特別是后兩種物質(zhì)是我們以前認(rèn)識(shí)不足的物質(zhì)。從表5中的相關(guān)系數(shù)值R2和回歸系數(shù)a1～a7值，可以得出：變壓器油A氧化安定性的介損值主要與四環(huán)芳烴、三環(huán)芳烴、二環(huán)芳烴等有關(guān)，其中前兩種物質(zhì)對(duì)介損的貢獻(xiàn)最大。從表6中的相關(guān)系數(shù)值R2和回歸系數(shù)來(lái)看，變壓器油A組成中對(duì)酸值影響的主要物質(zhì)是鏈烷烴，此外是二環(huán)烷基苯、環(huán)烷烴和膠質(zhì)。

3 結(jié)論

從以上的試驗(yàn)過(guò)程可知：變壓器油A中的理想組分是萘和環(huán)烷基苯，非理想組分是三環(huán)以上芳烴、四環(huán)以上芳烴、鏈烷烴、二環(huán)烷基苯和膠質(zhì)。三環(huán)和四環(huán)以上芳烴易與氧化物反應(yīng)生成沉淀，而鏈烷烴和二環(huán)烷基苯和膠質(zhì)含有不飽和雙鍵，在空氣氧化條件下，含有不飽和鍵的物質(zhì)首先被氧化，發(fā)生氧化脫氫反應(yīng)，而生成酸、多環(huán)芳烴和油泥大分子等物質(zhì)[12-13]。建議根據(jù)直鏈烷烴含量的變化酌情考慮增加烷基化反應(yīng)，使直鏈烷烴與單環(huán)、雙環(huán)芳烴烷基化，降低鏈烷烴的不飽和性和氧化裂解的可能性，或是在油樣中調(diào)入富含萘以及雙環(huán)芳烴類化合物，從而提高變壓器油A的氧化安定性，延長(zhǎng)變壓器油壽命。