不同飽和烴對(duì)變壓器油性能的影響

王會(huì)娟,于會(huì)民,馬書杰,張 綺

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，新疆 克拉瑪依 834003；2.中國石油潤滑油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

不同飽和烴對(duì)變壓器油性能的影響

王會(huì)娟1，2,于會(huì)民1，2,馬書杰1，2,張 綺1，2

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，新疆 克拉瑪依 834003；2.中國石油潤滑油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

考察了不同飽和烴對(duì)變壓器油電氣性能、抗氧化性能、溶解性能、抗析氣性能和熱物性的影響。結(jié)果表明，不同飽和烴的電氣性能、熱物性、抗析氣性能、抗氧化性能及對(duì)抗氧劑的感受性相當(dāng)，但環(huán)烷烴具有優(yōu)異的溶解性能，是變壓器油的理想組分。

飽和烴 鏈烷烴 環(huán)烷烴 抗氧劑 變壓器油

變壓器油在變壓器、電抗器等電氣設(shè)備中，主要起絕緣和冷卻作用。為保證電氣設(shè)備長周期安全運(yùn)行，變壓器油須具備優(yōu)異的低溫性能，傾點(diǎn)低、低溫黏度小，以滿足電氣設(shè)備低溫啟動(dòng)要求；較低的高溫黏度，有利于電氣設(shè)備散熱冷卻；優(yōu)異的電氣性能，滿足電氣設(shè)備絕緣要求；較好的抗析氣性能，能夠吸收因局部放電故障產(chǎn)生的氫氣，從而防止發(fā)生氣隙放電，破壞電氣設(shè)備的絕緣；較好的抗氧化性能，盡量減緩油品的氧化，減少油泥的生成，有利于電氣設(shè)備的長期、安全運(yùn)行；適宜的溶解油泥性能，能夠溶解電氣設(shè)備長周期運(yùn)行過程中形成的油泥而避免破壞絕緣材料和影響傳熱。

文獻(xiàn)中關(guān)于純鏈烷烴和環(huán)烷烴性能的理論研究很多[1-2]，但到目前為止，關(guān)于不同飽和烴對(duì)變壓器油性能影響差異的系統(tǒng)研究未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。礦物油基礎(chǔ)油組成非常復(fù)雜，為使研究結(jié)論更好地與實(shí)際結(jié)合，本研究不采用模型化合物，而直接選用含不同含量鏈烷烴和環(huán)烷烴的高壓加氫變壓器油基礎(chǔ)油，系統(tǒng)考察不同含量環(huán)烷烴和鏈烷烴對(duì)變壓器油電氣性能、抗氧化性能、溶解性能、抗析氣性能和熱物性的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

試驗(yàn)用主要原料性質(zhì)見表1，涉及不同烴組成不同基屬變壓器油。主要添加劑性質(zhì)見表2。

表1 主要原料性質(zhì)

2 結(jié)果與討論

為使研究結(jié)論更好地與實(shí)際變壓器油結(jié)合，實(shí)驗(yàn)室選擇了4種不同含量鏈烷烴和環(huán)烷烴的變壓器油基礎(chǔ)油，即環(huán)烷基高壓加氫油R3、中間基高壓加氫油R4、石蠟基高壓加氫油R5以及天然氣合成油R6(約含95%異構(gòu)烷烴)為試驗(yàn)原料，進(jìn)行了二次精制處理，以徹底消除芳烴含量的影響，所得基礎(chǔ)油分別命名為R3′，R4′,R5′和R6′，其性質(zhì)如表3所示。

由表3可以看出：實(shí)驗(yàn)室二次精制后的4種變壓器油基礎(chǔ)油黏度相近，基屬覆蓋環(huán)烷基、中間基、石蠟基以及天然氣合成油基礎(chǔ)油；從烴組成數(shù)據(jù)看出，不含芳烴，主要含不同結(jié)構(gòu)的環(huán)烷烴和鏈烷烴；從紫外吸光度結(jié)果來看，精制處理后的4個(gè)基礎(chǔ)油均滿足化妝食品級(jí)白油標(biāo)準(zhǔn)，也說明了所選的基礎(chǔ)油較好地脫除了芳烴。

表2 主要添加劑T501及其性質(zhì)

表3 不同飽和烴變壓器油基礎(chǔ)油性質(zhì)

2.1鏈烷烴和環(huán)烷烴對(duì)變壓器油電氣性能的影響

選用以上二次精制后的基礎(chǔ)油R3′，R4′，R5′，R6′，考察不同鏈烷烴和環(huán)烷烴含量對(duì)變壓器油基礎(chǔ)油電氣性能的影響，結(jié)果見表4。

從表4可以看出，在現(xiàn)有儀器檢測限和檢測水平下，不同鏈烷烴和環(huán)烷烴含量對(duì)變壓器油基礎(chǔ)油電氣性能影響不大，且由于飽和烴的弱極性而均表現(xiàn)出非常優(yōu)異的電氣性能。

表4 不同飽和烴對(duì)變壓器油電氣性能的影響

2.2不同飽和烴對(duì)變壓器油抗氧化性能的影響

IEC 60296—2012《電工流體：變壓器和開關(guān)用的未使用過的礦物絕緣油規(guī)格》[3]中規(guī)定變壓器油氧化安定性采用IEC 61125C《未使用烴基絕緣液的氧化安定性測試方法》進(jìn)行評(píng)定。為此，本研究采用IEC 61125C法對(duì)基礎(chǔ)油氧化后的總酸值進(jìn)行12，24，36，48，60 h的連續(xù)監(jiān)測，并測試了60 h氧化后的油泥含量，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1氧化試驗(yàn)結(jié)果表明：不同飽和烴抗氧化性能相當(dāng)，即不同鏈烷烴和環(huán)烷烴含量對(duì)基礎(chǔ)油自身抗氧化性能基本無影響；飽和烴在氧化24 h以后，其總酸值已超過IEC 60296—2012標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)不加抗氧劑變壓器油的指標(biāo)酸值不大于1.2 mgKOH/g的要求，說明飽和烴抗氧化性能較差，但由于不含芳烴，短時(shí)間內(nèi)其氧化后產(chǎn)生的油泥較少，遠(yuǎn)低于油泥指標(biāo)不大于0.8%的要求。

為考察不同飽和烴對(duì)抗氧劑的感受性，在基礎(chǔ)油中分別添加0.1%T501進(jìn)行500 h抗氧化性能評(píng)價(jià)；同時(shí)為進(jìn)一步消除微量芳烴的影響，在4種基礎(chǔ)油中分別添加20%的高芳烴基礎(chǔ)油R1，再調(diào)合0.3%T501進(jìn)行500 h抗氧化性能評(píng)價(jià)，結(jié)果見表5。

從表5可以看出，芳烴含量相近時(shí)，不同飽和烴含量的基礎(chǔ)油對(duì)抗氧劑的感受性相當(dāng)，且表現(xiàn)出了非常優(yōu)異的抗氧劑感受性，添加0.1%T501即可滿足IEC 60296—2012高級(jí)別變壓器油對(duì)抗氧化性能的要求(酸值不大于0.3 mgKOH/g，油泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.05%)。

圖1 基礎(chǔ)油氧化試驗(yàn)結(jié)果 ◆—R3′； ■—R4′； ▲—R5′； ●—R6′

表5 不同飽和烴對(duì)抗氧劑感受性的影響

2.3不同飽和烴對(duì)變壓器油油泥溶解性能的影響

一般要求變壓器油能溶解運(yùn)行過程中生成的油泥，以防止油泥沉積在固體絕緣材料、循環(huán)油道或懸浮在高壓電場下，破壞固體絕緣材料和影響散熱。

為研究環(huán)烷烴和鏈烷烴對(duì)溶解油泥性能的影響，實(shí)驗(yàn)室將2 g變壓器運(yùn)行生成的油泥(含純油泥0.038 g)在95 ℃條件下加入到100 g不同鏈烷烴和環(huán)烷烴含量的變壓器油基礎(chǔ)油及含十二烷基苯的油中，攪拌10 min，冷卻至室溫，用0.8 μm濾膜抽濾，稱量，試驗(yàn)結(jié)果見表6和表7。

由表6和表7可以看出：環(huán)烷烴的溶解性明顯優(yōu)于鏈烷烴，鏈烷烴中添加大量烷基苯R2后，其溶解能力才能與環(huán)烷烴相當(dāng)；同時(shí)可以看出不同樣品溶解性能與苯胺點(diǎn)基本一致，說明變壓器油苯胺點(diǎn)可以衡量其溶解性能。

表6 不同油樣對(duì)油泥的溶解性能

表7 加入不同含量的R2后油樣對(duì)油泥的溶解性能

2.4 不同飽和烴對(duì)變壓器油抗析氣性能的影響

變壓器油在高強(qiáng)度電場(如局部放電)電離作用下，部分烴分子會(huì)發(fā)生裂解而產(chǎn)生氫氣等氣體，這部分氣體以微小的氣泡從油中釋放出來。如果小氣泡量增大，則會(huì)互相連接而形成大氣泡，在高壓電場的作用下，油中會(huì)產(chǎn)生“氣隙放電”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致固體絕緣的破壞。因此，抗析氣性也是變壓器油一項(xiàng)重要性能，有些高電場強(qiáng)度的變壓器油甚至要求析氣性為負(fù)值。

采用GB/T 11142方法，分別測試4種基礎(chǔ)油的析氣性以及各添加20%高芳烴基礎(chǔ)油R1，15%R2后的析氣性，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 不同飽和烴含量基礎(chǔ)油的抗析氣性能

由表8可以看出：不同鏈烷烴含量高壓加氫基礎(chǔ)油的抗析氣性能相當(dāng)，且均具有很高的析氣值，添加抗析氣組分后，其析氣值大幅下降；但添加相同量的抗析氣組分后，鏈烷烴含量越高，析氣性降低的程度越大，這可能是因?yàn)榄h(huán)烷烴抑制了芳烴的加氫反應(yīng)，環(huán)烷烴含量越高，析氣性越高。

2.5鏈烷烴和環(huán)烷烴對(duì)變壓器油熱物性的影響

散熱冷卻是變壓器油主要作用之一。散熱能力除受黏度、溫度等影響外，與自身的熱力學(xué)性質(zhì)如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和熱膨脹系數(shù)也有關(guān)。一般液體導(dǎo)熱能力的大小決定于微觀粒子的熱振動(dòng)以及具有較高能量的微觀粒子的數(shù)目。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和理論分析可知，影響液體導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素有：液體的種類、結(jié)構(gòu)組成、溫度及黏度等[4]。比熱是物質(zhì)的固有屬性，與其分子鍵能有關(guān)。一般而言，鍵能越小，比熱越大。在一定的溫度下，原子的振動(dòng)中心能夠保持在一定的位置，是因?yàn)樗艿洁徑拥淖饔昧Α团懦饬?，在該位置上這兩種力的作用達(dá)到平衡。按照弗朗克爾的看法，假設(shè)一個(gè)原子不動(dòng)，另一個(gè)原子圍繞平衡位置振動(dòng)，隨著原子遠(yuǎn)離平衡位置，位能逐漸增大，動(dòng)能逐漸減小，即隨著溫度的上升，物體產(chǎn)生了熱膨脹。這就是所謂的位能谷模型，這一模型定性地解釋了熱膨脹的起因[5]。

在不同溫度下考察不同飽和烴含量對(duì)基礎(chǔ)油導(dǎo)熱系數(shù)、比熱及熱膨脹系數(shù)的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖2和表9。

圖2 不同飽和烴含量對(duì)基礎(chǔ)油導(dǎo)熱系數(shù)和比熱的影響◆—R3′； ■—R4′； ▲—R5′； ●—R6′

表9 不同飽和烴含量基礎(chǔ)油的熱膨脹系數(shù)

由圖2和表9可以看出：除烴組成為95%鏈烷烴的天然氣合成油外，其余則無論是導(dǎo)熱系數(shù)、比熱還是熱膨脹系數(shù)，鏈烷烴的熱力學(xué)性質(zhì)均略優(yōu)于環(huán)烷烴，但差別不大，基本在方法誤差范圍內(nèi)，對(duì)實(shí)際應(yīng)用而言沒有區(qū)別。

3 結(jié) 論

(1)環(huán)烷烴和鏈烷烴均具有優(yōu)異的電氣性能和對(duì)抗氧劑的感受性，自身抗氧化性能和抗析氣性能較差。

(2)不同鏈烷烴含量的飽和烴電氣性能、熱物性、抗析氣性能、抗氧化性能及對(duì)抗氧劑的感受性相當(dāng)，鏈烷烴對(duì)抗析氣劑的感受性略好，但環(huán)烷烴溶解性能明顯優(yōu)于鏈烷烴，是變壓器油的理想組分。

[1] 王鳳英，胡斌.一種新方法對(duì)鏈烷烴熱力學(xué)性質(zhì)和沸點(diǎn)的研究[J].青海師專學(xué)報(bào)(教育科學(xué))，2004(5)：89-91

[2] 馬存花.分子摩爾質(zhì)量與鏈烷烴物理化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性研究[J].西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，30(5)：584-588

[3] The International Electrotechnical Commission.IEC 60296—2012：Fluids for Electrotechnical Application-Unused Mineral Insulating Oils for Transformers and Switchgear[S].Switzerland，2012

[4] Sastri R S，Rao K K.A new temperature-thermal conductivity relationship for predicting saturated liquid thermal conductivity[J].Chemical Engineering Journal，1999，74：161-169

[5] 華瑛.材料的熱膨脹性能及其影響因素[J].上海鋼研，2005(2)：60-63

EFFECTOFDIFFERENTSATURATEDHYDROCARBONSONTRANSFORMEROILPERFORMANCE

Wang Huijuan1，2， Yu Huimin1，2， Ma Shujie1，2， Zhang Qi1，2

(1.PetroChinaLanzhouLubricantR&DInstitute，Karamay，Xinjiang834003；2.PetroChinaLubricantKeyLaboratory)

Effects of different saturated hydrocarbons on electrical performance，oxidation stability，solubility property，gassing tendency and thermophysical property of transformer oil were studied.The results show that the electrical performance，thermal performance，gas tendency，oxidation stability and the sensitivity to antioxidant of paraffin and naphthenic hydrocarbons were similar，while the naphthenic hydrocarbons have much better solubility properties than that of paraffin and is the ideal components for transformer oil.

saturated hydrocarbon； paraffin； naphthenic hydrocarbon； inhibitor； transformer oil

2017-03-23；修改稿收到日期：2017-04-25。

王會(huì)娟，主要從事變壓器油產(chǎn)品開發(fā)與應(yīng)用研究工作，發(fā)表論文10篇。

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