芳烴含量對不含抗氧劑變壓器油運行特性影響的研究

馮濤，李軍，馬志遠

(中海瀝青股份有限公司，山東 濱州 256601)

0 引言

變壓器油適用于變壓器、電抗器、互感器、套管等充油電氣設(shè)備，是起到絕緣和冷卻作用的一種絕緣油品[1]。變壓器油要保證變壓器等電氣設(shè)備長期、穩(wěn)定運行，須具備良好的氧化安定性、析氣性等運行特性。氧化安定性主要包括總酸值、油泥、介質(zhì)損耗因數(shù)，良好的抗氧化性能，可以減緩油品的氧化，減少油泥的產(chǎn)生，有利于電氣設(shè)備的長期、安全運行。析氣性是油品在電場作用下，放出或吸收氣體傾向的指標。較好的抗析氣性能，可以吸收因局部放電故障產(chǎn)生的氫氣，防止發(fā)生氣隙放電，導致電氣設(shè)備的絕緣性遭到破壞。國標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》以及國際電工委員會標準IEC 60296《Fluids for Electrotechnical Applications-Unused Mineral Insulating Oils for Transformers and Switchgear 》[2]中對運行特性的氧化安定性和析氣性均有所要求。其中，國際電工委員會標準對變壓器油中添加劑的種類及添加量的限制逐步嚴苛[3-5]，隨著我國電氣設(shè)備出口量的增大，未來不含抗氧劑變壓器油的市場份額將逐漸增大[6-8]。

本文以中國海油環(huán)烷基餾分油為原料，采用不同工藝制備不同芳烴含量的變壓器油，考察芳烴含量(芳香碳CA)對不含抗氧劑變壓器油氧化安定性及其析氣性的影響，為變壓器油的加工和使用過程提供參考。

1 實驗

1.1 試驗原料

試驗原料為中國海油渤海灣產(chǎn)環(huán)烷基原油餾分油。原料性質(zhì)見表1。

表1 原料油主要性質(zhì)

由表1可以看出：中國海油渤海灣產(chǎn)環(huán)烷基餾分油屬于典型的環(huán)烷基餾分油，具有傾點低、環(huán)烷碳和芳香碳含量高的特點，是制備對低溫性能要求高的變壓器油的理想原料[9-10]。

1.2 試驗裝置及分析儀器

溶劑萃取裝置為沈陽施博達儀器儀表有限公司生產(chǎn)，進料量1.5 kg/h；加氫試驗裝置為北京拓川科研設(shè)備股份有限公司生產(chǎn)，催化劑最大裝填量200 mL。

礦物絕緣油氧化安定性測定儀為美國科勒公司生產(chǎn)，型號K12190；變壓器油析氣性測定儀為吉林吉分儀器有限公司生產(chǎn)，型號JYXQ2013。

1.3 樣品制備

樣品1采用全加氫工藝(加氫處理-臨氫降凝-補充精制)制備。加氫處理和臨氫降凝采用鉬-鎢-鎳型催化劑，補充精制采用貴金屬催化劑，反應(yīng)壓力15 MPa。

樣品2～7采用加氫脫酸-溶劑精制-白土精制工藝制備。加氫脫酸工藝采用鉬-鎢-鎳型催化劑，反應(yīng)壓力3.2 MPa，反應(yīng)溫度310 ℃；溶劑精制工藝采用糠醛作為溶劑進行逆向萃取；白土精制采用市售白土。通過調(diào)節(jié)溶劑精制過程中的劑油比(1.0∶1～2.8∶1)制備不同芳烴含量的變壓器油。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品性質(zhì)

采用不同工藝制備不含抗氧劑的變壓器油樣品1～7。對樣品進行理化指標分析，分析數(shù)據(jù)見表2。由表2可以看出7個樣品均符合GB 2536-2011中最低冷態(tài)投運溫度-20 ℃的理化指標要求。為考察不同芳烴含量對變壓器油運行特性的影響，對樣品的氧化安定性、析氣性進行分析。

表2(續(xù))

2.2 芳烴含量對變壓器油氧化安定性的影響

變壓器油的氧化安定性是其重要的運行特性。變壓器油與氧氣有較強的親和作用，在水分、銅鐵等導線材料的催化作用下，發(fā)生氧化反應(yīng)是必然的一個過程。隨著油品氧化程度的加深，會產(chǎn)生酸和酸性物質(zhì)，增加油品的導電能力，降低油品的絕緣性，出現(xiàn)對電氣設(shè)備中銅鐵等金屬材料構(gòu)件的腐蝕，同時腐蝕過程中產(chǎn)生的金屬鹽作為油品氧化的催化劑，進一步加速油品的氧化[11-13]。變壓器油的氧化安定性主要包括氧化后酸值、油泥、介質(zhì)損耗因數(shù),1～7號樣品的氧化安定性情況見表3。

表3 不同芳烴含量變壓器油的氧化安定性(120 ℃，164 h)

由表3可以看出樣品1～7的氧化安定性均符合GB 2536-2011中規(guī)定的要求；當樣品的CA值在5%～11.8%范圍內(nèi)，隨著芳烴含量的降低，樣品氧化后的酸值、產(chǎn)生油泥含量、介質(zhì)損耗因數(shù)均呈現(xiàn)出減小的趨勢，油品的抗氧化性能提升，氧化安定性變好；隨著樣品精制程度的進一步加深(CA值在0～5%范圍內(nèi))，代表芳烴含量的CA值不斷降低，樣品氧化后的酸值、產(chǎn)生油泥含量、介質(zhì)損耗因數(shù)均呈現(xiàn)出增大的趨勢，油品的抗氧化性能降低，氧化安定性變差。適度地降低變壓器油中的芳烴含量對其氧化安定性有利，但當其CA值小于5%時，變壓器油的氧化安定性反而會變差。不含抗氧劑的變壓器油中的芳烴大多是易被氧化的組分，但同時也能溶解部分氧化產(chǎn)生的酸性物質(zhì)及油泥，因此變壓器油中含有適宜的芳烴組分，對其氧化安定性是有利的。

2.3 芳烴含量對變壓器油析氣性的影響

變壓器油的析氣性與油品的化學組成有較大關(guān)系。變壓器油在電氣設(shè)備中長期運行，會放出一定量的氣體，同時產(chǎn)生X蠟。放出的氣體會進一步電離形成更多的氣體和X蠟， X蠟不溶于油，會影響油品的導熱和絕緣性[14-15]。具有良好析氣性的變壓器油可以吸收運行過程中產(chǎn)生的氣體，保證電氣設(shè)備的長期運行安全。1～7號樣品的析氣性見表4。

表4 不同芳烴含量變壓器油的析氣性

由表4可以看出隨著樣品中芳烴含量的降低，樣品的析氣性數(shù)值逐漸增大，析氣性能變差。芳烴含有一定量的不飽和鍵，可以吸收運行過程中產(chǎn)生的氫氣，故變壓器油隨著精制程度的加深，芳烴含量的降低，析氣性能變差。

3 結(jié)論

(1)以中國海油渤海灣產(chǎn)環(huán)烷基原油餾分油為原料，采用全加氫工藝和加氫脫酸-溶劑精制-白土精制組合工藝均可制備滿足GB 2536-2011要求的變壓器油。

(2)變壓器油的CA值在5%～11.8%范圍內(nèi)，油品的氧化安定性隨著芳烴含量的降低，呈現(xiàn)變好的趨勢；變壓器油的CA值在0～5%范圍內(nèi)，油品的氧化安定性隨著芳烴含量的降低，反而呈現(xiàn)出下降的趨勢。變壓器油的CA值在0～11.8%范圍內(nèi)，油品的析氣性隨著芳烴含量的降低不斷增大，析氣性能變差。

(3)為使不含抗氧劑的變壓器油兼具良好的氧化安定性與析氣性，其CA值應(yīng)保持在5%左右。