基礎油烴組成對油紙復合體系介質損耗因數的影響

王會娟，楊 雪，方 樂，李盛濤，陳 華，張 海，于會民，張 昱

(1.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，西安 710000；2.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心；3.中國石油潤滑油重點實驗室；4.中國石油克拉瑪依潤滑油廠)

在電場作用下，由于介質電導和介質極化的滯后效應，絕緣材料內部存在能量損耗，即介質損耗。介質損耗因數(簡稱介損)是評價不同絕緣材料介質損耗，判斷電氣設備絕緣狀況和絕緣材料質量優(yōu)劣的關鍵參數。在絕緣材料實際使用過程中，嚴禁出現大的介質損耗，否則會引起劇烈生熱而破壞，因此在電氣設備中選用介損小的介質具有重要的意義[1]。

環(huán)境因素(溫度、濕度、污染等)和自身因素(質量變化)都會對絕緣材料的介損造成影響，而環(huán)境因素對介損的影響，目前已有大量研究。由建等[2]研究了電流互感器介損隨溫度的變化規(guī)律，發(fā)現溫度對不同介質的影響與介質的化學結構(極性或非極性)有較大關系。部分學者[3-5]測定了不同溫度下變壓器油浸漬絕緣紙板體系的頻域介電譜。結果表明：隨著溫度的升高，絕緣材料的介損在低頻下呈增大趨勢，在高頻下無明顯變化；高溫下，油紙復合體系更易老化，其電導率和紙板的水分更高，介損更高。廖瑞金等[6]通過研究不同含水量、不同老化程度油紙復合體系的介損特性發(fā)現：在相同溫度下，隨著油紙復合體系老化程度的加深或水分含量的增加，其介質損耗均逐漸增大；隨著溫度升高，老化程度或水分含量對油浸絕緣紙板介質損耗的影響越來越顯著。王獻敏等[7]考察了絕緣油自身老化對其介損的影響，發(fā)現絕緣油介損隨著其酸值的增加而增大。

在油紙復合體系中，變壓器油的組成非常復雜，不同組分對于體系介損可能會有不同影響。變壓器油的族組成主要包括烷烴(正構烷烴和異構烷烴)、環(huán)烷烴、芳烴(單環(huán)芳烴和多環(huán)芳烴)，以及少量雜環(huán)化合物，如含氧、含硫化合物等[8]。變壓器油基礎油的烴組成分析方法主要有碳型組成分析(SH/T 0725—2002)[9]、結構族組成分析(DL/T 929)[10]、組成分析(棒狀薄層色譜法)等。不同測試方法的測試結果略有差異[11]，其中，碳型組成分析方法將變壓器油復雜的組分分子簡單看作是由鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴組成的單一組分分子，并測定該組分分子中芳碳率(CA)、環(huán)烷碳率(CN)、鏈烷碳率(CP)，該方法測試結果的重復性最好。

目前，對于油紙復合絕緣體系介損的研究主要集中于溫度、老化程度和水分對介損特性的影響，而變壓器油烴組成對其介損的影響尚未見報道?；诖?，本課題按照標準方法SH/T 0725測定不同變壓器油的烴組成，并結合其密度、黏度等性質關聯其化學組成；選取不同組成的變壓器油制備油紙復合體系，考察不同變壓器油組分(飽和烴、芳烴、硫化物)對油紙復合絕緣體系介損的影響，為變壓器油新產品開發(fā)及運行設備故障診斷提供指導。

1 實 驗

1.1 原材料與儀器

不同飽和烴、芳烴、硫含量的變壓器油基礎油(簡稱基礎油)包括環(huán)烷基基礎油(R1，R5，R6，R7，R8，R11，R12)、中間基基礎油(R2，R9，R10)和石蠟基基礎油(R3)，均為中國石油潤滑油公司產品；天然氣合成基礎油(R4，GTL基礎油)，Shell公司產品；絕緣紙板(TIV)，厚度為1.0 mm，泰州魏德曼高壓絕緣有限公司產品。各種基礎油的性質見表1。

表1 基礎油的典型性質

1.2 試樣制備

絕緣紙板試樣制備：將TIV絕緣紙板在105 ℃下烘干24 h，然后將其放置在溫度為40 ℃、濕度為60%的恒溫恒濕箱中貯存并定期檢測，制備得到水質量分數分別為0.5%，2.0%，4.0%，6.0%的絕緣紙板。

油紙復合絕緣體系制備：將TIV絕緣紙板裁剪為直徑為10 cm圓片，并在105 ℃下烘干24 h；將變壓器油在60 ℃、10 Pa下進行真空脫氣、脫水5 h，直至油品氣體質量分數小于0.1%，水質量分數小于5 μg/g；然后將干燥后的絕緣紙板懸吊浸漬于試驗油中，繼續(xù)在10 Pa下進行真空脫氣、脫水處理6 h，直至絕緣紙板被絕緣油完全浸透。得到紙板水質量分數小于0.5%、變壓器油水質量分數小于10 μg/g的油紙復合絕緣體系。

1.3 試驗方法

1.3.1 變壓器油性質和烴組成分析方法

采用奧地利安東帕公司生產的DMA4100M型自動密度儀和SVM3000型全自動運動黏度測試儀，分別測定油品的密度和黏度；采用瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司生產的RM40型自動折光儀，測定油品的折射率；采用德國耶拿分析儀器股份公司生產的EA5000S型硫氮分析儀，測定油品的硫含量。

按照標準方法SH/T 0725測定變壓器油的碳型分布，結合黏度、黏度指數等性質關聯其化學組成。該方法通過測定油品的密度(20 ℃)、黏度(40 ℃)和折射率(20 ℃)，計算得到其黏重常數(VCC)和比折射率(ri)，然后根據標準方法SH/T 0725中的關聯圖直接查出變壓器油的芳碳率、環(huán)烷碳率和鏈烷碳率。

1.3.2 油紙復合體系介損的測定

采用瑞士TETTEX公司生產的2821型介損儀和杭州總研電氣有限公司生產的RY2型固體絕緣材料測試電極，測定油紙復合體系的介損。測試參數：頻率為50 Hz，電壓為1 kV，電極間隙為1 mm，測量溫度范圍為15～110 ℃，介質損耗因數測量范圍為1.0×10-6～11.0，介損測量最大分辨率為2.0×10-5。

2 結果與討論

2.1 水分含量對絕緣紙板介損的影響

為準確考察基礎油烴組成對絕緣紙板介損的影響，首先對絕緣紙板的介損進行了測定，并考察溫度和紙板水質量分數對介損的影響。測定不同溫度下、不同水質量分數(0.5%～6.0%)絕緣紙板的介損，結果如圖1所示。

一般而言，介質損耗主要包括3種，即由電導電流能量損耗引起的電導損耗、由分子內部微觀粒子極化引起的極化損耗以及由局部游離放電引起的游離損耗[1]，因此絕緣介質中極性物質(如水分等)含量增加會導致其介損增大。由圖1(a)可以看出，當絕緣紙板的水質量分數為0.5%時，隨著溫度的升高，絕緣紙板的介損先減小后增大。這可能是因為：隨著溫度開始升高，水分子熱運動加劇，分子完全獲釋而松弛的時間縮短，導致其在外加交變電場下完全極化，而由于水分子的定向能，松弛極化的損耗及介損則隨著溫度升高而減??；隨著溫度繼續(xù)升高，分子熱運動加劇反而阻礙偶極分子在電場方向的定向運動，體系電導率隨著溫度升高呈指數級上升，電導電流不斷增加，相應的介損不斷增大。

由圖1(b)可以看出：當絕緣紙板水質量分數超過2.0%后，絕緣紙板的介損隨著溫度的升高而增大；而且，水質量分數越高，絕緣紙板的介損越大，同時介損隨著溫度升高而增大的趨勢越明顯。這是由于水分子作為極性小分子增強了介質的有損極化，導致極化損耗增大。

圖1 不同水含量絕緣紙板的介損隨著溫度升高的變化趨勢

綜上所述，為了盡可能減少水分對絕緣紙板介損的影響，需嚴格控制絕緣紙板中水質量分數不高于0.5%，絕緣油中水質量分數不高于10 μg/g。

2.2 烴組成對油紙復合體系介損的影響

2.2.1 飽和烴含量對油紙復合體系介損的影響

飽和烴是變壓器油中的重要組成組分,主要包括環(huán)烷烴和鏈烷烴。其中，環(huán)烷烴的環(huán)結構中一般有5～7個碳原子，最常見的是六元環(huán)結構，其具有極佳的電氣絕緣性能和油泥溶解性能；變壓器油中的鏈烷烴主要是異構烷烴，其低溫性能優(yōu)異，但對運行過程中產生的氧化物等溶解性較差，不利于設備長期穩(wěn)定運行。

為考察飽和烴含量(即環(huán)烷碳率，CP)對油紙復合體系介損的影響，將絕緣紙板分別在不同鏈烷烴含量的基礎油R1，R2，R3，R4中進行充分浸漬，然后分別在30，50，70，90 ℃下測試油紙復合體系的介損，結果見圖2。

圖2 不同溫度下基礎油飽和烴含量變化對油紙復合體系介損的影響

由圖2可以看出：低溫下，飽和烴含量對油紙復合體系介損的影響不明顯；隨著溫度升高，基礎油鏈烷烴含量越高、環(huán)烷烴含量越低，油紙復合體系的介損越大。由于變壓器設備運行工況溫度一般為60～80 ℃，為盡可能減小油紙復合體系的介損，建議基礎油的CP低于50%。

2.2.2 芳烴含量對油紙復合體系介損的影響

變壓器油中的芳烴包括單環(huán)芳烴、雙環(huán)芳烴和多環(huán)芳烴。芳烴的電氣性能及其對添加劑感受性較差，但芳烴具有優(yōu)異的溶解性能和氣體吸收特性；同時，部分芳烴是天然的氧化抑制劑[12]，其氧化產物酚可以抑制氧化過程的自由基反應，因此芳烴是變壓器油不可缺少的重要烴組分。為考察基礎油芳烴含量(即芳碳率，CA)對油紙復合體系介損的影響，將絕緣紙板分別在不同芳烴含量的基礎油R5，R6，R7，R8樣品中進行充分浸漬，然后分別在30，50，70，90 ℃下測試油紙復合體系的介損，結果見圖3。

圖3 不同溫度下基礎油芳烴含量變化對油紙復合體系介損的影響

由圖3可以看出：在考察范圍內，芳烴含量越高，油紙復合體系的介損越大；低溫下，不同芳烴含量的油紙復合體系的介損相差不大，但溫度越高，芳烴含量對油紙復合體系介損的影響越大。鑒于芳烴較好的天然抗氧化作用和溶解油泥作用，建議絕緣油芳烴率控制在3%以下。

2.3 硫含量對油紙復合體系介損的影響

對于不加抗氧劑的變壓器油而言，保留適量的硫化物，可以形成油品抗氧化性能與抗腐蝕性能的平衡[8]；對于添加抗氧劑變壓器油，由于硫化物潛在的腐蝕性及其對抗氧劑的感受性差等原因，其含量越低越好。

為考察硫含量對油紙復合體系介損的影響，在基本不含硫的基礎油R2(硫質量分數小于1 μg/g)中加入高硫基礎油，調合成不同硫含量的基礎油R9，R10，R11，R12，其硫質量分數分別為85，161，241，322 μg/g。將絕緣紙板分別在R2，R9，R10，R11，R12中進行充分浸漬，然后分別在30，50，70，90 ℃下測試油紙復合體系的介損(忽略在R2中引入高硫基礎油對調合基礎油碳型組成變化的影響)，結果見圖4。

由圖4可以看出，無論高溫或低溫，隨著基礎油硫含量升高，油紙復合體系的介損逐漸增大，且不同溫度下介損增幅較為一致。隨著溫度升高，不同硫含量的油紙復合體系的介損均先減小后增大，在溫度為60～70 ℃時，體系的介損最小。這主要是由于變壓器油基礎油中的硫化物分子均具有一定的極性，極性物質含量增加時導致油紙復合體系介損增大。因此，對于添加抗氧劑的變壓器油，硫含量越低越好；對于不加抗氧劑的變壓器油，在滿足抗氧化性能的前提下，應盡可能降低硫含量。

圖4 基礎油硫質量分數對油紙復合體系介損的影響

2.4 變壓器油理想組分構成

綜合不同烴組成對油紙復合體系介損的影響，并結合前期研究結果[13-16]，提出變壓器油的理想組分構成。目前，市場上的變壓器油產品主要包括不加抗氧劑的變壓器油和添加抗氧劑(2，6-二叔丁基對甲酚)的變壓器油兩大類。因此，分別分析其理想組成，結果如表2所示。由表2可以看出：與添加抗氧劑的變壓器油相比，在不加抗氧劑的變壓器油的理想構成組分中芳烴含量更高，且要求包含一定量的硫化物(質量分數50～100 μg/g)，芳烴和硫化物的主要作用在于提高基礎油的抗氧化能力；此外，無論是不加抗氧劑或添加抗氧劑的變壓器油，均要求含有較高比例的環(huán)烷烴和一定比例的飽和烴，二者協(xié)同作用，既能提高變壓器油的電氣性能、溶解性能和抗氧劑的感受性，也能提高變壓器油的黏度指數和低溫流動性，使變壓器油的適用溫度范圍更寬。因此，含有適量芳烴的環(huán)烷基油是變壓器油的理想基礎油。

表2 變壓器油基礎油的理想組成

3 結 論

低溫下，基礎油飽和烴含量和芳烴含量變化對油紙復合體系的介損影響不明顯；隨著溫度的升高，鏈烷烴含量和芳烴含量越高的基礎油，其油紙復合體系的介損越大，且溫度越高其介損增大的趨勢越明顯。

基礎油硫含量越高，油紙復合體系的介損越大；不同溫度下，油紙復合體系介損隨著基礎油硫含量增加的變化幅度差別不大。

變壓器油的理想基礎油為含有適量芳烴的環(huán)烷基油。對于不加抗氧劑的變壓器油，在保證其抗氧化性能前提下，其硫含量應保持在適量較低水平；對于添加抗氧劑的變壓器油，需保持適量的芳烴和鏈烷烴組分，但應盡可能去除硫化物。