變壓器油真空濾油泡沫問(wèn)題的研究

于會(huì)民，盧新萍，黃松柏，方樂(lè)，楊雪，王會(huì)娟，陳華，張綺，張昱

（1.中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心，新疆克拉瑪依 834003；2.中國(guó)石油潤(rùn)滑油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆克拉瑪依 834003；3.克拉瑪依紅山油田有限責(zé)任公司，新疆克拉瑪依 834000；4.中國(guó)石油克拉瑪依潤(rùn)滑油廠，新疆克拉瑪依 834003）

0 引言

隨著電力變壓器的電壓等級(jí)越來(lái)越高，對(duì)變壓器油的絕緣性能要求也越來(lái)越高，進(jìn)而對(duì)變壓器油中的水分含量、氣體含量和雜質(zhì)含量要求也越來(lái)越高。變壓器油中水分含量和氣體含量的多少會(huì)影響真空過(guò)濾周期，變壓器油抗泡沫性能的優(yōu)劣直接影響真空濾油機(jī)的脫水脫氣效果，抗泡沫性能差的變壓器油會(huì)引起真空下的泡沫層快速增加，致使真空濾油設(shè)備發(fā)生報(bào)警而停機(jī)，從而延長(zhǎng)變壓器油的過(guò)濾周期，增大了能源和變壓器油的損耗。近些年來(lái)，這一問(wèn)題受到廣大變壓器制造企業(yè)的關(guān)注。提高變壓器油的抗泡沫性能成為用戶(hù)最為關(guān)心的問(wèn)題[3]。

本文對(duì)變壓器油的抗泡沫性能進(jìn)行調(diào)查，并對(duì)產(chǎn)生泡沫大的變壓器油的解決方案進(jìn)行探索研究，以期為工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

25號(hào)變壓器油（未用過(guò)）、50號(hào)變壓器油（未用過(guò)），中國(guó)石油潤(rùn)滑油公司；25號(hào)變壓器油（用過(guò)）、50號(hào)變壓器油（用過(guò)），廣州西門(mén)子公司；二甲基硅油，廣州標(biāo)美公司；吸附劑，四川金聚隆礦業(yè)有限公司。

1.2 測(cè)試儀器與測(cè)試方法

1.2.1 測(cè)試儀器

DMA4100M型自動(dòng)密度儀、SVM3000型全自動(dòng)黏度測(cè)定儀，奧地利安東帕公司；899型便攜型庫(kù)侖水分測(cè)定儀，瑞士萬(wàn)通公司；OTS100AF型變壓器油擊穿電壓檢測(cè)儀，英國(guó)MEGGER公司；DTL-C型絕緣油介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)量?jī)x，奧地利保爾公司；K100型界面張力測(cè)試儀，德國(guó)Kruss公司；14020-7型潤(rùn)滑油泡沫特性測(cè)試儀，英國(guó)SETA公司；iCAP6000型直讀電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜，美國(guó)ThermoFisher公司；EA5000S型硫氮元素分析儀，德國(guó)耶拿公司。

1.2.2 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)試方法

采用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有：SH/T 0604—2000《原油和石油產(chǎn)品密度測(cè)定法》；NB/SH/T 0870—2013《石油產(chǎn)品動(dòng)力黏度和密度的測(cè)定及運(yùn)動(dòng)黏度的計(jì)算》；NB/SH/T 0207—2010《絕緣液中水含量的測(cè)定法》；GB/T 507—2002《絕緣油擊穿電壓測(cè)定法》；GB/T 5654—2007《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/T 6541—1986《石油產(chǎn)品油水界面張力測(cè)定法》；GB/T 12579—2002《潤(rùn)滑油泡沫特性測(cè)定法》；NB/SH/T 0923-2016《絕緣油中元素含量的測(cè)定》；GB/T 11140—2008《石油產(chǎn)品硫含量的測(cè)定》；SH/T 0657—2007《液態(tài)石油烴中痕量氮的測(cè)定氧化燃燒和化學(xué)發(fā)光法》。

為進(jìn)一步提高期刊可讀性，豐富期刊文化內(nèi)容，推動(dòng)期刊多元化發(fā)展，現(xiàn)面向廣大讀者長(zhǎng)期征集水利人物、水利故事、水利文化等方面的稿件和圖片。

2 結(jié)果與分析

2.1 變壓器油樣品的分析

2.1.1 變壓器油絕緣性能的差異分析

為了考察未用過(guò)和用過(guò)的變壓器油絕緣性能是否有變化，本文重點(diǎn)對(duì)比變壓器油樣品的水分含量、擊穿電壓、介質(zhì)損耗因數(shù)和界面張力，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。從表1的對(duì)比結(jié)果看出，未用過(guò)與用過(guò)的25號(hào)變壓器油和50號(hào)變壓器油的水分含量、擊穿電壓和介質(zhì)損耗因數(shù)的測(cè)試結(jié)果相近，只有界面張力相差較多，用過(guò)的變壓器油的界面張力都在40 mN/m以下。界面張力的測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，反復(fù)填充的變壓器油受到變壓器內(nèi)部材料的污染，導(dǎo)致變壓器油界面張力降低。這些污染物質(zhì)對(duì)變壓器油的絕緣性能沒(méi)有明顯的負(fù)面影響。

表1 變壓器油的性能Tab.1 Performance of transformer oils

2.1.2 變壓器油的微量元素對(duì)比分析

為了查找用過(guò)的變壓器油界面張力降低的原因及相應(yīng)物質(zhì)，重點(diǎn)對(duì)變壓器油樣品中的金屬和非金屬元素進(jìn)行檢測(cè)。由于變壓器油是由有機(jī)化合物組成的復(fù)雜混合物，碳元素和氫元素是有機(jī)化合物組成的基本元素，因此非金屬元素的對(duì)比分析不包括碳元素和氫元素，主要對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。從表2元素分析結(jié)果可知，未用過(guò)的變壓器油與用過(guò)的變壓器油金屬元素主要含有微量的釩元素和鋅元素，非金屬元素主要含有硫元素，用過(guò)的變壓器油中除了含有硫元素外，還含有微量的硅元素。由此可以推斷出，引起用過(guò)的變壓器油界面張力降低的物質(zhì)化學(xué)元素組成中含有硅元素。

表2 變壓器油的元素分析結(jié)果Tab.2 Test results for element of transformer oils

2.1.3 變壓器油的抗泡沫性能對(duì)比分析

目前，國(guó)內(nèi)外沒(méi)有專(zhuān)門(mén)用于變壓器油在真空下泡沫特性檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)方法，本文依據(jù)IEC 60296:2020[4]附件中推薦的方法，參考工業(yè)真空濾油的溫度范圍，選擇在24℃和93.5℃條件下，采用潤(rùn)滑油泡沫特性檢測(cè)法對(duì)變壓器油的抗泡沫性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1測(cè)試結(jié)果可知，與未用過(guò)的變壓器油相比，用過(guò)的變壓器油吹氣5 min后的泡沫體積普遍較大，抗泡沫性能較差。實(shí)驗(yàn)溫度越低，這種差異越明顯。

圖1 變壓器油樣品在不同溫度下的抗泡沫性能Fig.1 Antifoam performance of transformer oil sample at different temperatures

2.2 提高用過(guò)的變壓器油抗泡沫性能方法研究

2.2.1 添加抗泡劑處理法

在潤(rùn)滑油行業(yè)中，提高潤(rùn)滑油抗泡沫性能的方法很多。常用的是向油品中添加抗泡劑，此方法簡(jiǎn)單，效果明顯，得到廣泛使用[5]。潤(rùn)滑油行業(yè)中常用的抗泡劑類(lèi)型有3類(lèi)：硅型、非硅型和復(fù)合型[6]。硅型抗泡劑主要物質(zhì)是聚二甲基硅氧烷，即二甲基硅油，這類(lèi)抗泡劑用量少（1～10 mg/kg），與變壓器油不發(fā)生反應(yīng)，閃點(diǎn)高，凝點(diǎn)低，有良好的氧化安定性。但此類(lèi)抗泡劑對(duì)調(diào)和技術(shù)要求較高，加入方法不同，其抗泡沫效果和消泡持續(xù)性存在很大差異[7]。非硅型抗泡劑主要物質(zhì)是聚丙烯酸酯，這類(lèi)抗泡劑用量較少（50～1 000 mg/kg），抗泡效果好，此類(lèi)抗泡劑對(duì)調(diào)和技術(shù)要求不高，其抗泡沫效果和消泡持續(xù)性好。但是聚丙烯酸酯會(huì)降低變壓器油的界面張力，不適用于變壓器油中。復(fù)合型抗泡劑就是將硅型和非硅型抗泡劑按適當(dāng)比例和工藝加以復(fù)合而成[8-9]，復(fù)合型抗泡劑也含聚丙烯酸酯成分，會(huì)降低變壓器油的界面張力，不適用于變壓器油中。因此，本文選用硅型抗泡劑提高用過(guò)的變壓器油抗泡沫性能。

本文從黏度范圍為1 000～100 000 mm2/s的二甲基硅油中選擇5種樣品，配制濃度為1%的抗泡劑，抗泡劑的配制編號(hào)見(jiàn)表3。從表3可以看出，黏度為125 00 mm2/s以下的抗泡劑穩(wěn)定性較好，貯存7天和30天后，仍然是透明液體且無(wú)沉積物。而黏度為60 000 mm2/s以上的抗泡劑穩(wěn)定性較差，雖然貯存7天后溶液是透明且無(wú)沉積物，但是貯存30天后容器底部有沉積物。

表3 不同黏度的抗泡劑溶液Tab.3 Antifoam liquids with different viscosity

在變壓器油樣品中加入上述不同黏度的抗泡劑，以觀察不同黏度抗泡劑的抗泡沫效果，抗泡劑的有效加入量為10 mg/kg，并對(duì)含有抗泡劑樣品的硅元素、絕緣性能以及抗泡沫性能進(jìn)行檢測(cè)，未用過(guò)的25號(hào)變壓器油試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4和圖2，用過(guò)的25號(hào)變壓器油試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5和圖3。

從表4的結(jié)果可知，在未用過(guò)的25號(hào)變壓器油中加入不同黏度的抗泡劑后，油中的硅元素含量增加，油的界面張力、擊穿電壓和介質(zhì)損耗因數(shù)變化不大，說(shuō)明不同黏度抗泡劑對(duì)變壓器油的絕緣性能沒(méi)有負(fù)面影響。從圖2的結(jié)果可知，在未用過(guò)的25號(hào)變壓器油中加入不同黏度的抗泡劑，其抗泡沫效果是不同的，抗泡劑的黏度越大，其在變壓器油中的抗泡沫效果越好。

圖2 未用過(guò)的25號(hào)變壓器油在不同溫度下的抗泡沫性能Fig.2 Antifoam performance of unused No.25 transformer oil at different temperatures

表4 未用過(guò)的25號(hào)變壓器油的硅元素及絕緣性能檢測(cè)結(jié)果Tab.4 Test result of silicon element and insulation performance of unused No.25 transformer oil

從表5的結(jié)果可知，在用過(guò)的25號(hào)變壓器油中加入不同黏度的抗泡劑，油中的硅元素含量增加，油的界面張力、擊穿電壓和介質(zhì)損耗因數(shù)變化不大，說(shuō)明不同黏度抗泡劑對(duì)變壓器油的絕緣性能沒(méi)有負(fù)面影響。從圖3的結(jié)果可知，在用過(guò)的25號(hào)變壓器油中加入不同黏度的抗泡劑，抗泡劑的黏度越大，其在變壓器油中的抗泡沫效果越好，且達(dá)到未用過(guò)的變壓器油的抗泡沫性能。

圖3 用過(guò)的25號(hào)變壓器油在不同溫度下的抗泡沫性能Fig.3 Antifoam performance of used No.25 transformer oil at different temperatures

表5 用過(guò)的25號(hào)變壓器油的硅元素及絕緣性能檢測(cè)結(jié)果Tab.5 Test result of silicon element and insulation performance of used No.25 transformer oil

在未用過(guò)的和用過(guò)的變壓器油中加入抗泡劑雖然都有提高抗泡沫效果，但是抗泡劑不溶解于變壓器油中，只是通過(guò)特殊的工藝技術(shù)使抗泡劑高度分散在變壓器油中，它分散的穩(wěn)定性直接影響其抗泡沫效果，因此，其實(shí)際應(yīng)用效果還有待進(jìn)一步研究。

變壓器油中泡沫是以空氣為分散相，以變壓器油為分散介質(zhì)的分散體系，它是由變壓器油中產(chǎn)生的氣泡上升到油液面而形成的一定厚度油膜所包圍的氣泡聚集體?？古輨┰谧儔浩饔椭械淖饔脵C(jī)理相對(duì)復(fù)雜，主流觀點(diǎn)認(rèn)為是通過(guò)抗泡劑來(lái)降低變壓器油膜的局部表面張力，促使油膜表面張力不均衡而發(fā)生破裂，從而達(dá)到消泡的作用。眾多的試驗(yàn)表明，抗泡劑的表面張力比變壓器油低，在變壓器油中溶解度小，所以，抗泡劑是以粒子束狀分散在變壓器油中，且吸附于氣泡膜上，使泡膜局部表面張力顯著降低而破裂。

2.2.2 采用吸附劑的再生處理方法

在變壓器油維護(hù)管理導(dǎo)則[10]中，對(duì)于有污染的變壓器油，常用的處理方法是吸附劑的再生處理法[11-12]。為了便于電力行業(yè)的應(yīng)用，本文對(duì)用過(guò)的變壓器油樣品采用吸附劑進(jìn)行再生處理，并觀察不同用量吸附劑再生處理后油的抗泡沫效果，處理后樣品的硅元素、界面張力及抗泡沫性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6和圖4。

從表6和圖4結(jié)果可知，用過(guò)的25號(hào)變壓器油采用不同用量的吸附劑再生處理后，用過(guò)的變壓器油的抗泡沫性能逐漸達(dá)到未用過(guò)的變壓器油的水平，且用過(guò)的變壓器油中硅含量逐漸降低至未能檢測(cè)出，用過(guò)的變壓器油的界面張力逐漸增大。說(shuō)明用過(guò)的變壓器油經(jīng)過(guò)吸附劑再生處理可以盡可能除去含硅元素的污染物質(zhì)。

圖4 用過(guò)的25號(hào)變壓器油經(jīng)吸附劑再生處理后在不同溫度下的抗泡沫性能Fig.4 Antifoam performance of used No.25 transformer oil after treated by absorbent at different temperatures

表6 用過(guò)的25號(hào)變壓器油經(jīng)吸附劑再生處理后的硅元素及界面張力檢測(cè)結(jié)果Tab.6 Testing results of silicon element and interfacial tension of used No.25 transformer oil after treated by absorbent

變壓器油的界面張力主要是變壓器油與水的界面張力，其大小反映出變壓器油中極性有機(jī)物質(zhì)含量多少，大多數(shù)極性有機(jī)物質(zhì)含有親水基團(tuán)——羥基、羰基和酯基，這些親水基團(tuán)會(huì)降低變壓器油和水的界面張力。用過(guò)的變壓器油普遍界面張力降低，說(shuō)明油中溶解了含有親水基團(tuán)的極性有機(jī)物質(zhì)，從用過(guò)的變壓器油硅元素含量和界面張力的結(jié)果可以斷定油中溶解了微量的含硅元素的極性有機(jī)物質(zhì)。

3 結(jié)論

（1）用過(guò)的變壓器油界面張力小，硅元素含量高，在24℃條件下抗泡沫性能較差，泡沫層較大，真空濾油時(shí)泡沫層生成體積量也偏大，泡沫層消散得慢。泡沫層消散時(shí)間越長(zhǎng)，越不利于變壓器油的脫氣脫水處理。

（2）在未用過(guò)和用過(guò)的變壓器油中加入硅型抗泡劑可以提高抗泡沫性能，但是硅型抗泡劑難溶于變壓器油中，只是分散于變壓器油中，硅型抗泡劑在變壓器油中的分散穩(wěn)定性直接影響其抗泡沫效果，它的實(shí)際應(yīng)用效果有待進(jìn)一步研究。

（3）用過(guò)的變壓器油經(jīng)過(guò)吸附劑再生處理可以盡可能除去含有硅元素的極性有機(jī)物質(zhì)，提高變壓器油的界面張力和降低變壓器油中硅含量。