變壓器油產氣特性研究范文

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《絕緣材料雜志》2016年第三期

摘要：

為研究變壓器油的產氣特性，采用氣相色譜考察在加熱條件下不同變壓器油的產氣情況，并對基礎油品的氧化安定性進行分析。結果表明：變壓器油的產氣特性與其氧化安定性密切相關。氧化安定性越好，產氣量越低。添加抗氧劑的變壓器油比不添加抗氧劑變壓器油的產氣量明顯減小。相比含芳烴基礎油，抗氧劑對不含芳烴的高壓加氫油的產氣量表現出更明顯的抑制作用。

關鍵詞：

變壓器油；產氣特性；氧化誘導期；氧化安定性

絕緣油作為一種重要的液體絕緣材料，被比作發電、供電設備中的血液，應用于各種電抗器、互感器、變壓器等電力設備中，直接影響電力系統的安全運行[1]。運行中變壓器油的溶解氣體組分與電氣設備的絕緣故障有密切的關系，通過檢測電氣設備中變壓器油的溶解氣體變化來判斷電氣設備故障的方法已成為電力行業的普遍做法。然而變壓器油在過熱或油品含有某些污染物時可能會產生大量氣體，一些新油同樣能產生大量的氣體尤其是氫氣，因此容易誤報電力設備故障，使得采用溶解氣體分析判斷電力設備運行狀況顯得更為復雜，影響電氣設備故障判斷的準確性。如果能在運行前對變壓器油的產氣特性進行考察，那么獲得的數據能為運行變壓器油的溶解氣體在線監測提供比較可靠的參考依據，有助于判斷變壓器的運行狀況。對變壓器油產氣特性的研究，國外RLance等[2]、DuvalMichel等[3]、IAtansova等[4]對低熱下變壓器油中溶解氣組分的變化進行了研究，研究結果表明變壓器油在過熱或油品中含有某些污染物時可能會產生大量氣體。2013年制定了TMD7150—2013標準[5]。國內，目前中國石油蘭州潤滑油研發中心正在參考TMD7150建立相關的石油石化標準，并對變壓器油基礎油的產氣特性進行了初步研究[6-7]。關于不同烴組成變壓器油的產氣特性不同的詳細原因國內外均未見相關報道。本研究參考TMD7150在相同試驗條件下對不同變壓器油的產氣特性進行研究，考察其與氧化安定性之間的關聯性，探索不同烴組成變壓器油產氣特性的主要影響因素。

1試驗

1.1主要原材料選取國內用于生產變壓器油的典型基礎油。將不同芳烴含量的環烷基基礎油分別標記為R1、R2和R3，低芳烴含量高壓加氫石蠟基基礎油標記為R4。4種基礎油的黏度及碳型組成見表1。

1.2儀器設備旋轉氧彈儀，型號K70490，美國KOEHLER公司；高壓差示掃描量熱儀（PDSC），型號DSC204HP，德國NETZSCH公司；氣相色譜儀，型號中分2000B，河南中分儀器有限公司。

1.3試驗方法

1.3.1變壓器油組成分析方法變壓器油是一種組成非常復雜的混合物，現代分析手段尚不能將其完全分離。碳型分布是檢測變壓器油組成最經典的方法，本研究采用該方法進行變壓器油烴組成分析。變壓器油碳型分布是將復雜的變壓器油簡單的看成由鏈烷烴、環烷烴和芳香烴組成的單一分子。其中CA指芳香碳原子占總碳原子的百分數，CN指環烷碳原子占總碳原子的百分數，CP指鏈烷烴碳原子占總碳原子的百分數。按國內外基礎油分類方法，CP＜50%為環烷基油，CP在50%～56%為中間油，CP＞56%為石蠟基油。

1.3.2氧化誘導期快速試驗法氧化誘導期的快速試驗方法參照TMD2112-01a（2007）中的旋轉氧彈法(RBOT)[8]。其試驗步驟如下：將試樣、蒸餾水和銅線圈放入氧彈中，氧彈內最初的氧氣壓力為620kPa，放入140℃的油浴中，以100r/min的速度軸向旋轉。當壓力下降到低于最高壓力172kPa時，試驗結束，記錄油與氧氣的反應時間。旋轉氧彈法測試裝置原理見圖1。

1.3.3差示掃描量熱快速試驗法差示掃描量熱快速試驗法（PDSC）通過程序升溫來測定起始氧化溫度(initiativeoxidationtemper-ature，IOT)，是評價基礎油氧化穩定性和抗氧劑性能優劣的一種有效方法。IECTR62036—2007標準中規定了一種用于絕緣油（變壓器油）氧化安定性的快速評定方法[9]，具體步驟如下：在300磅/平方英寸（絕對壓力）的氧氣氣氛中加熱4mg樣品，以20℃/min從30℃升至130℃，然后以2℃/min從130℃升至180℃，最后以1℃/min從180℃升至210℃，測定樣品的起始氧化時間和溫度，表征樣品的氧化安定性。起始氧化溫度越高，樣品的氧化安定性越好。圖2為PDSC專用高壓爐體結構圖。

1.3.4變壓器油中溶解氣分析參照TMD7150—2013，結合變壓器運行狀況，將脫氣處理（脫氣后）變壓器油和未脫氣處理（脫氣前）變壓器油分別在80℃和120℃下貯存16h、164h，然后進行產氣特性試驗。試驗結束后，按照GB/T17623—1998中規定的氣相色譜法對油中溶解氣體H2、O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2進行測試、分析和計算[10]。

2結果與討論

2.1變壓器油基礎油產氣特性情況分別在變壓器正常運行溫度80℃和局部過熱溫度120℃下，對不同芳烴含量、不同基屬基礎油R1、R2、R3、R4進行產氣特性考察，以產生的主要氣體H2和總烴為考察對象，試驗結果見圖3。由圖3可以看出，在80℃和120℃時，無論脫氣前后，4種變壓器油基礎油產生的H2和烴類氣體含量從小到大的順序均為R4、R3、R2、R1，即基礎油產生的氣體含量隨著芳烴含量的增加而增加，環烷基與石蠟基變壓器油基礎油R3、R4的芳烴含量相近，其產氣特性也相近。不同基礎油的氧化安定性如表3所示。由表3可以看出，采用TMD2112中的RBOT法測得4種基礎油的氧化誘導期，R4與R3相當，氧化安定性最好，其次為R2，而R1的氧化安定性最差。結合圖3試驗結果表明，基礎油的氧化安定性越差，產生的氣體越多，抗氧化性能相近的不同基屬變壓器油基礎油產生的氣體含量相當。

2.2抗氧劑對變壓器油產氣特性的影響分別向含芳烴油R2和不含芳烴的高壓加氫油R3中添加0.3%T501抗氧劑，考察其在80℃及120℃下貯存16h、164h后的產氣特性，結果見圖4。由圖4可以看出，R2和R3中添加0.3%T501后，油中的H2和烴類可燃氣體含量明顯下降，說明T501對基礎油的產氣起到了較好的抑制作用；且R3中的H2和烴類可燃氣體含量總體下降程度比R2大，即高壓加氫油R3具有更好的抗氧劑感受性，T501對R3的產氣特性起到更明顯的抑制作用。R2和R3添加0.3%T501后的氧化安定性如表4所示。由表4可以看出，添加抗氧劑T501后，基礎油的氧化安定性得到大幅提高，添加相同量的抗氧劑后，R3的氧化安定性提高幅度更大，即不含芳烴的R3基礎油具有更好的抗氧劑感受性。進一步說明變壓器油的產氣特性與其氧化安定性密切相關。

2.3變壓器油產氣原因分析變壓器油是由許多不同分子量的碳氫化合物分子組成的混合物，分子中含有-CH3、-CH2和-CH化學基團并由C-C鍵鍵合在一起。有氧氣存在下油品發生氧化，是由自由基引發的鏈式反應機理，可表示為式。碳氫分子RH熱裂解產生碳自由基R•和活潑氫原子。這些氫原子或自由基通過復雜的化學反應迅速重新化合，形成氫氣和低分子烴類氣體，如甲烷、乙烷等。低能量時C-H鍵(338kJ/mol)斷裂，大部分氫離子將重新化合成氫氣。C-C鍵的斷裂需要較高的能量，然后迅速以C-C鍵(607kJ/mol)、C=C鍵(720kJ/mol)和C≡C鍵(960kJ/mol)的形式重新化合成烴類氣體，依次需要越來越高的溫度和越來越多的能量[11]。在非故障狀態下油中不會產生乙炔，乙炔一般只在電弧中產生。抗氧劑T501為酚型抗氧劑，在氧化過程中起到鏈終止作用，與形成的自由基反應使產生的自由基穩定，結果使反應速率減慢，或是完全阻止氧化反應，其機理如式（2）所示。酚中羥基的氫原子吸引X•自由基產生較多的酚自由基，而酚自由基不傾向于參加任何氧化鏈反應，而與另一個自由基Y•反應。因此，一個DBPC分子能夠終止至少兩個在氧化鏈反應機理中產生的自由基，使油品氧化速度減慢，從而使油中溶解氣體含量迅速降低。

3結論

（1）變壓器油基礎油的產氣特性與其氧化安定性密切相關，氧化安定性越好，產氣量越少。（2）添加抗氧劑油比不添加抗氧劑油的產氣量小，由于高壓加氫油具有更好的抗氧劑感受性，添加抗氧劑對高壓加氫油的產氣量具有更明顯的抑制作用。

作者：王會娟 馬書杰 于會民 張坤 達永娥 單位：中國石油蘭州潤滑油研究開發中心 中國石油潤滑油重點實驗室 中國石油大連潤滑油廠 中國石油華東潤滑油廠