变压器油产气特性研究范文

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《绝缘材料杂志》2016年第三期

摘要：

为研究变压器油的产气特性，采用气相色谱考察在加热条件下不同变压器油的产气情况，并对基础油品的氧化安定性进行分析。结果表明：变压器油的产气特性与其氧化安定性密切相关。氧化安定性越好，产气量越低。添加抗氧剂的变压器油比不添加抗氧剂变压器油的产气量明显减小。相比含芳烃基础油，抗氧剂对不含芳烃的高压加氢油的产气量表现出更明显的抑制作用。

关键词：

变压器油；产气特性；氧化诱导期；氧化安定性

绝缘油作为一种重要的液体绝缘材料，被比作发电、供电设备中的血液，应用于各种电抗器、互感器、变压器等电力设备中，直接影响电力系统的安全运行[1]。运行中变压器油的溶解气体组分与电气设备的绝缘故障有密切的关系，通过检测电气设备中变压器油的溶解气体变化来判断电气设备故障的方法已成为电力行业的普遍做法。然而变压器油在过热或油品含有某些污染物时可能会产生大量气体，一些新油同样能产生大量的气体尤其是氢气，因此容易误报电力设备故障，使得采用溶解气体分析判断电力设备运行状况显得更为复杂，影响电气设备故障判断的准确性。如果能在运行前对变压器油的产气特性进行考察，那么获得的数据能为运行变压器油的溶解气体在线监测提供比较可靠的参考依据，有助于判断变压器的运行状况。对变压器油产气特性的研究，国外RLance等[2]、DuvalMichel等[3]、IAtansova等[4]对低热下变压器油中溶解气组分的变化进行了研究，研究结果表明变压器油在过热或油品中含有某些污染物时可能会产生大量气体。2013年制定了TMD7150—2013标准[5]。国内，目前中国石油兰州润滑油研发中心正在参考TMD7150建立相关的石油石化标准，并对变压器油基础油的产气特性进行了初步研究[6-7]。关于不同烃组成变压器油的产气特性不同的详细原因国内外均未见相关报道。本研究参考TMD7150在相同试验条件下对不同变压器油的产气特性进行研究，考察其与氧化安定性之间的关联性，探索不同烃组成变压器油产气特性的主要影响因素。

1试验

1.1主要原材料选取国内用于生产变压器油的典型基础油。将不同芳烃含量的环烷基基础油分别标记为R1、R2和R3，低芳烃含量高压加氢石蜡基基础油标记为R4。4种基础油的黏度及碳型组成见表1。

1.2仪器设备旋转氧弹仪，型号K70490，美国KOEHLER公司；高压差示扫描量热仪（PDSC），型号DSC204HP，德国NETZSCH公司；气相色谱仪，型号中分2000B，河南中分仪器有限公司。

1.3试验方法

1.3.1变压器油组成分析方法变压器油是一种组成非常复杂的混合物，现代分析手段尚不能将其完全分离。碳型分布是检测变压器油组成最经典的方法，本研究采用该方法进行变压器油烃组成分析。变压器油碳型分布是将复杂的变压器油简单的看成由链烷烃、环烷烃和芳香烃组成的单一分子。其中CA指芳香碳原子占总碳原子的百分数，CN指环烷碳原子占总碳原子的百分数，CP指链烷烃碳原子占总碳原子的百分数。按国内外基础油分类方法，CP＜50%为环烷基油，CP在50%～56%为中间油，CP＞56%为石蜡基油。

1.3.2氧化诱导期快速试验法氧化诱导期的快速试验方法参照TMD2112-01a（2007）中的旋转氧弹法(RBOT)[8]。其试验步骤如下：将试样、蒸馏水和铜线圈放入氧弹中，氧弹内最初的氧气压力为620kPa，放入140℃的油浴中，以100r/min的速度轴向旋转。当压力下降到低于最高压力172kPa时，试验结束，记录油与氧气的反应时间。旋转氧弹法测试装置原理见图1。

1.3.3差示扫描量热快速试验法差示扫描量热快速试验法（PDSC）通过程序升温来测定起始氧化温度(initiativeoxidationtemper-ature，IOT)，是评价基础油氧化稳定性和抗氧剂性能优劣的一种有效方法。IECTR62036—2007标准中规定了一种用于绝缘油（变压器油）氧化安定性的快速评定方法[9]，具体步骤如下：在300磅/平方英寸（绝对压力）的氧气气氛中加热4mg样品，以20℃/min从30℃升至130℃，然后以2℃/min从130℃升至180℃，最后以1℃/min从180℃升至210℃，测定样品的起始氧化时间和温度，表征样品的氧化安定性。起始氧化温度越高，样品的氧化安定性越好。图2为PDSC专用高压炉体结构图。

1.3.4变压器油中溶解气分析参照TMD7150—2013，结合变压器运行状况，将脱气处理（脱气后）变压器油和未脱气处理（脱气前）变压器油分别在80℃和120℃下贮存16h、164h，然后进行产气特性试验。试验结束后，按照GB/T17623—1998中规定的气相色谱法对油中溶解气体H2、O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2进行测试、分析和计算[10]。

2结果与讨论

2.1变压器油基础油产气特性情况分别在变压器正常运行温度80℃和局部过热温度120℃下，对不同芳烃含量、不同基属基础油R1、R2、R3、R4进行产气特性考察，以产生的主要气体H2和总烃为考察对象，试验结果见图3。由图3可以看出，在80℃和120℃时，无论脱气前后，4种变压器油基础油产生的H2和烃类气体含量从小到大的顺序均为R4、R3、R2、R1，即基础油产生的气体含量随着芳烃含量的增加而增加，环烷基与石蜡基变压器油基础油R3、R4的芳烃含量相近，其产气特性也相近。不同基础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法测得4种基础油的氧化诱导期，R4与R3相当，氧化安定性最好，其次为R2，而R1的氧化安定性最差。结合图3试验结果表明，基础油的氧化安定性越差，产生的气体越多，抗氧化性能相近的不同基属变压器油基础油产生的气体含量相当。

2.2抗氧剂对变压器油产气特性的影响分别向含芳烃油R2和不含芳烃的高压加氢油R3中添加0.3%T501抗氧剂，考察其在80℃及120℃下贮存16h、164h后的产气特性，结果见图4。由图4可以看出，R2和R3中添加0.3%T501后，油中的H2和烃类可燃气体含量明显下降，说明T501对基础油的产气起到了较好的抑制作用；且R3中的H2和烃类可燃气体含量总体下降程度比R2大，即高压加氢油R3具有更好的抗氧剂感受性，T501对R3的产气特性起到更明显的抑制作用。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，添加抗氧剂T501后，基础油的氧化安定性得到大幅提高，添加相同量的抗氧剂后，R3的氧化安定性提高幅度更大，即不含芳烃的R3基础油具有更好的抗氧剂感受性。进一步说明变压器油的产气特性与其氧化安定性密切相关。

2.3变压器油产气原因分析变压器油是由许多不同分子量的碳氢化合物分子组成的混合物，分子中含有-CH3、-CH2和-CH化学基团并由C-C键键合在一起。有氧气存在下油品发生氧化，是由自由基引发的链式反应机理，可表示为式。碳氢分子RH热裂解产生碳自由基R•和活泼氢原子。这些氢原子或自由基通过复杂的化学反应迅速重新化合，形成氢气和低分子烃类气体，如甲烷、乙烷等。低能量时C-H键(338kJ/mol)断裂，大部分氢离子将重新化合成氢气。C-C键的断裂需要较高的能量，然后迅速以C-C键(607kJ/mol)、C=C键(720kJ/mol)和C≡C键(960kJ/mol)的形式重新化合成烃类气体，依次需要越来越高的温度和越来越多的能量[11]。在非故障状态下油中不会产生乙炔，乙炔一般只在电弧中产生。抗氧剂T501为酚型抗氧剂，在氧化过程中起到链终止作用，与形成的自由基反应使产生的自由基稳定，结果使反应速率减慢，或是完全阻止氧化反应，其机理如式（2）所示。酚中羟基的氢原子吸引X•自由基产生较多的酚自由基，而酚自由基不倾向于参加任何氧化链反应，而与另一个自由基Y•反应。因此，一个DBPC分子能够终止至少两个在氧化链反应机理中产生的自由基，使油品氧化速度减慢，从而使油中溶解气体含量迅速降低。

3结论

（1）变压器油基础油的产气特性与其氧化安定性密切相关，氧化安定性越好，产气量越少。（2）添加抗氧剂油比不添加抗氧剂油的产气量小，由于高压加氢油具有更好的抗氧剂感受性，添加抗氧剂对高压加氢油的产气量具有更明显的抑制作用。

作者：王会娟 马书杰 于会民 张坤 达永娥 单位：中国石油兰州润滑油研究开发中心 中国石油润滑油重点实验室 中国石油大连润滑油厂 中国石油华东润滑油厂