基础油和添加剂对变压器油产气特性的影响
时间：2023-02-12 21:00:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
沈娟
中国石化润滑油有限公司华东分公司
变压器油作为变压器中重要的绝缘材料，主要起绝缘、冷却和保护绝缘材料等作用，被称为发电、供电设备的血液，其性能优劣直接影响变压器乃至电网的安全运行[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，检测运行油的溶解气体变化已成为电力行业中判断电气设备故障的普遍做法[2，3]。
2020年，国际电工委员会（IEC）发布了IEC 60296:2020第5版[4]，首次对A 型绝缘油新增了热应力下产气特性的指标限值，并在附件A中发布产气特性试验方法，这也是变压器油成品油标准中首次出现产气特性指标限值。早在2013年，国外美国材料试验协会发布了ASTM D7150—13[5]《热应力下测定绝缘液体产气特性的标准测试方法》标准，2016年，国内等效采用ASTM D7150—13 A法发布了NB/SH/T 0930—2016[6]《热应力下绝缘液体产气特性测定法》标准。变压器油产气特性分析是指在热应力下，没有电力设备材料影响或现场作用时，测定一定温度和气体饱和条件下变压器油的产气情况。产气特性主要考察变压器油的产气倾向性，可用于区分不同品牌变压器油本身的产气性能，为电力用户选油的提供可靠的参考依据。
对变压器油产气特性的研究，国外 R Lance等[7]、Duval Michel等[8]、I Atansova 等[9]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条件下可能会产生大量气体。国内王会娟等[10]、郭春梅等[11]对变压器油产气特性与其氧化安定性、其基础油等关联性进行了研究，研究表明，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。本文主要考察了不同变压器油基础油及添加剂与变压器油产气特性的关联性，探究变压器油产气特性的主要影响因素。
对 NB/SH/T 0930—2016与IEC 60296:2020中Annex A做了对比，见表1。
表1 变压器油产气特性试验方法对比
由表1可见，两个标准相同之处是均规定了在没有电力设备材料影响或电场作用的热应力下测定绝缘液体产气特性；
不同之处主要是试验条件及评价标准等。
根据DL/T 572—2010《电力变压器运行维护规程》，电力变压器一般是用油浸纸绝缘，属于A级绝缘，即浸渍处理过的有机材料，如纸、木材、棉纱等。标准要求在正常运行中，变压器上层油温最高不能超过95 ℃，当周围空气温度最高为40 ℃时，变压器绕组的极限温度为105 ℃。对比NB/SH/T 0930—2016、IEC 60296:2020—Annex A两个标准可知，IEC 60296:2020—Annex A方法的试验温度为105 ℃、增加铜片对比试验等更接近变压器设备实际正常运行条件[12]。
同时根据IEC 60296:2020标准要求，在任意一种测试条件下，H2、CH4和C2H6有一种超过50 μL/L，则该绝缘液体被判定为“含游离气体”。对比氮气饱和、氮气饱和有铜箔、空气饱和、空气饱和有铜箔四种测试条件，绝缘液体在空气饱和、有铜箔条件下，因为氧气、铜存在，更容易被氧化、分解产生小分子烃类，因此本文选择IEC 60296-Annex A方法中空气饱和、有铜箔条件下对变压器油产气特性进行测定。
主要原材料
试验所用的变压器油基础油类型及主要性能见表2和表3，添加剂类型见表4。
表2 基础油类型
表3 变压器油基础油的主要性能
表4 添加剂类型
仪器设备
河南中分2000A气相色谱仪；
德国Bruker Tensor 27型傅里叶变换红外光谱仪；
日本三菱 TS-100硫氮测定仪；
美国Agilent 1260高效液相色谱仪；
鼓风干燥箱；
100 mL注射器；
三通道金属旋；
250 mL烧杯；
铜箔；
干燥空气，纯度大于99.999 %合成空气；
干燥氮气，纯度大于99.999 %。
试验方法
产气特性按照IEC 60296-Annex A产气特性方法（空气饱和有铜箔条件下）测定；
溶解气体分析按照GB/T 17623—2017《绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法》测定；
烃类组成按照DL/T 929—2005《矿物绝缘油、润滑油结构族组成的红外光谱测定法》测定；
抗氧化剂按照NB/SH/T 0802—2019《绝缘油中2，6-二叔丁基对甲酚的测定 红外光谱法》测定；
金属钝化剂含量按照DL/T 1459—2015《矿物绝缘油中金属钝化剂含量的测定 高效液相色谱法》测定。
基础油对变压器油产气的影响
市场上主流的变压器油基础油主要在烃组成和炼制工艺上有区别，因此主要考察基础油烃组成和基础油炼制工艺对变压器油产气的影响。
对加氢炼制工艺生产的石蜡基基础油B1和环烷基基础油B2进行了产气特性测定，结果如图1所示。
图1 不同烃组成的基础油的产气情况
由图1可见，两种加氢基础油产生的H2、CH4气体量相当，基础油B1产生0.15 μL/L的乙烷。
对分别经过加氢工艺和溶剂精制工艺生产的两种环烷基基础油B2、B3进行产气特性测定，结果如图2所示。
图2 不同炼制工艺生产的基础油的产气情况
由图2可见，加氢基础油B2的H2、CH4和C2H6产气量均明显小于溶剂精制基础油B3。
对3种不同基础油的产气特性汇总进行分析，见表5。
表5 不同基础油的产气特性情况
由表5可见：
◇加氢工艺生产的石蜡基基础油和环烷基基础油产气量基本相当；
◇同是环烷基基础油，溶剂精制工艺所产基础油的产气量比加氢工艺所产基础油产气量更多。
因产气特性主要考察基础油化学组成及分子结构之间的稳定程度，而基础油炼制工艺直接决定基础油稳定程度。与溶剂精制工艺相比，加氢工艺主要发生加氢脱硫氮氧、烯烃和芳烃加氢饱和、多环芳烃加氢裂化等化学反应，从根本上使基础油组分趋于饱和、杂质元素脱除，从而使基础油组分更稳定、精制程度更高，即加氢炼制工艺生产的产气特性更优。
添加剂对变压器油产气的影响
以实验室考察的添加剂的最佳加剂量为准，在基础油B1、B2和B3中添加一定量的抗氧化剂和金属钝化剂，考察添加剂对产气特性的影响。
抗氧化剂T1对变压器油产气的影响
不添加/添加一定量的抗氧化剂T1的基础油B1、B2和B3的产气情况如图3～图5所示。
图3 不添加/添加一定量的抗氧化剂T1的石蜡基加氢基础油B1的产气情况
图4 不添加/添加一定量的抗氧化剂T1的环烷基加氢基础油B2的产气情况
图5 不添加/添加一定量的抗氧化剂T1的环烷基基础油B3的产气情况
由图3～图5可见，有无添加抗氧化剂T1，基础油B1、B2和B3的H2、CH4和C2H6产气量变化不大，说明抗氧化剂T1对变压器油基础油的产气特性无明显影响。
金属钝化剂T2对变压器油产气的影响
不添加/添加一定量的金属钝化剂T2的基础油B1、B2和B3的产气情况如图6～图8所示。
图6 不添加/添加一定量的金属钝化剂T2的石蜡基加氢基础油B1的产气情况
图7 不添加/添加一定量的金属钝化剂T2的环烷基加氢基础油B2的产气情况
图8 不添加/添加一定量的金属钝化剂T2的环烷基基础油B3的产气情况
由图6～图8可见，添加金属钝化剂T2导致基础油B1、B2和B3中H2产量均大幅度增加，CH4和C2H6产气量区别不大。可能原因是金属钝化剂T2（分子结构见图9）的热安定性较差，苯环上的甲基最容易脱氢生成苄基自由基和氢原子，氢原子和氢原子结合生成氢气，这是一个连锁反应，导致油中氢气含量增加[13,14]。
图9 金属钝化剂T2分子结构示意
☆采用加氢工艺生产的石蜡基基础油和环烷基基础油产气量基本相当，同是环烷基基础油，溶剂精制工艺所产基础油的产气量比加氢工艺所产基础油产气量更多。
☆添加金属钝化剂会使变压器油产气量增加，说明金属钝化剂对变压器油产气特性影响较大。
☆添加或不添加抗氧化剂的变压器油的产气特性无明显差异，说明抗氧化剂对变压器油产气特性无明显影响。
☆建议变压器油采用加氢炼油工艺生产的基础油，减少或不添加金属钝化剂，使生产的变压器油产气特性更优，更符合变压器油标准要求。
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