变压器油碳型组成对氧化安定性的影响

张 绮，马书杰，于会民，王会娟

(中国石油兰州润滑油研究开发中心润滑油重点实验室(克拉玛依)，新疆 克拉玛依 834003)

变压器油碳型组成对氧化安定性的影响

张 绮，马书杰，于会民，王会娟

(中国石油兰州润滑油研究开发中心润滑油重点实验室(克拉玛依)，新疆 克拉玛依 834003)

采用快速评定方法高压差式量热扫描(PDSC)以及NB/SH/T 0811方法对碳型组成不同的环烷基变压器油进行了氧化安定性评定，以考察变压器油芳烃含量对氧化安定性能的影响。结果表明，对于加抗氧剂变压器油，其精制深度越高、芳烃含量越低，对抗氧剂感受性越好，氧化安定性就越好。但为了平衡变压器油溶解性能和抗氧化性能，以及在抗氧剂消耗后仍具有较好的抗氧化性能，变压器油应保持一定的精制深度和一定的芳烃含量。

变压器油 氧化安定性 碳型组成

矿物变压器油作为电力输变系统中的重要原材料之一，主要起到绝缘和散热冷却等作用，其性能的优劣直接影响电力设备的安全运行。其中，变压器油的氧化安定性就是保证变压器长周期安全运行的一项重要指标。国际上最通用的矿物型变压器油标准IEC 60296—2012[1]以及国家标准GB 2536—2011[2]，都是按抗氧化性能的优劣进行分类的，并规定对具有较高的运行温度和延长运行时间而设计的变压器，要使用特殊级别、氧化安定性更好的加抑制剂变压器油。

矿物型变压器油中，链烷烃的电气性能较好，抗氧化性能较差，其析气性最差，在强电场作用下容易发生脱氢反应，并且对氧化产物的溶解度也很低；环烷烃的电气性能和抗氧化性能与烷烃相当，其凝点较低，是电气绝缘油较理想的组分；对于芳香烃，单环、双环芳烃抗氧化性能最差，三环芳烃具有天然的抗氧化性能，多环芳烃及含氮化合物等为非理想组分[3]。变压器油为获得最佳性能这些物质需含有适当的比例。

变压器油的氧化过程一般分三个阶段，即诱导期(感应期)、氧化发展期和钝化期。其中，起关键作用的诱导期取决于原油类型及精制深度、温度、油中催化剂及氧气浓度等。如果精制深度不够或含有微量杂质就容易产生自由基，从而发生链反应，并加速氧化反应。因此通常变压器油通过添加游离基终止剂，即酚型抗氧剂，来提高氧化安定性，另一方面氧化安定性又受制于基础油对抗氧剂的感受性，比如精制深度越高对抗氧剂感受性就越好。变压器油基础油的烃组成(碳型分析)在一定程度上可以反映油的精制深度，即在原油基属相同的情况下，芳烃含量越低，精制深度就越高，而精制深度不同的变压器油基础油对抗氧剂感受效果也不同。因此，本课题主要采用快速评定方法高压差式量热扫描(PDSC)以及NB/SH/T 0811方法对烃组成不同的变压器油进行氧化安定性评定，以考察变压器油组成与抗氧化性能之间的关系。

1 实 验

1.1 试验方法

国内外最通用的变压器油标准IEC 60296标准和GB 2536标准，对变压器油要求采用NB/SH/T 0811(IEC61125C法)进行评定，该方法规定在120 ℃的温度下、有铜的催化作用，通入一定流量的空气进行500 h(加抑制剂油)或164 h(不加抑制剂油)氧化试验，然后测定氧化后油的酸值、沉淀和介质损耗因数，并通过其大小来判定变压器油的氧化安定性。差示扫描量热仪法(IEC/TR 62036)常用程序升温来测定起始氧化温度，是评价基础油氧化稳定性和抗氧剂性能优劣的一种十分有效的方法[4]。IEC/TR 62036方法是一种用于绝缘油(变压器油)氧化安定性的快速评定方法，是在2 MPa(绝对压力)的氧气气氛中，使4 mg样品以20 ℃/min速率从30 ℃升至130 ℃，以2 ℃/min速率从130 ℃升至180 ℃，然后以1 ℃/min速率从180 ℃升至210 ℃条件下运行，测定试样的起始氧化温度，从而表征该试样的氧化安定性。起始氧化温度越高，表明样品的氧化安定性越好。

1.2 原 料

试验选用精制深度不同、芳烃含量差距较大的环烷基变压器油基础油B1，B2，B3，并采用这三种基础油调合成芳烃含量不同的变压器油基础油及成品油进行氧化安定性试验，以考察芳烃组成对变压器油氧化安定性的影响。3种基础油性质见表1。

表1 原料油性质

1.3 主要试验设备与试验方法

碳型组成采用SH/T 0725方法，测定黏度、密度、折射率，用公式计算出芳碳(CA)、环烷碳(CN)、链烷碳(CP)的比例。

快速评定方法IEC/TR 62036使用的是高压差示扫描量热仪，型号为德国NETZSCH公司生产的DSC 204HP。GB 2536和IEC 60296标准中所规定的NB/SH/T 0811(IEC 61125C法)，使用的是美国KOEHLER公司生产的K56190变压器油氧化安定性测定仪。

2 结果与讨论

从3种变压器油原料的碳型分析数据看，其芳烃含量高低顺序为B1>B2>B3，实验室对3种原料以及添加抗氧剂T的样品分别进行了氧化安定试验，从表2 NB/SH/T 0811氧化试验结果以及图1、图2 IEC/TR 62036试验结果看，3种原料油氧化安定性好坏顺序为B2>B3>B1，而添加抗氧剂后氧化安定性好坏的顺序是B3 >B2>B1。从这个结果可以看出：B1芳烃含量太高其氧化安定性很差，并且对抗氧剂感受性也很差；而精制深度高的B3，其基础油氧化安定性较差，但对抗氧剂感受性好，加入抗氧剂后氧化安定性最好；芳烃含量较为适度的B2，基础油氧化安定性最好，添加抗氧剂后次于B3。

表2 3种原料的氧化安定性

图1 3种原料PDSC氧化试验结果

图2 3种原料加抗氧剂PDSC氧化试验结果

实验室采用高芳烃含量基础油B1及稍高芳烃含量基础油B2，分别与深精制的芳烃含量极低的基础油B3进行调合，得到芳烃含量不同的变压器油基础油，再添加一定量的抗氧剂，对其进行PDSC氧化试验，试验结果见图3、图4。

图3 B1与B3调合芳烃含量不同的变压器油的PDSC氧化试验■—CA； —基础油; —基础油+T。 图4同

图4 B2与B3调合芳烃含量不同的变压器油的PDSC氧化试验

从图3可以看出：B1与B3调合的变压器油基础油氧化安定性，随着CA值的降低，抗氧化性能呈上升趋势；当CA降至为3.0%时氧化安定性最好，随后又略呈下降趋势；加入抗氧剂的氧化安定性，随着CA值的降低，抗氧化性能呈上升趋势，芳烃含量越低、精制深度越高，对抗氧剂感受性越好，氧化安定性就越好。

从图4可以看出：B2与B3调合的变压器油基础油氧化安定性，B2的抗氧化性能要性要略优于B3，这是因为B2的芳烃含量较为适度，而这种芳烃具有天然的抗氧剂性能，因此调合基础油氧化安定性是随着B2加量的减少呈下降趋势；而在加抗氧剂后，其氧化安定性是随着B2加量的增大(即CA值的降低)，氧化安定性呈上升趋势。

以上两组试验都表明，对于基础油，保持适度芳烃含量的深精制油，其氧化安定性最好。对于加抗氧剂的变压器油，精制深度越高、芳烃含量越低，其氧化安定性就越好。但这种不含芳烃的变压器油溶解性能很差，在使用过程中一旦抗氧剂耗尽，其迅速氧化劣化，从而影响设备的正常运行。因此，变压器油基础油在生产过程要保持适当的精制深度，以平衡芳烃含量和氧化安定性之间的关系。

2.2 采用NB/SH/T 0811法考察不同烃组成变压器油的氧化安定性

NB/SH/T 0811方法试验周期长，实验室选择几个CA在2%～6%之间的调合基础油，添加一定量的抗氧剂配方，进行了氧化安定性试验，以考察芳烃含量对氧化安定性的影响。其实验室结见表3、表4。

从表3可以看出，高芳烃基础油B1与深精制油B3进行调合，其CA在4.5%以下时能满足氧化安定性特殊级别要求，而CA在5.8%时，氧化安定性已经很差，通用级别指标要求都不能达到。

从表4可以看出，较低芳烃基础油B2与深精制油B3进行调合，其CA在3.8%以下时能满足氧化安定性特殊级别要求，当CA在4.2%时，已不能满足特殊级别指标要求，只能满足通用级别要求。

表3 B1与B3调合变压器油氧化试验结果

表4 B2与B3调合变压器油氧化试验结果

通过以上两组氧化试验，可以得出与PDSC氧化试验结果同样结论，即变压器油的精制深度越高、芳烃含量越低，对抗氧剂感受性越好，氧化安定性就越好。但是，鉴于变压器油的特性及使用场所的复杂性，不能只强调某一项性能，而是要平衡其综合性能，如溶解性能和析气性能，这就要求变压器油是一种保持一定芳烃含量的深精制油，即能保持具有天然的抗氧化性能以及溶解性能，同时对抗氧剂感受性也好，从而进一步提高变压器油氧化安定性。

3 结 论

(1) 采用高压差示扫描量热仪法考察芳烃含量不同的环烷基变压器油基础油，其抗氧化性能随芳烃含量的降低呈上升趋势，当芳烃含量降至一定程度时氧化安定性最好，随后又随着芳烃含量的降低略呈下降趋势。

(2) 高压差示扫描量热仪法和SH/T 0811法500 h氧化试验结果一致显示，加抗氧剂变压器油，其精制深度越高、芳烃含量越低，对抗氧剂感受性越好，氧化安定性就越好。但为平衡变压器油溶解性能和抗氧化性能，变压器油应保持一定的精制深度和一定的芳烃含量。

[1] IEC 60296.Fluids for electrotechnical applications-Unused mineral insulating oils for transformers and switchgear[S].2012

[2] GB 2536.电工流体 变压器和开关用的未使用过的矿物绝缘油[S].2011

[3] 梁文杰.石油化学[M].山东：石油大学出版社，1995：208

[4] 李久盛，张梅.高压差示扫描量热法评价抗氧剂对润滑油基础油氧化稳定性的影响[J].分析科学学报，2008，24(2)：184-192

INFLUENCE OF CARBON TYPE COMPOSITION ON OXIDATION STABILITY OF NAPHTHENIC BASE TRANSFORMER OILS

Zhang Qi， Ma Shujie， Yu Huimin， Wang Huijuan

(LubricantkeyLaboratoryofPetroChinaLanzhouLubricatingOilR&DInstitute，karamay，Xinjiang834003)

The effect of aromatic content on the oxidation stability of naphthenic base transformer oils with different carbon type compositions were detected using high pressure differential calorimeter scans (PDSC) and NB/SH/0811 method. The experimental results show that for transformer oils with anti-oxidant， the deeper the refining depth and the lower the aromatic content， the better the anti-oxidant sensitivity， also the better the oxidation stability. But in order to balance the dissolved performance and oxidation resistance after hydrotreatment， and to have a better anti-oxidation after the consumption of anti-oxidant， it is necessary to keep a certain refining depth and contain a certain amount of aromatic hydrocarbons for hydrotreated oils.

transformer oil； oxidation stability； carbon type composition

2015-05-22； 修改稿收到日期： 2015-07-10。

张绮，工程师，毕业于大庆石油学院化学工程专业，主要从事变压器油新产品的研制与开发工作，曾荣获中国石油天然气股份有限公司技术创新一等奖，发表论文4篇。

张绮，E-mail：zhangqi_rhy@petrochina.com.cn。