不同芳烃种类对变压器油性能的影响

王会娟，于会民，马书杰，张 绮

(1.中国石油兰州润滑油研究开发中心，新疆 克拉玛依 834003；2.中国石油润滑油重点实验室)

基础油作为变压器油的主体，其电气性能和氧化安定性等对变压器油的使用性能影响最为显著。然而，由于缺乏分离基础油中烃的有效方法，无法直接研究烃类对基础油性能的影响，主要采用模型化合物或关联基础油中芳烃的方式考察其对基础油性能的影响[1-3]。基础油中的芳烃结构复杂，种类繁多，不同类型的芳烃性能不同，因而单独采用模型化合物的研究方法有一定的局限性，且芳烃对基础油抗氧化性能的影响基本采用高压差示扫描量热法和旋转氧弹法，但该方法所得试验结果与变压器油经典氧化试验(IEC61125C)法相比相差甚远[4-5]，因此文献中关于芳烃对基础油抗氧化性能影响的结论并不适用于变压器油。本研究直接从变压器油糠醛抽出油中分离芳烃，考察轻芳烃、中芳烃和重芳烃对变压器油电气性能、抗氧化性能、溶解性能、抗析气性能和热物性的影响，为变压器油产品研发提供理论支持和指导。

1 实 验

1.1 原 料

选取4种不同烃类组成的变压器油基础油，其中，R1和R4分别为无芳烃的环烷基高压加氢油和中间基油，R2和R3分别为含适量芳烃的基础油和高芳烃含量的基础油。4种不同烃类组成变压器油基础油的主要性质见表1。从表1可以看出：R1，R2，R3的CA分别为0，7.3，10.4；CN分别为50.6，42.4，39.0。

表1 4种不同烃类组成变压器油基础油的主要性质

1.2 试验方法

1.2.1芳烃的分离和分析鉴定以脱除了氮化物和硫化物的糠醛抽出油为原料，使用双溶剂法富集变压器油抽出油中的芳烃，然后用吸附法进一步分离为轻芳烃、中芳烃和重芳烃组分。芳烃分离流程示意见图1，轻芳烃、中芳烃和重芳烃组分的组成及折射率见表2。从表2可以看出：①轻芳烃组分中轻芳烃质量分数为55.98%，主要杂质为饱和烃；②中芳烃组分中中芳烃质量分数为71.82%，主要杂质为轻芳烃；③重芳烃组分中重芳烃质量分数为74.19%，主要杂质为中芳烃。轻芳烃主要成分为单环芳烃及少量杂原子化合物，折射率为1.49～1.53；中芳烃主要成分为双环芳烃及少量杂原子化合物，折射率为1.53～1.59；重芳烃主要成分为三环、四环芳烃，折射率大于1.59。

图1 芳烃分离流程示意

项 目轻芳烃组分中芳烃组分重芳烃组分组成(w),% 饱和烃37.025.697.51 轻芳烃55.9819.433.96 中芳烃6.1271.8214.10 重芳烃0.893.0774.19折射率(20 ℃)1.5141.5621.617

1.2.2芳烃对变压器油影响的评价方法将从基础油中分离出来的轻芳烃、中芳烃和重芳烃反加到变压器油基础油中，考察不同芳烃种类对变压器油电气性能(包括带电倾向、脉冲击穿电压、介质损耗因数、体积电阻率)、抗氧化性能、溶解性能、抗析气性能以及热物性的影响。

2 结果与讨论

2.1 芳烃对变压器油电气性能的影响

以R4为基础油，参考现有变压器油基础油中芳烃含量及分布，分别添加0～30%轻芳烃、0～10%中芳烃、0～1%重芳烃，考察不同芳烃种类和含量对变压器油带电倾向、脉冲击穿电压、介质损耗因数、体积电阻率的影响，结果见图2和图3。

从图2可以看出：①在所考察芳烃含量范围内，芳烃对变压器油带电倾向影响较小，即使轻芳烃质量分数达到30%，带电倾向仍然与R4基础油的相当，带电倾向均低于1.5 μC/m3；②变压器油脉冲击穿电压随芳烃含量的增大而降低，不同芳烃种类对变压器油脉冲击穿电压的影响由大到小的顺序为：重芳烃>中芳烃>轻芳烃；③脉冲击穿电压降低至350 kV(质量指标)时的重芳烃、中芳烃、轻芳烃质量分数分别为0.4%，2%，4%。这是因为脉冲击穿电压主要受极性物质影响，重芳烃极性最大，中芳烃次之，轻芳烃最小。

从图3可以看出：①在所考察芳烃含量范围内，介质损耗因数受轻芳烃和中芳烃含量影响很小；随重芳烃含量的增大，介质损耗因数增大，但重芳烃质量分数最高达到1%时介质损耗因数仍未超过其质量指标0.5%；②体积电阻率随芳烃含量的增大而降低，影响程度由大到小的顺序为：重芳烃>中芳烃>轻芳烃；③体积电阻率下降至1×1012Ω·m时的轻芳烃、中芳烃、重芳烃质量分数分别为20%，3%，0.2%。可以看出不同芳烃对体积电阻率影响差异很大，说明相比介质损耗因数而言，体积电阻率对极性物质更为敏感。

图3 芳烃对变压器油介损和体积电阻率的影响▲—介质损耗因数； ■—体积电阻率

2.2 芳烃对变压器油抗氧化性能的影响

参考现有普通变压器油中芳烃种类及含量，以R4和R4+0.3%T501为研究对象，分别添加10%轻芳烃、2%中芳烃和0.5%重芳烃，采用NB/SH/T 0811法(修改采用IEC61125C法)进行120 h(基础油)和500 h(加抗氧剂油)氧化试验，考察芳烃对变压器油基础油氧化安定性以及对抗氧剂感受性的影响，结果见表3和表4。从表3可以看出，芳烃含量及芳烃种类对基础油氧化后的总酸值基本没有影响，但加芳烃后的油样氧化生成的沉淀量略有增加，说明对于IEC61125C法氧化而言，单纯增加芳烃含量，对基础油的抗氧化性能没有任何改善，相反可能会使油中沉淀量增加。从表4可以看出，10%轻芳烃对基础油抗氧剂的感受性基本没有影响，而中芳烃和重芳烃则使基础油对抗

表3 芳烃对变压器基础油抗氧化性的影响

氧剂的感受性明显变差，2%中芳烃或0.5%重芳烃可使变压器油氧化后的酸值远超过其质量指标，即对于变压器油抗氧化性能而言，油中芳烃含量越低越好。

表4 芳烃对抗氧剂感受性的影响

2.3 芳烃对变压器油油泥溶解性能的影响

变压器油苯胺点可以反映其溶解能力。以R4为基础油，分别添加0～30%轻芳烃、0～15%中芳烃、0～8%重芳烃，并用0.8 μm滤膜进行过滤以除去未溶解的多余芳烃，考察芳烃对变压器油苯胺点的影响，结果见图4。从图4可以看出，变压器油苯胺点随芳烃含量的增大近似呈线性下降趋势，变压器油苯胺点主要与芳烃含量有关，受芳烃种类的影响较小。

图4 芳烃对变压器油溶解性的影响◆—轻芳烃； ●—中芳烃； ▲—重芳烃

将2 g变压器运行生成的油泥(纯油泥0.038 g)在95 ℃条件下加入到100 g含不同种类芳烃的变压器油基础油及含烷基苯油中，搅拌10 min，冷却至室温，用0.8 μm滤膜真空过滤，称量，不同芳烃对油泥溶解性的影响见表5。从表5可以看出，芳烃含量越高，其溶解油泥能力越强，轻芳烃、中芳烃和重芳烃质量分数均为8%时，溶解油泥量相近，约为70%左右，说明变压器油溶解性能主要与芳烃含量有关，受芳烃种类的影响较小。市场上现有变压器油的重芳烃含量(质量分数小于1%)对其溶解性能基本无影响。

表5 不同芳烃对油泥溶解性的影响

注：基础油为R4。

2.4 芳烃对变压器油抗析气性能影响

以R4为基础油，分别添加0～30%轻芳烃、0～15%中芳烃、0～8%重芳烃，考察芳烃对变压器油抗析气性能的影响，结果见图5。从图5可以看出，变压器油析气性随芳烃含量的增大而降低，且不同芳烃对析气性降低程度的影响由大到小的顺序为：中芳烃>重芳烃>轻芳烃，中芳烃对析气性的影响明显大于轻芳烃的影响。变压器油析气性(产气速率)达到ASTM D3487《电气设备中矿物绝缘油规格》中低于+30 μL/min的质量指标要求，则需添加的轻芳烃质量分数大于13%，中芳烃质量分数大于4%，重芳烃质量分数大于6%。

图5 芳烃对变压器油抗析气性能的影响◆—轻芳烃； ●—中芳烃； ▲—重芳烃

2.5 总芳烃对变压器油热物性的影响

已有结论表明，烷碳含量Cp对变压器油热物性有较大影响[6]。选取黏度相近、链烷碳含量相近、不同芳烃含量的变压器油R1，R2，R3，考察芳烃含量对变压器油导热系数、比热容以及热膨胀系数的影响，结果见图6。从图6和表1可以看出，当变压器油的黏度及烷烃含量相近时，变压器油的导热系数、比热容及热膨胀系数随CA的增大和CN的减少变化不大，这可能是因为芳烃及环烷烃对变压器油比热容的影响程度相近，且芳烃本身的比热容相对最小，而油中芳烃含量又不高。

图6 芳烃对变压器油热物性的影响◆—R1； ●—R2； ▲—R3

3 结 论

(1)在所考察芳烃含量范围内，变压器油带电倾向和介质损耗因数受芳烃影响不大，不同芳烃种类对变压器油脉冲击穿电压和体积电阻率的影响由大到小的顺序为：重芳烃>中芳烃>轻芳烃。

(2)不同芳烃对基础油抗氧化性能影响差别不大，但中芳烃和重芳烃会使基础油对抗氧剂感受性明显变差，2%中芳烃或0.5%重芳烃就可使变压器油氧化后的酸值远远超过其质量指标。对于变压器油抗氧化性能而言，油中芳烃含量越低越好。

(3)在所考察芳烃含量范围内，变压器油溶解性能主要与芳烃含量有关，受芳烃种类影响较小；芳烃含量越高，其溶解性能越好。

(4)芳烃具有良好的抗析气性，且中芳烃对基础油抗析气性的改善明显优于轻芳烃和重芳烃；要使变压器油析气性(产气速率)达到低于+30 μL/min的质量指标要求，则需添加的轻芳烃质量分数大于13%，中芳烃质量分数大于4%，重芳烃质量分数大于6%。

参 考 文 献

[1] 毛红，周亚松，孙玉华，等.润滑油基础油的化学组成对其氧化安定性的影响[J].石油学报(石油加工)，1999，15(3)：63-67

[2] 张峥，张鸣，翁惠新.不同加工工艺基础油结构特征对其性能的影响研究:Ⅱ.芳烃结构等对其氧化安定性的影响[J].润滑与密封，2003(1)：61-64

[3] 李建明，王会东，薛卫国，等.加氢润滑油基础油结构组成与氧化安定性的关系:Ⅱ.加氢润滑油基础油的氧化安定性[J].石油学报(石油加工)，2010，26(2)：272-276

[4] 于会民，张培恒，郑鹏宇，等.变压器油氧化安定性评定方法的对比研究[J].绝缘材料，2013，46(6)：82-89

[5] The International Electrotechnical Commission.IEC61125C-2004 Unused hydrocarbon-based insulating liquids-Test methods for evaluating the oxidation stability[S].Switzerland，2004

[6] Wang Huijuan，Ma Shujie，Yu Huimin.Thermal conductivity of transformer oil from 253K to 363K[J].Petroleum Science and Technology，2014(32)：2143-2150