芳烃含量对不含抗氧剂变压器油运行特性影响的研究

冯涛，李军，马志远

(中海沥青股份有限公司，山东 滨州 256601)

0 引言

变压器油适用于变压器、电抗器、互感器、套管等充油电气设备，是起到绝缘和冷却作用的一种绝缘油品[1]。变压器油要保证变压器等电气设备长期、稳定运行，须具备良好的氧化安定性、析气性等运行特性。氧化安定性主要包括总酸值、油泥、介质损耗因数，良好的抗氧化性能，可以减缓油品的氧化，减少油泥的产生，有利于电气设备的长期、安全运行。析气性是油品在电场作用下，放出或吸收气体倾向的指标。较好的抗析气性能，可以吸收因局部放电故障产生的氢气，防止发生气隙放电，导致电气设备的绝缘性遭到破坏。国标GB 2536-2011《电工流体 变压器和开关用的未使用过的矿物绝缘油》以及国际电工委员会标准IEC 60296《Fluids for Electrotechnical Applications-Unused Mineral Insulating Oils for Transformers and Switchgear 》[2]中对运行特性的氧化安定性和析气性均有所要求。其中，国际电工委员会标准对变压器油中添加剂的种类及添加量的限制逐步严苛[3-5]，随着我国电气设备出口量的增大，未来不含抗氧剂变压器油的市场份额将逐渐增大[6-8]。

本文以中国海油环烷基馏分油为原料，采用不同工艺制备不同芳烃含量的变压器油，考察芳烃含量(芳香碳CA)对不含抗氧剂变压器油氧化安定性及其析气性的影响，为变压器油的加工和使用过程提供参考。

1 实验

1.1 试验原料

试验原料为中国海油渤海湾产环烷基原油馏分油。原料性质见表1。

表1 原料油主要性质

由表1可以看出：中国海油渤海湾产环烷基馏分油属于典型的环烷基馏分油，具有倾点低、环烷碳和芳香碳含量高的特点，是制备对低温性能要求高的变压器油的理想原料[9-10]。

1.2 试验装置及分析仪器

溶剂萃取装置为沈阳施博达仪器仪表有限公司生产，进料量1.5 kg/h；加氢试验装置为北京拓川科研设备股份有限公司生产，催化剂最大装填量200 mL。

矿物绝缘油氧化安定性测定仪为美国科勒公司生产，型号K12190；变压器油析气性测定仪为吉林吉分仪器有限公司生产，型号JYXQ2013。

1.3 样品制备

样品1采用全加氢工艺(加氢处理-临氢降凝-补充精制)制备。加氢处理和临氢降凝采用钼-钨-镍型催化剂，补充精制采用贵金属催化剂，反应压力15 MPa。

样品2～7采用加氢脱酸-溶剂精制-白土精制工艺制备。加氢脱酸工艺采用钼-钨-镍型催化剂，反应压力3.2 MPa，反应温度310 ℃；溶剂精制工艺采用糠醛作为溶剂进行逆向萃取；白土精制采用市售白土。通过调节溶剂精制过程中的剂油比(1.0∶1～2.8∶1)制备不同芳烃含量的变压器油。

2 结果与讨论

2.1 样品性质

采用不同工艺制备不含抗氧剂的变压器油样品1～7。对样品进行理化指标分析，分析数据见表2。由表2可以看出7个样品均符合GB 2536-2011中最低冷态投运温度-20 ℃的理化指标要求。为考察不同芳烃含量对变压器油运行特性的影响，对样品的氧化安定性、析气性进行分析。

表2(续)

2.2 芳烃含量对变压器油氧化安定性的影响

变压器油的氧化安定性是其重要的运行特性。变压器油与氧气有较强的亲和作用，在水分、铜铁等导线材料的催化作用下，发生氧化反应是必然的一个过程。随着油品氧化程度的加深，会产生酸和酸性物质，增加油品的导电能力，降低油品的绝缘性，出现对电气设备中铜铁等金属材料构件的腐蚀，同时腐蚀过程中产生的金属盐作为油品氧化的催化剂，进一步加速油品的氧化[11-13]。变压器油的氧化安定性主要包括氧化后酸值、油泥、介质损耗因数,1～7号样品的氧化安定性情况见表3。

表3 不同芳烃含量变压器油的氧化安定性(120 ℃，164 h)

由表3可以看出样品1～7的氧化安定性均符合GB 2536-2011中规定的要求；当样品的CA值在5%～11.8%范围内，随着芳烃含量的降低，样品氧化后的酸值、产生油泥含量、介质损耗因数均呈现出减小的趋势，油品的抗氧化性能提升，氧化安定性变好；随着样品精制程度的进一步加深(CA值在0～5%范围内)，代表芳烃含量的CA值不断降低，样品氧化后的酸值、产生油泥含量、介质损耗因数均呈现出增大的趋势，油品的抗氧化性能降低，氧化安定性变差。适度地降低变压器油中的芳烃含量对其氧化安定性有利，但当其CA值小于5%时，变压器油的氧化安定性反而会变差。不含抗氧剂的变压器油中的芳烃大多是易被氧化的组分，但同时也能溶解部分氧化产生的酸性物质及油泥，因此变压器油中含有适宜的芳烃组分，对其氧化安定性是有利的。

2.3 芳烃含量对变压器油析气性的影响

变压器油的析气性与油品的化学组成有较大关系。变压器油在电气设备中长期运行，会放出一定量的气体，同时产生X蜡。放出的气体会进一步电离形成更多的气体和X蜡， X蜡不溶于油，会影响油品的导热和绝缘性[14-15]。具有良好析气性的变压器油可以吸收运行过程中产生的气体，保证电气设备的长期运行安全。1～7号样品的析气性见表4。

表4 不同芳烃含量变压器油的析气性

由表4可以看出随着样品中芳烃含量的降低，样品的析气性数值逐渐增大，析气性能变差。芳烃含有一定量的不饱和键，可以吸收运行过程中产生的氢气，故变压器油随着精制程度的加深，芳烃含量的降低，析气性能变差。

3 结论

(1)以中国海油渤海湾产环烷基原油馏分油为原料，采用全加氢工艺和加氢脱酸-溶剂精制-白土精制组合工艺均可制备满足GB 2536-2011要求的变压器油。

(2)变压器油的CA值在5%～11.8%范围内，油品的氧化安定性随着芳烃含量的降低，呈现变好的趋势；变压器油的CA值在0～5%范围内，油品的氧化安定性随着芳烃含量的降低，反而呈现出下降的趋势。变压器油的CA值在0～11.8%范围内，油品的析气性随着芳烃含量的降低不断增大，析气性能变差。

(3)为使不含抗氧剂的变压器油兼具良好的氧化安定性与析气性，其CA值应保持在5%左右。