基础油烃组成对油纸复合体系介质损耗因数的影响

王会娟，杨 雪，方 乐，李盛涛，陈 华，张 海，于会民，张 昱

(1.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安 710000；2.中国石油兰州润滑油研究开发中心；3.中国石油润滑油重点实验室；4.中国石油克拉玛依润滑油厂)

在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，绝缘材料内部存在能量损耗，即介质损耗。介质损耗因数(简称介损)是评价不同绝缘材料介质损耗，判断电气设备绝缘状况和绝缘材料质量优劣的关键参数。在绝缘材料实际使用过程中，严禁出现大的介质损耗，否则会引起剧烈生热而破坏，因此在电气设备中选用介损小的介质具有重要的意义[1]。

环境因素(温度、湿度、污染等)和自身因素(质量变化)都会对绝缘材料的介损造成影响，而环境因素对介损的影响，目前已有大量研究。由建等[2]研究了电流互感器介损随温度的变化规律，发现温度对不同介质的影响与介质的化学结构(极性或非极性)有较大关系。部分学者[3-5]测定了不同温度下变压器油浸渍绝缘纸板体系的频域介电谱。结果表明：随着温度的升高，绝缘材料的介损在低频下呈增大趋势，在高频下无明显变化；高温下，油纸复合体系更易老化，其电导率和纸板的水分更高，介损更高。廖瑞金等[6]通过研究不同含水量、不同老化程度油纸复合体系的介损特性发现：在相同温度下，随着油纸复合体系老化程度的加深或水分含量的增加，其介质损耗均逐渐增大；随着温度升高，老化程度或水分含量对油浸绝缘纸板介质损耗的影响越来越显著。王献敏等[7]考察了绝缘油自身老化对其介损的影响，发现绝缘油介损随着其酸值的增加而增大。

在油纸复合体系中，变压器油的组成非常复杂，不同组分对于体系介损可能会有不同影响。变压器油的族组成主要包括烷烃(正构烷烃和异构烷烃)、环烷烃、芳烃(单环芳烃和多环芳烃)，以及少量杂环化合物，如含氧、含硫化合物等[8]。变压器油基础油的烃组成分析方法主要有碳型组成分析(SH/T 0725—2002)[9]、结构族组成分析(DL/T 929)[10]、组成分析(棒状薄层色谱法)等。不同测试方法的测试结果略有差异[11]，其中，碳型组成分析方法将变压器油复杂的组分分子简单看作是由链烷烃、环烷烃和芳香烃组成的单一组分分子，并测定该组分分子中芳碳率(CA)、环烷碳率(CN)、链烷碳率(CP)，该方法测试结果的重复性最好。

目前，对于油纸复合绝缘体系介损的研究主要集中于温度、老化程度和水分对介损特性的影响，而变压器油烃组成对其介损的影响尚未见报道。基于此，本课题按照标准方法SH/T 0725测定不同变压器油的烃组成，并结合其密度、黏度等性质关联其化学组成；选取不同组成的变压器油制备油纸复合体系，考察不同变压器油组分(饱和烃、芳烃、硫化物)对油纸复合绝缘体系介损的影响，为变压器油新产品开发及运行设备故障诊断提供指导。

1 实 验

1.1 原材料与仪器

不同饱和烃、芳烃、硫含量的变压器油基础油(简称基础油)包括环烷基基础油(R1，R5，R6，R7，R8，R11，R12)、中间基基础油(R2，R9，R10)和石蜡基基础油(R3)，均为中国石油润滑油公司产品；天然气合成基础油(R4，GTL基础油)，Shell公司产品；绝缘纸板(TIV)，厚度为1.0 mm，泰州魏德曼高压绝缘有限公司产品。各种基础油的性质见表1。

表1 基础油的典型性质

1.2 试样制备

绝缘纸板试样制备：将TIV绝缘纸板在105 ℃下烘干24 h，然后将其放置在温度为40 ℃、湿度为60%的恒温恒湿箱中贮存并定期检测，制备得到水质量分数分别为0.5%，2.0%，4.0%，6.0%的绝缘纸板。

油纸复合绝缘体系制备：将TIV绝缘纸板裁剪为直径为10 cm圆片，并在105 ℃下烘干24 h；将变压器油在60 ℃、10 Pa下进行真空脱气、脱水5 h，直至油品气体质量分数小于0.1%，水质量分数小于5 μg/g；然后将干燥后的绝缘纸板悬吊浸渍于试验油中，继续在10 Pa下进行真空脱气、脱水处理6 h，直至绝缘纸板被绝缘油完全浸透。得到纸板水质量分数小于0.5%、变压器油水质量分数小于10 μg/g的油纸复合绝缘体系。

1.3 试验方法

1.3.1 变压器油性质和烃组成分析方法

采用奥地利安东帕公司生产的DMA4100M型自动密度仪和SVM3000型全自动运动黏度测试仪，分别测定油品的密度和黏度；采用瑞士梅特勒-托利多仪器有限公司生产的RM40型自动折光仪，测定油品的折射率；采用德国耶拿分析仪器股份公司生产的EA5000S型硫氮分析仪，测定油品的硫含量。

按照标准方法SH/T 0725测定变压器油的碳型分布，结合黏度、黏度指数等性质关联其化学组成。该方法通过测定油品的密度(20 ℃)、黏度(40 ℃)和折射率(20 ℃)，计算得到其黏重常数(VCC)和比折射率(ri)，然后根据标准方法SH/T 0725中的关联图直接查出变压器油的芳碳率、环烷碳率和链烷碳率。

1.3.2 油纸复合体系介损的测定

采用瑞士TETTEX公司生产的2821型介损仪和杭州总研电气有限公司生产的RY2型固体绝缘材料测试电极，测定油纸复合体系的介损。测试参数：频率为50 Hz，电压为1 kV，电极间隙为1 mm，测量温度范围为15～110 ℃，介质损耗因数测量范围为1.0×10-6～11.0，介损测量最大分辨率为2.0×10-5。

2 结果与讨论

2.1 水分含量对绝缘纸板介损的影响

为准确考察基础油烃组成对绝缘纸板介损的影响，首先对绝缘纸板的介损进行了测定，并考察温度和纸板水质量分数对介损的影响。测定不同温度下、不同水质量分数(0.5%～6.0%)绝缘纸板的介损，结果如图1所示。

一般而言，介质损耗主要包括3种，即由电导电流能量损耗引起的电导损耗、由分子内部微观粒子极化引起的极化损耗以及由局部游离放电引起的游离损耗[1]，因此绝缘介质中极性物质(如水分等)含量增加会导致其介损增大。由图1(a)可以看出，当绝缘纸板的水质量分数为0.5%时，随着温度的升高，绝缘纸板的介损先减小后增大。这可能是因为：随着温度开始升高，水分子热运动加剧，分子完全获释而松弛的时间缩短，导致其在外加交变电场下完全极化，而由于水分子的定向能，松弛极化的损耗及介损则随着温度升高而减小；随着温度继续升高，分子热运动加剧反而阻碍偶极分子在电场方向的定向运动，体系电导率随着温度升高呈指数级上升，电导电流不断增加，相应的介损不断增大。

由图1(b)可以看出：当绝缘纸板水质量分数超过2.0%后，绝缘纸板的介损随着温度的升高而增大；而且，水质量分数越高，绝缘纸板的介损越大，同时介损随着温度升高而增大的趋势越明显。这是由于水分子作为极性小分子增强了介质的有损极化，导致极化损耗增大。

图1 不同水含量绝缘纸板的介损随着温度升高的变化趋势

综上所述，为了尽可能减少水分对绝缘纸板介损的影响，需严格控制绝缘纸板中水质量分数不高于0.5%，绝缘油中水质量分数不高于10 μg/g。

2.2 烃组成对油纸复合体系介损的影响

2.2.1 饱和烃含量对油纸复合体系介损的影响

饱和烃是变压器油中的重要组成组分,主要包括环烷烃和链烷烃。其中，环烷烃的环结构中一般有5～7个碳原子，最常见的是六元环结构，其具有极佳的电气绝缘性能和油泥溶解性能；变压器油中的链烷烃主要是异构烷烃，其低温性能优异，但对运行过程中产生的氧化物等溶解性较差，不利于设备长期稳定运行。

为考察饱和烃含量(即环烷碳率，CP)对油纸复合体系介损的影响，将绝缘纸板分别在不同链烷烃含量的基础油R1，R2，R3，R4中进行充分浸渍，然后分别在30，50，70，90 ℃下测试油纸复合体系的介损，结果见图2。

图2 不同温度下基础油饱和烃含量变化对油纸复合体系介损的影响

由图2可以看出：低温下，饱和烃含量对油纸复合体系介损的影响不明显；随着温度升高，基础油链烷烃含量越高、环烷烃含量越低，油纸复合体系的介损越大。由于变压器设备运行工况温度一般为60～80 ℃，为尽可能减小油纸复合体系的介损，建议基础油的CP低于50%。

2.2.2 芳烃含量对油纸复合体系介损的影响

变压器油中的芳烃包括单环芳烃、双环芳烃和多环芳烃。芳烃的电气性能及其对添加剂感受性较差，但芳烃具有优异的溶解性能和气体吸收特性；同时，部分芳烃是天然的氧化抑制剂[12]，其氧化产物酚可以抑制氧化过程的自由基反应，因此芳烃是变压器油不可缺少的重要烃组分。为考察基础油芳烃含量(即芳碳率，CA)对油纸复合体系介损的影响，将绝缘纸板分别在不同芳烃含量的基础油R5，R6，R7，R8样品中进行充分浸渍，然后分别在30，50，70，90 ℃下测试油纸复合体系的介损，结果见图3。

图3 不同温度下基础油芳烃含量变化对油纸复合体系介损的影响

由图3可以看出：在考察范围内，芳烃含量越高，油纸复合体系的介损越大；低温下，不同芳烃含量的油纸复合体系的介损相差不大，但温度越高，芳烃含量对油纸复合体系介损的影响越大。鉴于芳烃较好的天然抗氧化作用和溶解油泥作用，建议绝缘油芳烃率控制在3%以下。

2.3 硫含量对油纸复合体系介损的影响

对于不加抗氧剂的变压器油而言，保留适量的硫化物，可以形成油品抗氧化性能与抗腐蚀性能的平衡[8]；对于添加抗氧剂变压器油，由于硫化物潜在的腐蚀性及其对抗氧剂的感受性差等原因，其含量越低越好。

为考察硫含量对油纸复合体系介损的影响，在基本不含硫的基础油R2(硫质量分数小于1 μg/g)中加入高硫基础油，调合成不同硫含量的基础油R9，R10，R11，R12，其硫质量分数分别为85，161，241，322 μg/g。将绝缘纸板分别在R2，R9，R10，R11，R12中进行充分浸渍，然后分别在30，50，70，90 ℃下测试油纸复合体系的介损(忽略在R2中引入高硫基础油对调合基础油碳型组成变化的影响)，结果见图4。

由图4可以看出，无论高温或低温，随着基础油硫含量升高，油纸复合体系的介损逐渐增大，且不同温度下介损增幅较为一致。随着温度升高，不同硫含量的油纸复合体系的介损均先减小后增大，在温度为60～70 ℃时，体系的介损最小。这主要是由于变压器油基础油中的硫化物分子均具有一定的极性，极性物质含量增加时导致油纸复合体系介损增大。因此，对于添加抗氧剂的变压器油，硫含量越低越好；对于不加抗氧剂的变压器油，在满足抗氧化性能的前提下，应尽可能降低硫含量。

图4 基础油硫质量分数对油纸复合体系介损的影响

2.4 变压器油理想组分构成

综合不同烃组成对油纸复合体系介损的影响，并结合前期研究结果[13-16]，提出变压器油的理想组分构成。目前，市场上的变压器油产品主要包括不加抗氧剂的变压器油和添加抗氧剂(2，6-二叔丁基对甲酚)的变压器油两大类。因此，分别分析其理想组成，结果如表2所示。由表2可以看出：与添加抗氧剂的变压器油相比，在不加抗氧剂的变压器油的理想构成组分中芳烃含量更高，且要求包含一定量的硫化物(质量分数50～100 μg/g)，芳烃和硫化物的主要作用在于提高基础油的抗氧化能力；此外，无论是不加抗氧剂或添加抗氧剂的变压器油，均要求含有较高比例的环烷烃和一定比例的饱和烃，二者协同作用，既能提高变压器油的电气性能、溶解性能和抗氧剂的感受性，也能提高变压器油的黏度指数和低温流动性，使变压器油的适用温度范围更宽。因此，含有适量芳烃的环烷基油是变压器油的理想基础油。

表2 变压器油基础油的理想组成

3 结 论

低温下，基础油饱和烃含量和芳烃含量变化对油纸复合体系的介损影响不明显；随着温度的升高，链烷烃含量和芳烃含量越高的基础油，其油纸复合体系的介损越大，且温度越高其介损增大的趋势越明显。

基础油硫含量越高，油纸复合体系的介损越大；不同温度下，油纸复合体系介损随着基础油硫含量增加的变化幅度差别不大。

变压器油的理想基础油为含有适量芳烃的环烷基油。对于不加抗氧剂的变压器油，在保证其抗氧化性能前提下，其硫含量应保持在适量较低水平；对于添加抗氧剂的变压器油，需保持适量的芳烃和链烷烃组分，但应尽可能去除硫化物。