变压器油组成与氧化安定性相关性研究

马蕊燕，何军，周勇，张美琼，张静

(克拉玛依石化有限责任公司炼油化工研究院，新疆 克拉玛依 834003)

0 引言

变压器是输变电设备中最重要的电器设备,这就要求变压器在使用过程中一定要具有长的使用寿命和可靠性,尤其是高压输电设备,世界各国在设计变压器时,都做到使变压器油和变压器内的绝缘材料同寿命,一般为20～30 年。变压器油填充在绝缘材料的缝隙中起到了绝缘作用、冷却作用以及延缓氧对绝缘材料的侵蚀，从而起到保护铁芯和线圈的作用，油品的优劣直接影响电力设备的安全性能[1-2]。变压器油是非常复杂的混合物，现代分析手段不能将其完全分离，目前只能按其结构简单分为烷烃、环烷烃和芳香烃，芳烃中还会有一些杂环化合物，环烷烃中还含氧、含硫等[3]。变压器油的氧化安定性是保证变压器长周期安全运行的重要指标，这就要求变压器油不仅具有良好电气性能，而且必须具有良好的氧化安定性能，不同的结构组成对油品的氧化安定性影响差异很大[4-5]。链烷烃、环烷烃和芳香烃对变压器油氧化安定性贡献有很大的差别[6-8]，关于这方面的定性关系已经有很多前人做过研究，但是定量关系却很少研究。

1 变压器油A馏分段氧化安定性评价试验

以环烷基变压器油A作为基础油，以每10 ℃为单位进行窄馏分切割试验，将切割的窄馏分段作为研究对象进行氧化安定性试验，研究变压器油A馏分段在氧化条件下，酸值、介损和油泥量与组成之间的定量关系，考察组成中链烷烃、环烷烃和芳香烃等对变压器油A氧化安定性差别的大小，从而确定关键组分，表1为氧化安定性试验条件。

表1 氧化安定性试验条件[9]

表2显示的是变压器油A在表1中的试验条件下进行的氧化安定性试验后的性质分析，图1～图3显示的是变压器油A随着馏分段的变重，馏分段氧化后总酸值、介损和沉淀的变化趋势。

图1 馏分段总酸值变化趋势

图2 馏分段介损变化趋势

图3 馏分段沉淀变化趋势

表2 氧化安定性试验性质测定

(1)从图1中的总酸值图形可以看出：变压器油A窄馏分段中中间馏分段308～318 ℃的挥发性酸增长趋势要大于其他馏分段；

(2)从图2可以看出，变压器油A窄馏分段除去前面变化比较突兀的轻组分段228～278 ℃后，馏分段308～318 ℃的介损值较大，与总酸值的变化趋势基本相似；

(3)从图3可以看出，变压器油A窄馏分段的沉淀变化趋势呈现锯齿状，其中馏分段308～318 ℃的沉淀值较高。

2 质谱分析以及关键组分的确定

质谱分析以及关键组分的确定见表3。

表3 变压器油A组成分析

从表3显示的是变压器油A通过气相色谱仪测定的质谱组成分析，为了考察变压器油A组成里不同组分对变压器油A的氧化安定性的影响程度，通过化工数据计算软件列出以下多元线性回归方程[10]，从而得到表4～表6中回归系数a1……an，以及相关系数值R2分别为：

C01=a0+a1C02+a2C03+……+anC0(n+1)

(1)

其中C01为变压器油A窄馏分段氧化安定性质测试分析所得到的油泥值、介损值和酸值；

C02，C0(n+1)为变压器油A窄馏份段的质谱组成分析；

a0为常数项；a1，an为回归系数，n为自然数；R2为相关系数值；

相关系数值R2介于-1与+1之间，即-1≤R2≤+1，其性质如下：

当R2>0时，表示两变量正相关，R2<0时，两变量为负相关；

当∣R2∣=1时，表示两变量为完全线性相关，即为函数关系；

当R2=0时，表示两变量间无线性相关关系；

当0<∣R2∣<1时，表示两变量存在一定程度的线性相关，且∣R2∣越接近1，两变量间线性关系越密切，∣R2∣越接近于0，表示两变量的线性相关越弱；

一般可按三级划分：∣R2∣<0.4为低度线性相关；0.4≤∣R2∣<0.7为显著性相关；0.7≤∣R2∣<1为高度线性相关[11]。

表4～表6中分别得到变压器油A氧化之后的油泥、介损以及酸值与组成的相关数据，利用化工计算软件，通过多元线性回归方程，从而得到回归系数a1……an，以及相关系数值R2。

表4 油泥与组成的相关度数据

表5 介损与组成的相关度数据

表6 酸值与组成的相关度数据

表4中的相关系数值R2为0.9214，说明方程(1)高度线性相关，方程比较可靠，得出变压器油A氧化安定性后油泥与组成中的四环芳烃、四环烷烃、二环烷基苯以及环烷基苯有关，从回归系数a1～a4的值的大小来看，基础油氧化后对油泥的贡献大小的顺序是：四环芳烃、四环烷烃、二环烷基苯，特别是后两种物质是我们以前认识不足的物质。从表5中的相关系数值R2和回归系数a1～a7值，可以得出：变压器油A氧化安定性的介损值主要与四环芳烃、三环芳烃、二环芳烃等有关，其中前两种物质对介损的贡献最大。从表6中的相关系数值R2和回归系数来看，变压器油A组成中对酸值影响的主要物质是链烷烃，此外是二环烷基苯、环烷烃和胶质。

3 结论

从以上的试验过程可知：变压器油A中的理想组分是萘和环烷基苯，非理想组分是三环以上芳烃、四环以上芳烃、链烷烃、二环烷基苯和胶质。三环和四环以上芳烃易与氧化物反应生成沉淀，而链烷烃和二环烷基苯和胶质含有不饱和双键，在空气氧化条件下，含有不饱和键的物质首先被氧化，发生氧化脱氢反应，而生成酸、多环芳烃和油泥大分子等物质[12-13]。建议根据直链烷烃含量的变化酌情考虑增加烷基化反应，使直链烷烃与单环、双环芳烃烷基化，降低链烷烃的不饱和性和氧化裂解的可能性，或是在油样中调入富含萘以及双环芳烃类化合物，从而提高变压器油A的氧化安定性，延长变压器油寿命。