变压器油真空滤油泡沫问题的研究

于会民，卢新萍，黄松柏，方乐，杨雪，王会娟，陈华，张绮，张昱

（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，新疆克拉玛依 834003；3.克拉玛依红山油田有限责任公司，新疆克拉玛依 834000；4.中国石油克拉玛依润滑油厂，新疆克拉玛依 834003）

0 引言

随着电力变压器的电压等级越来越高，对变压器油的绝缘性能要求也越来越高，进而对变压器油中的水分含量、气体含量和杂质含量要求也越来越高。变压器油中水分含量和气体含量的多少会影响真空过滤周期，变压器油抗泡沫性能的优劣直接影响真空滤油机的脱水脱气效果，抗泡沫性能差的变压器油会引起真空下的泡沫层快速增加，致使真空滤油设备发生报警而停机，从而延长变压器油的过滤周期，增大了能源和变压器油的损耗。近些年来，这一问题受到广大变压器制造企业的关注。提高变压器油的抗泡沫性能成为用户最为关心的问题[3]。

本文对变压器油的抗泡沫性能进行调查，并对产生泡沫大的变压器油的解决方案进行探索研究，以期为工业应用提供参考。

1 试验

1.1 主要原材料

25号变压器油（未用过）、50号变压器油（未用过），中国石油润滑油公司；25号变压器油（用过）、50号变压器油（用过），广州西门子公司；二甲基硅油，广州标美公司；吸附剂，四川金聚隆矿业有限公司。

1.2 测试仪器与测试方法

1.2.1 测试仪器

DMA4100M型自动密度仪、SVM3000型全自动黏度测定仪，奥地利安东帕公司；899型便携型库仑水分测定仪，瑞士万通公司；OTS100AF型变压器油击穿电压检测仪，英国MEGGER公司；DTL-C型绝缘油介质损耗因数测量仪，奥地利保尔公司；K100型界面张力测试仪，德国Kruss公司；14020-7型润滑油泡沫特性测试仪，英国SETA公司；iCAP6000型直读电感耦合等离子体原子发射光谱，美国ThermoFisher公司；EA5000S型硫氮元素分析仪，德国耶拿公司。

1.2.2 测试标准与测试方法

采用的测试标准有：SH/T 0604—2000《原油和石油产品密度测定法》；NB/SH/T 0870—2013《石油产品动力黏度和密度的测定及运动黏度的计算》；NB/SH/T 0207—2010《绝缘液中水含量的测定法》；GB/T 507—2002《绝缘油击穿电压测定法》；GB/T 5654—2007《液体绝缘材料相对电容率、介质损耗因数和直流电阻率的测量》；GB/T 6541—1986《石油产品油水界面张力测定法》；GB/T 12579—2002《润滑油泡沫特性测定法》；NB/SH/T 0923-2016《绝缘油中元素含量的测定》；GB/T 11140—2008《石油产品硫含量的测定》；SH/T 0657—2007《液态石油烃中痕量氮的测定氧化燃烧和化学发光法》。

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2 结果与分析

2.1 变压器油样品的分析

2.1.1 变压器油绝缘性能的差异分析

为了考察未用过和用过的变压器油绝缘性能是否有变化，本文重点对比变压器油样品的水分含量、击穿电压、介质损耗因数和界面张力，对比结果见表1。从表1的对比结果看出，未用过与用过的25号变压器油和50号变压器油的水分含量、击穿电压和介质损耗因数的测试结果相近，只有界面张力相差较多，用过的变压器油的界面张力都在40 mN/m以下。界面张力的测试结果说明，反复填充的变压器油受到变压器内部材料的污染，导致变压器油界面张力降低。这些污染物质对变压器油的绝缘性能没有明显的负面影响。

表1 变压器油的性能Tab.1 Performance of transformer oils

2.1.2 变压器油的微量元素对比分析

为了查找用过的变压器油界面张力降低的原因及相应物质，重点对变压器油样品中的金属和非金属元素进行检测。由于变压器油是由有机化合物组成的复杂混合物，碳元素和氢元素是有机化合物组成的基本元素，因此非金属元素的对比分析不包括碳元素和氢元素，主要对比结果见表2。从表2元素分析结果可知，未用过的变压器油与用过的变压器油金属元素主要含有微量的钒元素和锌元素，非金属元素主要含有硫元素，用过的变压器油中除了含有硫元素外，还含有微量的硅元素。由此可以推断出，引起用过的变压器油界面张力降低的物质化学元素组成中含有硅元素。

表2 变压器油的元素分析结果Tab.2 Test results for element of transformer oils

2.1.3 变压器油的抗泡沫性能对比分析

目前，国内外没有专门用于变压器油在真空下泡沫特性检测的标准方法，本文依据IEC 60296:2020[4]附件中推荐的方法，参考工业真空滤油的温度范围，选择在24℃和93.5℃条件下，采用润滑油泡沫特性检测法对变压器油的抗泡沫性能进行测试，测试结果见图1。从图1测试结果可知，与未用过的变压器油相比，用过的变压器油吹气5 min后的泡沫体积普遍较大，抗泡沫性能较差。实验温度越低，这种差异越明显。

图1 变压器油样品在不同温度下的抗泡沫性能Fig.1 Antifoam performance of transformer oil sample at different temperatures

2.2 提高用过的变压器油抗泡沫性能方法研究

2.2.1 添加抗泡剂处理法

在润滑油行业中，提高润滑油抗泡沫性能的方法很多。常用的是向油品中添加抗泡剂，此方法简单，效果明显，得到广泛使用[5]。润滑油行业中常用的抗泡剂类型有3类：硅型、非硅型和复合型[6]。硅型抗泡剂主要物质是聚二甲基硅氧烷，即二甲基硅油，这类抗泡剂用量少（1～10 mg/kg），与变压器油不发生反应，闪点高，凝点低，有良好的氧化安定性。但此类抗泡剂对调和技术要求较高，加入方法不同，其抗泡沫效果和消泡持续性存在很大差异[7]。非硅型抗泡剂主要物质是聚丙烯酸酯，这类抗泡剂用量较少（50～1 000 mg/kg），抗泡效果好，此类抗泡剂对调和技术要求不高，其抗泡沫效果和消泡持续性好。但是聚丙烯酸酯会降低变压器油的界面张力，不适用于变压器油中。复合型抗泡剂就是将硅型和非硅型抗泡剂按适当比例和工艺加以复合而成[8-9]，复合型抗泡剂也含聚丙烯酸酯成分，会降低变压器油的界面张力，不适用于变压器油中。因此，本文选用硅型抗泡剂提高用过的变压器油抗泡沫性能。

本文从黏度范围为1 000～100 000 mm2/s的二甲基硅油中选择5种样品，配制浓度为1%的抗泡剂，抗泡剂的配制编号见表3。从表3可以看出，黏度为125 00 mm2/s以下的抗泡剂稳定性较好，贮存7天和30天后，仍然是透明液体且无沉积物。而黏度为60 000 mm2/s以上的抗泡剂稳定性较差，虽然贮存7天后溶液是透明且无沉积物，但是贮存30天后容器底部有沉积物。

表3 不同黏度的抗泡剂溶液Tab.3 Antifoam liquids with different viscosity

在变压器油样品中加入上述不同黏度的抗泡剂，以观察不同黏度抗泡剂的抗泡沫效果，抗泡剂的有效加入量为10 mg/kg，并对含有抗泡剂样品的硅元素、绝缘性能以及抗泡沫性能进行检测，未用过的25号变压器油试验结果见表4和图2，用过的25号变压器油试验结果见表5和图3。

从表4的结果可知，在未用过的25号变压器油中加入不同黏度的抗泡剂后，油中的硅元素含量增加，油的界面张力、击穿电压和介质损耗因数变化不大，说明不同黏度抗泡剂对变压器油的绝缘性能没有负面影响。从图2的结果可知，在未用过的25号变压器油中加入不同黏度的抗泡剂，其抗泡沫效果是不同的，抗泡剂的黏度越大，其在变压器油中的抗泡沫效果越好。

图2 未用过的25号变压器油在不同温度下的抗泡沫性能Fig.2 Antifoam performance of unused No.25 transformer oil at different temperatures

表4 未用过的25号变压器油的硅元素及绝缘性能检测结果Tab.4 Test result of silicon element and insulation performance of unused No.25 transformer oil

从表5的结果可知，在用过的25号变压器油中加入不同黏度的抗泡剂，油中的硅元素含量增加，油的界面张力、击穿电压和介质损耗因数变化不大，说明不同黏度抗泡剂对变压器油的绝缘性能没有负面影响。从图3的结果可知，在用过的25号变压器油中加入不同黏度的抗泡剂，抗泡剂的黏度越大，其在变压器油中的抗泡沫效果越好，且达到未用过的变压器油的抗泡沫性能。

图3 用过的25号变压器油在不同温度下的抗泡沫性能Fig.3 Antifoam performance of used No.25 transformer oil at different temperatures

表5 用过的25号变压器油的硅元素及绝缘性能检测结果Tab.5 Test result of silicon element and insulation performance of used No.25 transformer oil

在未用过的和用过的变压器油中加入抗泡剂虽然都有提高抗泡沫效果，但是抗泡剂不溶解于变压器油中，只是通过特殊的工艺技术使抗泡剂高度分散在变压器油中，它分散的稳定性直接影响其抗泡沫效果，因此，其实际应用效果还有待进一步研究。

变压器油中泡沫是以空气为分散相，以变压器油为分散介质的分散体系，它是由变压器油中产生的气泡上升到油液面而形成的一定厚度油膜所包围的气泡聚集体。抗泡剂在变压器油中的作用机理相对复杂，主流观点认为是通过抗泡剂来降低变压器油膜的局部表面张力，促使油膜表面张力不均衡而发生破裂，从而达到消泡的作用。众多的试验表明，抗泡剂的表面张力比变压器油低，在变压器油中溶解度小，所以，抗泡剂是以粒子束状分散在变压器油中，且吸附于气泡膜上，使泡膜局部表面张力显著降低而破裂。

2.2.2 采用吸附剂的再生处理方法

在变压器油维护管理导则[10]中，对于有污染的变压器油，常用的处理方法是吸附剂的再生处理法[11-12]。为了便于电力行业的应用，本文对用过的变压器油样品采用吸附剂进行再生处理，并观察不同用量吸附剂再生处理后油的抗泡沫效果，处理后样品的硅元素、界面张力及抗泡沫性能检测结果见表6和图4。

从表6和图4结果可知，用过的25号变压器油采用不同用量的吸附剂再生处理后，用过的变压器油的抗泡沫性能逐渐达到未用过的变压器油的水平，且用过的变压器油中硅含量逐渐降低至未能检测出，用过的变压器油的界面张力逐渐增大。说明用过的变压器油经过吸附剂再生处理可以尽可能除去含硅元素的污染物质。

图4 用过的25号变压器油经吸附剂再生处理后在不同温度下的抗泡沫性能Fig.4 Antifoam performance of used No.25 transformer oil after treated by absorbent at different temperatures

表6 用过的25号变压器油经吸附剂再生处理后的硅元素及界面张力检测结果Tab.6 Testing results of silicon element and interfacial tension of used No.25 transformer oil after treated by absorbent

变压器油的界面张力主要是变压器油与水的界面张力，其大小反映出变压器油中极性有机物质含量多少，大多数极性有机物质含有亲水基团——羟基、羰基和酯基，这些亲水基团会降低变压器油和水的界面张力。用过的变压器油普遍界面张力降低，说明油中溶解了含有亲水基团的极性有机物质，从用过的变压器油硅元素含量和界面张力的结果可以断定油中溶解了微量的含硅元素的极性有机物质。

3 结论

（1）用过的变压器油界面张力小，硅元素含量高，在24℃条件下抗泡沫性能较差，泡沫层较大，真空滤油时泡沫层生成体积量也偏大，泡沫层消散得慢。泡沫层消散时间越长，越不利于变压器油的脱气脱水处理。

（2）在未用过和用过的变压器油中加入硅型抗泡剂可以提高抗泡沫性能，但是硅型抗泡剂难溶于变压器油中，只是分散于变压器油中，硅型抗泡剂在变压器油中的分散稳定性直接影响其抗泡沫效果，它的实际应用效果有待进一步研究。

（3）用过的变压器油经过吸附剂再生处理可以尽可能除去含有硅元素的极性有机物质，提高变压器油的界面张力和降低变压器油中硅含量。