于會(huì)民，盧新萍，黃松柏，方樂，楊雪，王會(huì)娟，陳華，張綺，張昱

（1.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，新疆克拉瑪依 834003；2.中國石油潤滑油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆克拉瑪依 834003；3.克拉瑪依紅山油田有限責(zé)任公司，新疆克拉瑪依 834000；4.中國石油克拉瑪依潤滑油廠，新疆克拉瑪依 834003）

0 引言

隨著電力變壓器的電壓等級(jí)越來越高，對(duì)變壓器油的絕緣性能要求也越來越高，進(jìn)而對(duì)變壓器油中的水分含量、氣體含量和雜質(zhì)含量要求也越來越高。變壓器油中水分含量和氣體含量的多少會(huì)影響真空過濾周期，變壓器油抗泡沫性能的優(yōu)劣直接影響真空濾油機(jī)的脫水脫氣效果，抗泡沫性能差的變壓器油會(huì)引起真空下的泡沫層快速增加，致使真空濾油設(shè)備發(fā)生報(bào)警而停機(jī)，從而延長變壓器油的過濾周期，增大了能源和變壓器油的損耗。近些年來，這一問題受到廣大變壓器制造企業(yè)的關(guān)注。提高變壓器油的抗泡沫性能成為用戶最為關(guān)心的問題[3]。

本文對(duì)變壓器油的抗泡沫性能進(jìn)行調(diào)查，并對(duì)產(chǎn)生泡沫大的變壓器油的解決方案進(jìn)行探索研究，以期為工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

25號(hào)變壓器油（未用過）、50號(hào)變壓器油（未用過），中國石油潤滑油公司；25號(hào)變壓器油（用過）、50號(hào)變壓器油（用過），廣州西門子公司；二甲基硅油，廣州標(biāo)美公司；吸附劑，四川金聚隆礦業(yè)有限公司。

1.2 測(cè)試儀器與測(cè)試方法

1.2.1 測(cè)試儀器

DMA4100M型自動(dòng)密度儀、SVM3000型全自動(dòng)黏度測(cè)定儀，奧地利安東帕公司；899型便攜型庫侖水分測(cè)定儀，瑞士萬通公司；OTS100AF型變壓器油擊穿電壓檢測(cè)儀，英國MEGGER公司；DTL-C型絕緣油介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)量儀，奧地利保爾公司；K100型界面張力測(cè)試儀，德國Kruss公司；14020-7型潤滑油泡沫特性測(cè)試儀，英國SETA公司；iCAP6000型直讀電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜，美國ThermoFisher公司；EA5000S型硫氮元素分析儀，德國耶拿公司。

1.2.2 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)試方法

采用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有：SH/T 0604—2000《原油和石油產(chǎn)品密度測(cè)定法》；NB/SH/T 0870—2013《石油產(chǎn)品動(dòng)力黏度和密度的測(cè)定及運(yùn)動(dòng)黏度的計(jì)算》；NB/SH/T 0207—2010《絕緣液中水含量的測(cè)定法》；GB/T 507—2002《絕緣油擊穿電壓測(cè)定法》；GB/T 5654—2007《液體絕緣材料相對(duì)電容率、介質(zhì)損耗因數(shù)和直流電阻率的測(cè)量》；GB/T 6541—1986《石油產(chǎn)品油水界面張力測(cè)定法》；GB/T 12579—2002《潤滑油泡沫特性測(cè)定法》；NB/SH/T 0923-2016《絕緣油中元素含量的測(cè)定》；GB/T 11140—2008《石油產(chǎn)品硫含量的測(cè)定》；SH/T 0657—2007《液態(tài)石油烴中痕量氮的測(cè)定氧化燃燒和化學(xué)發(fā)光法》。

為進(jìn)一步提高期刊可讀性，豐富期刊文化內(nèi)容，推動(dòng)期刊多元化發(fā)展，現(xiàn)面向廣大讀者長期征集水利人物、水利故事、水利文化等方面的稿件和圖片。

2 結(jié)果與分析

2.1 變壓器油樣品的分析

2.1.1 變壓器油絕緣性能的差異分析

為了考察未用過和用過的變壓器油絕緣性能是否有變化，本文重點(diǎn)對(duì)比變壓器油樣品的水分含量、擊穿電壓、介質(zhì)損耗因數(shù)和界面張力，對(duì)比結(jié)果見表1。從表1的對(duì)比結(jié)果看出，未用過與用過的25號(hào)變壓器油和50號(hào)變壓器油的水分含量、擊穿電壓和介質(zhì)損耗因數(shù)的測(cè)試結(jié)果相近，只有界面張力相差較多，用過的變壓器油的界面張力都在40 mN/m以下。界面張力的測(cè)試結(jié)果說明，反復(fù)填充的變壓器油受到變壓器內(nèi)部材料的污染，導(dǎo)致變壓器油界面張力降低。這些污染物質(zhì)對(duì)變壓器油的絕緣性能沒有明顯的負(fù)面影響。

表1 變壓器油的性能Tab.1 Performance of transformer oils

2.1.2 變壓器油的微量元素對(duì)比分析

為了查找用過的變壓器油界面張力降低的原因及相應(yīng)物質(zhì)，重點(diǎn)對(duì)變壓器油樣品中的金屬和非金屬元素進(jìn)行檢測(cè)。由于變壓器油是由有機(jī)化合物組成的復(fù)雜混合物，碳元素和氫元素是有機(jī)化合物組成的基本元素，因此非金屬元素的對(duì)比分析不包括碳元素和氫元素，主要對(duì)比結(jié)果見表2。從表2元素分析結(jié)果可知，未用過的變壓器油與用過的變壓器油金屬元素主要含有微量的釩元素和鋅元素，非金屬元素主要含有硫元素，用過的變壓器油中除了含有硫元素外，還含有微量的硅元素。由此可以推斷出，引起用過的變壓器油界面張力降低的物質(zhì)化學(xué)元素組成中含有硅元素。

表2 變壓器油的元素分析結(jié)果Tab.2 Test results for element of transformer oils

2.1.3 變壓器油的抗泡沫性能對(duì)比分析

目前，國內(nèi)外沒有專門用于變壓器油在真空下泡沫特性檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)方法，本文依據(jù)IEC 60296:2020[4]附件中推薦的方法，參考工業(yè)真空濾油的溫度范圍，選擇在24℃和93.5℃條件下，采用潤滑油泡沫特性檢測(cè)法對(duì)變壓器油的抗泡沫性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖1。從圖1測(cè)試結(jié)果可知，與未用過的變壓器油相比，用過的變壓器油吹氣5 min后的泡沫體積普遍較大，抗泡沫性能較差。實(shí)驗(yàn)溫度越低，這種差異越明顯。

圖1 變壓器油樣品在不同溫度下的抗泡沫性能Fig.1 Antifoam performance of transformer oil sample at different temperatures

2.2 提高用過的變壓器油抗泡沫性能方法研究

2.2.1 添加抗泡劑處理法

在潤滑油行業(yè)中，提高潤滑油抗泡沫性能的方法很多。常用的是向油品中添加抗泡劑，此方法簡單，效果明顯，得到廣泛使用[5]。潤滑油行業(yè)中常用的抗泡劑類型有3類：硅型、非硅型和復(fù)合型[6]。硅型抗泡劑主要物質(zhì)是聚二甲基硅氧烷，即二甲基硅油，這類抗泡劑用量少（1～10 mg/kg），與變壓器油不發(fā)生反應(yīng)，閃點(diǎn)高，凝點(diǎn)低，有良好的氧化安定性。但此類抗泡劑對(duì)調(diào)和技術(shù)要求較高，加入方法不同，其抗泡沫效果和消泡持續(xù)性存在很大差異[7]。非硅型抗泡劑主要物質(zhì)是聚丙烯酸酯，這類抗泡劑用量較少（50～1 000 mg/kg），抗泡效果好，此類抗泡劑對(duì)調(diào)和技術(shù)要求不高，其抗泡沫效果和消泡持續(xù)性好。但是聚丙烯酸酯會(huì)降低變壓器油的界面張力，不適用于變壓器油中。復(fù)合型抗泡劑就是將硅型和非硅型抗泡劑按適當(dāng)比例和工藝加以復(fù)合而成[8-9]，復(fù)合型抗泡劑也含聚丙烯酸酯成分，會(huì)降低變壓器油的界面張力，不適用于變壓器油中。因此，本文選用硅型抗泡劑提高用過的變壓器油抗泡沫性能。

本文從黏度范圍為1 000～100 000 mm2/s的二甲基硅油中選擇5種樣品，配制濃度為1%的抗泡劑，抗泡劑的配制編號(hào)見表3。從表3可以看出，黏度為125 00 mm2/s以下的抗泡劑穩(wěn)定性較好，貯存7天和30天后，仍然是透明液體且無沉積物。而黏度為60 000 mm2/s以上的抗泡劑穩(wěn)定性較差，雖然貯存7天后溶液是透明且無沉積物，但是貯存30天后容器底部有沉積物。

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

在變壓器油樣品中加入上述不同黏度的抗泡劑，以觀察不同黏度抗泡劑的抗泡沫效果，抗泡劑的有效加入量為10 mg/kg，并對(duì)含有抗泡劑樣品的硅元素、絕緣性能以及抗泡沫性能進(jìn)行檢測(cè)，未用過的25號(hào)變壓器油試驗(yàn)結(jié)果見表4和圖2，用過的25號(hào)變壓器油試驗(yàn)結(jié)果見表5和圖3。

從表4的結(jié)果可知，在未用過的25號(hào)變壓器油中加入不同黏度的抗泡劑后，油中的硅元素含量增加，油的界面張力、擊穿電壓和介質(zhì)損耗因數(shù)變化不大，說明不同黏度抗泡劑對(duì)變壓器油的絕緣性能沒有負(fù)面影響。從圖2的結(jié)果可知，在未用過的25號(hào)變壓器油中加入不同黏度的抗泡劑，其抗泡沫效果是不同的，抗泡劑的黏度越大，其在變壓器油中的抗泡沫效果越好。

圖2 未用過的25號(hào)變壓器油在不同溫度下的抗泡沫性能Fig.2 Antifoam performance of unused No.25 transformer oil at different temperatures

表4 未用過的25號(hào)變壓器油的硅元素及絕緣性能檢測(cè)結(jié)果Tab.4 Test result of silicon element and insulation performance of unused No.25 transformer oil

從表5的結(jié)果可知，在用過的25號(hào)變壓器油中加入不同黏度的抗泡劑，油中的硅元素含量增加，油的界面張力、擊穿電壓和介質(zhì)損耗因數(shù)變化不大，說明不同黏度抗泡劑對(duì)變壓器油的絕緣性能沒有負(fù)面影響。從圖3的結(jié)果可知，在用過的25號(hào)變壓器油中加入不同黏度的抗泡劑，抗泡劑的黏度越大，其在變壓器油中的抗泡沫效果越好，且達(dá)到未用過的變壓器油的抗泡沫性能。

圖3 用過的25號(hào)變壓器油在不同溫度下的抗泡沫性能Fig.3 Antifoam performance of used No.25 transformer oil at different temperatures

表5 用過的25號(hào)變壓器油的硅元素及絕緣性能檢測(cè)結(jié)果Tab.5 Test result of silicon element and insulation performance of used No.25 transformer oil

在未用過的和用過的變壓器油中加入抗泡劑雖然都有提高抗泡沫效果，但是抗泡劑不溶解于變壓器油中，只是通過特殊的工藝技術(shù)使抗泡劑高度分散在變壓器油中，它分散的穩(wěn)定性直接影響其抗泡沫效果，因此，其實(shí)際應(yīng)用效果還有待進(jìn)一步研究。

變壓器油中泡沫是以空氣為分散相，以變壓器油為分散介質(zhì)的分散體系，它是由變壓器油中產(chǎn)生的氣泡上升到油液面而形成的一定厚度油膜所包圍的氣泡聚集體?？古輨┰谧儔浩饔椭械淖饔脵C(jī)理相對(duì)復(fù)雜，主流觀點(diǎn)認(rèn)為是通過抗泡劑來降低變壓器油膜的局部表面張力，促使油膜表面張力不均衡而發(fā)生破裂，從而達(dá)到消泡的作用。眾多的試驗(yàn)表明，抗泡劑的表面張力比變壓器油低，在變壓器油中溶解度小，所以，抗泡劑是以粒子束狀分散在變壓器油中，且吸附于氣泡膜上，使泡膜局部表面張力顯著降低而破裂。

2.2.2 采用吸附劑的再生處理方法

在變壓器油維護(hù)管理導(dǎo)則[10]中，對(duì)于有污染的變壓器油，常用的處理方法是吸附劑的再生處理法[11-12]。為了便于電力行業(yè)的應(yīng)用，本文對(duì)用過的變壓器油樣品采用吸附劑進(jìn)行再生處理，并觀察不同用量吸附劑再生處理后油的抗泡沫效果，處理后樣品的硅元素、界面張力及抗泡沫性能檢測(cè)結(jié)果見表6和圖4。

從表6和圖4結(jié)果可知，用過的25號(hào)變壓器油采用不同用量的吸附劑再生處理后，用過的變壓器油的抗泡沫性能逐漸達(dá)到未用過的變壓器油的水平，且用過的變壓器油中硅含量逐漸降低至未能檢測(cè)出，用過的變壓器油的界面張力逐漸增大。說明用過的變壓器油經(jīng)過吸附劑再生處理可以盡可能除去含硅元素的污染物質(zhì)。

圖4 用過的25號(hào)變壓器油經(jīng)吸附劑再生處理后在不同溫度下的抗泡沫性能Fig.4 Antifoam performance of used No.25 transformer oil after treated by absorbent at different temperatures

表6 用過的25號(hào)變壓器油經(jīng)吸附劑再生處理后的硅元素及界面張力檢測(cè)結(jié)果Tab.6 Testing results of silicon element and interfacial tension of used No.25 transformer oil after treated by absorbent

變壓器油的界面張力主要是變壓器油與水的界面張力，其大小反映出變壓器油中極性有機(jī)物質(zhì)含量多少，大多數(shù)極性有機(jī)物質(zhì)含有親水基團(tuán)——羥基、羰基和酯基，這些親水基團(tuán)會(huì)降低變壓器油和水的界面張力。用過的變壓器油普遍界面張力降低，說明油中溶解了含有親水基團(tuán)的極性有機(jī)物質(zhì)，從用過的變壓器油硅元素含量和界面張力的結(jié)果可以斷定油中溶解了微量的含硅元素的極性有機(jī)物質(zhì)。

3 結(jié)論

（1）用過的變壓器油界面張力小，硅元素含量高，在24℃條件下抗泡沫性能較差，泡沫層較大，真空濾油時(shí)泡沫層生成體積量也偏大，泡沫層消散得慢。泡沫層消散時(shí)間越長，越不利于變壓器油的脫氣脫水處理。

（2）在未用過和用過的變壓器油中加入硅型抗泡劑可以提高抗泡沫性能，但是硅型抗泡劑難溶于變壓器油中，只是分散于變壓器油中，硅型抗泡劑在變壓器油中的分散穩(wěn)定性直接影響其抗泡沫效果，它的實(shí)際應(yīng)用效果有待進(jìn)一步研究。

（3）用過的變壓器油經(jīng)過吸附劑再生處理可以盡可能除去含有硅元素的極性有機(jī)物質(zhì)，提高變壓器油的界面張力和降低變壓器油中硅含量。