沈娟

中國石化潤滑油有限公司華東分公司

變壓器油作為變壓器中重要的絕緣材料，主要起絕緣、冷卻和保護(hù)絕緣材料等作用，被稱為發(fā)電、供電設(shè)備的血液，其性能優(yōu)劣直接影響變壓器乃至電網(wǎng)的安全運(yùn)行[1]。運(yùn)行中變壓器油的溶解氣體組分與電氣設(shè)備的絕緣故障有密切的關(guān)系，檢測運(yùn)行油的溶解氣體變化已成為電力行業(yè)中判斷電氣設(shè)備故障的普遍做法[2，3]。

2020年，國際電工委員會（IEC）發(fā)布了IEC 60296:2020第5版[4]，首次對A 型絕緣油新增了熱應(yīng)力下產(chǎn)氣特性的指標(biāo)限值，并在附件A中發(fā)布產(chǎn)氣特性試驗(yàn)方法，這也是變壓器油成品油標(biāo)準(zhǔn)中首次出現(xiàn)產(chǎn)氣特性指標(biāo)限值。早在2013年，國外美國材料試驗(yàn)協(xié)會發(fā)布了ASTM D7150—13[5]《熱應(yīng)力下測定絕緣液體產(chǎn)氣特性的標(biāo)準(zhǔn)測試方法》標(biāo)準(zhǔn)，2016年，國內(nèi)等效采用ASTM D7150—13 A法發(fā)布了NB/SH/T 0930—2016[6]《熱應(yīng)力下絕緣液體產(chǎn)氣特性測定法》標(biāo)準(zhǔn)。變壓器油產(chǎn)氣特性分析是指在熱應(yīng)力下，沒有電力設(shè)備材料影響或現(xiàn)場作用時(shí)，測定一定溫度和氣體飽和條件下變壓器油的產(chǎn)氣情況。產(chǎn)氣特性主要考察變壓器油的產(chǎn)氣傾向性，可用于區(qū)分不同品牌變壓器油本身的產(chǎn)氣性能，為電力用戶選油的提供可靠的參考依據(jù)。

對變壓器油產(chǎn)氣特性的研究，國外 R Lance等[7]、Duval Michel等[8]、I Atansova 等[9]對低熱下變壓器油中溶解氣組分的變化進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明變壓器油在過熱條件下可能會產(chǎn)生大量氣體。國內(nèi)王會娟等[10]、郭春梅等[11]對變壓器油產(chǎn)氣特性與其氧化安定性、其基礎(chǔ)油等關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了研究，研究表明，變壓器油基礎(chǔ)油的產(chǎn)氣特性與其氧化安定性密切相關(guān)，氧化安定性越好，產(chǎn)氣量越少。本文主要考察了不同變壓器油基礎(chǔ)油及添加劑與變壓器油產(chǎn)氣特性的關(guān)聯(lián)性，探究變壓器油產(chǎn)氣特性的主要影響因素。

變壓器油產(chǎn)氣特性試驗(yàn)方法對比

對 NB/SH/T 0930—2016與IEC 60296:2020中Annex A做了對比，見表1。

表1 變壓器油產(chǎn)氣特性試驗(yàn)方法對比

由表1可見，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)相同之處是均規(guī)定了在沒有電力設(shè)備材料影響或電場作用的熱應(yīng)力下測定絕緣液體產(chǎn)氣特性；不同之處主要是試驗(yàn)條件及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等。

根據(jù)DL/T 572—2010《電力變壓器運(yùn)行維護(hù)規(guī)程》，電力變壓器一般是用油浸紙絕緣，屬于A級絕緣，即浸漬處理過的有機(jī)材料，如紙、木材、棉紗等。標(biāo)準(zhǔn)要求在正常運(yùn)行中，變壓器上層油溫最高不能超過95 ℃，當(dāng)周圍空氣溫度最高為40 ℃時(shí)，變壓器繞組的極限溫度為105 ℃。對比NB/SH/T 0930—2016、IEC 60296:2020—Annex A兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可知，IEC 60296:2020—Annex A方法的試驗(yàn)溫度為105 ℃、增加銅片對比試驗(yàn)等更接近變壓器設(shè)備實(shí)際正常運(yùn)行條件[12]。

同時(shí)根據(jù)IEC 60296:2020標(biāo)準(zhǔn)要求，在任意一種測試條件下，H2、CH4和C2H6有一種超過50 μL/L，則該絕緣液體被判定為“含游離氣體”。對比氮?dú)怙柡汀⒌獨(dú)怙柡陀秀~箔、空氣飽和、空氣飽和有銅箔四種測試條件，絕緣液體在空氣飽和、有銅箔條件下，因?yàn)檠鯕狻~存在，更容易被氧化、分解產(chǎn)生小分子烴類，因此本文選擇IEC 60296-Annex A方法中空氣飽和、有銅箔條件下對變壓器油產(chǎn)氣特性進(jìn)行測定。

試驗(yàn)部分

主要原材料

試驗(yàn)所用的變壓器油基礎(chǔ)油類型及主要性能見表2和表3，添加劑類型見表4。

表2 基礎(chǔ)油類型

表3 變壓器油基礎(chǔ)油的主要性能

表4 添加劑類型

儀器設(shè)備

河南中分2000A氣相色譜儀；德國Bruker Tensor 27型傅里葉變換紅外光譜儀；日本三菱 TS-100硫氮測定儀；美國Agilent 1260高效液相色譜儀；鼓風(fēng)干燥箱；100 mL注射器；三通道金屬旋；250 mL燒杯；銅箔；干燥空氣，純度大于99.999 %合成空氣；干燥氮?dú)?，純度大?9.999 %。

試驗(yàn)方法

產(chǎn)氣特性按照IEC 60296-Annex A產(chǎn)氣特性方法（空氣飽和有銅箔條件下）測定；溶解氣體分析按照GB/T 17623—2017《絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測定法》測定；烴類組成按照DL/T 929—2005《礦物絕緣油、潤滑油結(jié)構(gòu)族組成的紅外光譜測定法》測定；抗氧化劑按照NB/SH/T 0802—2019《絕緣油中2，6-二叔丁基對甲酚的測定 紅外光譜法》測定；金屬鈍化劑含量按照DL/T 1459—2015《礦物絕緣油中金屬鈍化劑含量的測定 高效液相色譜法》測定。

結(jié)果與討論

基礎(chǔ)油對變壓器油產(chǎn)氣的影響

市場上主流的變壓器油基礎(chǔ)油主要在烴組成和煉制工藝上有區(qū)別，因此主要考察基礎(chǔ)油烴組成和基礎(chǔ)油煉制工藝對變壓器油產(chǎn)氣的影響。

對加氫煉制工藝生產(chǎn)的石蠟基基礎(chǔ)油B1和環(huán)烷基基礎(chǔ)油B2進(jìn)行了產(chǎn)氣特性測定，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同烴組成的基礎(chǔ)油的產(chǎn)氣情況

由圖1可見，兩種加氫基礎(chǔ)油產(chǎn)生的H2、CH4氣體量相當(dāng)，基礎(chǔ)油B1產(chǎn)生0.15 μL/L的乙烷。

對分別經(jīng)過加氫工藝和溶劑精制工藝生產(chǎn)的兩種環(huán)烷基基礎(chǔ)油B2、B3進(jìn)行產(chǎn)氣特性測定，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同煉制工藝生產(chǎn)的基礎(chǔ)油的產(chǎn)氣情況

由圖2可見，加氫基礎(chǔ)油B2的H2、CH4和C2H6產(chǎn)氣量均明顯小于溶劑精制基礎(chǔ)油B3。

對3種不同基礎(chǔ)油的產(chǎn)氣特性匯總進(jìn)行分析，見表5。

表5 不同基礎(chǔ)油的產(chǎn)氣特性情況

由表5可見：

◇加氫工藝生產(chǎn)的石蠟基基礎(chǔ)油和環(huán)烷基基礎(chǔ)油產(chǎn)氣量基本相當(dāng)；

◇同是環(huán)烷基基礎(chǔ)油，溶劑精制工藝所產(chǎn)基礎(chǔ)油的產(chǎn)氣量比加氫工藝所產(chǎn)基礎(chǔ)油產(chǎn)氣量更多。

因產(chǎn)氣特性主要考察基礎(chǔ)油化學(xué)組成及分子結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)定程度，而基礎(chǔ)油煉制工藝直接決定基礎(chǔ)油穩(wěn)定程度。與溶劑精制工藝相比，加氫工藝主要發(fā)生加氫脫硫氮氧、烯烴和芳烴加氫飽和、多環(huán)芳烴加氫裂化等化學(xué)反應(yīng)，從根本上使基礎(chǔ)油組分趨于飽和、雜質(zhì)元素脫除，從而使基礎(chǔ)油組分更穩(wěn)定、精制程度更高，即加氫煉制工藝生產(chǎn)的產(chǎn)氣特性更優(yōu)。

添加劑對變壓器油產(chǎn)氣的影響

以實(shí)驗(yàn)室考察的添加劑的最佳加劑量為準(zhǔn)，在基礎(chǔ)油B1、B2和B3中添加一定量的抗氧化劑和金屬鈍化劑，考察添加劑對產(chǎn)氣特性的影響。

抗氧化劑T1對變壓器油產(chǎn)氣的影響

不添加/添加一定量的抗氧化劑T1的基礎(chǔ)油B1、B2和B3的產(chǎn)氣情況如圖3～圖5所示。

圖3 不添加/添加一定量的抗氧化劑T1的石蠟基加氫基礎(chǔ)油B1的產(chǎn)氣情況

圖4 不添加/添加一定量的抗氧化劑T1的環(huán)烷基加氫基礎(chǔ)油B2的產(chǎn)氣情況

圖5 不添加/添加一定量的抗氧化劑T1的環(huán)烷基基礎(chǔ)油B3的產(chǎn)氣情況

由圖3～圖5可見，有無添加抗氧化劑T1，基礎(chǔ)油B1、B2和B3的H2、CH4和C2H6產(chǎn)氣量變化不大，說明抗氧化劑T1對變壓器油基礎(chǔ)油的產(chǎn)氣特性無明顯影響。

金屬鈍化劑T2對變壓器油產(chǎn)氣的影響

不添加/添加一定量的金屬鈍化劑T2的基礎(chǔ)油B1、B2和B3的產(chǎn)氣情況如圖6～圖8所示。

圖6 不添加/添加一定量的金屬鈍化劑T2的石蠟基加氫基礎(chǔ)油B1的產(chǎn)氣情況

圖7 不添加/添加一定量的金屬鈍化劑T2的環(huán)烷基加氫基礎(chǔ)油B2的產(chǎn)氣情況

圖8 不添加/添加一定量的金屬鈍化劑T2的環(huán)烷基基礎(chǔ)油B3的產(chǎn)氣情況

由圖6～圖8可見，添加金屬鈍化劑T2導(dǎo)致基礎(chǔ)油B1、B2和B3中H2產(chǎn)量均大幅度增加，CH4和C2H6產(chǎn)氣量區(qū)別不大?？赡茉蚴墙饘兮g化劑T2（分子結(jié)構(gòu)見圖9）的熱安定性較差，苯環(huán)上的甲基最容易脫氫生成芐基自由基和氫原子，氫原子和氫原子結(jié)合生成氫氣，這是一個(gè)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致油中氫氣含量增加[13,14]。

圖9 金屬鈍化劑T2分子結(jié)構(gòu)示意

結(jié)論

☆采用加氫工藝生產(chǎn)的石蠟基基礎(chǔ)油和環(huán)烷基基礎(chǔ)油產(chǎn)氣量基本相當(dāng)，同是環(huán)烷基基礎(chǔ)油，溶劑精制工藝所產(chǎn)基礎(chǔ)油的產(chǎn)氣量比加氫工藝所產(chǎn)基礎(chǔ)油產(chǎn)氣量更多。

☆添加金屬鈍化劑會使變壓器油產(chǎn)氣量增加，說明金屬鈍化劑對變壓器油產(chǎn)氣特性影響較大。

☆添加或不添加抗氧化劑的變壓器油的產(chǎn)氣特性無明顯差異，說明抗氧化劑對變壓器油產(chǎn)氣特性無明顯影響。

☆建議變壓器油采用加氫煉油工藝生產(chǎn)的基礎(chǔ)油，減少或不添加金屬鈍化劑，使生產(chǎn)的變壓器油產(chǎn)氣特性更優(yōu)，更符合變壓器油標(biāo)準(zhǔn)要求。