變壓器油比熱容的影響因素考察

王會娟，于會民，馬書杰，張 綺

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發中心，新疆 克拉瑪依 834003；2.中國石油天然氣集團公司潤滑油重點實驗室)

變壓器油比熱容的影響因素考察

王會娟1，2，于會民1，2，馬書杰1，2，張 綺1，2

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發中心，新疆 克拉瑪依 834003；2.中國石油天然氣集團公司潤滑油重點實驗室)

采用流動型比熱容測量法考察了溫度、黏度、精制深度、烴組成等對變壓器油比熱容的影響。結果表明：依據ASTM D2766—1995設計的流動型比熱計測量法相比ASTM E1269—2005法，重復性更好，誤差在±2%以內；在-20～100 ℃范圍內，變壓器油比熱容隨溫度升高呈近似線性增大的趨勢；在傳統溶劑精制過程中，變壓器油比熱容受精制深度的影響不大；黏度相近時，芳碳含量對變壓器油的比熱容影響不大；黏度相近時，變壓器油比熱容隨鏈烷碳含量的增大而增大，且鏈烷碳含量較大的變壓器油比熱容隨溫度升高而增大的程度略小，100 ℃時不同鏈烷碳含量變壓器油的比熱容非常接近；對于同一油源、同一工藝得到的不同餾程的基礎油，黏度增加到3倍時，比熱容只增大2.6%，其比熱容隨黏度的增加呈略增大趨勢。

變壓器油 比熱容 烴組成 流動型比熱計

我國的變壓器制造水平雖然已經達到世界先進水平，但依然存在體積大、可靠性不穩定等缺點。其中很重要的原因之一就是變壓器設計水平沒有跟上變壓器制造水平發展的步伐，很多設計參數采用的依舊是經驗值。變壓器油在電氣設備中起絕緣、散熱冷卻作用[1]。目前，變壓器油的熱物性越來越受到電力和變壓器制造行業的密切關注，并逐步列入變壓器油的質量標準要求。例如，在ASTM D3487《電器設備用礦物絕緣油規格》[2]中列出了熱物性典型數據的范圍，中國石油天然氣股份有限公司開發的變壓器油新產品如電力機車用變壓器油也有詳細的熱物性指標要求，比熱容是其中之一。研究變壓器油的比熱容可以為變壓器設備的設計提供重要參數，促進設備散熱冷卻技術的發展，從而延長設備壽命，增強可靠性。目前關于變壓器油組成與其比熱容關聯性的系統研究未見文獻報道。為此，本課題主要考察溫度、黏度、基礎油烴組成、精制深度等對變壓器油比熱容的影響。

1 實 驗

1.1 試驗樣品

選取國內市場上常見的10種變壓器油為試驗樣品，涉及不同黏度、不同碳型組成、不同廠家生產的變壓器油，主要性質見表1。其中R1為特高壓直流變壓器油；R9、R3為市場上最常見的兩種不同類型的普通變壓器油，用以考察溫度對變壓器油比熱容的影響；R6，R9，R10為同一黏度級別、芳碳含量相同但鏈烷碳含量不同的變壓器油，用以考察鏈烷碳含量對變壓器油比熱容的影響；R2，R3，R4為同一黏度級別但芳碳含量不同的變壓器油，用以比較芳碳含量對變壓器油比熱容的影響；R5，R7，R8為組成相近但黏度不同的變壓器油，用以考察黏度對變壓器油比熱容的影響。

表1 幾種變壓器油的主要性質

注：wA指芳碳原子占總碳原子的比例，wN指環烷碳原子占總碳原子的比例，wP指鏈烷碳原子占總碳原子的比例。

1.2 主要設備

XIA-TC-HC2000型流動型比熱計，西安夏溪電子科技有限公司生產；DSC204HP型差示掃描量熱儀，耐馳儀器(上海)有限公司生產。

1.3 試驗方法

依據ASTM D2766《液體和固體比熱容測試方法》，采用流動型比熱計測量變壓器油的比熱容。流動型比熱計是目前公認的直接可靠的流體比熱容測量儀器。基本原理為：若穩定地流經量熱器管內的流體的質量流量為m，流體從加熱器吸收的功率為Q，量熱器進出口溫度分別為T1和T2，流體的壓力為P，根據熱力學定義定壓比熱容可表示為：CP(T，P)=Q/m(T2-T1)，其中溫度T=(T1+T2)/2。

2 結果與討論

2.1 不同變壓器油比熱容測試方法對比

目前，我國獲取變壓器油比熱容的測試方法主要有3種：ASTM E1269—2005《差示掃描量熱法測定熱容量》[3]、依據ASTM D2766—1995《液體及固體比熱容測試方法》[4]建立的流動型比熱計測量法、液態油品比熱容經驗式計算法[5]。其中ASTM E1269—2005法的測量原理是在升溫速率一定的條件下，扣除基線后的DSC絕對信號大小與樣品比熱容成正比關系。通過給樣品及參比樣品藍寶石以一定的加熱速率加熱，并記錄樣品熱量的變化，確定樣品與參比樣品的熱流量差異，從而得到樣品的比熱容值。該法測量速率快，所需樣品量少；缺點是重復性差，測量精度低，操作步驟繁瑣。ASTM D2766—1995流動型比熱法則是依據比熱容定義，即使單位質量物體改變單位溫度時吸收或釋放的熱量，且溫度變化范圍不大時比熱容可近似視為常量。該法只針對流體，可以測量不同壓力下的比熱容，精確度高，重復性好，缺點是測量時間較長。液態油品比熱容計算經驗式為：CP=[0.707 2-0.318d+(0.001 47-0.000 551d)t]×(0.23K+1.47)，其中CP為恒壓比熱容；t為溫度；d為15.6 ℃下的相對密度；K為特性因數。

分別采用3種方法測定30～100 ℃下R1樣品的比熱容，并對電力機車變壓器油出廠質量指標(87 ℃下的比熱容)進行不同試驗方法的重復性考察，結果見表2和表3。從表2和表3可以看出：與ASTM D2766—1995方法相比，采用ASTM E1269—2005方法及用經驗式計算的比熱容結果偏小；ASTM E1269—2005法受樣品量及儀器本身的局限，很難準確測定熱流量的絕對值，而是采用間接測量的方法，以固體藍寶石為參考樣品，與液態油品的理化性質存在一定的差異，且操作步驟繁瑣，空白基線、參考樣品、托盤質量及操作方式等對試樣比熱容均有不同程度的影響，致使該法重復性較差；而依據ASTM D2766—1995設計的流動型比熱計測量法是通過測量比熱容定義式中的各個參數后直接計算獲取，重復性好，誤差在±2%以內，明顯好于ASTM E1269—2005法。

表2 不同比熱容測試方法計算結果對比

表3 87 ℃下不同比熱容測試方法的重復性考察結果

2.2 溫度對變壓器油基礎油比熱容的影響

選取R9及R3樣品，考察溫度對變壓器油比熱容的影響，結果見圖1。由圖1可見，隨著溫度升高，變壓器油的比熱容增大，在-20～100 ℃范圍內，比熱容隨溫度變化近似呈線性關系，且不同油品的比熱容隨溫度升高而增大的程度不同。變壓器油比熱容隨溫度變化曲線平緩、連續，沒有峰值，沒有突變，說明試樣在該溫度區間內沒有明顯的相變和熱分解等化學變化。

圖1 溫度對變壓器油比熱容的影響

2.3 變壓器油組成與比熱容的關聯性

采用SH/T 0725《石油基絕緣油碳型組成計算法》對變壓器油烴組成進行分析，將復雜的變壓器油簡單看成是由鏈烷烴、環烷烴和芳烴組成，選取同一黏度級別、芳碳含量相近、鏈烷碳含量不同的變壓器油R6(wP=49.4%)，R9(wP=62.0%)，R10(wP=68.8%)，考察鏈烷碳含量對變壓器油比熱容的影響，結果見圖2。從圖2可以看出，在變壓器油黏度及芳碳含量相近時，隨著鏈烷碳含量的增大，變壓器油比熱容增大，且鏈烷碳含量較大的變壓器油比熱容隨溫度升高而增大的程度略小，致使100 ℃時3種變壓器油的比熱容非常接近。實際應用中，由于電力機車用變壓器油比熱容(87 ℃)指標要求為2.20～2.43 kJ/(kg·℃)，因此變壓器油鏈烷碳含量應適當。

圖2 鏈烷碳含量對變壓器油比熱容的影響◆—R6； ■—R9； ▲—R10

選取黏度相近、鏈烷碳含量相近、芳碳含量不同的變壓器油R2(wA=15.8%)，R3(wA=4.1%)，R4(wA=10.7%)，考察芳碳含量對變壓器油比熱容的影響，結果見圖3。從圖3可以看出，黏度相近、鏈烷碳含量相近時，芳碳含量從4.1%增加到15.8%，變壓器油比熱容基本相同，即在所考察范圍內，變壓器油比熱容受芳碳含量影響不大。這可能是因為芳碳和環烷碳對比熱容的影響差別很小，而油中芳碳含量又不高的緣故。

圖3 芳碳含量對變壓器油比熱容的影響◆—R2； ■—R3； ▲—R4

純烴類物質的比熱容數據見表4。從表4可以看出，正構烷烴的比熱容最大，環烷烴的比熱容次之，芳烴的比熱容最小。對于直鏈烷烴，在特定溫度下平衡液態直鏈烷烴的比熱容隨著分子鏈長的增加而逐漸降低，另據文獻報道[6]，當主鏈中碳原子數增加到10以上時烷烴的比熱容趨近于一恒定值；對于環烷烴，平衡液態環烷烴的比熱容則隨分子鏈長的增加而增大，并且比相同碳原子數的鏈烷烴低。說明對烴類混合物而言，烷烴對比熱容的貢獻最大，芳烴最小。這與上述試驗研究結果一致。

表4 純烴類物質的比熱容數據[7]

2.4 黏度與油品比熱容的關聯性

黏度是液體比熱容的影響因素之一。選擇碳型組成相近，同一油源、相同煉油工藝得到的不同餾程的變壓器油樣品R5，R7，R8，并將R5與R8按照體積比為9∶1，7∶3，3∶7，1∶9的比例調合，得到一系列不同黏度的變壓器油，考察黏度對變壓器油比熱容的影響，結果見表5。從表5可以看出，比熱容隨著黏度增大呈略增大的趨勢，黏度從49.21 mm2/s增加到150.9 mm2/s，增加了2倍，而比熱容只增大2.6%。

表5 黏度對油品比熱容的影響

2.5 精制深度對變壓器油比熱容的影響

在潤滑油的精制過程中，要除去餾分中的非理想組分，保留理想組分，精制深度關系到潤滑油的性質和使用性能。對變壓器油來說，理想組分是環烷烴、單環芳烴、雙環芳烴和異構烷烴；非理想組分是膠質，三環及三環以上的稠環芳烴，含硫、氮、氧化合物。目前，中國石油昆侖變壓器油采用傳統溶劑精制工藝，經過蒸餾、加氫脫酸、糠醛精制以及白土處理等加工處理。不同精制深度變壓器油的性質見表6和圖4。從表6和圖4可以看出：變壓器油溶劑精制生產工藝中，精制深度對其比熱容基本沒有影響，因此在變壓器油溶劑精制過程中可以不必考慮比熱容指標；隨著變壓器油精制深度的增加，芳碳含量從8.4%降到4.1%，降低了51.2%，鏈烷碳含量從43.2%增大到47.2%，提高了9.2%，但比熱容基本不變，進一步驗證了鏈烷碳含量對比熱容的影響比芳碳含量大，芳碳含量對變壓器油的比熱容影響很小。

表6 不同精制深度變壓器油的性質

3 結 論

(1) 依據ASTM D2766—1995設計的流動型比熱計測量法相比ASTM E1269—2005法，重復性更好，誤差在±2%以內。

(2) 隨溫度升高，變壓器油比熱容增大，而且在一定溫度范圍內，比熱容隨溫度變化近似呈線性關系。

(3) 黏度相同時，變壓器油比熱容隨鏈烷碳含量增大而增大，且鏈烷碳含量較大的油品比熱容隨溫度升高而增大的程度略小，100 ℃時不同鏈烷碳含量變壓器油的比熱容非常接近；芳碳含量對變壓器油的比熱容影響很小。

(4) 對于同一油源、相同煉油工藝得到的不同餾程的基礎油，黏度增加3倍時，比熱容只增大約2.6%，其比熱容隨黏度的增大呈略增大趨勢。

(5) 變壓器油溶劑精制生產工藝中，精制深度對變壓器油比熱容影響不大，在變壓器油溶劑精制過程中可以不必考慮比熱容指標。

[1] 馬書杰，張玲俊，楊俊杰.變壓器油的正確選擇與使用[J].變壓器，2003，40(10)：12-16

[2] ASTM International.D3487 Standard Specification for Mineral Insulating Oil Used in Electrical Apparatus[S].2009

[3] ASTM International.E1269 Standard Test Method for Determining Specific Heat Capacity by Differential Scanning Calorimetry[S].2005

[4] ASTM International.D2766 Standard Test Method for Specific Heat of Liquids and Solids[S].2005

[5] 梁文杰.石油化學[M].東營：石油大學出版社，1995：116-117

[6] Atkinson C M，Larkin J A，Richardson M J.Thermal properties of stirrer crystallized polyethylene[J].Polymer，1969，10：127-134

[7] Francis P G.A flow calorimeter for the measurement of the heat capacities and joule-thomson coefficients[J].Journal of Chemical Thermodynamics，1990，22(6)：545-556

FACTORS AFFECTING HEAT CAPACITY OF TRANSFORMER OIL

Wang Huijuan1，2， Yu Huimin1，2， Ma Shujie1，2， Zhang Qi1，2

(1.PetroChinaLanzhouLubricantR&DInstitute，Karamay，Xinjiang834003；2.CNPCKeyLaboratoryofLubricatingOil)

In this work， several liquid specific heat capacity measuring methods were introduced. The effect of temperature， viscosity， refining depth and hydrocarbon composition on the specific heat capacity of transformer oil were investigated using the measuring methods. It is found that the repeatability of flow calorimetric method(ASTM D2766—1995) with the deviation less than ±2%， is better than that of the differential scanning calorimetry (ASTM E1269—2005) method. The investigation finds that the specific heat capacity of transformer oil increases linearly with increasing temperature in the range of -20—100 ℃. The heat capacity of the oils by traditional solvent refining is hardly affected by refining depth and additives. The test results show that for the oils with the same viscosity but different aromatic contents， the heat capacities are basically the same and that the heat capacities are directly related to alkane content but increases slowly with temperature for the higher alkane content oils. As a result， the heat capacities of the oils with different alkane content are very close at 100 ℃. While for oils from the same oil sources， refining process and having similar carbon type composition but different boiling range， even the viscosity increases three times， the heat capacity only increases 2.6%，indicating the slightly increase of heat capacity with viscosity.

transformer oil； specific heat capacity； hydrocarbon composition； flow calorimetry

2014-01-29； 修改稿收到日期： 2014-04-26。

王會娟，碩士，工程師，畢業于大連理工大學，主要從事變壓器油新產品的研制與開發工作，已公開發表論文4篇。

王會娟，E-mail： wanghuijuan_rhy@petrochina.com.cn。

中國石油潤滑油公司項目。