電熱混合場下變壓器油產氣特性研究

王會娟，于會民，馬書杰，張 綺

(中國石油蘭州潤滑油研究開發中心，中國石油潤滑油重點實驗室，新疆 克拉瑪依 834003)

電熱混合場下變壓器油產氣特性研究

王會娟，于會民，馬書杰，張 綺

(中國石油蘭州潤滑油研究開發中心，中國石油潤滑油重點實驗室，新疆 克拉瑪依 834003)

實驗室自主設計研發了電熱混合場下變壓器油產氣特性裝置，首次建立了電熱混合場下測定變壓器油產氣特性的方法，并考察了溫度、電場強度、基礎油種類以及抗氧劑對變壓器油產氣特性的影響。研究結果表明：電場和溫度場同時存在時，溫度場對變壓器油基礎油產氣特性的影響大于電場；變壓器油中溶解氣含量隨電場強度的增加呈略增加趨勢，隨芳烴含量的增加而增加；不含芳烴的環烷基油與石蠟基油基礎油產氣特性相當；抗氧劑可使變壓器油產氣量大幅降低。

變壓器油 芳烴 電熱混合場 產氣特性

變壓器油中的溶解氣是指油中溶解的氣體，包括氧氣、氮氣、氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳和二氧化碳等。在電氣設備正常運行狀態下，油中溶解的氣體主要來源于變壓器油本身和固體絕緣材料逐漸老化、變質過程中分解出的極少量氣體；當電氣設備內部發生過熱性故障、放電性故障或受潮時，這些氣體的量會迅速增加。這些氣體大部分溶解在絕緣油中，少部分上升到絕緣油表面。經驗證明，油中氣體各種成分含量的多少與故障的性質及程度直接相關，檢測電氣設備中變壓器油的溶解氣變化從而判斷電氣設備故障(通常指低熱、高溫過熱、局部放電、電弧放電等)，已成為電力行業的普遍做法[1-4]。因此，定期測量溶解于油中的氣體成分和含量，對于及早發現充油電力設備內部存在的潛伏性故障有重要的意義。為避免引起電氣設備故障誤判，電子行業標準DL/T 722—2014對新設備投運前的檢測周期、新投運時的檢測周期、運行中的檢測周期以及特殊情況下的檢測提出了明確要求，同時對投運前設備和運行設備中的溶解氣含量提出了具體指標要求。如330 kV及以上新設備投運前要求含氣量不大于1%，氫氣體積分數不大于10 μLL，總烴體積分數不大于10 μLL，乙炔體積分數不大于0.1 μLL。電氣設備運行時變壓器油中溶解氣注意值為氫氣體積分數不大于150 μLL，總烴體積分數不大于150 μLL，乙炔體積分數不大于1 μLL。

運行中變壓器油的溶解氣體組分與電氣設備的絕緣故障有密切的關系，然而變壓器油在過熱或油品含有某些污染物時可能會產生大量氣體，一些新油在沒有電氣設備絕緣材料或電場下，同樣能產生大量的氣體尤其是氫氣[5]，因此錯誤地顯示出電力設備的不正常操作，這種現象使得用溶解氣體分析來判斷電力設備運行狀況顯得更為復雜，影響電氣設備故障判斷的準確性。目前，國內外關于變壓器油產氣特性的研究以采用ASTM D7150《熱應力下測定絕緣液體產氣特性的標準測試方法》為主[6]。該方法只在溫度場下對絕緣油產氣特性進行考察，不能真正模擬變壓器運行工況。為此，實驗室自主設計研發了電熱混合場下變壓器油產氣特性裝置，建立變壓器油在電場和溫度場同時存在下的產氣特性測定法，測定不同變壓器油產氣特性，為電氣設備部門提供更為真實可靠的參考數據。同時，該方法建立后，對合理解釋電氣設備在非故障狀態下變壓器油中溶解氣體組分含量超標問題和進一步優化變壓器油基礎油組成及添加劑配方都具有非常現實的意義。本研究采用自主設計的變壓器油產氣特性裝置，在非故障狀態下考察溫度、電場強度、基礎油種類以及抗氧劑等對變壓器油產氣特性的影響。

1 實 驗

1.1 原材料

選擇國內市場上常見的，涉及不同生產廠家、不同基屬的變壓器油基礎油和成品油，其主要性質見表1。主要添加劑T501的性質見表2。

1.2 主要實驗設備

實驗主要儀器及設備見表3。

自主設計的變壓器油在電熱混合場下產氣特性試驗裝置(專利號ZL201220073833.7)如圖1所示，其中電極杯設計電壓為0～100 kV，使用場強為0～10 kV/mm，溫度控制范圍為-50～150 ℃。

表1 主要原材料性質

表2 主要添加劑T501的性質

表3 主要儀器及設備

圖1 變壓器油在電場下產氣特性試驗裝置1—高壓電源連接端； 2—高壓電極固定旋筒； 3—F1球閥；4—密封墊片； 5—容器外筒； 6—高壓電極棒； 7—低壓電極筒；8—低壓電極筒接地端； 9—O型密封圈；10—固定底座； 11—F2球閥

該裝置較好地解決了高壓爬電對試驗結果影響的問題。

1.3 試驗方法

實驗室自建不同電場和溫度場下變壓器油產氣特性試驗方法：將新的未使用過的變壓器油經過真空脫氣脫水后，在真空狀態下將約120 mL油樣注滿電極杯，隨后將電極杯置于80 ℃或120 ℃烘箱中，施加不同交流電場(0～4 kV/mm)，16 h后試驗結束，趁熱立即將電極杯中的油樣轉移至兩支注射器中，以防止冷卻后電極杯產生負壓進氣，從而影響檢測結果。

其它試驗方法：氣相色譜法(GB/T 17623)測定絕緣油中溶解氣體組分含量；低熱下測定絕緣液體產氣特性的標準測試方法(ASTM D7150)；石油基絕緣油碳型組成計算法(SH/T 0725)；未使用過的烴類絕緣油氧化安定性測定方法(NB/SH/T0811)；PDSC法測定礦物絕緣油的氧化安定性(IEC TR62036)；旋轉氧彈法測定潤滑油的氧化安定性(SH/T 0193)。

2 結果與討論

變壓器油產氣特性前期研究結果[7-10]表明，低熱下油中溶解氣超標的主要原因是油品老化引起的。變壓器油的老化過程，是指變壓器油在光、熱、氧、電場、輻射等物理化學因素的作用下，顏色、氣味、運動黏度等物理性能發生變化，電氣性能逐漸下降或變壞的過程。變壓器油的老化過程基本上可分為熱老化和電氣老化。以下重點從影響油品老化的因素如溫度、電場強度、基礎油種類及抗氧劑等方面對變壓器油產氣特性進行考察。

2.1 溫度對變壓器油基礎油產氣特性的影響

GB 1094.2《電力變壓器》規定變壓器壽命設計溫度為98 ℃，上層油的最高溫度不應超過95 ℃，而運行部門為保證變壓器的安全運行規定不超過85 ℃，夏季滿負荷運行一般為70～80 ℃。油浸式變壓器在額定負載下，變壓器最熱點(鐵芯)溫升為78 ℃，變壓器周圍的最高溫度為40 ℃，則最熱點(鐵芯)溫度為118 ℃，變壓器如果超銘牌容量運行，則溫升還會增大?；谝陨显颍狙芯恐饕x取變壓器油正常運行溫度較高值80 ℃和最熱點溫度120 ℃作為試驗溫度。

在電場強度為2 kV/mm的條件下，考察溫度對變壓器油R1產氣特性的影響，結果見圖2。由圖2可知，在相同電場強度和相同運行時間下，R1油中溶解氣含量隨溫度的升高而增加，正常運行溫度下油中溶解氣含量很低，但當在最熱點溫度時，R1中總烴氣體含量迅速增大，超過了GB/T 7252[11]中要求的溶解氣體注意值150 μLL。這進一步證明了非故障狀態下，運行油中溶解氣含量也可能會出現超標現象。

注意值是指特征氣體(氫氣、總烴等)的含量或增量需引起關注的值。當超過注意值時，需按標準規定縮短檢測周期，并結合其它判斷方法進行綜合分析。正常運行時電氣設備內由于油紙絕緣材料老化產生的氣體與由于電氣設備故障產生的氣體這兩種來源的氣體在技術上無法區分開，在數值上也沒有嚴格的界限，而且與負荷、溫度、油中氧氣含量、油的保護系統和循環系統等許多可變因素有關。因此，在判斷設備是否存在故障及其故障的嚴重程度時，應根據氣體含量的絕對值、增長速率以及設備的運行狀況、結構特點、外部環境等因素進行綜合判斷，采用三比值法判斷故障類型[11]。

圖2 溫度對變壓器油基礎油R1產氣特性的影響■—H2； ■—總烴； —注意值

2.2 電場強度對變壓器油基礎油產氣特性的影響

分別在80 ℃和120 ℃的條件下，考察電場強度對R1產氣特性的影響，結果見圖3。由圖3可知：R1中溶解氣含量隨著電場強度的增加而略增大；電場與溫度場同時存在時，R1油中溶解氣含量比只有溫度場時略大。結合圖2可知，在所考察的電場強度內，溫度場比電場對變壓器油基礎油產氣特性的影響更大，表明熱老化是引起變壓器油基礎油中溶解氣含量增大的主要原因。

圖3 電場強度對變壓器油基礎油R1產氣特性的影響■—總烴； ◆—H2

2.3 芳烴含量對變壓器油基礎油產氣特性的影響

在電場強度為2 kV/mm、溫度分別為80 ℃和120 ℃的條件下，考察不同芳烴含量的環烷基變壓器油基礎油R2(CA=0)，R1(CA=4.1%)，R4(CA=16.2%)的產氣特性，結果見圖4。由圖4可知，無論在80 ℃還是120 ℃條件下，變壓器油基礎油產氣量從小到大的順序均為：R2

圖4 芳烴含量對變壓器油基礎油產氣特性的影響■—H2； ■—總烴

2.4 不同基屬變壓器油基礎油的產氣特性

在電場強度2 kV/mm、溫度分別為80 ℃和120 ℃的條件下，考察不含芳烴的環烷基變壓器油基礎油R2和石蠟基基礎油R8的產氣特性，結果見圖5。由圖5可知，80 ℃和120 ℃時雖然R2和R8的產氣量存在差異，但可視為相當。這與兩種油品的氧化安定性結果一致，采用IEC TR62036方法測定R2和R8的氧化誘導期分別為29.2 min和29.8 min?？傊寡趸阅芟嘟淖儔浩饔突A油產氣特性相當，與油品基屬無關。

表4 不同芳烴含量變壓器油的氧化安定性對比

圖5 不同基屬變壓器油產氣特性對比■—環烷基油； ■—石蠟基油

2.5 抗氧劑對變壓器油基礎油產氣特性的影響

目前國內變壓器油生產商為提高油品氧化安定性，添加劑配方中均含抗氧劑。選擇市場上常用的抗氧劑T501，考察添加劑配方對變壓器油產氣特性的影響。

向R1中添加質量分數0.3%的T501，在電場強度2 kV/mm、溫度分別為80 ℃和120 ℃的條件下，考察抗氧劑T501對脫氣后變壓器油基礎油產氣特性的影響，試驗結果見圖6。由圖6可知，在80 ℃和120 ℃時，加入抗氧劑T501后R1的產氣量降低，說明電熱混合場下T501發揮了較好的抗氧化作用。抗氧劑T501為酚型抗氧劑，在氧化過程中起鏈終止作用，與形成的自由基進行反應從而使產生的自由基穩定，結果使反應速率下降，或是完全阻止了氧化反應，表現為產氣趨勢大幅降低。

圖6 抗氧劑對變壓器油基礎油產氣特性的影響■—R1； ■—R1+T501(脫氣后)； 注意值

3 結 論

(1) 變壓器油基礎油的產氣量隨電場強度的增加而增加；電場和溫度場同時存在時，溫度場對變壓器油基礎油產氣特性的影響大于電場，熱老化是引起變壓器油產氣的主要原因。

(2) 變壓器油基礎油產氣特性與其氧化安定性有關，芳烴含量越高，氧化安定性越差，越容易產生氣體；不含芳烴的環烷基油與石蠟基油基礎油氧化安定性相當，產氣特性相當。

(3) 抗氧抑制劑可使基礎油產氣量大幅降低。鑒于加抑制劑的基礎油具有更優良的氧化安定性，更好的產氣特性，建議客戶使用加劑油。

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GASSING CHARACTERISTICS OF TRANSFORMER OIL UNDER CONDITIONS OF COEXISTING ELECTRIC FIELD AND HEAT

Wang Huijuan， Yu Huimin， Ma Shujie， Zhang Qi

(PetroChinaLanzhouLubricantResearchInstitute，PetroChinaLubricantKeyLaboratory，Karamay，Xinjiang834003)

A lab device was built for testing gassing characteristics of transformer oil under condition of coexisting electric field and temperature， and the relative test method was established. The effect of temperature， electric field strength， base oil composition， and anti-oxidation additives on gassing characteristics was studied. The results show that temperature has a greater influence than electricity field under the coexisting conditions， the gas content increases with the increase of the electric field strength and the aromatic content of the oil tested. Gassing characteristics performance of naphthenic base transformer oil without aromatics was similar to paraffinic base transformer oil； antioxidant in transformer oil can reduce gas content significantly.

transformer oil； aromatics； coexisting electric field and temperature； gassing characteristics

2015-06-18； 修改稿收到日期： 2015-08-28。

王會娟，碩士，工程師，主要從事變壓器油產品開發及基礎研究工作，已公開發表論文7篇。

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

中國石油潤滑油公司科技項目(20110203)。