合成酯變壓器油熱氧老化特性研究

孫迎偉，陳紅生，薛長志，梁西川，朱菲菲，蔣 芝，文 敏

（中車株洲電機(jī)有限公司 電氣絕緣技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南株洲 412000）

引言

變壓器油作為變壓器最重要的絕緣材料之一，起著絕緣、冷卻、保護(hù)等重要作用，其性能直接影響變壓器的安全可靠運(yùn)行。在變壓器運(yùn)行過程中，變壓器油隨著運(yùn)行時間的增加，會發(fā)生熱老化和電老化，導(dǎo)致性能逐漸下降，嚴(yán)重時會引起變壓器故障。其中，熱老化是引起變壓器油老化的最主要因素[1]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對變壓器油的熱氧老化特性進(jìn)行了大量的研究，但研究對象大部分為礦物變壓器油。礦物絕緣油存在閃點低、生物降解性差、不可再生等缺點，已無法滿足綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展要求［2-5］。與礦物變壓器油相比，合成酯變壓器油具有良好的生物降解性能，環(huán)保性能突出，同時具備良好的抗燃性能、電氣性能和氧化安定性，廣泛應(yīng)用于高速動車組、海上及陸上風(fēng)能電場、城市輸變等變壓器領(lǐng)域。因此，研究合成酯變壓器油熱氧老化特性具有重要意義。

本研究選取合成酯變壓器油為研究對象，模擬實際運(yùn)行工況，進(jìn)行熱氧加速老化試驗，研究了其熱氧老化特性，為后續(xù)高速動車組牽引變壓器油的剩余壽命評估提供一定的理論和試驗基礎(chǔ)。

1 合成酯變壓器油熱氧加速老化試驗

1.1 試驗樣品及預(yù)處理

樣品為未使用過的合成酯變壓器油。試驗前，通過濾油設(shè)備對樣品進(jìn)行脫氣、脫水處理，得到符合IEC 61099要求的油樣。

1.2 試驗方法

參考NB/SH/T 0811標(biāo)準(zhǔn)方法，將樣品置于裝有銅絲的氧化管中，保持溫度為130℃，空氣流速為0.15 L/h，進(jìn)行加速老化試驗。老化共5個周期，每個周期7 d。然后，對每個周期取出的試樣進(jìn)行酸值、運(yùn)動黏度（40℃）、介質(zhì)損耗因數(shù)（90℃）及紫外吸收光譜測試。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 酸值

合成酯變壓器油酸值隨老化時間變化曲線如圖1所示。由圖1可知，隨著老化時間的增加，合成酯變壓器油的酸值緩慢增大，但在28 d后則急劇增大。基于經(jīng)典的謝苗諾夫自由基鏈反應(yīng)理論，合成酯變壓器油在熱氧條件下，發(fā)生自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，生成一些羧酸類、醛類和酮類等中間產(chǎn)物，導(dǎo)致其酸值增大。前期由于合成酯變壓器油中抗氧劑的存在，抑制了合成酯變壓器油的氧化反應(yīng)速率。隨著老化時間增長，抗氧劑被逐漸消耗，到達(dá)28 d后，由于剩余抗氧劑過少，其對氧化反應(yīng)的抑制作用減弱，合成酯變壓器油劇烈氧化，產(chǎn)生大量的羧酸類、醛類和酮類等物質(zhì)，從而引起酸值急劇增大。

圖1 酸值隨老化時間的變化曲線

2.2 運(yùn)動粘度

合成酯變壓器油運(yùn)動黏度隨老化時間變化曲線如圖2所示。由圖2可知，前期隨著老化時間的增加，合成酯變壓器油的運(yùn)動黏度變化較小，但到28 d后急劇增大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是：老化前期由于抗氧劑的抑制作用，導(dǎo)致由合成酯變壓器油氧化產(chǎn)生的中間產(chǎn)物較少，中間產(chǎn)物進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)形成的大分子量的氧化產(chǎn)物也就更少，對運(yùn)動黏度影響較小；老化后期，抗氧劑大量消耗，對氧化反應(yīng)的抑制作用減弱，導(dǎo)致合成酯變壓器油氧化反應(yīng)劇烈，產(chǎn)生大量的大分子量的氧化產(chǎn)物，引起運(yùn)動黏度快速增大。

圖2 運(yùn)動粘度隨老化時間的變化曲線

2.3 介質(zhì)損耗因數(shù)

合成酯變壓器油介質(zhì)損耗因數(shù)隨老化時間變化曲線如圖3所示。由圖3可知，隨著老化時間的增加，合成酯變壓器油的介質(zhì)損耗因數(shù)逐漸增大。這主要是因為合成酯變壓器油老化過程中產(chǎn)生了極性雜質(zhì)、帶電膠體等物質(zhì)，這些物質(zhì)均會導(dǎo)致其介質(zhì)損耗因數(shù)增大。

圖3 介質(zhì)損耗因數(shù)隨老化時間的變化曲線

2.4 紫外吸收光譜

合成酯變壓器油的紫外吸收光譜如圖4所示。由圖4可知，與老化前相比，老化后的合成酯變壓器油在320 nm附近均出現(xiàn)了1個吸收峰，并且其吸光度隨著老化時間的增加逐漸增強(qiáng)。吸光度與濃度關(guān)系式為A=lg(1/T)=kCL，其中A為吸光度，T為透射率，k為摩爾吸收系數(shù)，C為濃度，L為光程長度。綜上所述，老化產(chǎn)生了新的氧化物，并且隨著老化時間增加生成量逐漸增大。由此也證明了合成酯變壓器油在熱氧條件下，發(fā)生自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，生成羧酸類和酮類等氧化物。

圖4 合成酯變壓器油的紫外吸收譜圖

3 結(jié)論

（1）隨著熱氧老化時間的延長，合成酯變壓器油的酸值和運(yùn)動粘度緩慢增大，到28 d出現(xiàn)增長拐點，之后急劇增大。合成酯變壓器油的介質(zhì)損耗因數(shù)則隨老化時間的增加而逐漸增大。

（2）伴隨著老化的進(jìn)行，合成酯變壓器油氧化產(chǎn)生新的氧化物，氧化物對性能劣化起到?jīng)Q定作用，并隨老化時間的增加而逐漸增多。

（3）合成酯變壓器油中的抗氧劑對氧化反應(yīng)具有顯著抑制作用，隨著老化時間的增加，抗氧劑被逐漸消耗，當(dāng)其含量低于限定值后，對氧化反應(yīng)的抑制作用減弱，導(dǎo)致合成酯變壓器油劇烈氧化。