變壓器油真空濾油泡沫問題的研究

于會民，盧新萍，黃松柏，方樂，楊雪，王會娟，陳華，張綺，張昱

（1.中國石油蘭州潤滑油研究開發中心，新疆克拉瑪依 834003；2.中國石油潤滑油重點實驗室，新疆克拉瑪依 834003；3.克拉瑪依紅山油田有限責任公司，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越來越高，對變壓器油的絕緣性能要求也越來越高，進而對變壓器油中的水分含量、氣體含量和雜質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影響真空過濾周期，變壓器油抗泡沫性能的優劣直接影響真空濾油機的脫水脫氣效果，抗泡沫性能差的變壓器油會引起真空下的泡沫層快速增加，致使真空濾油設備發生報警而停機，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的關注。提高變壓器油的抗泡沫性能成為用戶最為關心的問題[3]。

本文對變壓器油的抗泡沫性能進行調查，并對產生泡沫大的變壓器油的解決方案進行探索研究，以期為工業應用提供參考。

1 試驗

1.1 主要原材料

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

1.2 測試儀器與測試方法

1.2.1 測試儀器

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

1.2.2 測試標準與測試方法

采用的測試標準有：SH/T 0604—2000《原油和石油產品密度測定法》；NB/SH/T 0870—2013《石油產品動力黏度和密度的測定及運動黏度的計算》；NB/SH/T 0207—2010《絕緣液中水含量的測定法》；GB/T 507—2002《絕緣油擊穿電壓測定法》；GB/T 5654—2007《液體絕緣材料相對電容率、介質損耗因數和直流電阻率的測量》；GB/T 6541—1986《石油產品油水界面張力測定法》；GB/T 12579—2002《潤滑油泡沫特性測定法》；NB/SH/T 0923-2016《絕緣油中元素含量的測定》；GB/T 11140—2008《石油產品硫含量的測定》；SH/T 0657—2007《液態石油烴中痕量氮的測定氧化燃燒和化學發光法》。

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2 結果與分析

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，本文重點對比變壓器油樣品的水分含量、擊穿電壓、介質損耗因數和界面張力，對比結果見表1。從表1的對比結果看出，未用過與用過的25號變壓器油和50號變壓器油的水分含量、擊穿電壓和介質損耗因數的測試結果相近，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。界面張力的測試結果說明，反復填充的變壓器油受到變壓器內部材料的污染，導致變壓器油界面張力降低。這些污染物質對變壓器油的絕緣性能沒有明顯的負面影響。

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物質，重點對變壓器油樣品中的金屬和非金屬元素進行檢測。由于變壓器油是由有機化合物組成的復雜混合物，碳元素和氫元素是有機化合物組成的基本元素，因此非金屬元素的對比分析不包括碳元素和氫元素，主要對比結果見表2。從表2元素分析結果可知，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化學元素組成中含有硅元素。

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

2.1.3 變壓器油的抗泡沫性能對比分析

目前，國內外沒有專門用于變壓器油在真空下泡沫特性檢測的標準方法，本文依據IEC 60296:2020[4]附件中推薦的方法，參考工業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法對變壓器油的抗泡沫性能進行測試，測試結果見圖1。從圖1測試結果可知，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。實驗溫度越低，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]。潤滑油行業中常用的抗泡劑類型有3類：硅型、非硅型和復合型[6]。硅型抗泡劑主要物質是聚二甲基硅氧烷，即二甲基硅油，這類抗泡劑用量少（1～10 mg/kg），與變壓器油不發生反應，閃點高，凝點低，有良好的氧化安定性。但此類抗泡劑對調和技術要求較高，加入方法不同，其抗泡沫效果和消泡持續性存在很大差異[7]。非硅型抗泡劑主要物質是聚丙烯酸酯，這類抗泡劑用量較少（50～1 000 mg/kg），抗泡效果好，此類抗泡劑對調和技術要求不高，其抗泡沫效果和消泡持續性好。但是聚丙烯酸酯會降低變壓器油的界面張力，不適用于變壓器油中。復合型抗泡劑就是將硅型和非硅型抗泡劑按適當比例和工藝加以復合而成[8-9]，復合型抗泡劑也含聚丙烯酸酯成分，會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，抗泡劑的配制編號見表3。從表3可以看出，黏度為125 00 mm2/s以下的抗泡劑穩定性較好，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，并對含有抗泡劑樣品的硅元素、絕緣性能以及抗泡沫性能進行檢測，未用過的25號變壓器油試驗結果見表4和圖2，用過的25號變壓器油試驗結果見表5和圖3。

從表4的結果可知，在未用過的25號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、擊穿電壓和介質損耗因數變化不大，說明不同黏度抗泡劑對變壓器油的絕緣性能沒有負面影響。從圖2的結果可知，在未用過的25號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號變壓器油的硅元素及絕緣性能檢測結果Tab.4 Test result of silicon element and insulation performance of unused No.25 transformer oil

從表5的結果可知，在用過的25號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、擊穿電壓和介質損耗因數變化不大，說明不同黏度抗泡劑對變壓器油的絕緣性能沒有負面影響。從圖3的結果可知，在用過的25號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，且達到未用過的變壓器油的抗泡沫性能。

圖3 用過的25號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號變壓器油的硅元素及絕緣性能檢測結果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使抗泡劑高度分散在變壓器油中，它分散的穩定性直接影響其抗泡沫效果，因此，其實際應用效果還有待進一步研究。

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的分散體系，它是由變壓器油中產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理相對復雜，主流觀點認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生破裂，從而達到消泡的作用。眾多的試驗表明，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

在變壓器油維護管理導則[10]中，對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]。為了便于電力行業的應用，本文對用過的變壓器油樣品采用吸附劑進行再生處理，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結果見表6和圖4。

從表6和圖4結果可知，用過的25號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過吸附劑再生處理可以盡可能除去含硅元素的污染物質。

圖4 用過的25號變壓器油經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號變壓器油經吸附劑再生處理后的硅元素及界面張力檢測結果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物質含量多少，大多數極性有機物質含有親水基團——羥基、羰基和酯基，這些親水基團會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的極性有機物質，從用過的變壓器油硅元素含量和界面張力的結果可以斷定油中溶解了微量的含硅元素的極性有機物質。

3 結論

（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，真空濾油時泡沫層生成體積量也偏大，泡沫層消散得慢。泡沫層消散時間越長，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定性直接影響其抗泡沫效果，它的實際應用效果有待進一步研究。

（3）用過的變壓器油經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物質，提高變壓器油的界面張力和降低變壓器油中硅含量。