不同芳烴種類對變壓器油性能的影響

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(fā)中心，新疆 克拉瑪依 834003；2.中國石油潤滑油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

基礎(chǔ)油作為變壓器油的主體，其電氣性能和氧化安定性等對變壓器油的使用性能影響最為顯著。然而，由于缺乏分離基礎(chǔ)油中烴的有效方法，無法直接研究烴類對基礎(chǔ)油性能的影響，主要采用模型化合物或關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)油中芳烴的方式考察其對基礎(chǔ)油性能的影響[1-3]?；A(chǔ)油中的芳烴結(jié)構(gòu)復(fù)雜，種類繁多，不同類型的芳烴性能不同，因而單獨(dú)采用模型化合物的研究方法有一定的局限性，且芳烴對基礎(chǔ)油抗氧化性能的影響基本采用高壓差示掃描量熱法和旋轉(zhuǎn)氧彈法，但該方法所得試驗(yàn)結(jié)果與變壓器油經(jīng)典氧化試驗(yàn)(IEC61125C)法相比相差甚遠(yuǎn)[4-5]，因此文獻(xiàn)中關(guān)于芳烴對基礎(chǔ)油抗氧化性能影響的結(jié)論并不適用于變壓器油。本研究直接從變壓器油糠醛抽出油中分離芳烴，考察輕芳烴、中芳烴和重芳烴對變壓器油電氣性能、抗氧化性能、溶解性能、抗析氣性能和熱物性的影響，為變壓器油產(chǎn)品研發(fā)提供理論支持和指導(dǎo)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

選取4種不同烴類組成的變壓器油基礎(chǔ)油，其中，R1和R4分別為無芳烴的環(huán)烷基高壓加氫油和中間基油，R2和R3分別為含適量芳烴的基礎(chǔ)油和高芳烴含量的基礎(chǔ)油。4種不同烴類組成變壓器油基礎(chǔ)油的主要性質(zhì)見表1。從表1可以看出：R1，R2，R3的CA分別為0，7.3，10.4；CN分別為50.6，42.4，39.0。

表1 4種不同烴類組成變壓器油基礎(chǔ)油的主要性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1芳烴的分離和分析鑒定以脫除了氮化物和硫化物的糠醛抽出油為原料，使用雙溶劑法富集變壓器油抽出油中的芳烴，然后用吸附法進(jìn)一步分離為輕芳烴、中芳烴和重芳烴組分。芳烴分離流程示意見圖1，輕芳烴、中芳烴和重芳烴組分的組成及折射率見表2。從表2可以看出：①輕芳烴組分中輕芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55.98%，主要雜質(zhì)為飽和烴；②中芳烴組分中中芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為71.82%，主要雜質(zhì)為輕芳烴；③重芳烴組分中重芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為74.19%，主要雜質(zhì)為中芳烴。輕芳烴主要成分為單環(huán)芳烴及少量雜原子化合物，折射率為1.49～1.53；中芳烴主要成分為雙環(huán)芳烴及少量雜原子化合物，折射率為1.53～1.59；重芳烴主要成分為三環(huán)、四環(huán)芳烴，折射率大于1.59。

圖1 芳烴分離流程示意

項(xiàng) 目輕芳烴組分中芳烴組分重芳烴組分組成(w),% 飽和烴37.025.697.51 輕芳烴55.9819.433.96 中芳烴6.1271.8214.10 重芳烴0.893.0774.19折射率(20 ℃)1.5141.5621.617

1.2.2芳烴對變壓器油影響的評價(jià)方法將從基礎(chǔ)油中分離出來的輕芳烴、中芳烴和重芳烴反加到變壓器油基礎(chǔ)油中，考察不同芳烴種類對變壓器油電氣性能(包括帶電傾向、脈沖擊穿電壓、介質(zhì)損耗因數(shù)、體積電阻率)、抗氧化性能、溶解性能、抗析氣性能以及熱物性的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 芳烴對變壓器油電氣性能的影響

以R4為基礎(chǔ)油，參考現(xiàn)有變壓器油基礎(chǔ)油中芳烴含量及分布，分別添加0～30%輕芳烴、0～10%中芳烴、0～1%重芳烴，考察不同芳烴種類和含量對變壓器油帶電傾向、脈沖擊穿電壓、介質(zhì)損耗因數(shù)、體積電阻率的影響，結(jié)果見圖2和圖3。

從圖2可以看出：①在所考察芳烴含量范圍內(nèi)，芳烴對變壓器油帶電傾向影響較小，即使輕芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%，帶電傾向仍然與R4基礎(chǔ)油的相當(dāng)，帶電傾向均低于1.5 μC/m3；②變壓器油脈沖擊穿電壓隨芳烴含量的增大而降低，不同芳烴種類對變壓器油脈沖擊穿電壓的影響由大到小的順序?yàn)椋褐胤紵N>中芳烴>輕芳烴；③脈沖擊穿電壓降低至350 kV(質(zhì)量指標(biāo))時(shí)的重芳烴、中芳烴、輕芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.4%，2%，4%。這是因?yàn)槊}沖擊穿電壓主要受極性物質(zhì)影響，重芳烴極性最大，中芳烴次之，輕芳烴最小。

從圖3可以看出：①在所考察芳烴含量范圍內(nèi)，介質(zhì)損耗因數(shù)受輕芳烴和中芳烴含量影響很小；隨重芳烴含量的增大，介質(zhì)損耗因數(shù)增大，但重芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)到1%時(shí)介質(zhì)損耗因數(shù)仍未超過其質(zhì)量指標(biāo)0.5%；②體積電阻率隨芳烴含量的增大而降低，影響程度由大到小的順序?yàn)椋褐胤紵N>中芳烴>輕芳烴；③體積電阻率下降至1×1012Ω·m時(shí)的輕芳烴、中芳烴、重芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%，3%，0.2%?？梢钥闯霾煌紵N對體積電阻率影響差異很大，說明相比介質(zhì)損耗因數(shù)而言，體積電阻率對極性物質(zhì)更為敏感。

圖3 芳烴對變壓器油介損和體積電阻率的影響▲—介質(zhì)損耗因數(shù)； ■—體積電阻率

2.2 芳烴對變壓器油抗氧化性能的影響

參考現(xiàn)有普通變壓器油中芳烴種類及含量，以R4和R4+0.3%T501為研究對象，分別添加10%輕芳烴、2%中芳烴和0.5%重芳烴，采用NB/SH/T 0811法(修改采用IEC61125C法)進(jìn)行120 h(基礎(chǔ)油)和500 h(加抗氧劑油)氧化試驗(yàn)，考察芳烴對變壓器油基礎(chǔ)油氧化安定性以及對抗氧劑感受性的影響，結(jié)果見表3和表4。從表3可以看出，芳烴含量及芳烴種類對基礎(chǔ)油氧化后的總酸值基本沒有影響，但加芳烴后的油樣氧化生成的沉淀量略有增加，說明對于IEC61125C法氧化而言，單純增加芳烴含量，對基礎(chǔ)油的抗氧化性能沒有任何改善，相反可能會使油中沉淀量增加。從表4可以看出，10%輕芳烴對基礎(chǔ)油抗氧劑的感受性基本沒有影響，而中芳烴和重芳烴則使基礎(chǔ)油對抗

表3 芳烴對變壓器基礎(chǔ)油抗氧化性的影響

氧劑的感受性明顯變差，2%中芳烴或0.5%重芳烴可使變壓器油氧化后的酸值遠(yuǎn)超過其質(zhì)量指標(biāo)，即對于變壓器油抗氧化性能而言，油中芳烴含量越低越好。

表4 芳烴對抗氧劑感受性的影響

2.3 芳烴對變壓器油油泥溶解性能的影響

變壓器油苯胺點(diǎn)可以反映其溶解能力。以R4為基礎(chǔ)油，分別添加0～30%輕芳烴、0～15%中芳烴、0～8%重芳烴，并用0.8 μm濾膜進(jìn)行過濾以除去未溶解的多余芳烴，考察芳烴對變壓器油苯胺點(diǎn)的影響，結(jié)果見圖4。從圖4可以看出，變壓器油苯胺點(diǎn)隨芳烴含量的增大近似呈線性下降趨勢，變壓器油苯胺點(diǎn)主要與芳烴含量有關(guān)，受芳烴種類的影響較小。

圖4 芳烴對變壓器油溶解性的影響◆—輕芳烴； ●—中芳烴； ▲—重芳烴

將2 g變壓器運(yùn)行生成的油泥(純油泥0.038 g)在95 ℃條件下加入到100 g含不同種類芳烴的變壓器油基礎(chǔ)油及含烷基苯油中，攪拌10 min，冷卻至室溫，用0.8 μm濾膜真空過濾，稱量，不同芳烴對油泥溶解性的影響見表5。從表5可以看出，芳烴含量越高，其溶解油泥能力越強(qiáng)，輕芳烴、中芳烴和重芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為8%時(shí)，溶解油泥量相近，約為70%左右，說明變壓器油溶解性能主要與芳烴含量有關(guān)，受芳烴種類的影響較小。市場上現(xiàn)有變壓器油的重芳烴含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%)對其溶解性能基本無影響。

表5 不同芳烴對油泥溶解性的影響

注：基礎(chǔ)油為R4。

2.4 芳烴對變壓器油抗析氣性能影響

以R4為基礎(chǔ)油，分別添加0～30%輕芳烴、0～15%中芳烴、0～8%重芳烴，考察芳烴對變壓器油抗析氣性能的影響，結(jié)果見圖5。從圖5可以看出，變壓器油析氣性隨芳烴含量的增大而降低，且不同芳烴對析氣性降低程度的影響由大到小的順序?yàn)椋褐蟹紵N>重芳烴>輕芳烴，中芳烴對析氣性的影響明顯大于輕芳烴的影響。變壓器油析氣性(產(chǎn)氣速率)達(dá)到ASTM D3487《電氣設(shè)備中礦物絕緣油規(guī)格》中低于+30 μL/min的質(zhì)量指標(biāo)要求，則需添加的輕芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于13%，中芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于4%，重芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于6%。

圖5 芳烴對變壓器油抗析氣性能的影響◆—輕芳烴； ●—中芳烴； ▲—重芳烴

2.5 總芳烴對變壓器油熱物性的影響

已有結(jié)論表明，烷碳含量Cp對變壓器油熱物性有較大影響[6]。選取黏度相近、鏈烷碳含量相近、不同芳烴含量的變壓器油R1，R2，R3，考察芳烴含量對變壓器油導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容以及熱膨脹系數(shù)的影響，結(jié)果見圖6。從圖6和表1可以看出，當(dāng)變壓器油的黏度及烷烴含量相近時(shí)，變壓器油的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容及熱膨脹系數(shù)隨CA的增大和CN的減少變化不大，這可能是因?yàn)榉紵N及環(huán)烷烴對變壓器油比熱容的影響程度相近，且芳烴本身的比熱容相對最小，而油中芳烴含量又不高。

圖6 芳烴對變壓器油熱物性的影響◆—R1； ●—R2； ▲—R3

3 結(jié) 論

(1)在所考察芳烴含量范圍內(nèi)，變壓器油帶電傾向和介質(zhì)損耗因數(shù)受芳烴影響不大，不同芳烴種類對變壓器油脈沖擊穿電壓和體積電阻率的影響由大到小的順序?yàn)椋褐胤紵N>中芳烴>輕芳烴。

(2)不同芳烴對基礎(chǔ)油抗氧化性能影響差別不大，但中芳烴和重芳烴會使基礎(chǔ)油對抗氧劑感受性明顯變差，2%中芳烴或0.5%重芳烴就可使變壓器油氧化后的酸值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其質(zhì)量指標(biāo)。對于變壓器油抗氧化性能而言，油中芳烴含量越低越好。

(3)在所考察芳烴含量范圍內(nèi)，變壓器油溶解性能主要與芳烴含量有關(guān)，受芳烴種類影響較小；芳烴含量越高，其溶解性能越好。

(4)芳烴具有良好的抗析氣性，且中芳烴對基礎(chǔ)油抗析氣性的改善明顯優(yōu)于輕芳烴和重芳烴；要使變壓器油析氣性(產(chǎn)氣速率)達(dá)到低于+30 μL/min的質(zhì)量指標(biāo)要求，則需添加的輕芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于13%，中芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于4%，重芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于6%。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 毛紅，周亞松，孫玉華，等.潤滑油基礎(chǔ)油的化學(xué)組成對其氧化安定性的影響[J].石油學(xué)報(bào)(石油加工)，1999，15(3)：63-67

[2] 張崢，張鳴，翁惠新.不同加工工藝基礎(chǔ)油結(jié)構(gòu)特征對其性能的影響研究:Ⅱ.芳烴結(jié)構(gòu)等對其氧化安定性的影響[J].潤滑與密封，2003(1)：61-64

[3] 李建明，王會東，薛衛(wèi)國，等.加氫潤滑油基礎(chǔ)油結(jié)構(gòu)組成與氧化安定性的關(guān)系:Ⅱ.加氫潤滑油基礎(chǔ)油的氧化安定性[J].石油學(xué)報(bào)(石油加工)，2010，26(2)：272-276

[4] 于會民，張培恒，鄭鵬宇，等.變壓器油氧化安定性評定方法的對比研究[J].絕緣材料，2013，46(6)：82-89

[5] The International Electrotechnical Commission.IEC61125C-2004 Unused hydrocarbon-based insulating liquids-Test methods for evaluating the oxidation stability[S].Switzerland，2004

[6] Wang Huijuan，Ma Shujie，Yu Huimin.Thermal conductivity of transformer oil from 253K to 363K[J].Petroleum Science and Technology，2014(32)：2143-2150