变压器油组成对其热膨胀系数的影响

王会娟，于会民，马书杰，张绮，郭春梅，张培恒

（中国石油兰州润滑油研究开发中心润滑油重点实验室，新疆克拉玛依 834003）

变压器油组成对其热膨胀系数的影响

王会娟，于会民，马书杰，张绮，郭春梅，张培恒

（中国石油兰州润滑油研究开发中心润滑油重点实验室，新疆克拉玛依 834003）

实验室采用ASTM D1903方法考察了烃组成、添加剂及精制深度对变压器油热膨胀系数的影响。研究结果表明变压器油热膨胀系数主要由其基础油烃组成决定，现有生产工艺精制深度、添加剂对其影响不大。不同基属变压器油，热膨胀系数随链烷烃含量增大而增大;同一基属变压器油，热膨胀系数相近，与芳烃含量无关。

变压器油;热膨胀系数;添加剂;精制深度

0 引言

变压器油在电气设备中的重要作用之一即为散热冷却作用。目前，绝缘油的热物性越来越受到电力和变压器制造行业的密切关注，并逐步列入绝缘液的质量标准要求。ASTM D3487［1］《电气设备用矿物绝缘油规格》要求电气设备设计者要确保绝缘油热物性在规定的典型数据范围内，并列出了绝缘液热膨胀系数典型数据的范围。另外，随着我国高速铁路的飞速发展，动车牵引变压器作为高速动车组列车的核心部件起着重要作用，其外型尺寸和质量有严格限制，因而在设计和使用时要考虑变压器油的热膨胀系数。GB 23971－2009［2］《有机热载体》要求生产商或供应商在其产品样本中给出足够精确的热物性数据，如有必要还应该给出所提供热物性数据的标准偏差范围和用于外推延伸计算的数据分布函数关系。

为给电力设备设计人员提供可靠的热膨胀系数数据及研制有热性能特殊要求的变压器油，进行变压器油组成与其热膨胀系数的关联性研究，具有非常重要的指导意义。为此，本文详细考察了变压器油烃组成、添加剂配方及精制深度等对其热膨胀系数的影响。

1 试验

1.1 试验材料

本文收集了国内市场上出现的几种典型变压器油，见表1。

表1 试验样品

1.2 试验方法

1.2.1 变压器油组成分析方法

变压器油是组成非常复杂的混合物，现代分析手段尚不能将其完全分离开。目前，变压器油基础油组成采用的分析方法分别为碳型分布（SH/T 0725）、芳碳含量（GB 7603和IEC 60590）及组成分析（SH/T 0753）。以上测试方法虽有所不同，但测量结果都具有很好的一致性，其中变压器油的碳型分布是最经典的方法，也是划分变压器油基属（环烷基、中间基和石蜡基）所采用的分析方法。

本研究采用该方法进行变压器油烃组成分析。变压器油的碳型分布方法是将复杂的变压器油简单地看成是由链烷烃、环烷烃和芳香烃组成的单一分子，见图1所示。其中CA指芳香碳原子占总碳原子的百分数，CN指环烷碳原子占总碳原子的百分数，CP指链烷烃碳原子占总碳原子的百分数。按国内外基础油分类方法，CP＜50%为环烷基油，CP=50%～56%为中间油，CP＞56%为石蜡基油［3］。

图1 变压器油分子结构及组成

1.2.2 变压器油热膨胀系数测试方法

本论文依据ASTM D1903－2008，石油基液体热膨胀系数由给定的相对密度（比重）进行计算。按ASTM D1298测定两个低于90℃，间隔不小于5℃不大于14℃的相对密度。两个温度下测得的相对密度的差值除以较低温度下的相对密度和两个温度的差值，可作为测定温度范围内的平均热膨胀系数。公式为热膨胀系数=（g－g1）/g（T1－T）

其中:

g:较低温度T下的相对密度（比重）;

g1:较高温度T1下的相对密度（比重）;

T:较低的温度;

T1:较高的温度。

2 结果与讨论

在一定的温度下，原子的振动中心能够保持在一定的位置，是因为它受到邻近原子的作用力——吸引力和排斥力，在该位置上这两种力的作用达到平衡。吸引力来自正离子和公有化的电子之间相互作用的库仑力，排斥力决定于运动着的电子云重迭所造成的斥力。按照弗朗克尔的看法，在这种双原子模型中，假设一个原子不动，另一个原子围绕平衡位置振动，当它通过平衡位置时位能为零，只具有动能。随着原子远离平衡位置，位能逐渐增大;动能逐渐减小。当原子的振幅增大时，它的最大位能值相应增大，同时原子间的平均距离也相应增大，即随着温度的上升，物体产生了热膨胀。这就是所谓的位能谷模型，这一模型定性地解释了热膨胀的起因［4］。

2.1 变压器油组成对变压器油热膨胀系数的影响

2.1.1 芳烃含量（CA）相近时，不同烷烃含量（CP值）变压器油组成对其热膨胀系数的影响

分别选取3组低芳烃含量，不同链烷烃含量（CP值）（S6、S8、S14）;中等芳烃含量（CA值），不同烷烃含量（CP值）（S4、S1、S7）及高芳烃含量（CA值），不同链烷烃含量（CP值）（S10、S11、S12、S13）的油品，考察烷烃含量对变压器油热膨胀系数的影响，见图2。

图2 不同烷烃含量对变压器油热膨胀系数的影响

图2（1）～2（3）说明，整体来看，芳烃含量（CA值）相近，链烷烃含量（CP值）相差较大时，变压器油热膨胀系数随CP值增大而增大，但当CP值接近时，热膨胀系数随CP值变化规律不明显甚至相反。为此，将－20～90℃热膨胀系数取平均值，以CP值为横坐标，以平均热膨胀系数为纵坐标作图2（4）。从图2（4）可以看出，不同石油基属变压器油热膨胀系数不同，石蜡基油热膨胀系数最大，中间基次之，环烷基油最小。同一石油基属，其热膨胀系数在误差范围内相差不大。

2.1.2 烷烃含量（CP值）相近时，不同芳烃含量（CA值）对变压器油热膨胀系数的影响

选取两组烷烃含量（CP值）相近，芳烃含量（CA值）不同的变压器油（S3、S9、S11）、（S5、S1、S2），考察芳烃含量（CA值）对变压器油热膨胀系数的影响。结果见图3。

图3 芳烃含量对变压器油热膨胀系数的影响

图3说明，在所测芳烃含量（CA值）范围内，芳烃含量（CA值）对变压器油热膨胀系数基本没有影响。这一方面可能是因为芳烃含量（CA值）较低，热膨胀系数随温度变化波动较大，掩盖了芳烃含量对热膨胀系数的影响;另一方面，进一步验证了图2结论，即同一石油基属，其热膨胀系数相近，与芳烃含量（CA值）无关。

2.2 精制深度对变压器油热膨胀系数的影响

为考察油品在生产过程中热膨胀系数是否有变化，以变压器油溶剂精制生产工艺为对象，考察了精制深度对变压器油热膨胀系数的影响。具体见表2、图4。

表2 不同精制深度变压器油性质

图4 精制深度对变压器油热膨胀系数的影响

表2及图4说明，随着变压器油基础油的精制深度加深，变压器油中硫化物、氮化物明显降低，胶质、芳烃及稠环芳烃含量有所降低，烷烃含量虽有所增大但均未超过50%，为环烷基基础油，变压器油热膨胀系数在误差范围内可认为没有变化。即说明同一石油基属，热膨胀系数相近，与微量组分硫、氮含量无关。2.3添加剂对变压器油热膨胀系数的影响

IEC 60296［6］中规定添加剂抗氧剂含量为0.08%～0.4%，为此向变压器油基础油中分别加入0.08%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的抗氧剂，考察现用抗氧剂及抗氧剂含量对变压器油热膨胀系数的影响，试验结果见图5。

图5 添加剂对变压器油热膨胀系数的影响

由图5可以看出，微量或少量添加剂对变压器油热膨胀系数基本没有影响。结合精制深度对变压器油热膨胀系数的影响，说明热膨胀系数与油品组分的质量含量密切相关，微量烃组分对热膨胀系数影响很小。由此，要调整油品的热膨胀系数可通过对不同链烷烃含量的油品进行调合，从而改变其链烷烃含量即可。

3 结论

（1）芳烃含量相近时，不同石油基属，变压器油热膨胀系数随链烷烃含量增大而增大，同一石油基属，热膨胀系数则受链烷烃含量影响很小;链烷烃含量相近时，芳烃含量对变压器油热膨胀系数影响不大。

（2）变压器油传统溶剂精制生产工艺中，精制深度对变压器油热膨胀系数影响不大。

（3）变压器油现用添加剂及添加剂含量对变压器油热膨胀系数基本没有影响。

（4）变压器油热膨胀系数主要受其基础油烃组成的影响，微量烃组分对热膨胀系数影响很小。

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

［2］GB 23971－2009有机热载体［S］.

［3］Maria Eklund，Paul Jarman，Gerfrid Newesely，et al.Transformer Oil Handbook［M］.Sweden，Linderoths in Vingaker，2004:118－119.

［4］华瑛.材料的热膨胀性能及其影响因素［J］.上海钢研，2005（2）:60－63.

［5］许浩瀚.干涉法测量液体膨胀系数的讨论［J］.大学物理，2009，28（9）:39－41.

［6］IEC60296－2012 Fluids for Electrotechnical Applications－Unused Mineral Insulting Oils for Transformers and Switchgear［S］.

Effect of Transform er Oil Composition on Its Thermal Expansion Coefficient

WANG Hui－juan，YU Hui－m in，MA Shu－jie，ZHANG Qi，GUO Chun－m ei，ZHANG Pei－heng
（Lubricant Key Laboratory of PetroChina Lanzhou Lubricating Oil R＆D Institute，Karam ay 834003，China）

Effects of hydrocarbon composition，additives and refining depth on thermalexpansion coefficients of transformer oils were studied in the laboratory using ASTM D1903method.The results showed that，the thermal expansion coefficient of transformer oil ism ainly affected by the hydrocarbon com position of base oil，w hile rarely affected by the current refining depth and additives.For different types of transformer oils，the thermal expansion coefficients increase w ith alkane content.For the same types of transformer oils，the thermal expansion coefficients are very close，w hich are irrelevant to aromatics content.

transform er oil;therm alexpansion coefficient;additive;refining depth

TE626.3

A

1002-3119（2013）05-0055-05

2013－07－09。

王会娟，硕士研究生，工程师，2009年毕业于大连理工大学化学化工学院催化专业，现主要从事变压器油产品及添加剂的研发工作。E－mail:wanghuijuan_rhy@petrochina.com.cn