变压器油氧化安定性快速评定方法的建立及应用

于会民，张 绮，张培恒，王会娟

（1.中国石油兰州润滑油研究开发中心，新疆克拉玛依834003；2.中国石油润滑油重点实验室）

变压器油氧化安定性快速评定方法的建立及应用

于会民1，2，张 绮1，2，张培恒1，2，王会娟1，2

（1.中国石油兰州润滑油研究开发中心，新疆克拉玛依834003；2.中国石油润滑油重点实验室）

介绍了国内外评定变压器油氧化安定性的试验方法。选择国内市场常用的变压器油样品，对经典的变压器油氧化安定性评定方法NB/SH/T 0811与ASTM D2112旋转氧弹法进行对比研究。研究结果表明，现用的ASTM D2112旋转氧弹法（140℃，620 k Pa氧气压力）的评价结果与NB/SH/T 0811方法（120℃，500 h）的一致性不好，在过高的试验温度下评定变压器油氧化安定性会导致错误的评价结果。在旋转氧弹法测试原理的基础上，提高氧弹内最初的氧气压力到1 500 k Pa，降低温度到120℃，以氧气压力下降速率最快的时间点作为氧化终点，形成了一种新的快速评价方法。采用该方法评定的结果与经典氧化试验法评定结果的一致性好，且该方法的区分性和重复性亦较好，可以作为变压器油氧化安定性评定的前期辅助方法。

变压器油 氧化安定性 旋转氧弹 评定方法

变压器油的抗氧化性能是变压器油非常重要的指标，是变压器油使用等级划分的重要基础，也是变压器制造商选择变压器油的主要依据。变压器运行过程中产生的故障除自身绝缘问题外，均与变压器油抗氧化性能差有着直接的关系。变压器油在运行温度条件下，因受溶解在油中的氧气、电场、电弧及水分、杂质和金属催化剂等的作用，会发生氧化、裂解等化学反应而不断变质，生成过氧化物及醇、醛、酮、酸等氧化产物，这些氧化产物将降低油的绝缘性能，对变压器的绝缘结构和散热性能造成致命的影响，因此变压器油的氧化安定性是保证变压器长周期安全运行的一项重要指标。

2011年，国家变压器油新标准GB 2536—2011正式实施［1］，规定采用NB/SH/T 0811［2］方法在120℃下进行500 h试验来评定变压器油的氧化安定性，而变压器油原标准GB 2536—1990［3］规定采用SH/T 0206［4］方法在110℃下进行164 h试验来评定氧化安定性。变压器油新标准GB 2536—2011的实施使变压器油氧化安定性能评定时间大幅增加，约为原标准的3倍。增加氧化时间可以更好地区分不同类型和不同品牌变压器油的质量，提高变压器油的研制水平，确保电力变压器安全长周期地运行，实现与变压器同寿命。但是，变压器油氧化安定性试验时间的增加降低了变压器油研制和评价的效率，对变压器油氧化安定性评定设备安全性能提出更高的要求（高温、长周期运行）。因此，变压器油氧化安定性快速评定方法的建立再次成为行业的关注重点。

本研究选择国内市场常用的变压器油样品，对经典的变压器油氧化安定性评定方法NB/SH/T 0811与ASTM D2112［5］变压器油氧化诱导期的快速试验方法——旋转氧弹法进行对比研究，在此基础上，对旋转氧弹法的试验条件进行优化，提出一种新的变压器油氧化安定性的快速评定方法。

1 现有试验方法概述

目前国内外变压器油标准普遍采用的评价变压器油氧化安定性的试验方法主要有两类：一类是经典的氧化或老化试验方法；另一类是氧化诱导期的快速试验方法，即旋转氧弹法。

1.1 氧化、老化试验法

在国内外普遍采用的氧化安定性评价方法：国内有SH/T 0206《变压器油氧化安定性测定法》、GB/T 12580《加抑制剂矿物绝缘油氧化安定性测定法》及NB/SH/T 0811《未使用过的烃类绝缘油氧化安定性测定法》；国外有ASTM D2440《矿物绝缘油氧化安定性测定法》、IEC 61125《未使用烃类绝缘油氧化安定性评价法》。其中IEC 61125是将IEC 74《未加抑制剂的矿物绝缘油的氧化安定性测定法》、IEC 474《加抑制剂的矿物绝缘油的氧化安定性测定法》和IEC 813合并，又分成IEC 61125A、IEC 61125B和IEC 61125C。SH/T 0206—1992、ASTM D2440—1997是参照IEC 74修订的，GB/T 12580—1990是等效采用IEC 474进行制订的。NB/SH/T 0811是参照IEC 61125C修订的。

国内变压器油新标准GB 2536—2011规定采用NB/SH/T 0811评定变压器油的氧化安定性。国际电工协会矿物绝缘油规格IEC 60296—2012［6］规定采用IEC 61125C评定绝缘油的氧化安定性，美国材料试验协会电器设备用矿物绝缘油规格ASTM D3487—2009［7］规定采用ASTM D2440评定绝缘油的氧化安定性。

这类方法的试验过程是：将规定量的未使用绝缘油样品在一定长度的铜线催化剂存在下，保持在100，110，120℃，以恒速通入一定量的空气或氧气进行加速氧化。氧化安定性通过测定一定周期（164 h或500 h）氧化后的挥发性酸、油溶性酸和沉淀的量来确定。

老化试验法有DL/T429.6、ASTM D1934和DIN51554（Baader老化）。其试验过程是：将规定量未使用的绝缘油样品在一定长度的铜线催化剂存在下，保持在110℃或115℃，进行开口杯加速老化安定性试验，老化的程度通过测定一定周期（72 h或96 h）老化后的油溶性酸量、沉淀量和介质损耗因数等来确定。

1.2 氧化诱导期快速试验法

ASTM D3487—2009规定可以采用ASTM D2112（与SH/T 0193等效）旋转氧弹法快速评定绝缘油的氧化安定性。

ASTM D2112方法的试验过程：将试样、蒸馏水和铜线圈放入一个玻璃盛样器内，然后把它放入氧弹中，氧弹内最初的氧气压力为620 k Pa，放入140℃的油浴中，以100 r/min的速率轴向旋转。当压力下降到比最高压力低172 kPa时，结束试验，记录油与氧气的反应时间。

ASTM D2112是加抗氧剂矿物绝缘油氧化安定性的一种快速评定试验方法。虽然没有证据表明试验结果与实际使用性能的相关性，但是该试验方法可用来快速评选抗氧剂和检验绝缘油的氧化安定性的持续性。

2 试验材料及试验设备

2.1 试验材料

由于环烷基油具有良好的氧化安定性和溶解性能，大型变压器中使用的变压器油均为环烷基油，因此，重点选择国内市场上有代表性的不同品牌的环烷基变压器油作为试验油样。目前国内市场上的变压器油主要有：中国石油天然气股份有限公司（中国石油）生产的昆仑牌产品、Nynas公司生产的NYTRO系列产品、Shell公司生产的DALIA系列产品和ERGON公司生产的Hyvolt系列产品，均为环烷基油。试验样品的基本情况及性质分别见表1和表2。

表1 试验样品的基本情况

2.2 主要试验设备

主要试验设备如表3所示。

表2 试验样品的典型性质

表3 主要试验仪器及设备

3 结果与讨论

3.1 不同方法的氧化安定性评价结果对比

分别采用NB/SH/T 0811变压器油氧化安定性试验方法（120℃，500 h）和ASTM D2112旋转氧弹法（140℃，620 kPa氧气压力）对12种变压器油进行氧化安定性评定试验，结果见表4。

从表4可以看出：采用NB/SH/T 0811方法的氧化安定性评价试验结果中，样品11不能满足GB2536—2011和IEC 60296—2012标准规定的变压器油氧化安定性限制值要求，且氧化安定性能最差；样品6、样品7和样品9满足GB 2536—2011和IEC 60296—2012标准规定的标准级变压器油氧化安定性限制值要求，其它样品满足GB 2536—2011和IEC 60296—2012标准规定的变压器油氧化安定性限制值要求；采用ASTM D2112旋转氧弹法的氧化安定性评价试验结果中，所有样品的旋转氧弹时间都能满足ASTM D3487—2009标准规定的大于195 min的要求。

从表4还可以看出，NB/SH/T 0811法的评价结果中，样品5的氧化安定性能最好，样品11的氧化安定性能最差，但在ASTM D2112旋转氧弹法的评价结果中，样品11的氧化安定性能较好，样品5的氧化安定性能较差。说明现用的ASTM D2112旋转氧弹快速试验方法的评价结果与NB/SH/T 0811经典氧化试验方法的一致性不好，其主要缺陷是试验温度过高，变压器油的最高运行温度（热点温度）约为120℃，两者相差20℃，常用的变压器油抗氧剂DBPC都是在120℃以下使用的，超过120℃时，抗氧剂DBPC会发生热分解，从而导致其抗氧化功效的降低，因此，在过高的试验温度下评定变压器油氧化安定性会导致错误的评价结果。

表4 两类氧化安定性评定方法的检测结果

3.2 高压氧化快速评定方法的建立

基于以上研究，对旋转氧弹快速试验方法的试验温度进行优化，参考NB/SH/T 0811经典氧化试验方法的试验温度，将其试验温度降低到120℃，对12个样品进行测试，并将氧化安定性能测试结果进行排序，结果见表5。

表5 不同试验温度下样品的氧化安定性能排序

由表5可知，以120℃旋转氧弹试验数据对12个样品的氧化安定性能进行排序，其排序结果与NB/SH/T 0811法氧化数值累加和排序结果的一致性相对较好，样品6、样品7、样品9和样品11的氧化安定性能比较差，其它样品的氧化安定性能都比较好。120℃旋转氧弹试验与140℃旋转氧弹试验相比，试验周期大幅增加，从220～367 min，增加到834～2 266 min。采用新的试验条件可较好地区分样品的氧化安定性能，但是试验周期增加，降低了方法的工作效率。

为了缩短新方法的试验周期，必须再优化其它条件。参考高压差示扫描量热法评价润滑油氧化安定性的试验条件可知，提高氧气压力可以加速氧化反应，缩短反应时间。在120℃、不同氧气压力下采用旋转氧弹法考察12个样品的氧化安定性，试验结果见表6。

从表5和表6可以看出，在120℃下，当反应的氧气压力从620 k Pa提高到1 500 k Pa时，氧化时间最长的样品12，其旋转氧弹时间从2 266 min降低到1 002 min，氧化时间最短的样品6，其旋转氧弹时间从834 min降低到547 min。试验周期平均降幅约为50%。依据120℃、1 500 k Pa旋转氧弹数据对12个样品氧化安定性能排序的结果与依据NB/SH/T 0811法氧化数值累加和排序的结果具有较好的一致性，样品11的氧化安定性能最差，样品6、样品7和样品9的氧化安定性能较差，其它样品的氧化安定性能都比较好。

表6 不同氧气压力下样品的氧化安定性能排序

提高充入氧气压力可大幅缩短新方法的试验周期，但是，ASTM D2112方法规定：当氧气压力从最高压降到比最高压力低172 k Pa时，结束试验，记录油与氧气的反应时间。

对氧化安定性比较好的样品1和氧化安定性最差的样品11的数据进行分析。利用ORIGIN软件对数据进行曲线拟合，并对曲线进行一阶微分处理，求出压力下降速率最快的时间点，并与氧气压力从最高压降到比最高压力低172 k Pa时的时间点进行对比分析，试验数据见图1～图4。

图1 样品1在140℃、620 kPa下的试验数据

图2 样品1在120℃、1 500 kPa下的试验数据

图3 样品11在140℃、620 kPa下的试验数据

图4 样品11在120℃、1 500 kPa下的试验数据

由图1可知，样品1在140℃、620 k Pa氧气压力下从最高压降到比最高压力低172 k Pa时的时间为358 min，压力下降速率最快的时间点为361 min，两种方式求得的氧化终点时间非常接近。由图2可知，样品1在120℃、1 500 k Pa氧气压力下从最高压降到比最高压力低172 k Pa时的时间为1 002 min，压力下降速率最快的时间点为1 096 min，两种方式求得的氧化终点时间相差94 min。由图3可知，样品11在140℃、620 kPa氧气压力下从最高压降到比最高压力低172 k Pa时的时间为353 min，压力下降速率最快的时间点为360 min，两种方式求得的氧化终点时间非常接近。由图4可知，样品11在120℃、1 500 kPa氧气压力下从最高压降到比最高压力低172 k Pa时的时间为458 min，压力下降速率最快的时间点为537 min，两种方式求得的氧化终点时间相差79 min。因此，在较高氧气压力下进行氧化试验时，以氧气压力下降速率最快的时间点为试验结束时间是比较合理的。

利用ORIGIN软件对12个样品在120℃、1 500 kPa下的试验数据进行曲线拟合，并对曲线进行一阶微分处理，求出压力下降速率最快的时间点（方式1），并与氧气压力从最高压降到比最高压力低172 k Pa时的时间点（方式2）进行对比，结果见表7。由表7可知，两种氧化终点判定方式所得结果的差值在66～162 min，这种差异与样品氧化反应时间长短没有直接的相关性，两种氧化终点判定方式得到的12个样品氧化安定性能排序是一致的。氧气压力下降速率最快的时间是表征油品氧化最剧烈的时间，也是抗氧剂DBPC消耗殆尽的时间，作为试验的终点更具合理性。

根据上述研究结果，确定新方法的试验过程和条件为：将50 g试样和由直径1.6 mm、长3 m的T2铜线制成的铜线圈放入一个玻璃盛样器内，然后把它放入氧弹中，氧弹内最初的氧气压力为1 500 k Pa，放入120℃的恒温浴中，以100 r/min的速率轴向旋转，记录氧气压力和反应时间。利用ORIGIN软件对样品的压力数据进行曲线拟合，并对曲线进行一阶微分处理，求出氧气压力下降速率最快的时间点作为氧化终点。从12个试验样品中，选择5个代表性的样品考察新方法的重复性，结果见表8。

表7 不同氧化终点判定方式下样品氧化安定性能排序

表8 新方法的重复性试验结果

由表8可知，5个代表性样品的平行试验测量结果都在ASTM D2112标准规定的重复性要求范围（两次测定结果之差小于23 min）之内，说明新方法的重复性比较好，区分性能也很好。另外，采用该方法得到的评定结果与经典氧化试验法评定结果的一致性好。因此，新方法可以作为变压器油氧化安定性评定的前期辅助方法。

4 结 论

（1）现用的ASTM D2112旋转氧弹快速试验方法（140℃，620 kPa氧气压力）的评价结果与NB/SH/T 0811经典氧化试验方法（120℃，500 h）的一致性不好，在过高的试验温度下评定变压器油氧化安定性会导致错误的评价结果。

（2）在旋转氧弹法测试原理的基础上，提高氧弹内最初的氧气压力到1 500 k Pa，降低温度到120℃，以氧气压力下降速率最快的时间点作为氧化终点，形成新的快速评价方法。采用该方法评定的结果与经典氧化试验法评定结果的一致性好，且该方法的区分性和重复性亦较好，可以作为变压器油氧化安定性评定的前期辅助方法。

［1］GB 2536—2011.电工流体-变压器油和开关用的未使用过的矿物绝缘油［S］.2011

［2］NB/SH/T 0811—2011.未使用过的烃类绝缘油氧化安定性测定法［S］.2011

［3］GB 2536—1990.变压器油［S］.1990

［4］SH/T 0206—1992.变压器油氧化安定性测定法［S］.1992

［5］ASTM D2112—01a（2007）.Standard test method for oxidation stability of inhibited mineral insulating oil by pressure vessel［S］.2007

［6］IEC 60296—2012.Fluids for electrotechnical applications-unused mineral insulating oils for transformers and switchgear［S］.2012

［7］ASTM D3487—2009.Standard specification for mineral transformer oil used in electrical apparatus［S］.2009

ESTABLISHMENT OF RAPID EVALUATION METHOD FOR OXIDATION STABILITY OF TRANSFORMER OILS

Yu Huimin1，2，Zhang Qi1，2，Zhang Peiheng1，2，Wang Huijuan1，2
（1.PetroChina Lanzhou Lubricating Oil R&D Institute，Karamay，Xinjiang 834003；2.PetroChina Lubricating Oil Key Laboratory）

The transformer oil oxidation stability was tested by two methods of classical NB/SH/T0811 and ASTM D2112 Rotating Bomb Oxidation，different results were observed.The inconsistency is caused by high temperature（140℃）and lower oxygen pressure（620 k Pa）of the RBOT method.At the optimized conditions of 120℃and 1 500 kPa，and taking the time at which the quick reduction of oxygen pressure occurs as the end point，the consistency of the two methods is obtained.Based on these experiments，an easy and reliable method as early assisted method for evaluating oxidation stability of transformer oil is established with best resolving power and repeatability.

transformer oil；oxidation stability；RBOT；evaluation method

2013-08-13；修改稿收到日期：2013-11-11。

于会民，男，1998年毕业于大庆石油学院化学工程专业，2005年毕业于青岛科技大学化学工程专业，硕士研究生，高级工程师，主要从事变压器油的产品研制和性能检测工作，发表论文数篇。

于会民，E-mail：yuhuimin＿rhy＠petrochina.com.cn。