变压器油比热容的影响因素考察

王会娟，于会民，马书杰，张 绮

(1.中国石油兰州润滑油研究开发中心，新疆 克拉玛依 834003；2.中国石油天然气集团公司润滑油重点实验室)

变压器油比热容的影响因素考察

王会娟1，2，于会民1，2，马书杰1，2，张 绮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.中国石油天然气集团公司润滑油重点实验室)

采用流动型比热容测量法考察了温度、黏度、精制深度、烃组成等对变压器油比热容的影响。结果表明：依据ASTM D2766—1995设计的流动型比热计测量法相比ASTM E1269—2005法，重复性更好，误差在±2%以内；在-20～100 ℃范围内，变压器油比热容随温度升高呈近似线性增大的趋势；在传统溶剂精制过程中，变压器油比热容受精制深度的影响不大；黏度相近时，芳碳含量对变压器油的比热容影响不大；黏度相近时，变压器油比热容随链烷碳含量的增大而增大，且链烷碳含量较大的变压器油比热容随温度升高而增大的程度略小，100 ℃时不同链烷碳含量变压器油的比热容非常接近；对于同一油源、同一工艺得到的不同馏程的基础油，黏度增加到3倍时，比热容只增大2.6%，其比热容随黏度的增加呈略增大趋势。

变压器油 比热容 烃组成 流动型比热计

我国的变压器制造水平虽然已经达到世界先进水平，但依然存在体积大、可靠性不稳定等缺点。其中很重要的原因之一就是变压器设计水平没有跟上变压器制造水平发展的步伐，很多设计参数采用的依旧是经验值。变压器油在电气设备中起绝缘、散热冷却作用[1]。目前，变压器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，并逐步列入变压器油的质量标准要求。例如，在ASTM D3487《电器设备用矿物绝缘油规格》[2]中列出了热物性典型数据的范围，中国石油天然气股份有限公司开发的变压器油新产品如电力机车用变压器油也有详细的热物性指标要求，比热容是其中之一。研究变压器油的比热容可以为变压器设备的设计提供重要参数，促进设备散热冷却技术的发展，从而延长设备寿命，增强可靠性。目前关于变压器油组成与其比热容关联性的系统研究未见文献报道。为此，本课题主要考察温度、黏度、基础油烃组成、精制深度等对变压器油比热容的影响。

1 实 验

1.1 试验样品

选取国内市场上常见的10种变压器油为试验样品，涉及不同黏度、不同碳型组成、不同厂家生产的变压器油，主要性质见表1。其中R1为特高压直流变压器油；R9、R3为市场上最常见的两种不同类型的普通变压器油，用以考察温度对变压器油比热容的影响；R6，R9，R10为同一黏度级别、芳碳含量相同但链烷碳含量不同的变压器油，用以考察链烷碳含量对变压器油比热容的影响；R2，R3，R4为同一黏度级别但芳碳含量不同的变压器油，用以比较芳碳含量对变压器油比热容的影响；R5，R7，R8为组成相近但黏度不同的变压器油，用以考察黏度对变压器油比热容的影响。

表1 几种变压器油的主要性质

注：wA指芳碳原子占总碳原子的比例，wN指环烷碳原子占总碳原子的比例，wP指链烷碳原子占总碳原子的比例。

1.2 主要设备

XIA-TC-HC2000型流动型比热计，西安夏溪电子科技有限公司生产；DSC204HP型差示扫描量热仪，耐驰仪器(上海)有限公司生产。

1.3 试验方法

依据ASTM D2766《液体和固体比热容测试方法》，采用流动型比热计测量变压器油的比热容。流动型比热计是目前公认的直接可靠的流体比热容测量仪器。基本原理为：若稳定地流经量热器管内的流体的质量流量为m，流体从加热器吸收的功率为Q，量热器进出口温度分别为T1和T2，流体的压力为P，根据热力学定义定压比热容可表示为：CP(T，P)=Q/m(T2-T1)，其中温度T=(T1+T2)/2。

2 结果与讨论

2.1 不同变压器油比热容测试方法对比

目前，我国获取变压器油比热容的测试方法主要有3种：ASTM E1269—2005《差示扫描量热法测定热容量》[3]、依据ASTM D2766—1995《液体及固体比热容测试方法》[4]建立的流动型比热计测量法、液态油品比热容经验式计算法[5]。其中ASTM E1269—2005法的测量原理是在升温速率一定的条件下，扣除基线后的DSC绝对信号大小与样品比热容成正比关系。通过给样品及参比样品蓝宝石以一定的加热速率加热，并记录样品热量的变化，确定样品与参比样品的热流量差异，从而得到样品的比热容值。该法测量速率快，所需样品量少；缺点是重复性差，测量精度低，操作步骤繁琐。ASTM D2766—1995流动型比热法则是依据比热容定义，即使单位质量物体改变单位温度时吸收或释放的热量，且温度变化范围不大时比热容可近似视为常量。该法只针对流体，可以测量不同压力下的比热容，精确度高，重复性好，缺点是测量时间较长。液态油品比热容计算经验式为：CP=[0.707 2-0.318d+(0.001 47-0.000 551d)t]×(0.23K+1.47)，其中CP为恒压比热容；t为温度；d为15.6 ℃下的相对密度；K为特性因数。

分别采用3种方法测定30～100 ℃下R1样品的比热容，并对电力机车变压器油出厂质量指标(87 ℃下的比热容)进行不同试验方法的重复性考察，结果见表2和表3。从表2和表3可以看出：与ASTM D2766—1995方法相比，采用ASTM E1269—2005方法及用经验式计算的比热容结果偏小；ASTM E1269—2005法受样品量及仪器本身的局限，很难准确测定热流量的绝对值，而是采用间接测量的方法，以固体蓝宝石为参考样品，与液态油品的理化性质存在一定的差异，且操作步骤繁琐，空白基线、参考样品、托盘质量及操作方式等对试样比热容均有不同程度的影响，致使该法重复性较差；而依据ASTM D2766—1995设计的流动型比热计测量法是通过测量比热容定义式中的各个参数后直接计算获取，重复性好，误差在±2%以内，明显好于ASTM E1269—2005法。

表2 不同比热容测试方法计算结果对比

表3 87 ℃下不同比热容测试方法的重复性考察结果

2.2 温度对变压器油基础油比热容的影响

选取R9及R3样品，考察温度对变压器油比热容的影响，结果见图1。由图1可见，随着温度升高，变压器油的比热容增大，在-20～100 ℃范围内，比热容随温度变化近似呈线性关系，且不同油品的比热容随温度升高而增大的程度不同。变压器油比热容随温度变化曲线平缓、连续，没有峰值，没有突变，说明试样在该温度区间内没有明显的相变和热分解等化学变化。

图1 温度对变压器油比热容的影响

2.3 变压器油组成与比热容的关联性

采用SH/T 0725《石油基绝缘油碳型组成计算法》对变压器油烃组成进行分析，将复杂的变压器油简单看成是由链烷烃、环烷烃和芳烃组成，选取同一黏度级别、芳碳含量相近、链烷碳含量不同的变压器油R6(wP=49.4%)，R9(wP=62.0%)，R10(wP=68.8%)，考察链烷碳含量对变压器油比热容的影响，结果见图2。从图2可以看出，在变压器油黏度及芳碳含量相近时，随着链烷碳含量的增大，变压器油比热容增大，且链烷碳含量较大的变压器油比热容随温度升高而增大的程度略小，致使100 ℃时3种变压器油的比热容非常接近。实际应用中，由于电力机车用变压器油比热容(87 ℃)指标要求为2.20～2.43 kJ/(kg·℃)，因此变压器油链烷碳含量应适当。

图2 链烷碳含量对变压器油比热容的影响◆—R6； ■—R9； ▲—R10

选取黏度相近、链烷碳含量相近、芳碳含量不同的变压器油R2(wA=15.8%)，R3(wA=4.1%)，R4(wA=10.7%)，考察芳碳含量对变压器油比热容的影响，结果见图3。从图3可以看出，黏度相近、链烷碳含量相近时，芳碳含量从4.1%增加到15.8%，变压器油比热容基本相同，即在所考察范围内，变压器油比热容受芳碳含量影响不大。这可能是因为芳碳和环烷碳对比热容的影响差别很小，而油中芳碳含量又不高的缘故。

图3 芳碳含量对变压器油比热容的影响◆—R2； ■—R3； ▲—R4

纯烃类物质的比热容数据见表4。从表4可以看出，正构烷烃的比热容最大，环烷烃的比热容次之，芳烃的比热容最小。对于直链烷烃，在特定温度下平衡液态直链烷烃的比热容随着分子链长的增加而逐渐降低，另据文献报道[6]，当主链中碳原子数增加到10以上时烷烃的比热容趋近于一恒定值；对于环烷烃，平衡液态环烷烃的比热容则随分子链长的增加而增大，并且比相同碳原子数的链烷烃低。说明对烃类混合物而言，烷烃对比热容的贡献最大，芳烃最小。这与上述试验研究结果一致。

表4 纯烃类物质的比热容数据[7]

2.4 黏度与油品比热容的关联性

黏度是液体比热容的影响因素之一。选择碳型组成相近，同一油源、相同炼油工艺得到的不同馏程的变压器油样品R5，R7，R8，并将R5与R8按照体积比为9∶1，7∶3，3∶7，1∶9的比例调合，得到一系列不同黏度的变压器油，考察黏度对变压器油比热容的影响，结果见表5。从表5可以看出，比热容随着黏度增大呈略增大的趋势，黏度从49.21 mm2/s增加到150.9 mm2/s，增加了2倍，而比热容只增大2.6%。

表5 黏度对油品比热容的影响

2.5 精制深度对变压器油比热容的影响

在润滑油的精制过程中，要除去馏分中的非理想组分，保留理想组分，精制深度关系到润滑油的性质和使用性能。对变压器油来说，理想组分是环烷烃、单环芳烃、双环芳烃和异构烷烃；非理想组分是胶质，三环及三环以上的稠环芳烃，含硫、氮、氧化合物。目前，中国石油昆仑变压器油采用传统溶剂精制工艺，经过蒸馏、加氢脱酸、糠醛精制以及白土处理等加工处理。不同精制深度变压器油的性质见表6和图4。从表6和图4可以看出：变压器油溶剂精制生产工艺中，精制深度对其比热容基本没有影响，因此在变压器油溶剂精制过程中可以不必考虑比热容指标；随着变压器油精制深度的增加，芳碳含量从8.4%降到4.1%，降低了51.2%，链烷碳含量从43.2%增大到47.2%，提高了9.2%，但比热容基本不变，进一步验证了链烷碳含量对比热容的影响比芳碳含量大，芳碳含量对变压器油的比热容影响很小。

表6 不同精制深度变压器油的性质

3 结 论

(1) 依据ASTM D2766—1995设计的流动型比热计测量法相比ASTM E1269—2005法，重复性更好，误差在±2%以内。

(2) 随温度升高，变压器油比热容增大，而且在一定温度范围内，比热容随温度变化近似呈线性关系。

(3) 黏度相同时，变压器油比热容随链烷碳含量增大而增大，且链烷碳含量较大的油品比热容随温度升高而增大的程度略小，100 ℃时不同链烷碳含量变压器油的比热容非常接近；芳碳含量对变压器油的比热容影响很小。

(4) 对于同一油源、相同炼油工艺得到的不同馏程的基础油，黏度增加3倍时，比热容只增大约2.6%，其比热容随黏度的增大呈略增大趋势。

(5) 变压器油溶剂精制生产工艺中，精制深度对变压器油比热容影响不大，在变压器油溶剂精制过程中可以不必考虑比热容指标。

[1] 马书杰，张玲俊，杨俊杰.变压器油的正确选择与使用[J].变压器，2003，40(10)：12-16

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

[3] ASTM International.E1269 Standard Test Method for Determining Specific Heat Capacity by Differential Scanning Calorimetry[S].2005

[4] ASTM International.D2766 Standard Test Method for Specific Heat of Liquids and Solids[S].2005

[5] 梁文杰.石油化学[M].东营：石油大学出版社，1995：116-117

[6] Atkinson C M，Larkin J A，Richardson M J.Thermal properties of stirrer crystallized polyethylene[J].Polymer，1969，10：127-134

[7] Francis P G.A flow calorimeter for the measurement of the heat capacities and joule-thomson coefficients[J].Journal of Chemical Thermodynamics，1990，22(6)：545-556

FACTORS AFFECTING HEAT CAPACITY OF TRANSFORMER OIL

Wang Huijuan1，2， Yu Huimin1，2， Ma Shujie1，2， Zhang Qi1，2

(1.PetroChinaLanzhouLubricantR&DInstitute，Karamay，Xinjiang834003；2.CNPCKeyLaboratoryofLubricatingOil)

In this work， several liquid specific heat capacity measuring methods were introduced. The effect of temperature， viscosity， refining depth and hydrocarbon composition on the specific heat capacity of transformer oil were investigated using the measuring methods. It is found that the repeatability of flow calorimetric method(ASTM D2766—1995) with the deviation less than ±2%， is better than that of the differential scanning calorimetry (ASTM E1269—2005) method. The investigation finds that the specific heat capacity of transformer oil increases linearly with increasing temperature in the range of -20—100 ℃. The heat capacity of the oils by traditional solvent refining is hardly affected by refining depth and additives. The test results show that for the oils with the same viscosity but different aromatic contents， the heat capacities are basically the same and that the heat capacities are directly related to alkane content but increases slowly with temperature for the higher alkane content oils. As a result， the heat capacities of the oils with different alkane content are very close at 100 ℃. While for oils from the same oil sources， refining process and having similar carbon type composition but different boiling range， even the viscosity increases three times， the heat capacity only increases 2.6%，indicating the slightly increase of heat capacity with viscosity.

transformer oil； specific heat capacity； hydrocarbon composition； flow calorimetry

2014-01-29； 修改稿收到日期： 2014-04-26。

王会娟，硕士，工程师，毕业于大连理工大学，主要从事变压器油新产品的研制与开发工作，已公开发表论文4篇。

王会娟，E-mail： wanghuijuan_rhy@petrochina.com.cn。

中国石油润滑油公司项目。