电热混合场下变压器油产气特性研究

王会娟，于会民，马书杰，张 绮

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

电热混合场下变压器油产气特性研究

王会娟，于会民，马书杰，张 绮

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

实验室自主设计研发了电热混合场下变压器油产气特性装置，首次建立了电热混合场下测定变压器油产气特性的方法，并考察了温度、电场强度、基础油种类以及抗氧剂对变压器油产气特性的影响。研究结果表明：电场和温度场同时存在时，温度场对变压器油基础油产气特性的影响大于电场；变压器油中溶解气含量随电场强度的增加呈略增加趋势，随芳烃含量的增加而增加；不含芳烃的环烷基油与石蜡基油基础油产气特性相当；抗氧剂可使变压器油产气量大幅降低。

变压器油 芳烃 电热混合场 产气特性

变压器油中的溶解气是指油中溶解的气体，包括氧气、氮气、氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳和二氧化碳等。在电气设备正常运行状态下，油中溶解的气体主要来源于变压器油本身和固体绝缘材料逐渐老化、变质过程中分解出的极少量气体；当电气设备内部发生过热性故障、放电性故障或受潮时，这些气体的量会迅速增加。这些气体大部分溶解在绝缘油中，少部分上升到绝缘油表面。经验证明，油中气体各种成分含量的多少与故障的性质及程度直接相关，检测电气设备中变压器油的溶解气变化从而判断电气设备故障(通常指低热、高温过热、局部放电、电弧放电等)，已成为电力行业的普遍做法[1-4]。因此，定期测量溶解于油中的气体成分和含量，对于及早发现充油电力设备内部存在的潜伏性故障有重要的意义。为避免引起电气设备故障误判，电子行业标准DL/T 722—2014对新设备投运前的检测周期、新投运时的检测周期、运行中的检测周期以及特殊情况下的检测提出了明确要求，同时对投运前设备和运行设备中的溶解气含量提出了具体指标要求。如330 kV及以上新设备投运前要求含气量不大于1%，氢气体积分数不大于10 μLL，总烃体积分数不大于10 μLL，乙炔体积分数不大于0.1 μLL。电气设备运行时变压器油中溶解气注意值为氢气体积分数不大于150 μLL，总烃体积分数不大于150 μLL，乙炔体积分数不大于1 μLL。

运行中变压器油的溶解气体组分与电气设备的绝缘故障有密切的关系，然而变压器油在过热或油品含有某些污染物时可能会产生大量气体，一些新油在没有电气设备绝缘材料或电场下，同样能产生大量的气体尤其是氢气[5]，因此错误地显示出电力设备的不正常操作，这种现象使得用溶解气体分析来判断电力设备运行状况显得更为复杂，影响电气设备故障判断的准确性。目前，国内外关于变压器油产气特性的研究以采用ASTM D7150《热应力下测定绝缘液体产气特性的标准测试方法》为主[6]。该方法只在温度场下对绝缘油产气特性进行考察，不能真正模拟变压器运行工况。为此，实验室自主设计研发了电热混合场下变压器油产气特性装置，建立变压器油在电场和温度场同时存在下的产气特性测定法，测定不同变压器油产气特性，为电气设备部门提供更为真实可靠的参考数据。同时，该方法建立后，对合理解释电气设备在非故障状态下变压器油中溶解气体组分含量超标问题和进一步优化变压器油基础油组成及添加剂配方都具有非常现实的意义。本研究采用自主设计的变压器油产气特性装置，在非故障状态下考察温度、电场强度、基础油种类以及抗氧剂等对变压器油产气特性的影响。

1 实 验

1.1 原材料

选择国内市场上常见的，涉及不同生产厂家、不同基属的变压器油基础油和成品油，其主要性质见表1。主要添加剂T501的性质见表2。

1.2 主要实验设备

实验主要仪器及设备见表3。

自主设计的变压器油在电热混合场下产气特性试验装置(专利号ZL201220073833.7)如图1所示，其中电极杯设计电压为0～100 kV，使用场强为0～10 kV/mm，温度控制范围为-50～150 ℃。

表1 主要原材料性质

表2 主要添加剂T501的性质

表3 主要仪器及设备

图1 变压器油在电场下产气特性试验装置1—高压电源连接端； 2—高压电极固定旋筒； 3—F1球阀；4—密封垫片； 5—容器外筒； 6—高压电极棒； 7—低压电极筒；8—低压电极筒接地端； 9—O型密封圈；10—固定底座； 11—F2球阀

该装置较好地解决了高压爬电对试验结果影响的问题。

1.3 试验方法

实验室自建不同电场和温度场下变压器油产气特性试验方法：将新的未使用过的变压器油经过真空脱气脱水后，在真空状态下将约120 mL油样注满电极杯，随后将电极杯置于80 ℃或120 ℃烘箱中，施加不同交流电场(0～4 kV/mm)，16 h后试验结束，趁热立即将电极杯中的油样转移至两支注射器中，以防止冷却后电极杯产生负压进气，从而影响检测结果。

其它试验方法：气相色谱法(GB/T 17623)测定绝缘油中溶解气体组分含量；低热下测定绝缘液体产气特性的标准测试方法(ASTM D7150)；石油基绝缘油碳型组成计算法(SH/T 0725)；未使用过的烃类绝缘油氧化安定性测定方法(NB/SH/T0811)；PDSC法测定矿物绝缘油的氧化安定性(IEC TR62036)；旋转氧弹法测定润滑油的氧化安定性(SH/T 0193)。

2 结果与讨论

变压器油产气特性前期研究结果[7-10]表明，低热下油中溶解气超标的主要原因是油品老化引起的。变压器油的老化过程，是指变压器油在光、热、氧、电场、辐射等物理化学因素的作用下，颜色、气味、运动黏度等物理性能发生变化，电气性能逐渐下降或变坏的过程。变压器油的老化过程基本上可分为热老化和电气老化。以下重点从影响油品老化的因素如温度、电场强度、基础油种类及抗氧剂等方面对变压器油产气特性进行考察。

2.1 温度对变压器油基础油产气特性的影响

GB 1094.2《电力变压器》规定变压器寿命设计温度为98 ℃，上层油的最高温度不应超过95 ℃，而运行部门为保证变压器的安全运行规定不超过85 ℃，夏季满负荷运行一般为70～80 ℃。油浸式变压器在额定负载下，变压器最热点(铁芯)温升为78 ℃，变压器周围的最高温度为40 ℃，则最热点(铁芯)温度为118 ℃，变压器如果超铭牌容量运行，则温升还会增大。基于以上原因，本研究主要选取变压器油正常运行温度较高值80 ℃和最热点温度120 ℃作为试验温度。

在电场强度为2 kV/mm的条件下，考察温度对变压器油R1产气特性的影响，结果见图2。由图2可知，在相同电场强度和相同运行时间下，R1油中溶解气含量随温度的升高而增加，正常运行温度下油中溶解气含量很低，但当在最热点温度时，R1中总烃气体含量迅速增大，超过了GB/T 7252[11]中要求的溶解气体注意值150 μLL。这进一步证明了非故障状态下，运行油中溶解气含量也可能会出现超标现象。

注意值是指特征气体(氢气、总烃等)的含量或增量需引起关注的值。当超过注意值时，需按标准规定缩短检测周期，并结合其它判断方法进行综合分析。正常运行时电气设备内由于油纸绝缘材料老化产生的气体与由于电气设备故障产生的气体这两种来源的气体在技术上无法区分开，在数值上也没有严格的界限，而且与负荷、温度、油中氧气含量、油的保护系统和循环系统等许多可变因素有关。因此，在判断设备是否存在故障及其故障的严重程度时，应根据气体含量的绝对值、增长速率以及设备的运行状况、结构特点、外部环境等因素进行综合判断，采用三比值法判断故障类型[11]。

图2 温度对变压器油基础油R1产气特性的影响■—H2； ■—总烃； —注意值

2.2 电场强度对变压器油基础油产气特性的影响

分别在80 ℃和120 ℃的条件下，考察电场强度对R1产气特性的影响，结果见图3。由图3可知：R1中溶解气含量随着电场强度的增加而略增大；电场与温度场同时存在时，R1油中溶解气含量比只有温度场时略大。结合图2可知，在所考察的电场强度内，温度场比电场对变压器油基础油产气特性的影响更大，表明热老化是引起变压器油基础油中溶解气含量增大的主要原因。

图3 电场强度对变压器油基础油R1产气特性的影响■—总烃； ◆—H2

2.3 芳烃含量对变压器油基础油产气特性的影响

在电场强度为2 kV/mm、温度分别为80 ℃和120 ℃的条件下，考察不同芳烃含量的环烷基变压器油基础油R2(CA=0)，R1(CA=4.1%)，R4(CA=16.2%)的产气特性，结果见图4。由图4可知，无论在80 ℃还是120 ℃条件下，变压器油基础油产气量从小到大的顺序均为：R2

图4 芳烃含量对变压器油基础油产气特性的影响■—H2； ■—总烃

2.4 不同基属变压器油基础油的产气特性

在电场强度2 kV/mm、温度分别为80 ℃和120 ℃的条件下，考察不含芳烃的环烷基变压器油基础油R2和石蜡基基础油R8的产气特性，结果见图5。由图5可知，80 ℃和120 ℃时虽然R2和R8的产气量存在差异，但可视为相当。这与两种油品的氧化安定性结果一致，采用IEC TR62036方法测定R2和R8的氧化诱导期分别为29.2 min和29.8 min。总之抗氧化性能相近的变压器油基础油产气特性相当，与油品基属无关。

表4 不同芳烃含量变压器油的氧化安定性对比

图5 不同基属变压器油产气特性对比■—环烷基油； ■—石蜡基油

2.5 抗氧剂对变压器油基础油产气特性的影响

目前国内变压器油生产商为提高油品氧化安定性，添加剂配方中均含抗氧剂。选择市场上常用的抗氧剂T501，考察添加剂配方对变压器油产气特性的影响。

向R1中添加质量分数0.3%的T501，在电场强度2 kV/mm、温度分别为80 ℃和120 ℃的条件下，考察抗氧剂T501对脱气后变压器油基础油产气特性的影响，试验结果见图6。由图6可知，在80 ℃和120 ℃时，加入抗氧剂T501后R1的产气量降低，说明电热混合场下T501发挥了较好的抗氧化作用。抗氧剂T501为酚型抗氧剂，在氧化过程中起链终止作用，与形成的自由基进行反应从而使产生的自由基稳定，结果使反应速率下降，或是完全阻止了氧化反应，表现为产气趋势大幅降低。

图6 抗氧剂对变压器油基础油产气特性的影响■—R1； ■—R1+T501(脱气后)； 注意值

3 结 论

(1) 变压器油基础油的产气量随电场强度的增加而增加；电场和温度场同时存在时，温度场对变压器油基础油产气特性的影响大于电场，热老化是引起变压器油产气的主要原因。

(2) 变压器油基础油产气特性与其氧化安定性有关，芳烃含量越高，氧化安定性越差，越容易产生气体；不含芳烃的环烷基油与石蜡基油基础油氧化安定性相当，产气特性相当。

(3) 抗氧抑制剂可使基础油产气量大幅降低。鉴于加抑制剂的基础油具有更优良的氧化安定性，更好的产气特性，建议客户使用加剂油。

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GASSING CHARACTERISTICS OF TRANSFORMER OIL UNDER CONDITIONS OF COEXISTING ELECTRIC FIELD AND HEAT

Wang Huijuan， Yu Huimin， Ma Shujie， Zhang Qi

(PetroChinaLanzhouLubricantResearchInstitute，PetroChinaLubricantKeyLaboratory，Karamay，Xinjiang834003)

A lab device was built for testing gassing characteristics of transformer oil under condition of coexisting electric field and temperature， and the relative test method was established. The effect of temperature， electric field strength， base oil composition， and anti-oxidation additives on gassing characteristics was studied. The results show that temperature has a greater influence than electricity field under the coexisting conditions， the gas content increases with the increase of the electric field strength and the aromatic content of the oil tested. Gassing characteristics performance of naphthenic base transformer oil without aromatics was similar to paraffinic base transformer oil； antioxidant in transformer oil can reduce gas content significantly.

transformer oil； aromatics； coexisting electric field and temperature； gassing characteristics

2015-06-18； 修改稿收到日期： 2015-08-28。

王会娟，硕士，工程师，主要从事变压器油产品开发及基础研究工作，已公开发表论文7篇。

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

中国石油润滑油公司科技项目(20110203)。