不含抗氧剂的U型变压器油研制及应用

2019-03-21张燕张金芳

石油商技 2019年1期

张燕张金芳

中国石化润滑油有限公司上海分公司

变压器是现代电力网络建设的主要设备。随着近几年电力设施建设投资增长，变压器和变压器油市场被激活。变压器油是充油变压器、高压电容器、高压开关和断路器等电力设备的重要原材料，其功能是隔离、抑制电晕放电和电弧放电，起绝缘、冷却、灭弧作用。因不同国家用油习惯差异、不同电压等级设备对变压器油寿命要求不同以及用户不同使用目标的设置等，变压器油分为多个品种。国际电工委员会IEC 60296：2012《电工流体：变压器和开关用未使用矿物绝缘油》、美国试验与材料协会标准ASTM D3487：2016《电气设备用矿物绝缘油》、国家标准GB 2536—2011《电工流体：变压器和开关用未使用矿物绝缘油》(修改采用IEC60296：2003)，将变压器油按抗氧剂含量不同分为含抗氧剂（I）、含微量抗氧剂（W）、不含抗氧剂（U）变压器油。它们的主要差别在于抗氧化安定性测试条件不同和添加的抗氧剂含量不同，其中不加抗氧剂U型变压器油规定油中总抗氧剂含量低于IEC 60666 的检测限，即≤0.01%（质量分数），微量抗氧剂T型变压器油规定抗氧剂含量≤0.08%（质量分数），含抗氧剂I型变压器油规定抗氧剂含量为0.08%～0.40%（质量分数）。目前市场上的变压器油大多为含抗氧剂的变压器油，国内全部使用含抗氧剂的I型变压器油。国外有些国家，如非洲、东南亚、南美洲等习惯使用不含抗氧剂的U型变压器油，其国土地域小，输电电压等级低，容量小，变压器运行工况缓和，因此氧化安定性较差的不含抗氧剂绝缘油即可满足其运行要求。随着“一带一路”战略的实施，经济带相关国家电力基础设施建设的推动，带动了我国输配电装备出口和变压器油出口，为国内变压器企业和变压器油企业带来新的增长点。为此，开展不含抗氧剂的U型变压器油的研制是变压器油制造企业的必然要求，在完善变压器油产品线的同时，也将给企业带来利润增长点，扩大市场影响力。

不含抗氧剂U型变压器油的研制标准

从需求角度看，主要考虑出口变压器油和随客户出口变压器装机用变压器油，因此参考IEC 60296：2012标准中U型变压器油指标开展了研究。中国石化润滑油有限公司制定了符合IEC 60296:2012标准的Q/SH 303 0660—2015超级绝缘变压器油企业标准，包括含抗氧剂的I型超级绝缘变压器油（本文简称为I型变压器油）和不含抗氧剂的U型超级绝缘变压器油（本文简称为U型变压器油），质量指标见表1。

由表1可见， U型变压器油性能与I型变压器油相比，除了抗氧化添加剂要求不同（U型要求检测不出＜0.01%；I型要求0.08%～0.40%）以及氧化安定性测试时间要求不同（U型为164 h；I型为500 h），其他性能要求相同。因此，研究的关键就是筛选抗氧化性能好的基础油。

不含抗氧剂U型变压器油的研制及评定

随着国内外变压器油标准的更新，其对抗氧化性能的要求不断提高，因此变压器油制造企业为保证产品具有较好的电气性能和对抗氧剂的感受性，基础油一般为采用深度精制加工工艺脱除了大部分硫化物和极性芳烃的加氢基础油。为此，选择市场上常用的不同品牌加氢工艺基础油，开展抗氧化性能的测试评定，结果见表2。

由表2可以看出，不同品牌变压器油基础油，在164 h、120 ℃下的氧化安定性均不满足标准要求。其中，氧化后的酸值均超标，环烷基基础油的氧化后油泥不达标、非环烷基基础油氧化后的油泥达标。说明市场上现有工艺技术的变压器油基础油氧化后不符合U型变压器油氧化安定性要求，非环烷基基础油抗氧化性能比环烷基基础油表现好。

表1 标准Q/SH 303 0660—2015变压器油质量指标

（续表1）

表2 不同品牌加氢工艺基础油的抗氧化性能比较

壳牌公司1976年申请的美国专利《Process For Producing Uninhibited Transformer Oil》[1]，采用两种不同的基础油通过混合生产满足要求的U型变压器油。埃尔贡公司2010年申请的美国专利《Uninhibited Electrical Insulating Oil》[2]，也是采用2种不同基础油不同比例混合而成的。这2个专利都表述了含有溶剂精制工艺生产的芳香碳组成为10%～30%的矿物基础油。而表2中Nynas T9基础油芳香烃组分含量最高，但在164 h、120 ℃下的氧化安定性条件下的抗氧化性能最差，其原因是不同版本变压器油产品标准的抗氧化安定性测试条件不同，以及不同炼油工艺基础油中含具有天然抗氧化性能的含硫化合物和芳香烃不同。周旭光[3]的研究表明，溶剂精制基础油中的含硫化合物和适量的芳香烃在氧化初期具有一定的抗氧化作用，起到了天然抗氧剂的作用，其抗氧化性能优于API Ⅱ类加氢基础油。D.C.kramer和J.N.Ziemer 等研究了加氢精制API Ⅱ 、Ⅲ类基础油的分子组成对基础油黏度指数和氧化安定性的影响[4]，结果表明：芳香烃的组成和分布对API Ⅱ类和Ⅲ类基础油的氧化安定性影响很大, 基础油的氧化安定性主要由芳香烃含量所决定，对500N基础油，芳香烃含量从1%增大到2%，基础油的氧化速率增大13 %；对较轻质的基础油100N，基础油中芳香烃的含量从1 %增大到6.5 %，基础油的氧化速率就增大一倍。随着炼油工艺的发展，加氢技术在国内外应用，使基础油的性能发生变化，变压器油的基础油外观颜色显著变浅，乃至呈水白色。因此，不能停留在原来的U型变压器油研究和设计的基础油技术上。唯有依据不同烃类馏分的抗氧化性能表现，选择和控制适宜烃类馏分的基础油，方可满足基础油高抗氧化性能的要求。

资料报道[5]，对于芳烃含量小于1 %的基础油, 饱和烃的结构对其氧化速率的影响大于芳香烃的影响。改善基础油氧化安定性最有效的途径是增加基础油中脂肪烃的含量, 减少多环环烷烃的含量, 提高氧化安定性。即，多环环烷烃的含量越低, 基础油的黏度指数越高, 其氧化安定性也越高。姚志松书籍[6]表明，变压器油的理想组分为异构烷烃、环烷烃和少量芳烃。异构烷烃具有许多优良的性质，如闪点高、倾点低、酸值低、抗氧化安定性好、界面张力高、抗光电的作用极强等；环烷烃具有极佳的低温特性、好的电气性能，但抗氧化性能稍差；芳烃具有一定的抗析气性，抗氧化安定性差，密度大，介质损耗因数稍大。构建变压器油的各种烃类的适当比例，能保证产品的抗氧化性能，使电气性能等更加优异。

2017 年中国石化润滑油有限公司依据Q/SH303 0660—2015（IEC 60296：2012）标准表1中不含抗氧剂变压器油的性能指标，以非环烷基原油为原料，通过调整三段加氢的炼油工艺参数，适当提高基础油中的异构链烷烃含量、控制适宜的环烷烃含量，来提高基础油的抗氧化安定性。表3是调整工艺参数前后基础油的烃类组成、抗氧化性能对比。

由表3可以看出，通过适当提高非环烷基基础油的异构链烷烃含量，其氧化后的酸值、油泥明显降低，可满足不含抗氧剂的U型变压器油抗氧化指标要求。

采用上述调整工艺后的异构链烷烃含量高、抗氧化性能好的变压器油基础油，生产了符合Q/SH303 0660—2015（IEC 60296:2012）标准的中国石化长城U型变压器油，其工业化产品（U-10/U-40）的全性能数据、权威机构（SGS、美国DOBLE等）评定结果分别见表4、表5。

由表4、表5可见，权威机构评定和中国石化测试结果显示，中国石化长城不含抗氧剂的U型变压器油都满足Q/SH303 0660—2015（IEC 60296:2012）标准中U 类指标要求，具有较好的散热冷却性能、低温性能、电气性能和抗氧化性能。

表3 变压器油基础油的性能对比

国内外U型变压器油性能比较

现在市面上主要不含抗氧剂的U型变压器油都是国外的，有尼纳斯、埃尔贡、壳牌，国内变压器油制造企业也于近2年相继推出了不含抗氧剂的U型变压器油。收集国内市场上常用的不含抗氧剂的U型变压器油进行评定，数据见表6。

从表6不同品牌不含抗氧剂的U型变压器油常规分析结果看，非环烷基基础油的性能更加优异，具有密度小、闪点高、界面张力大、低温流动性好、抗氧化性能优的特点。不含抗氧剂的基础油抗氧化性能，与基础油烃类组成中链烷烃相关。因此，调节适宜的三段加氢炼油工艺参数，提高基础油的异构链烷烃含量，能够得到抗氧化性能好的基础油，从而生产不含抗氧剂的U型变压器油。