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.中国石油润滑油重点实验室)

不同饱和烃对变压器油性能的影响

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.中国石油润滑油重点实验室)

考察了不同饱和烃对变压器油电气性能、抗氧化性能、溶解性能、抗析气性能和热物性的影响。结果表明，不同饱和烃的电气性能、热物性、抗析气性能、抗氧化性能及对抗氧剂的感受性相当，但环烷烃具有优异的溶解性能，是变压器油的理想组分。

饱和烃 链烷烃 环烷烃 抗氧剂 变压器油

变压器油在变压器、电抗器等电气设备中，主要起绝缘和冷却作用。为保证电气设备长周期安全运行，变压器油须具备优异的低温性能，倾点低、低温黏度小，以满足电气设备低温启动要求；较低的高温黏度，有利于电气设备散热冷却；优异的电气性能，满足电气设备绝缘要求；较好的抗析气性能，能够吸收因局部放电故障产生的氢气，从而防止发生气隙放电，破坏电气设备的绝缘；较好的抗氧化性能，尽量减缓油品的氧化，减少油泥的生成，有利于电气设备的长期、安全运行；适宜的溶解油泥性能，能够溶解电气设备长周期运行过程中形成的油泥而避免破坏绝缘材料和影响传热。

文献中关于纯链烷烃和环烷烃性能的理论研究很多[1-2]，但到目前为止，关于不同饱和烃对变压器油性能影响差异的系统研究未见相关文献报道。矿物油基础油组成非常复杂，为使研究结论更好地与实际结合，本研究不采用模型化合物，而直接选用含不同含量链烷烃和环烷烃的高压加氢变压器油基础油，系统考察不同含量环烷烃和链烷烃对变压器油电气性能、抗氧化性能、溶解性能、抗析气性能和热物性的影响。

1 实 验

试验用主要原料性质见表1，涉及不同烃组成不同基属变压器油。主要添加剂性质见表2。

表1 主要原料性质

2 结果与讨论

为使研究结论更好地与实际变压器油结合，实验室选择了4种不同含量链烷烃和环烷烃的变压器油基础油，即环烷基高压加氢油R3、中间基高压加氢油R4、石蜡基高压加氢油R5以及天然气合成油R6(约含95%异构烷烃)为试验原料，进行了二次精制处理，以彻底消除芳烃含量的影响，所得基础油分别命名为R3′，R4′,R5′和R6′，其性质如表3所示。

由表3可以看出：实验室二次精制后的4种变压器油基础油黏度相近，基属覆盖环烷基、中间基、石蜡基以及天然气合成油基础油；从烃组成数据看出，不含芳烃，主要含不同结构的环烷烃和链烷烃；从紫外吸光度结果来看，精制处理后的4个基础油均满足化妆食品级白油标准，也说明了所选的基础油较好地脱除了芳烃。

表2 主要添加剂T501及其性质

表3 不同饱和烃变压器油基础油性质

2.1链烷烃和环烷烃对变压器油电气性能的影响

选用以上二次精制后的基础油R3′，R4′，R5′，R6′，考察不同链烷烃和环烷烃含量对变压器油基础油电气性能的影响，结果见表4。

从表4可以看出，在现有仪器检测限和检测水平下，不同链烷烃和环烷烃含量对变压器油基础油电气性能影响不大，且由于饱和烃的弱极性而均表现出非常优异的电气性能。

表4 不同饱和烃对变压器油电气性能的影响

2.2不同饱和烃对变压器油抗氧化性能的影响

IEC 60296—2012《电工流体：变压器和开关用的未使用过的矿物绝缘油规格》[3]中规定变压器油氧化安定性采用IEC 61125C《未使用烃基绝缘液的氧化安定性测试方法》进行评定。为此，本研究采用IEC 61125C法对基础油氧化后的总酸值进行12，24，36，48，60 h的连续监测，并测试了60 h氧化后的油泥含量，试验结果见图1。

图1氧化试验结果表明：不同饱和烃抗氧化性能相当，即不同链烷烃和环烷烃含量对基础油自身抗氧化性能基本无影响；饱和烃在氧化24 h以后，其总酸值已超过IEC 60296—2012标准中对不加抗氧剂变压器油的指标酸值不大于1.2 mgKOH/g的要求，说明饱和烃抗氧化性能较差，但由于不含芳烃，短时间内其氧化后产生的油泥较少，远低于油泥指标不大于0.8%的要求。

为考察不同饱和烃对抗氧剂的感受性，在基础油中分别添加0.1%T501进行500 h抗氧化性能评价；同时为进一步消除微量芳烃的影响，在4种基础油中分别添加20%的高芳烃基础油R1，再调合0.3%T501进行500 h抗氧化性能评价，结果见表5。

从表5可以看出，芳烃含量相近时，不同饱和烃含量的基础油对抗氧剂的感受性相当，且表现出了非常优异的抗氧剂感受性，添加0.1%T501即可满足IEC 60296—2012高级别变压器油对抗氧化性能的要求(酸值不大于0.3 mgKOH/g，油泥质量分数不超过0.05%)。

图1 基础油氧化试验结果 ◆—R3′； ■—R4′； ▲—R5′； ●—R6′

表5 不同饱和烃对抗氧剂感受性的影响

2.3不同饱和烃对变压器油油泥溶解性能的影响

一般要求变压器油能溶解运行过程中生成的油泥，以防止油泥沉积在固体绝缘材料、循环油道或悬浮在高压电场下，破坏固体绝缘材料和影响散热。

为研究环烷烃和链烷烃对溶解油泥性能的影响，实验室将2 g变压器运行生成的油泥(含纯油泥0.038 g)在95 ℃条件下加入到100 g不同链烷烃和环烷烃含量的变压器油基础油及含十二烷基苯的油中，搅拌10 min，冷却至室温，用0.8 μm滤膜抽滤，称量，试验结果见表6和表7。

由表6和表7可以看出：环烷烃的溶解性明显优于链烷烃，链烷烃中添加大量烷基苯R2后，其溶解能力才能与环烷烃相当；同时可以看出不同样品溶解性能与苯胺点基本一致，说明变压器油苯胺点可以衡量其溶解性能。

表6 不同油样对油泥的溶解性能

表7 加入不同含量的R2后油样对油泥的溶解性能

2.4 不同饱和烃对变压器油抗析气性能的影响

变压器油在高强度电场(如局部放电)电离作用下，部分烃分子会发生裂解而产生氢气等气体，这部分气体以微小的气泡从油中释放出来。如果小气泡量增大，则会互相连接而形成大气泡，在高压电场的作用下，油中会产生“气隙放电”现象，从而导致固体绝缘的破坏。因此，抗析气性也是变压器油一项重要性能，有些高电场强度的变压器油甚至要求析气性为负值。

采用GB/T 11142方法，分别测试4种基础油的析气性以及各添加20%高芳烃基础油R1，15%R2后的析气性，试验结果见表8。

表8 不同饱和烃含量基础油的抗析气性能

由表8可以看出：不同链烷烃含量高压加氢基础油的抗析气性能相当，且均具有很高的析气值，添加抗析气组分后，其析气值大幅下降；但添加相同量的抗析气组分后，链烷烃含量越高，析气性降低的程度越大，这可能是因为环烷烃抑制了芳烃的加氢反应，环烷烃含量越高，析气性越高。

2.5链烷烃和环烷烃对变压器油热物性的影响

散热冷却是变压器油主要作用之一。散热能力除受黏度、温度等影响外，与自身的热力学性质如导热系数、比热和热膨胀系数也有关。一般液体导热能力的大小决定于微观粒子的热振动以及具有较高能量的微观粒子的数目。根据实验和理论分析可知，影响液体导热系数的主要因素有：液体的种类、结构组成、温度及黏度等[4]。比热是物质的固有属性，与其分子键能有关。一般而言，键能越小，比热越大。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。按照弗朗克尔的看法，假设一个原子不动，另一个原子围绕平衡位置振动，随着原子远离平衡位置，位能逐渐增大，动能逐渐减小，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[5]。

在不同温度下考察不同饱和烃含量对基础油导热系数、比热及热膨胀系数的影响，试验结果见图2和表9。

图2 不同饱和烃含量对基础油导热系数和比热的影响◆—R3′； ■—R4′； ▲—R5′； ●—R6′

表9 不同饱和烃含量基础油的热膨胀系数

由图2和表9可以看出：除烃组成为95%链烷烃的天然气合成油外，其余则无论是导热系数、比热还是热膨胀系数，链烷烃的热力学性质均略优于环烷烃，但差别不大，基本在方法误差范围内，对实际应用而言没有区别。

3 结 论

(1)环烷烃和链烷烃均具有优异的电气性能和对抗氧剂的感受性，自身抗氧化性能和抗析气性能较差。

(2)不同链烷烃含量的饱和烃电气性能、热物性、抗析气性能、抗氧化性能及对抗氧剂的感受性相当，链烷烃对抗析气剂的感受性略好，但环烷烃溶解性能明显优于链烷烃，是变压器油的理想组分。

[1] 王凤英，胡斌.一种新方法对链烷烃热力学性质和沸点的研究[J].青海师专学报(教育科学)，2004(5)：89-91

[2] 马存花.分子摩尔质量与链烷烃物理化学性质的相关性研究[J].西南民族大学学报，2004，30(5)：584-588

[3] The International Electrotechnical Commission.IEC 60296—2012：Fluids for Electrotechnical Application-Unused Mineral Insulating Oils for Transformers and Switchgear[S].Switzerland，2012

[4] Sastri R S，Rao K K.A new temperature-thermal conductivity relationship for predicting saturated liquid thermal conductivity[J].Chemical Engineering Journal，1999，74：161-169

[5] 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

EFFECTOFDIFFERENTSATURATEDHYDROCARBONSONTRANSFORMEROILPERFORMANCE

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

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

Effects of different saturated hydrocarbons on electrical performance，oxidation stability，solubility property，gassing tendency and thermophysical property of transformer oil were studied.The results show that the electrical performance，thermal performance，gas tendency，oxidation stability and the sensitivity to antioxidant of paraffin and naphthenic hydrocarbons were similar，while the naphthenic hydrocarbons have much better solubility properties than that of paraffin and is the ideal components for transformer oil.

saturated hydrocarbon； paraffin； naphthenic hydrocarbon； inhibitor； transformer oil

2017-03-23；修改稿收到日期：2017-04-25。

王会娟，主要从事变压器油产品开发与应用研究工作，发表论文10篇。

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