變壓器用油的析氣性問題

凌 愍
(中國電力科學(xué)研究院，北京市 100085)

　　摘要：論述了油的析氣性與芳香烴含量有關(guān)；介紹了絕緣油析氣性評(píng)定方法和原理，認(rèn)為在加入濃縮芳烴改善析氣性同時(shí)會(huì)影響擊穿強(qiáng)度、吸潮性、抗氧化性能和油帶電度等性能參數(shù)。闡明了變壓器油中溶解氣體與油的析氣性無直接關(guān)系；從工程角度尚未發(fā)現(xiàn)油析氣性值不同對(duì)變壓器局放的影響。建議有關(guān)部門不采用SH0040—1991《超高壓變壓器油》標(biāo)準(zhǔn)，新制定了“變壓器油選用導(dǎo)則”。
　　關(guān)鍵詞：變壓器油；析氣性；500 kV變壓器用油

0 引言

　　“超高壓變壓器油”一詞的由來是在20世紀(jì)80年代初，我國自行設(shè)計(jì)制造的500 kV錦遼工程變壓器應(yīng)用克煉25號(hào)和獨(dú)煉45號(hào)油過程中出現(xiàn)介損不穩(wěn)定和析氣性問題而引出的。當(dāng)時(shí)，石化部門提出了從未研制過適合超高壓變壓器用油的意見。經(jīng)研究后列項(xiàng)，以石化部門為主進(jìn)行研究，在普通變壓器油中加入抗析氣添加劑，達(dá)到降低析氣性系數(shù)的目的。經(jīng)試用后，石化行標(biāo)SH0040—1991《超高壓變壓器油》標(biāo)準(zhǔn)頒布。
　　在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)加入濃縮芳烴的“超高壓油”在改善析氣性的同時(shí)也帶來了一些弊端。因此許多國產(chǎn)500 kV變壓器仍然使用普通的變壓器油。在一段時(shí)間內(nèi)因發(fā)現(xiàn)石蠟基油介損升高的問題，20世紀(jì)90年代生產(chǎn)的500 kV變壓器及互感器等已基本采用環(huán)烷基油。
　　本文對(duì)變壓器油析氣性的相關(guān)問題提供一些試驗(yàn)研究結(jié)果和看法，同時(shí)認(rèn)為選擇變壓器油時(shí)切忌盲目追求析氣性指標(biāo)。

1　油的析氣性與芳香烴含量有關(guān)

1．1 油的組分與分類
　　石油的組分主要是烴（碳和氫）類化合物。根據(jù)石油中占主導(dǎo)成分是烷烴還是環(huán)烷烴，則可大致分為烷烴基（石蠟基）油和環(huán)烷烴基油。介于二者之間難以區(qū)分的油種，則稱為混合基油。變壓器油中主要含有以下不同比例的成分，其分子結(jié)構(gòu)也不同。
　　（1） 烷烴。烷烴是一種飽和的直鏈和支鏈烴類化合物，見圖。當(dāng)碳原子數(shù)相同時(shí)，直鏈烴的熔點(diǎn)比支鏈烴的高，烷烴是化學(xué)反應(yīng)緩慢的化合物。在正常條件下，含碳原子少（C4以下）的烷烴呈氣態(tài)，中等數(shù)目的呈液態(tài)，多的則呈固態(tài)。具有同樣原子數(shù)，但不同結(jié)構(gòu)的烷烴則稱為異構(gòu)體烷烴。隨著碳原子數(shù)目的增多，其構(gòu)成異構(gòu)體烷烴的數(shù)目也急劇增長。

　　（2） 環(huán)烷烴。環(huán)烷烴是飽和的5和6個(gè)碳原子的環(huán)烴類化合物。依其分子量的不同，可能會(huì)帶有烷烴側(cè)鏈，見圖3，也有可能在1個(gè)分子中有若干個(gè)飽和環(huán)，它們帶有與烷烴鏈相連接的側(cè)鏈。這類分子具有的環(huán)烷烴特性的強(qiáng)弱，取決于分子中環(huán)烷烴的環(huán)數(shù)多于烷烴側(cè)鏈的程度。

　　（3） 鏈烯烴（非飽和化合物）。如果烷烴和環(huán)烷烴的氫原子數(shù)不足，則其碳原子的4個(gè)鍵就不都是飽和的。相鄰的2個(gè)碳原子之間有1個(gè)雙鏈，則稱為鏈烯烴。由于這類化合物為雙鏈結(jié)構(gòu)，故化學(xué)穩(wěn)定性比烷烴低，見圖4。

　　（4） 芳香烴。所有石油中都含有芳香族化合物，它們是由苯和少量的縮合環(huán)（如萘）衍生而成的。芳香烴與鏈烯烴一樣，也是非飽和化合物。但是，由于芳香烴的環(huán)為共軛雙鏈結(jié)構(gòu)，所以芳香烴在化學(xué)特性上比鏈烯烴穩(wěn)定。在同一分子中，環(huán)烷烴環(huán)、烷烴鏈和芳香環(huán)也可能是同時(shí)相互連接的，見圖5。

　　（5） 雜環(huán)化合物。石油中除純烴類成分外，還有雜環(huán)化合物。這是一類含有碳、氫，以及硫、氮或氧的化合物，尤其是環(huán)烷基石油中，還可能含有某些有機(jī)酸（如環(huán)烷酸）。其中既有延緩油的化學(xué)特性變化（老化）的成分，即天然抗氧化劑，也有加速其老化的成分。在變壓器油調(diào)制時(shí)，油中添加一定量的合成抗老化劑或者含酚類化合物，例如2，6二叔丁基對(duì)甲酚，能改善絕緣油的抗老化性能。

1．2 絕緣油析氣性的評(píng)定方法及原理
　　(1) 絕緣油析氣性的評(píng)定方法按IEC 60628和ASTMD2300各有A、B兩種方法，我國除作試驗(yàn)研究外，一般采用IEC 60628A法。玻璃析氣儀有一圓柱型的析氣池，內(nèi)電極直徑為10 mm，可施加10 kV電壓，外電極直接接地。試油用量5ml，由于低粘度對(duì)油的析氣性能更為有利，因而析氣池置于80 ℃的恒溫油浴中。加壓前通氫氣1 h，使油中氣體及油面氣體被氫氣飽和；在油面氣體壓力與大氣壓力平衡狀態(tài)下（通過氣壓計(jì)觀察）加電壓，使油和油面氣體受到徑向電場(chǎng)約3.84kV/mm的作用，使油面氣體首先被電離，形成油氣界面電子、離子活動(dòng)劇烈的電離區(qū)域；油面氣體壓力隨加壓時(shí)間不斷變化，直至穩(wěn)定。試驗(yàn)2 h后，讀取氣壓計(jì)壓差，如果內(nèi)部壓力升高，則產(chǎn)氣率為“正”；如油吸收的氫氣量超過放氣量，則內(nèi)部壓力下降，產(chǎn)氣速率為“負(fù)”；內(nèi)外壓力仍然平衡，則產(chǎn)氣速率趨于“0”；并計(jì)算出產(chǎn)氣速率(單位為μL/min)。這種產(chǎn)生速率也稱析氣系數(shù)或稱析氣趨勢(shì)。
　　(2) 試驗(yàn)所測(cè)得的值是放氣和吸氣綜合作用的結(jié)果。其原理是：在電場(chǎng)作用下，當(dāng)析氣池的電離區(qū)內(nèi)存在大量高能電子和離子時(shí)，表面的油不時(shí)地受到劇烈撞擊，使油分子的C-H、C-C鍵斷裂，產(chǎn)生活性的氫及烴基團(tuán)。活性基團(tuán)又繼續(xù)與油中的烷及烯烴分子作用，形成氫分子和甲烷等低分子烴類氣體。另外活性基團(tuán)如與芳香烴相遇，則芳烴的雙鏈被打開而吸收氫，形成新的環(huán)烷烴。另外，有一部分釋放了氫原子的烴基基團(tuán)有可能聚合，形成高分子的膠狀物——X蠟。上述過程可用反應(yīng)式表示：
　　飽和烴在電場(chǎng)作用下放出氫（烷鏈烴減少）