變壓器用油的析氣性問題

凌 愍
(中國電力科學研究院，北京市 100085)

　　摘要：論述了油的析氣性與芳香烴含量有關；介紹了絕緣油析氣性評定方法和原理，認為在加入濃縮芳烴改善析氣性同時會影響擊穿強度、吸潮性、抗氧化性能和油帶電度等性能參數。闡明了變壓器油中溶解氣體與油的析氣性無直接關系；從工程角度尚未發現油析氣性值不同對變壓器局放的影響。建議有關部門不采用SH0040—1991《超高壓變壓器油》標準，新制定了“變壓器油選用導則”。
　　關鍵詞：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80年代初，我國自行設計制造的500 kV錦遼工程變壓器應用克煉25號和獨煉45號油過程中出現介損不穩定和析氣性問題而引出的。當時，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。經研究后列項，以石化部門為主進行研究，在普通變壓器油中加入抗析氣添加劑，達到降低析氣性系數的目的。經試用后，石化行標SH0040—1991《超高壓變壓器油》標準頒布。
　　在應用中發現加入濃縮芳烴的“超高壓油”在改善析氣性的同時也帶來了一些弊端。因此許多國產500 kV變壓器仍然使用普通的變壓器油。在一段時間內因發現石蠟基油介損升高的問題，20世紀90年代生產的500 kV變壓器及互感器等已基本采用環烷基油。
　　本文對變壓器油析氣性的相關問題提供一些試驗研究結果和看法，同時認為選擇變壓器油時切忌盲目追求析氣性指標。

1　油的析氣性與芳香烴含量有關

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。根據石油中占主導成分是烷烴還是環烷烴，則可大致分為烷烴基（石蠟基）油和環烷烴基油。介于二者之間難以區分的油種，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，其分子結構也不同。
　　（1） 烷烴。烷烴是一種飽和的直鏈和支鏈烴類化合物，見圖。當碳原子數相同時，直鏈烴的熔點比支鏈烴的高，烷烴是化學反應緩慢的化合物。在正常條件下，含碳原子少（C4以下）的烷烴呈氣態，中等數目的呈液態，多的則呈固態。具有同樣原子數，但不同結構的烷烴則稱為異構體烷烴。隨著碳原子數目的增多，其構成異構體烷烴的數目也急劇增長。

　　（2） 環烷烴。環烷烴是飽和的5和6個碳原子的環烴類化合物。依其分子量的不同，可能會帶有烷烴側鏈，見圖3，也有可能在1個分子中有若干個飽和環，它們帶有與烷烴鏈相連接的側鏈。這類分子具有的環烷烴特性的強弱，取決于分子中環烷烴的環數多于烷烴側鏈的程度。

　　（3） 鏈烯烴（非飽和化合物）。如果烷烴和環烷烴的氫原子數不足，則其碳原子的4個鍵就不都是飽和的。相鄰的2個碳原子之間有1個雙鏈，則稱為鏈烯烴。由于這類化合物為雙鏈結構，故化學穩定性比烷烴低，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（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，由于芳香烴的環為共軛雙鏈結構，所以芳香烴在化學特性上比鏈烯烴穩定。在同一分子中，環烷烴環、烷烴鏈和芳香環也可能是同時相互連接的，見圖5。

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

1．2 絕緣油析氣性的評定方法及原理
　　(1) 絕緣油析氣性的評定方法按IEC 60628和ASTMD2300各有A、B兩種方法，我國除作試驗研究外，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下（通過氣壓計觀察）加電壓，使油和油面氣體受到徑向電場約3.84kV/mm的作用，使油面氣體首先被電離，形成油氣界面電子、離子活動劇烈的電離區域；油面氣體壓力隨加壓時間不斷變化，直至穩定。試驗2 h后，讀取氣壓計壓差，如果內部壓力升高，則產氣率為“正”；如油吸收的氫氣量超過放氣量，則內部壓力下降，產氣速率為“負”；內外壓力仍然平衡，則產氣速率趨于“0”；并計算出產氣速率(單位為μL/min)。這種產生速率也稱析氣系數或稱析氣趨勢。
　　(2) 試驗所測得的值是放氣和吸氣綜合作用的結果。其原理是：在電場作用下，當析氣池的電離區內存在大量高能電子和離子時，表面的油不時地受到劇烈撞擊，使油分子的C-H、C-C鍵斷裂，產生活性的氫及烴基團。活性基團又繼續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，形成新的環烷烴。另外，有一部分釋放了氫原子的烴基基團有可能聚合，形成高分子的膠狀物——X蠟。上述過程可用反應式表示：
　　飽和烴在電場作用下放出氫（烷鏈烴減少）