变压器油,工业白油,抗磨液压油专业厂家—淄博勤润

0 引言
中国电网的快速发展带动了变压器及变压器油产业的快速发展。变压器油在变压器中主要起到绝缘、冷却、消弧及信息载体作用，变压器油犹如变压器的血液，其质量好坏直接影响到变压器的安全可靠与经济运行。
在2013年前，电力行业通常选用环烷基变压器油。目前，全世界已探明的环烷基原油储量仅占原油总储量的2%，属于稀缺资源[3-4]。而我国变压器油的年需求量已经达到40万~50万吨，并呈现出逐年增长的趋势，已经超过了环烷基油的产能， 这意味着未来环烷基油将无法满足国内的市场需求。在上述供需矛盾面前，中石化、壳牌等多个厂家研发出采用加氢异构技术的非环烷基变压器油。加氢异构技术近年来在石油化工领域得到了越来越广泛的应用，加氢异构变压器油已经在国内外变压器中有一定规模的应用，目前多应用于 220kV 及以下电压等级电力设备。
为确保高电压等级变压器优质油源的供应和变压器油的安全可靠使用，防止其对电网设备安全运行产生不利影响，电力行业对加氢异构变压器油的性能进行研究，并不断探索更加安全、环保的变压器油产品的应用。
本文针对加氢异构非环烷基变压器油应用关键技术进行了梳理和总结，其中：第1节分别介绍了传统变压器油和加氢异构非环烷基变压器油的结构族组成特点；第2节介绍加氢异构非环烷基变压器油与传统环烷基变压器油的理化特性研究情况；第 3 节介绍加氢非环烷基变压器油与传统环烷基变压器油的电气特性研究进展；第4节介绍加氢异构非环烷基变压器油的研究展望，含空间电荷特性和油中溶解气体分析(dissolved gas analysis，DGA)特性研究；第5节对加氢异构非环烷基变压器油的应用性能研究现状进行总结，并对其发展趋势进行归纳。
1加氢异构非环烷基变压器油的结构族组成特点
1.1 变压器油结构族组成
电力变压器油由基础油和添加剂组成。变压器油基础油主要由天然石油炼制而成。石油的化学组成十分复杂，因此变压器油的化学组成也很复杂，大概含有2900多种化合物，这些化合物按照其结构可分为链烷烃、环烷烃和芳香烃3类。
1）链烷烃。分子结构呈直线型或分枝型，典型结构式如图1所示。
直线型链烷烃又称为石蜡烃。从化学结构来看，链烷烃有较稳定的化学安定性，并具有闪点高等优点。但直链型烷烃的低温流动性差，即凝点较高。因此，当含直链烷烃的变压器油被冷却到一定温度时，其自由流动就会受阻，这极大限制了其在地域上的广泛应用。
2）环烷烃。分子结构比较复杂，有单环、双环和多环，并带有烷基侧链。典型结构式如图2所示。
环烷烃具有优良的低温流动性和很低的倾点，所制得的油品具有良好的热稳定性和化学安定性，是传统变压器油的主要理想成分之一。
3）芳香烃。可分为对称结构的芳烃和带侧链的芳烃(如甲苯)，典型结构式如图 3 所示。
芳香烃比环烷烃的化学性质活泼，它们的活泼性是由侧链的数量和大小决定的。芳烃可以改善变压器油的析气性，但它容易老化生成沉淀，使变压器油的颜色变深。
电力行业根据使用需要，在 DL/T929、GB/T7603 等标准中规定了采用红外方法测定的各已知碳分布油样的典型数据，并在 DL/T1094 标准中将变压器油按结构族组成进行了分类。结构族组成是将组成复杂的基础油简单地看成由芳香环、环烷环和烷基侧链 3 种结构组成的单一分子，分别用 CA、CN、CP 表示上述 3 种碳原子分布的百分数。CA、CN、CP 分别是芳香环上的碳原子、环烷环上的碳原子和烷基侧链上的碳原子占整个分子总碳数的百分数。结构族组成中 CP<50%的矿物绝缘油为环烷基绝缘油。结构族组成中 CP≥50%的矿物绝缘油为非环烷基绝缘油，按照早期的分类方法，非环烷基绝缘油可再细分为中间基绝缘油和石蜡基绝缘油。
中国石油天然气集团有限公司(下文简称中石油)昆仑(包括克炼产、兰州产、辽河产)变压器油、国外品牌尼纳斯产变压器油、壳牌原S3变压器油均为环烷基变压器油，中国石油化工集团有限公司(下文简称中石化)长城变压器油、壳牌 S4 变压器油为非环烷基变压器油。环烷基变压器油因世界储藏量相对较少，仅在美国、委内瑞拉、中国的新疆克拉玛依等油田出产，因此整体供应量受到限制。近年来，中国海洋石油集团有限公司(下文简称中海油) 在绥中油田开采出环烷基原油，正在推出相应的变压器油产品。
DL/T1094-2008《电力变压器用绝缘油选用指南》中提到“优先选择环烷基”。国家电网有限公司曾在变压器采购招标中对变压器油提出了油基限制要求(如环烷基原油变压器油)。究其历史，国内电力系统最初大量使用的其实是非环烷基变压器油(大庆等油田生产)，但在使用过程中，变压器、互感器不断出现油品介损异常快速上升(呈数量级趋势)，且光照处理合格后再次使用，介损依然存在快速上升的现象，其原因一直未被查明。此后，变压器厂通过改用当时新兴的环烷基变压器油的方法解决了这一问题，随着环烷基变压器油技术的不断发展，环烷基变压器油快速占领了电力系统变压器类设备的市场，并因其良好的运行稳定性而延续至今，非环烷基变压器油则逐渐淡出市场。
1.2加氢异构非环烷基变压器油
随着石油加工技术的不断发展，变压器油基础油加工工艺也得到了不断发展。目前，已有大量文献和资料介绍利用加氢异构技术等化学工艺改善非环烷基原油炼制变压器油基础油的性能，同时也已经有多家变压器油生产商采用加氢异构技术生产优质变压器油并得到应用，非环烷基变压器油性能不断提高。中石化生产的长城变压器油、壳牌的S4变压器油采用不同的工艺实现了加氢异构，其成品的烃类组成和性能与原有的非环烷基变压器油已有很大的区别。
加氢异构工艺是加氢裂化和异构脱蜡工艺的结合，将正构烷烃或歧化程度很小的异构烷烃进行异构化或选择性裂化，即对长直链石蜡烃进行异构，形成支链，从而改善其低温性能。如长直链烷烃的异构化过程如图 4 所示。
加氢异构工艺对结构组成的另一重要作用是芳烃饱和，使进料中有些芳烃氢化至环烷烃，其反应方程式如图5所示。
2加氢异构非环烷基与传统环烷基变压器油理化特性研究石化行业从基础油和成品变压器油两个角度对比研究了加氢异构非环烷基变压器油的理化特性。中石化的盛祖红研究了中石化的加氢基础油，从理化性能和电性能两方面对加氢基础油和环烷基油进行了比较，认为加氢基础油粘度小，且具有优异的氧化安定性，性能比环烷基油有明显的优势，具有良好的市场前景。中石化张燕、张金芳对比研究了加氢异构非环烷基变压器油和环烷基变压器油的抗氧化性能，得出加氢异构非环烷基变压器油优于环烷基变压器油的结果，认为这主要是加氢变压器油的烷烃含量高于环烷基变压器油所致。但中石油马书杰等在对比研究深度精制石蜡基油与环烷基油后认为由于高压加氢油的油泥溶解性能、抗析气性和抗氧化性能这些内在指标存在差异，高压加氢基础油不宜用作生产变压器油，但认为加氢基础油可以作为一定组分应用于变压器油中。二者的研究结果中关于氧化安定性的描述存在矛盾，其矛盾主要源自二者选用的非环烷基变压器油不同。中石油在对比中所采用的虽为深度精制石蜡基油，但并未说明是加氢异构非环烷基油，这可能是矛盾产生的原因之一。
电力行业更关注成品变压器油的性能对比研究。笔者所在实验室对4种变压器油(含2种加氢异构非环烷基和2种环烷基变压器油)的组成、GB2536-2011所要求的典型理化性能进行了对比研究。典型试验结果如表1所示，其中1号和4号为加氢异构非环烷基变压器油，2号和3号为环烷基变压器油。
从表1可以看出，加氢异构非环烷基变压器油具有总硫含量较低、密度较小、低温运动黏度较低、析气性较高、闪点较高、稠环芳烃含量较低、苯胺点较高等特点。由于某些多环芳烃被认为有致癌作用，属于对环境有显著危害的危险物质。从表1还可以看出，加氢异构非环烷基变压器油的稠环芳香烃含量显著低于其他两种油，有利于环境保护。此外，加氢异构非环烷基变压器油还具有更高的燃点、热导率和比热容。以上性能中，密度、低温运动黏度、闪点、苯胺点与环烷烃和异构石蜡烃的组成比例密切相关，总硫含量、析气性、稠环芳烃含量与加氢异构工艺有关。
除了GB2536-2011 所要求的典型理化项目外，笔者所在实验室对变压器油的吸水特性在3 种典型温湿度下进行了对比研究，认为加氢异构非环烷基变压器油中的壳牌气制变压器油在高温、高湿的环境中因其相对较小的极性，使得它更不易与水分子形成缔合结构，从而使水分在其中的扩散速度较快，但加氢异构非环烷基变压器油中的中石化变压器油这个特点不是很显著。
钱艺华等根据 SH/T0206-1992《变压器油氧化安定性测定方法》对加氢异构变压器油进行老化试验，测定不同时段老化样品的电气性能和族组成变化，从而探讨了这些性能与族组成变化的相关关系。开展了加氢异构变压器油电气性能和理化性能的老化研究，得到在SH/T0206老化条件下，加氢异构变压器油中芳烃组分保持不变，链烷烃组分先下降再增加；环烷类组分则先增加再下降。经过老化175h后，基本没有观察到新的官能团产生。综上，在理化特性方面，加氢异构非环烷基变压器油与环烷基变压器油相比，具有总硫含量、低温黏度、稠环芳烃含量较低，密度较小，析气性、闪点、苯胺点、燃点、热导率、比热容较高，氧化安定性较好等特点。
3 加氢异构非环烷基与传统环烷基变压器油电气特性研究在电气特性的对比研究方面，石化行业和电力行业都开展了相关工作。钱艺华等按GB/T7595-2008要求的运行中变压器油质量指标中的电气性能指标，对加氢异构非环烷基变压器油和环烷基变压器油的电气性能进行对比研究，认为国产加氢变压器油的介质损耗因数低、体积电阻率大、油流带电倾向比其他环烷基油小。
笔者所在实验室对4种变压器油(含2种加氢异构非环烷基和2种环烷基变压器油)的组成、GB2536-2011 所要求的典型电气性能、雷电冲击击穿电压、介电特性等进行了对比研究，结果显示加氢异构非环烷基变压器油具有较高的雷电冲击击穿电压。此外，结合介电频谱的变化趋势分析不同变压器油对宽频介电频谱的影响，结果表明，加氢异构非环烷基变压器油的介电常数低于环烷基变压器油，随着温度的升高、频率的降低，加氢异
构非环烷基变压器油的介电常数实部的升高速度慢于环烷基变压器油，且其松弛极化时间比环烷基变压器油受温度的影响更小。马书杰、于会民等研究了基础油的组成及其电阻率和雷电冲击击穿电压大小的相关性。认为在直流电场下，基础油的芳烃含量是影响其电阻率的关键因素，低芳烃基础油的体积电阻率大于高芳烃基础油的体积电阻率；在正负极性雷电冲击下，不同芳烃含量的基础油表现出极大的差异性。通过研究变压器油基础油的组成、添加剂配方对雷电击穿电压的影响，发现变压器油添加剂配方对雷电冲击击穿电压影响不大，变压器油雷电冲击击穿电压主要与基础油的组成有关，变压器油基础油组成中芳烃含量越高，雷电冲击击穿电压越小。研究发现：芳烃含量(CA 值)的高低与换流变压器油的击穿电压和介质损耗因数没有相关性，与体积电阻率有相关性，且呈反比关系；体积电阻率的大小与原油属性没有关系，降低换流变压器油的电阻率比较适宜的途径是调整基础油的芳烃含量或加入适当的添加剂。
综上，在电气特性方面，加氢异构非环烷基变压器油与环烷基变压器油相比，具有介质损耗因数较低，体积电阻率较大，油流带电倾向较小，以及雷电冲击击穿电压较高等特点。电阻率和雷电击穿电压大小的差异被认为与油中芳烃含量具有较大的相关性。
4加氢异构非环烷基变压器油性能研究展望
近年来，加氢异构非环烷基变压器油生产技术及其产品在电力行业已经获得了广泛关注，并已应用于220kV及以下电压等级的变压器类设备中，但是在高电压等级变压器类设备上仍然处在试点应用及可行性研究阶段。本节综合分析加氢异构非环烷基变压器油在空间电荷和油中溶解气体性能的发展方向。
4.1变压器油对油纸绝缘空间电荷特性影响研究
换流变压器是超/特高压直流输电工程中的关键设备，其内部油纸绝缘系统空间/界面电荷的产生、输运、积聚等过程会直接导致局部电场分布的畸变， 易诱发绝缘介质的击穿、沿面闪络、老化加速等， 是影响换流变压器安全稳定运行的重要因素。
Motanari 等和周远翔等分别于2005年和2008 年对电介质中空间电荷的研究进行了综述，将空间电荷研究的具体内容分为6个方面，其中包括利用空间电荷相关特性对绝缘电介质材料进行性能评估和新材料开发。
由于加氢异构非环烷基变压器油在结构上与传统环烷基变压器油存在差异，其在空间电荷方面的研究有待深入开展，以为其在高电压等级及换流变设备中的应用提供可行性支撑。
周远翔等应用电声脉冲法对不同含水量、温度对油纸绝缘空间电荷的影响开展了系统的研究。认为界面处积聚的电荷极性和电荷量主要由4个因素协同决定：空间电荷畸变电场对两侧的电导率和介电常数的影响、外加电场的方向、两个电极处注入电荷的速率和极性、界面陷阱特性。在两种极性的直流电压下，界面处都发生了空间电荷的积聚，并且极性与外加电压的极性一致。对油– 纸这种双层绝缘结构中以及界面处空间电荷特性的影响进行试验研究，发现油–纸双层结构中空间电荷的运动速率比纸–纸结构中慢，并且具有更深的陷阱能级，通过分析认为双层介质界面处存在的势垒导致了界面电荷的积聚。同时也实现了对油纸绝缘缺陷模型在极性反转过程中空间电荷特性的测量。
换流变压器在实际运行过程中要承受极性反转等复杂工况的影响。黄猛等人研究油纸绝缘在极性反转电压下的空间电荷特性，建立了油纸绝缘的能带结构。不同极性下油纸绝缘中的空间电荷分布在稳态时呈“镜像效应”分布，与电荷的种类和注入、俘获等特性无关。油纸绝缘阴极处的能带结构向下弯曲，而由于电负性基团的缘故，阳极能带结构向上弯曲，有利于载流子双极注入。该能带结构也导致了极化初始时刻正电荷的注入速度比负
电荷快。
纳米掺杂液体电介质改善其电气性能已得到了国内外学者的广泛关注与深入研究，通过纳米 添加改性现存绝缘体系已成为电气绝缘领域的一个研究热点。余斐等人研究表明：纳米改性 后变压器油中空间电荷密度较改性前小，纳米改性变压器油中电场也比纯变压器油中电场均匀；分析认为，添加在变压器油中的纳米粒子引入了“势阱”，引入的“势阱”能捕获变压器油中移动速度较快的电荷，将移动速度较快的电荷转换成迁移率很低的带电纳米粒子，阻碍了电荷的输运，减少了空间电荷量，使变压器油中电场更加均匀，抑制了流注发展，从而提高了变压器油的绝缘击穿强度。此外，吴振升等于2017年通过电声脉冲法对比研究了Nomex绝缘纸和传统纤维素绝缘纸的空间电荷特性，结果表明在相同的电场强度下，Nomex 绝缘纸内部空间电荷的注入量明显低于Kraft绝缘纸。华北电力大学的李成榕、齐波等[48-49] 基于变压器油的 Kerr效应，搭建了油纸绝缘结构下光学空间电场的二维测量平台，实现了变压器油中电场的在线分布式测量以及油纸沿面绝缘界面电荷特性。重庆大学的郝建等运用COMSOL软件对多层油纸绝缘混合体系的电场分布进行了仿真，推演了空间电荷在多层结构油纸绝缘混合体系的积聚规律，结果表明：油隙与油浸纸板交界面处积聚的电荷极性与油浸纸板另一侧积聚的电荷极性相反，空间电荷的存在明显畸变了油纸绝缘混合体系的电场分布。廖瑞金等认为油纸选型领域仍然需要深入探索的问题中包括研究不同油纸组合空间电荷特性，考察空间电荷对不同油纸组合电场畸变情况。武汉大学杨知非等采用瞬态上流元法对双层油纸绝缘系统内部空间电荷运动进行仿真分析。
上述研究思路及成果为加氢异构非环烷基变压器油空间电荷特性的研究奠定了良好的基础，近年来空间电荷特性在换流变压器油纸绝缘系统中的受重视的程度不断增加，加氢异构非环烷基变压器油与环烷基变压器油在空间电荷积聚、消散、运动速率、极性反转过程中的变化特性等方面的差异，以及差异点的影响与理论分析等将成为研究要点。
4.2变压器油 DGA 特性研究
大型电力变压器的缺陷和故障，会危及电网安全，造成经济损失。随着电力检测技术的发展，科研人员积累了很多关于变压器故障分析判断的宝
贵经验，其中 DGA 分析法是对变压器等充油设备内部工作状态进行监测的重要有效的手段，并已广泛应用到我国电力行业的工程实践中。
4.2.1 油中溶解气体分析法
变压器油大多经天然矿物油开采、蒸馏、精炼等工艺后得到，其主要成分为碳氢化合物，包括烷烃、烯烃、环烷烃、芳香烃等。DGA 分析法通过检测变压器油中溶解的特征气体的特性来判断变压器故障的方法。电力变压器的内部故障从性质上可以划分为过热性故障和放电性故障，DGA分析方法尤其对过热、电弧放电和绝缘破坏性等故障均能有效反映，深入研究产气机理对准确评估变压器的运行状态具有理论指导价值。
Halstead 和 M.shirai 等学者对变压器油热解的热力学分析表明，烃类热解可分为两个阶段。第一步分解为初期阶段，生成物由原烃类平衡，生成烯烃和小分子烷烃。当故障点的温度较高时，不仅会发生第一步分解，而且会发生第二步分解，主要涉及环烷烃、芳香烃和初期阶段所生成烯烃的大量分解。实际中变压器绝缘纸的分解机理相当复杂，它是变压器油和绝缘纸两种物质分解过程综合作用的结果。上述绝缘裂解产气热力学研究可根据系统的平衡条件获得热解过程进行的方向和进度，并对热解产物的可能性做出预测，这是目前应用油中溶解气体分析法的理论基础。
4.2.2 不同基属变压器油对DGA特性的影响研究当多种变压器油同为环烷基油或同为非环烷基油时，一般被称为同一基属，否则称为不同基属。郭春梅等排除氧气干扰，选取真空脱气脱水后不含芳烃的环烷基基础油和非环烷基基础油考察油品在60℃~120℃、储存时间24h和168h下H2和总烃含量的变化情况，得到结论：对于脱气后的同一基属、不同芳烃含量的环烷基变压器油基础油，含有芳烃的油品产生 H2和烃类物质的量比不含芳烃的油品高，但不同芳烃含量的油品产生 H2 和烃类物质的量不随油品芳烃含量的增加而增加，即短期内同一基属、不同芳烃含量的变压器油基础油的产气趋势与芳烃含量没有正相关性。对于不同基属、不含芳烃的变压器油基础油中产生的 H2和烃类物质的含量相当，与油品基属无关。
何志满等在研究了变压器油中添加一定量的金属减活剂(Irgament39)后进行 90℃加速热老化实验，发现添加金属减活剂后油中溶解气体 H2、CO、CO2 等含量明显增加[65]由于加氢工艺会导致芳烃含量的减少以及基础油结构的变化，且 DGA 方法在设备状态诊断方面有着非常重要的作用，成品的加氢异构非环烷基变压器油的 DGA 特性将成为研究要点。
此外，在使用 DGA 方法进行过热故障类型判断时，分为低温过热、中温过热(可统称中低温过热)和高温过热，有必要对不同典型温度下的加氢异构非环烷基变压器油 DGA 特性进行研究。而目前对于绝缘液体在过热故障下的产气特性研究，在小于250℃低热条件下，一般采用恒温干燥箱进行模拟[66]，对于更高温度下的热故障模拟，一般采用对小体积油样整体加热的方法[67]，如图 6 所示。也就是说，所采用的方法均是将容器中的变压器油整体加温，而在运行中的变压器类设备中，局部的变压器油被加热的同时，不断流动并被周围的变压器油冷却，因此试验条件与实际工况存在较为显著的差异。
5 结论
综合分析加氢异构非环烷基变压器油性能研究进展及发展趋势，得到以下结论：
1）加氢异构工艺对长直链石蜡烃进行异构，形成支链，从而改善其低温等性能。
2）理化性能方面，加氢异构非环烷基变压器油具有总硫含量、低温黏度、稠环芳烃含量较低，密度较小，闪点、苯胺点、燃点、热导率、比热容较高，氧化安定性较好等特点。此外，加氢异构非环烷基油的油泥溶解性能、析气性能与环烷基油有差异。
3）加氢异构非环烷基变压器油中的壳牌气制变压器油在的环境中，因其相对较小的极性使得它更不易与水分子形成缔合结构，从而使水分在其中的扩散速度较快，但在加氢异构非环烷基变压器油中的中石化变压器油，这个特点并不显著。
4）电气特性方面，加氢异构非环烷基变压器油与环烷基变压器油相比，具有介质损耗因数较低、体积电阻率较大、油流带电倾向较小、雷电冲击击穿电压较高等特点，电阻率和雷电击穿电压大小的差异被认为与油中芳烃含量具有较大的相关性。
5）空间电荷问题在换流变压器油纸绝缘系统中的受重视程度不断增加，在换流变电站设备中应用前，应深入研究加氢异构非环烷基变压器油对油纸绝缘空间电荷特性的影响，如空间电荷积聚、消散、运动速率、极性反转过程中的变化特性等。
6）DGA 分析法是已广泛应用的对变压器等充油设备内部工作状态进行监测的重要而有效的手段，在更高电压等级变压器类设备应用之前，应深入研究加氢异构非环烷基变压器油对变压器油DGA 特性的影响，如基础组成、添加剂含量、工艺等的影响。