变压器油,工业白油,抗磨液压油专业厂家—淄博勤润

摘要
为了探究变压器油在长时间、低强度局部放电工况下的性能和组成变化，分别在 N₂/H₂压交流电场中对矿物绝缘油进行电离试验，并系统分析了不同时间电离试验后矿物绝缘油的绝缘性能、理化特性及烃类组成的变化。结果表明：随电离时间增加，不含芳烃的绝缘油族组成基本稳定，受环境气氛影响较小；而含芳烃的绝缘油中单环芳烃的含量上升、双环芳烃的含量下降，且受 N₂、H₂气氛影响显著；高浓度 H₂促进双环芳烃向单环芳烃以及单环芳烃向环烷烃的转化，并抑制环烷烃脱氢生成芳烃。电离试验后，所有绝缘油样品的平均相对分子质量、密度、运动黏度、介质损耗因数均增大，而绝缘性能下降；电离试验后，高芳烃绝缘油的气体吸收能力减弱，而低芳烃绝缘油的析气性能改善，但整个试验过程中，高芳烃绝缘油的析气性均优于低芳烃绝缘油。
关键词
绝缘油 高压交流电场 电离 烃类组成
变压器的安全可靠性直接关系到整个输变电系统的稳定运行，而绝缘油的质量稳定性是保障变压器长期安全可靠运行的关键因素之一。然而，在温度、电场及金属材料等多种因素的共同作用下，变压器内的绝缘油会逐渐老化变质，导致其组成变化和性能下降，进而引发变压器局部放电现象的发生。此类放电现象初期能量较低、难以检测，却可能长期存在并持续累积，最终造成绝缘体系损坏，产生局部放电故障。因此，深入研究变压器局部放电条件下绝缘油的组成和性能变化规律，对保障输变电系统运行的安全可靠性具有重要意义。
目前，有关研究多集中于变压器局部放电过程中矿物绝缘油的产气特性、绝缘油中溶解气体的组分变化以及蜡的生成行为等，而针对变压器局部放电条件下矿物绝缘油性能与组成变化规律的研究仍较为少见。基于此，本研究以不同烃类组成的矿物绝缘油为研究对象，采用高压交流电场对多种矿物绝缘油进行周期电离作用试验，探究在局部放电条件下矿物绝缘油的烃组成、常规理化性能、电绝缘性能的变化，以期为高性能变压器绝缘油的开发和应用提供指导。
1 实验
1.1 原料
1 号矿物绝缘油，SHELL 公司产品；2 号矿物绝缘油、3 号矿物绝缘油和 4 号矿物绝缘油，均为中国石油润滑油公司产品。
1.2 仪器
DTLC 型绝缘油介质损耗因数测试仪，奥地利 BAUR 公司产品；TYS-3672 型绝缘油析气性测定仪，北京先华科技发展有限责任公司产品；DMA4100M 型油品密度自动测量仪，奥地利安东帕有限公司产品；SVM3000 型油品运动黏度全自动测定仪，奥地利安东帕有限公司产品；Nicolet IS10 型红外光谱测量仪，美国 Nicolet 公司产品；Agilent7890B-5977B 型气相色谱 - 质谱联用测量仪，美国安捷伦公司产品；K-7000 蒸气压渗透仪，德国 Knauer 公司产品。
收稿日期：2025-09-24; 修改稿收到日期：2026-01-21
作者简介：于会民，硕士，高级工程师，主要从事变压器油研制和性能检测工作，曾发表文章 20 余篇。
通讯联系人：于会民，E-mail:yuhuimin_rhy@petrochina.com.cn
基金项目：中石油专业公司重点项目 (2022-06-N370)
1.3 高压交流电场电离试验
采用高压交流电场对矿物绝缘油进行电离试验。该试验装置主要包括高压交流电源、恒温试验箱和电极箱，其中电极箱主要由高压电极、低压电极和电离池构成。电离池材质为硅硼酸盐玻璃，用于盛放待测绝缘油，其绝缘耐压水平为 20kV; 高、低压电极均由 SUS316 不锈钢材料制成。
高压电极周围电场呈梯度分布，当交流电电压为 10kV 时，距离高压电极轴心线 8mm 处的最小电场强度约为 2.4kV/mm。在此电场强度下，绝缘油将发生明显的电离现象。根据变压器绝缘油使用过程性能变化的影响因素，制定两种高压交流电场电离试验方案，分别如下:
(1) 首先，用 200mL/min 的高纯 N₂对矿物绝缘油样品进行 30min 吹扫处理，置换绝缘油中溶解的氧气，防止绝缘油在交流电场与高温共同作用下发生氧化反应而引起油品组成变化；然后，在温度 80℃、电压 10kV 下，分别进行 4,8,12,16,20,24,28,32h 的电离试验。
(2) 首先，用 200mL/min 的高纯 H₂对矿物绝缘油样品进行 30min 吹扫处理，以模拟变压器内因局部过热导致氢气浓度升高而诱发的局部放电工况；然后，在温度 80℃、电压 10kV 下，分别进行 4,8,12,16,20,24,28,32h 的电离试验。
电场电离试验结束后，分别测定两种试验后油品的烃组成与绝缘性能的变化。
1.4 性能测试方法
1.4.1 绝缘性能检测方法
绝缘油的绝缘性能通过析气性和介质损耗因数来表征。其中绝缘油析气性按照测标准方法 ASTM D2300—2017 进行测试，绝缘油的介质损耗因数按照标准方法 GB/T5654—2007 进行测试。
1.4.2 组成检测方法
目前，矿物绝缘油类型的区分普遍采用《矿物绝缘油结构族组成红外光谱测定法》(DL/T929), 根据波数 1610cm⁻¹ 和 720cm⁻¹ 处红外光谱吸收峰的面积计算芳香碳率 (Cₐ)、环烷碳率 (Cₙ) 和链烷碳率 (Cₚ) 分别为分子中芳香环、环烷环、烷基侧链上的碳原子数占总碳原子数的比例), 并按 Cₚ值对矿物绝缘油分类：若 Cₚ为 42%~50%, 则为环烷基油；若 Cₚ为 50%~56%, 则为中间基油；若 Cₚ为 56%~65%, 则为石蜡基油。
采用气相色谱 - 质谱联用 (GC-MS) 仪分析矿物绝缘油的烃类族组成，主要包括链烷烃、一环至六环环烷烃等 7 类饱和烃、单环至五环芳烃及 3 类芳香族噻吩衍生物。
2 结果与讨论
2.1 矿物绝缘油的性质分析
测定 4 种矿物绝缘油的理化性质、结构族组成和烃类组成。由检测数据可知，1 号矿物绝缘油的 20℃密度明显较低，40℃运动黏度明显较高，2 号、3 号和 4 号矿物绝缘油的密度和运动黏度相近。1 号矿物绝缘油的 Cₚ高于 60%,Cₐ仅为 1.2%, 属于低芳烃石蜡基矿物绝缘油；而 2 号、3 号、4 号矿物绝缘油的 Cₚ均低于 50%, 而其 Cₐ为 1.2%~11.76%, 是 3 种芳烃含量不同的环烷基矿物绝缘油。1 号～4 号矿物绝缘油的 Cₐ依次递增，其析气性依次降低，而介质损耗因数相近。
此外，1 号矿物绝缘油的烃类族组成为质量分数 99.0% 的链烷烃和 1.0% 的环烷烃，不含芳烃。2 号、3 号、4 号矿物绝缘油的饱和烃质量分数为 98.0%~88.9%, 芳烃质量分数为 2.0%~11.1%; 从 2 号至 4 号矿物绝缘油，饱和烃含量和环烷烃含量依次降低，芳烃含量依次升高，链烷烃含量变化不显著。这 3 种矿物绝缘油中：环烷烃主要由一至四环环烷烃组成，五环及五环以上环烷烃含量极低；其芳烃主要由单环芳烃、双环芳烃组成，此外含有少量三环芳烃，但不含四环及四环以上芳烃和噻吩类化合物。
2.2 电场电离试验后矿物绝缘油的结构族组成变化趋势
N₂、H₂吹扫两种电场电离试验后，分别测定 4 种矿物绝缘油样品的结构族组成。试验结果显示，随着电场电离时间的增加，无论 N₂、H₂气氛下的电离试验后，4 号矿物绝缘油的 Cₐ均呈明显降低趋势，Cₙ呈逐渐上升趋势，而 Cₚ则均基本保持不变，这表明在高压交流电场作用下，4 号矿物绝缘油中的部分芳烃逐渐转化成了环烷烃。然而，电场电离时间对 1 号、2 号和 3 号矿物绝缘油的 Cₐ、Cₙ、Cₚ均没有明显影响，表明在高压交流电场作用下，这 3 种矿物绝缘油的芳烃和环烷烃的反应消耗量与生成量相当。
H₂气氛下绝缘油在相同电离时间 Cₐ降幅略大于 N₂气氛下，说明较高的 H₂浓度会加速芳香碳的饱和。
2.3 电场电离试验后矿物绝缘油的烃类组成变化趋势
利用 GC-MS 仪分析不同时间电离后 4 种矿物绝缘油的烃类组成变化。
在 N₂吹扫的高压交流电场作用下，随着电场电离时间的增加，绝缘油的烃类组成变化表现出以下规律:
(1) 1 号矿物绝缘油的链烷烃含量呈逐渐降低趋势，而环烷烃含量逐渐增加，并且电离试验后没有检测到芳烃的存在。这说明在高压交流电场作用下，其链烷烃发生了少量脱氢环化反应，生成了环烷烃，而环烷烃没有明显发生脱氢芳构化反应，因而没有芳烃生成。
(2) 2 号和 3 号矿物绝缘油的链烷烃含量均呈逐渐下降趋势，环烷烃含量略有增加后变化不明显，而芳烃含量呈逐渐增长趋势。这说明在高压交流电场作用下，其链烷烃脱氢后发生环化反应生成环烷烃，环烷烃进一步脱氢生成了芳烃，且两步反应的速率相近，导致环烷烃含量无明显变化，而芳烃含量随电离时间的增加而持续增大。
(3) 4 号矿物绝缘油的链烷烃含量呈逐渐下降趋势，环烷烃含量先增加后降低，芳烃含量呈逐渐增加趋势。这说明在高压电离反应初期，其链烷烃发生脱氢环化反应生成环烷烃，而芳烃发生加氢饱和反应生成环烷烃，导致环烷烃含量增加。随着电离时间增加，环烷烃发生脱氢反应生成芳烃的量逐渐增多，导致环烷烃含量降低、而芳烃含量升高。
(4) 此外，2 号、3 号和 4 号矿物绝缘油芳烃中，单环芳烃含量明显增加，双环芳烃含量明显降低。这说明在高压交流电场作用下，更多双环芳烃发生加氢反应生成单环芳烃。
机理研究表明，在热力与电场的共同作用下，绝缘油中发生以下反应过程：一是绝缘油分子中的 C—H 键和 C—C 键发生断裂，产生活性氢自由基 (H・) 和烃自由基 (R・); 二是 H・与油中游离 H 或碳碳双键反应，生成 H₂和 CH₄等小分子气体；三是芳烃 (如苯环) 的大 π 键与 H・发生加成反应，生成环烷烃 (如环己烷) 或结构重排后的新芳烃；四是部分失去 H・的不饱和烃基 (如烯丙基) 聚合生成环状结构，最终转化为环烷烃。
与 N₂气氛下的电离试验结果相比，1 号、2 号和 3 号矿物绝缘油在 H₂气氛下的电离试验后的烃类组成变化几乎完全一致，说明不同气氛环境下这 3 种矿物绝缘油发生的烃类加氢 - 脱氢转化反应相近。而随着电场电离时间的增加，4 号矿物绝缘油的链烷烃含量呈逐渐下降趋势，环烷烃含量持续增加而增幅较小，芳烃含量整体上呈逐渐降低趋势，说明在 H₂气氛的高压交流电场作用下，更多链烷烃发生了脱氢环化反应，同时更多芳烃发生了加氢饱和反应，致使环烷烃含量呈现逐渐上升趋势，而芳烃含量逐渐降低。此外，2 号、3 号和 4 号矿物绝缘油电离后，其单环芳烃含量明显增加，双环芳烃含量明显降低，说明在 H₂气氛的高压交流电场作用下，双环芳烃更多发生加氢反应生成单环芳烃。
综上可知，随着电场电离时间的增加，无论是在 N₂吹扫还是 H₂吹扫的高压交流电场作用下，4 种矿物绝缘油中的链烷烃含量均呈逐渐下降趋势，2 号、3 号和 4 号矿物绝缘油中的单环芳烃含量均逐渐增加，双环芳烃含量均逐渐降低，且 2 号和 3 号矿物绝缘油的芳烃含量均逐渐增加；不同的是，N₂气氛下 4 号矿物绝缘油的芳烃含量逐渐升高，而 H₂气氛下 4 号矿物绝缘油的芳烃含量逐渐降低。绝缘油中的环烷烃含量变化受到链烷烃脱氢反应、芳烃饱和反应及其逆反应量的综合影响。相同电离时间下 H₂气氛下 4 号矿物绝缘油中双环芳烃和单环芳烃含量的降低速率高于 N₂环境，说明更高的 H₂浓度会加速双环芳烃向单环芳烃以及单环芳烃向环烷烃的转化，而环烷烃脱氢生成芳烃的概率降低。此外，2 号、3 号和 4 号矿物绝缘油的 Cₐ均随着电场电离时间的增加而逐渐降低，原因在于采用红外光谱检测芳烃含量时，双环芳烃的吸收峰强度远高于单环芳烃，虽然 3 种绝缘油中单环芳烃含量均不断增加，但其双环芳烃含量的降低导致红外光谱检测结果显示其 Cₐ降低。
2.4 电场电离试验后矿物绝缘油理化性质变化趋势
4 种矿物绝缘油在不同气氛的高压交流电场中进行电离试验后，其理化性质，如密度 (20℃)、运动黏度 (40℃和 100℃) 和相对分子质量均产生规律性变化。试验结果显示，无论是 N₂气氛或 H₂气氛下，4 种绝缘油的密度、运动黏度和平均相对分子质量均随着电场电离时间的增加而持续增大。原因在于：在高压交流电场的作用下，矿物绝缘油中低相对分子质量的链烷烃逐渐减少，脱氢生成的活性烃基基团进一步发生聚合，生成相对分子质量更大的烷烃，使油品中较重烃类的占比升高；另一方面，部分双环芳烃加氢饱和，使其相对分子质量也不同程度地增加。这些较大分子的生成导致绝缘油的密度和运动黏度明显增大。
2.5 电场电离试验后矿物绝缘油的绝缘性能变化趋势
不同气氛下，4 种矿物绝缘油电场电离试验后的析气性和介质损耗因数均发生明显变化。
由于气体与液体的电导率和击穿电压存在显著差异，若绝缘油中的气体累积较多，则可能导致其局部气隙放电，从而威胁其绝缘性能。在电场力作用下，部分绝缘油烃类分子会发生裂解，生成氢气、甲烷、乙烷、乙炔等小分子气态烃。如果这些气态烃无法被油品充分吸收而发生持续释放，则绝缘油会因气隙放电而绝缘性下降。析气性反映了绝缘油在电场作用下析出气体或吸收气体的能力：若其数值为正，则表明油品在电场作用下释放气体，会导致其绝缘性能下降；若其数值为负，则表明油品在电场中吸收气体，会使其绝缘性能提升。
试验数据显示：1 号～3 号矿物绝缘油的析气性数值为正，而 4 号矿物绝缘油的析气性数值为负，说明 4 号矿物绝缘油的析气性优于 1 号～3 号矿物绝缘油，故 4 号矿物绝缘油更受青睐；在高压交流电场作用下，无论是 N₂气氛或 H₂气氛，1 号～3 号矿物绝缘油析气性数值均随着电离时间的增加而不断减小，说明其绝缘性能得到改善；而 4 号矿物绝缘油的析气性数值均随着电离时间的增加而不断增大，说明其吸收气体性能下降；在整个电离试验过程中，4 号矿物绝缘油的析气性始终保持优于 1 号～3 号矿物绝缘油。
介质损耗因数主要用于衡量绝缘油因电流泄漏而导致的功率损失。若其数值增大，则说明绝缘油的功率损失增加。试验结果表明，在高压交流电场作用下，无论是 N₂气氛或 H₂气氛下，4 种矿物绝缘油的介质损耗因数均随着电离时间的增加而逐渐增大，表明在电场作用下 4 种绝缘油中均产生了极性较强的组分，其绝缘性能下降，且电离时间越长，其绝缘性能下降幅度越大。主要原因在于，电离过程中绝缘油内生成的大分子聚合物在电场作用下更易发生定向排列，形成极性桥路，为电子迁移提供通路，导致泄漏电流增大，进而造成能量损耗增加。
3 结论
(1) 高压交流电场作用后，随着电场电离时间的增加，无芳烃含量的绝缘油的结构族组成没有明显变化，而其链烷烃含量逐渐降低，环烷烃含量略有增加。N₂和 H₂气氛对绝缘油中链烷烃、环烷烃、芳烃含量影响相近。
(2) 高压交流电场作用下，随着电离时间的增加，不同芳烃含量的绝缘油的链烷烃含量均逐渐降低，且单环芳烃含量均逐渐增加，双环芳烃含量均逐渐降低。在相同电离时间内，更高 H₂浓度会加速双环芳烃向单环芳烃以及单环芳烃向环烷烃的转化，并降低环烷烃脱氢生成芳烃的概率。
(3) 无论是在 N₂或 H₂气氛的高压交流电场作用下，随着电离时间增加，矿物绝缘油的平均相对分子质量、密度、运动黏度、介质损耗因数均不断增大，导致其绝缘性能下降；高芳烃绝缘油的抗析气性能减弱，而低芳烃油的析气性能得到改善，但试验期间高芳烃绝缘油的析气性能始终优于低芳烃油。