变压器用油的析气性问题

凌 愍
(中国电力科学研究院，北京市 100085)

　　摘要：论述了油的析气性与芳香烃含量有关；介绍了绝缘油析气性评定方法和原理，认为在加入浓缩芳烃改善析气性同时会影响击穿强度、吸潮性、抗氧化性能和油带电度等性能参数。阐明了变压器油中溶解气体与油的析气性无直接关系；从工程角度尚未发现油析气性值不同对变压器局放的影响。建议有关部门不采用SH0040—1991《超高压变压器油》标准，新制定了“变压器油选用导则”。
　　关键词：变压器油；析气性；500 kV变压器用油

0 引言

　　“超高压变压器油”一词的由来是在20世纪80年代初，我国自行设计制造的500 kV锦辽工程变压器应用克炼25号和独炼45号油过程中出现介损不稳定和析气性问题而引出的。当时，石化部门提出了从未研制过适合超高压变压器用油的意见。经研究后列项，以石化部门为主进行研究，在普通变压器油中加入抗析气添加剂，达到降低析气性系数的目的。经试用后，石化行标SH0040—1991《超高压变压器油》标准颁布。
　　在应用中发现加入浓缩芳烃的“超高压油”在改善析气性的同时也带来了一些弊端。因此许多国产500 kV变压器仍然使用普通的变压器油。在一段时间内因发现石蜡基油介损升高的问题，20世纪90年代生产的500 kV变压器及互感器等已基本采用环烷基油。
　　本文对变压器油析气性的相关问题提供一些试验研究结果和看法，同时认为选择变压器油时切忌盲目追求析气性指标。

1　油的析气性与芳香烃含量有关

1．1 油的组分与分类
　　石油的组分主要是烃（碳和氢）类化合物。根据石油中占主导成分是烷烃还是环烷烃，则可大致分为烷烃基（石蜡基）油和环烷烃基油。介于二者之间难以区分的油种，则称为混合基油。变压器油中主要含有以下不同比例的成分，其分子结构也不同。
　　（1） 烷烃。烷烃是一种饱和的直链和支链烃类化合物，见图。当碳原子数相同时，直链烃的熔点比支链烃的高，烷烃是化学反应缓慢的化合物。在正常条件下，含碳原子少（C4以下）的烷烃呈气态，中等数目的呈液态，多的则呈固态。具有同样原子数，但不同结构的烷烃则称为异构体烷烃。随着碳原子数目的增多，其构成异构体烷烃的数目也急剧增长。

　　（2） 环烷烃。环烷烃是饱和的5和6个碳原子的环烃类化合物。依其分子量的不同，可能会带有烷烃侧链，见图3，也有可能在1个分子中有若干个饱和环，它们带有与烷烃链相连接的侧链。这类分子具有的环烷烃特性的强弱，取决于分子中环烷烃的环数多于烷烃侧链的程度。

　　（3） 链烯烃（非饱和化合物）。如果烷烃和环烷烃的氢原子数不足，则其碳原子的4个键就不都是饱和的。相邻的2个碳原子之间有1个双链，则称为链烯烃。由于这类化合物为双链结构，故化学稳定性比烷烃低，见图4。

　　（4） 芳香烃。所有石油中都含有芳香族化合物，它们是由苯和少量的缩合环（如萘）衍生而成的。芳香烃与链烯烃一样，也是非饱和化合物。但是，由于芳香烃的环为共轭双链结构，所以芳香烃在化学特性上比链烯烃稳定。在同一分子中，环烷烃环、烷烃链和芳香环也可能是同时相互连接的，见图5。

　　（5） 杂环化合物。石油中除纯烃类成分外，还有杂环化合物。这是一类含有碳、氢，以及硫、氮或氧的化合物，尤其是环烷基石油中，还可能含有某些有机酸（如环烷酸）。其中既有延缓油的化学特性变化（老化）的成分，即天然抗氧化剂，也有加速其老化的成分。在变压器油调制时，油中添加一定量的合成抗老化剂或者含酚类化合物，例如2，6二叔丁基对甲酚，能改善绝缘油的抗老化性能。

1．2 绝缘油析气性的评定方法及原理
　　(1) 绝缘油析气性的评定方法按IEC 60628和ASTMD2300各有A、B两种方法，我国除作试验研究外，一般采用IEC 60628A法。玻璃析气仪有一圆柱型的析气池，内电极直径为10 mm，可施加10 kV电压，外电极直接接地。试油用量5ml，由于低粘度对油的析气性能更为有利，因而析气池置于80 ℃的恒温油浴中。加压前通氢气1 h，使油中气体及油面气体被氢气饱和；在油面气体压力与大气压力平衡状态下（通过气压计观察）加电压，使油和油面气体受到径向电场约3.84kV/mm的作用，使油面气体首先被电离，形成油气界面电子、离子活动剧烈的电离区域；油面气体压力随加压时间不断变化，直至稳定。试验2 h后，读取气压计压差，如果内部压力升高，则产气率为“正”；如油吸收的氢气量超过放气量，则内部压力下降，产气速率为“负”；内外压力仍然平衡，则产气速率趋于“0”；并计算出产气速率(单位为μL/min)。这种产生速率也称析气系数或称析气趋势。
　　(2) 试验所测得的值是放气和吸气综合作用的结果。其原理是：在电场作用下，当析气池的电离区内存在大量高能电子和离子时，表面的油不时地受到剧烈撞击，使油分子的C-H、C-C键断裂，产生活性的氢及烃基团。活性基团又继续与油中的烷及烯烃分子作用，形成氢分子和甲烷等低分子烃类气体。另外活性基团如与芳香烃相遇，则芳烃的双链被打开而吸收氢，形成新的环烷烃。另外，有一部分释放了氢原子的烃基基团有可能聚合，形成高分子的胶状物——X蜡。上述过程可用反应式表示：
　　饱和烃在电场作用下放出氢（烷链烃减少）