不含抗氧劑的U型變壓器油研制及應用

張燕 張金芳

中國石化潤滑油有限公司上海分公司

變壓器是現代電力網絡建設的主要設備。隨著近幾年電力設施建設投資增長，變壓器和變壓器油市場被激活。變壓器油是充油變壓器、高壓電容器、高壓開關和斷路器等電力設備的重要原材料，其功能是隔離、抑制電暈放電和電弧放電，起絕緣、冷卻、滅弧作用。因不同國家用油習慣差異、不同電壓等級設備對變壓器油壽命要求不同以及用戶不同使用目標的設置等，變壓器油分為多個品種。國際電工委員會IEC 60296：2012《電工流體：變壓器和開關用未使用礦物絕緣油》、美國試驗與材料協會標準ASTM D3487：2016《電氣設備用礦物絕緣油》、國家標準GB 2536—2011《電工流體：變壓器和開關用未使用礦物絕緣油》(修 改 采 用IEC60296：2003)，將變壓器油按抗氧劑含量不同分為含抗氧劑（I）、含微量抗氧劑（W）、不含抗氧劑（U）變壓器油。它們的主要差別在于抗氧化安定性測試條件不同和添加的抗氧劑含量不同，其中不加抗氧劑U型變壓器油規定油中總抗氧劑含量低于IEC 60666 的檢測限，即≤0.01%（質量分數），微量抗氧劑T型變壓器油規定抗氧劑含量≤0.08%（質量分數），含抗氧劑I型變壓器油規定抗氧劑含量為0.08%～0.40%（質量分數）。目前市場上的變壓器油大多為含抗氧劑的變壓器油，國內全部使用含抗氧劑的I型變壓器油。國外有些國家，如非洲、東南亞、南美洲等習慣使用不含抗氧劑的U型變壓器油，其國土地域小，輸電電壓等級低，容量小，變壓器運行工況緩和，因此氧化安定性較差的不含抗氧劑絕緣油即可滿足其運行要求。隨著“一帶一路”戰略的實施，經濟帶相關國家電力基礎設施建設的推動，帶動了我國輸配電裝備出口和變壓器油出口，為國內變壓器企業和變壓器油企業帶來新的增長點。為此，開展不含抗氧劑的U型變壓器油的研制是變壓器油制造企業的必然要求，在完善變壓器油產品線的同時，也將給企業帶來利潤增長點，擴大市場影響力。

不含抗氧劑U型變壓器油的研制標準

從需求角度看，主要考慮出口變壓器油和隨客戶出口變壓器裝機用變壓器油，因此參考IEC 60296：2012標準中U型變壓器油指標開展了研究。中國石化潤滑油有限公司制定了符合IEC 60296:2012標 準 的Q/SH 303 0660—2015超級絕緣變壓器油企業標準，包括含抗氧劑的I型超級絕緣變壓器油（本文簡稱為I型變壓器油）和不含抗氧劑的U型超級絕緣變壓器油（本文簡稱為U型變壓器油），質量指標見表1。

由表1可見， U型變壓器油性能與I型變壓器油相比，除了抗氧化添加劑要求不同（U型要求檢測不出＜0.01%；I型要求0.08%～0.40%）以及氧化安定性測試時間要求不同（U型為164 h；I型為500 h），其他性能要求相同。因此，研究的關鍵就是篩選抗氧化性能好的基礎油。

不含抗氧劑U型變壓器油的研制及評定

隨著國內外變壓器油標準的更新，其對抗氧化性能的要求不斷提高，因此變壓器油制造企業為保證產品具有較好的電氣性能和對抗氧劑的感受性，基礎油一般為采用深度精制加工工藝脫除了大部分硫化物和極性芳烴的加氫基礎油。為此，選擇市場上常用的不同品牌加氫工藝基礎油，開展抗氧化性能的測試評定，結果見表2。

由表2可以看出，不同品牌變壓器油基礎油，在164 h、120 ℃下的氧化安定性均不滿足標準要求。其中，氧化后的酸值均超標，環烷基基礎油的氧化后油泥不達標、非環烷基基礎油氧化后的油泥達標。說明市場上現有工藝技術的變壓器油基礎油氧化后不符合U型變壓器油氧化安定性要求，非環烷基基礎油抗氧化性能比環烷基基礎油表現好。

表1 標準Q/SH 303 0660—2015變壓器油質量指標

（續表1）

表2 不同品牌加氫工藝基礎油的抗氧化性能比較

殼牌公司1976年申請的美國 專 利《Process For Producing Uninhibited Transformer Oil》[1]，采用兩種不同的基礎油通過混合生產滿足要求的U型變壓器油。埃爾貢公司2010年申請的美國專利《Uninhibited Electrical Insulating Oil》[2]，也是采用2種不同基礎油不同比例混合而成的。這2個專利都表述了含有溶劑精制工藝生產的芳香碳組成為10%～30%的礦物基礎油。而表2中Nynas T9基礎油芳香烴組分含量最高，但在164 h、120 ℃下的氧化安定性條件下的抗氧化性能最差，其原因是不同版本變壓器油產品標準的抗氧化安定性測試條件不同，以及不同煉油工藝基礎油中含具有天然抗氧化性能的含硫化合物和芳香烴不同。周旭光[3]的研究表明，溶劑精制基礎油中的含硫化合物和適量的芳香烴在氧化初期具有一定的抗氧化作用，起到了天然抗氧劑的作用，其抗氧化性能優于API Ⅱ類加氫基礎油。D.C.kramer和J.N.Ziemer 等研究了加氫精制API Ⅱ 、Ⅲ類基礎油的分子組成對基礎油黏度指數和氧化安定性的影響[4]，結果表明：芳香烴的組成和分布對API Ⅱ類和Ⅲ類基礎油的氧化安定性影響很大, 基礎油的氧化安定性主要由芳香烴含量所決定，對500N基礎油，芳香烴含量從1%增大到2%，基礎油的氧化速率增大13 %；對較輕質的基礎油100N，基礎油中芳香烴的含量從1 %增大到6.5 %，基礎油的氧化速率就增大一倍。隨著煉油工藝的發展，加氫技術在國內外應用，使基礎油的性能發生變化，變壓器油的基礎油外觀顏色顯著變淺，乃至呈水白色。因此，不能停留在原來的U型變壓器油研究和設計的基礎油技術上。唯有依據不同烴類餾分的抗氧化性能表現，選擇和控制適宜烴類餾分的基礎油，方可滿足基礎油高抗氧化性能的要求。

資料報道[5]，對于芳烴含量小于1 %的基礎油, 飽和烴的結構對其氧化速率的影響大于芳香烴的影響。改善基礎油氧化安定性最有效的途徑是增加基礎油中脂肪烴的含量, 減少多環環烷烴的含量, 提高氧化安定性。即，多環環烷烴的含量越低, 基礎油的黏度指數越高, 其氧化安定性也越高。姚志松書籍[6]表明，變壓器油的理想組分為異構烷烴、環烷烴和少量芳烴。異構烷烴具有許多優良的性質，如閃點高、傾點低、酸值低、抗氧化安定性好、界面張力高、抗光電的作用極強等；環烷烴具有極佳的低溫特性、好的電氣性能，但抗氧化性能稍差；芳烴具有一定的抗析氣性，抗氧化安定性差，密度大，介質損耗因數稍大。構建變壓器油的各種烴類的適當比例，能保證產品的抗氧化性能，使電氣性能等更加優異。

2017 年中國石化潤滑油有限公司 依 據Q/SH303 0660—2015（IEC 60296：2012）標準表1中不含抗氧劑變壓器油的性能指標，以非環烷基原油為原料，通過調整三段加氫的煉油工藝參數，適當提高基礎油中的異構鏈烷烴含量、控制適宜的環烷烴含量，來提高基礎油的抗氧化安定性。表3是調整工藝參數前后基礎油的烴類組成、抗氧化性能對比。

由表3可以看出，通過適當提高非環烷基基礎油的異構鏈烷烴含量，其氧化后的酸值、油泥明顯降低，可滿足不含抗氧劑的U型變壓器油抗氧化指標要求。

采用上述調整工藝后的異構鏈烷烴含量高、抗氧化性能好的變壓器油基礎油，生產了符合Q/SH303 0660—2015（IEC 60296:2012）標 準的中國石化長城U型變壓器油，其工業化產品（U-10/U-40）的全性能數據、權威機構（SGS、美國DOBLE等）評定結果分別見表4、表5。

由表4、表5可見，權威機構評定和中國石化測試結果顯示，中國石化長城不含抗氧劑的U型變壓器油都滿足Q/SH303 0660—2015（IEC 60296:2012）標準中U 類指標要求，具有較好的散熱冷卻性能、低溫性能、電氣性能和抗氧化性能。

表3 變壓器油基礎油的性能對比

國內外U型變壓器油性能比較

現在市面上主要不含抗氧劑的U型變壓器油都是國外的，有尼納斯、埃爾貢、殼牌，國內變壓器油制造企業也于近2年相繼推出了不含抗氧劑的U型變壓器油。收集國內市場上常用的不含抗氧劑的U型變壓器油進行評定，數據見表6。

從表6不同品牌不含抗氧劑的U型變壓器油常規分析結果看，非環烷基基礎油的性能更加優異，具有密度小、閃點高、界面張力大、低溫流動性好、抗氧化性能優的特點。不含抗氧劑的基礎油抗氧化性能，與基礎油烴類組成中鏈烷烴相關。因此，調節適宜的三段加氫煉油工藝參數，提高基礎油的異構鏈烷烴含量，能夠得到抗氧化性能好的基礎油，從而生產不含抗氧劑的U型變壓器油。

中國石化長城U型變壓器油的應用

中國石化長城不含抗氧劑的U型變壓器油于2016年推向市場，2017年得到廣泛應用，據統計2017年銷售2 620 t。主要隨變壓器制造企業裝機出口國外：

◇U-10℃ 變 壓 器 油 在OSFSZ-250000 kVA/220 kV變壓器應用，出口巴基斯坦；

◇U-40 ℃變壓器油在10 000 kVA/220 kV 變壓器油應用，出口拉美；

◇U-10 ℃變壓器油在110 kV變壓器油應用，出口新加坡；

◇U-10 ℃變壓器油在配變（11 kV、33 kV）應用，出口肯尼亞、敘利亞等諸多國家。

相信隨著國家“一帶一路”策略的實施，隨著國內變壓器及變壓器油出口增多，隨著中國石化變壓器油市場不斷開拓，中國石化長城的U型變壓器油產銷量會越來越大。

表4 U-10 ℃ 變壓器油的測試評定結

表5 U-40 ℃變壓器油的測試評定結果

表6 國內市場常用的不含抗氧劑U型變壓器油測試結果

結束語

中國石化不含抗氧劑的U 型變壓器油滿足IEC 60296：2012 標準中U 類技術指標要求，并通過了多個權威第三方機構評價。與國內外其他品牌同類產品相比，其具有較好的低溫性能、可靠的抗氧化性能以及抗腐蝕性能。目前產品已在不同電壓等級變壓器、不同國家實現廣泛應用，具有廣泛的應用前景。