合成酯變壓器油熱氧老化特性研究

孫迎偉，陳紅生，薛長志，梁西川，朱菲菲，蔣 芝，文 敏

（中車株洲電機有限公司 電氣絕緣技術湖南省重點實驗室，湖南株洲 412000）

引言

變壓器油作為變壓器最重要的絕緣材料之一，起著絕緣、冷卻、保護等重要作用，其性能直接影響變壓器的安全可靠運行。在變壓器運行過程中，變壓器油隨著運行時間的增加，會發生熱老化和電老化，導致性能逐漸下降，嚴重時會引起變壓器故障。其中，熱老化是引起變壓器油老化的最主要因素[1]。

目前，國內外學者對變壓器油的熱氧老化特性進行了大量的研究，但研究對象大部分為礦物變壓器油。礦物絕緣油存在閃點低、生物降解性差、不可再生等缺點，已無法滿足綠色環保和可持續發展要求［2-5］。與礦物變壓器油相比，合成酯變壓器油具有良好的生物降解性能，環保性能突出，同時具備良好的抗燃性能、電氣性能和氧化安定性，廣泛應用于高速動車組、海上及陸上風能電場、城市輸變等變壓器領域。因此，研究合成酯變壓器油熱氧老化特性具有重要意義。

本研究選取合成酯變壓器油為研究對象，模擬實際運行工況，進行熱氧加速老化試驗，研究了其熱氧老化特性，為后續高速動車組牽引變壓器油的剩余壽命評估提供一定的理論和試驗基礎。

1 合成酯變壓器油熱氧加速老化試驗

1.1 試驗樣品及預處理

樣品為未使用過的合成酯變壓器油。試驗前，通過濾油設備對樣品進行脫氣、脫水處理，得到符合IEC 61099要求的油樣。

1.2 試驗方法

參考NB/SH/T 0811標準方法，將樣品置于裝有銅絲的氧化管中，保持溫度為130℃，空氣流速為0.15 L/h，進行加速老化試驗。老化共5個周期，每個周期7 d。然后，對每個周期取出的試樣進行酸值、運動黏度（40℃）、介質損耗因數（90℃）及紫外吸收光譜測試。

2 結果分析與討論

2.1 酸值

合成酯變壓器油酸值隨老化時間變化曲線如圖1所示。由圖1可知，隨著老化時間的增加，合成酯變壓器油的酸值緩慢增大，但在28 d后則急劇增大。基于經典的謝苗諾夫自由基鏈反應理論，合成酯變壓器油在熱氧條件下，發生自由基鏈式反應，生成一些羧酸類、醛類和酮類等中間產物，導致其酸值增大。前期由于合成酯變壓器油中抗氧劑的存在，抑制了合成酯變壓器油的氧化反應速率。隨著老化時間增長，抗氧劑被逐漸消耗，到達28 d后，由于剩余抗氧劑過少，其對氧化反應的抑制作用減弱，合成酯變壓器油劇烈氧化，產生大量的羧酸類、醛類和酮類等物質，從而引起酸值急劇增大。

圖1 酸值隨老化時間的變化曲線

2.2 運動粘度

合成酯變壓器油運動黏度隨老化時間變化曲線如圖2所示。由圖2可知，前期隨著老化時間的增加，合成酯變壓器油的運動黏度變化較小，但到28 d后急劇增大。出現這種現象的主要原因是：老化前期由于抗氧劑的抑制作用，導致由合成酯變壓器油氧化產生的中間產物較少，中間產物進一步發生反應形成的大分子量的氧化產物也就更少，對運動黏度影響較小；老化后期，抗氧劑大量消耗，對氧化反應的抑制作用減弱，導致合成酯變壓器油氧化反應劇烈，產生大量的大分子量的氧化產物，引起運動黏度快速增大。

圖2 運動粘度隨老化時間的變化曲線

2.3 介質損耗因數

合成酯變壓器油介質損耗因數隨老化時間變化曲線如圖3所示。由圖3可知，隨著老化時間的增加，合成酯變壓器油的介質損耗因數逐漸增大。這主要是因為合成酯變壓器油老化過程中產生了極性雜質、帶電膠體等物質，這些物質均會導致其介質損耗因數增大。

圖3 介質損耗因數隨老化時間的變化曲線

2.4 紫外吸收光譜

合成酯變壓器油的紫外吸收光譜如圖4所示。由圖4可知，與老化前相比，老化后的合成酯變壓器油在320 nm附近均出現了1個吸收峰，并且其吸光度隨著老化時間的增加逐漸增強。吸光度與濃度關系式為A=lg(1/T)=kCL，其中A為吸光度，T為透射率，k為摩爾吸收系數，C為濃度，L為光程長度。綜上所述，老化產生了新的氧化物，并且隨著老化時間增加生成量逐漸增大。由此也證明了合成酯變壓器油在熱氧條件下，發生自由基鏈式反應，生成羧酸類和酮類等氧化物。

圖4 合成酯變壓器油的紫外吸收譜圖

3 結論

（1）隨著熱氧老化時間的延長，合成酯變壓器油的酸值和運動粘度緩慢增大，到28 d出現增長拐點，之后急劇增大。合成酯變壓器油的介質損耗因數則隨老化時間的增加而逐漸增大。

（2）伴隨著老化的進行，合成酯變壓器油氧化產生新的氧化物，氧化物對性能劣化起到決定作用，并隨老化時間的增加而逐漸增多。

（3）合成酯變壓器油中的抗氧劑對氧化反應具有顯著抑制作用，隨著老化時間的增加，抗氧劑被逐漸消耗，當其含量低于限定值后，對氧化反應的抑制作用減弱，導致合成酯變壓器油劇烈氧化。