国产环烷基超高压变压器油的应用及评价

       摘　要　介绍国产环烷基超高压变压器油在500 kV进口设备中的替代应用；将国产变压器油与几种进口油的理化性能及组成进行了深入剖析对比，阐述了与国产环烷基超高压变压器油的优点与弱点，建议进一步从生产工艺上改进提高。
       关键词　超高压设备　变压器油　应用　评价

0　前　言　　
　　随着电力工业的发展，20世纪80年代初我国开始陆续建成500kV输变电电网，国内将500 kV电压等级称为超高压，习惯于将500 kV输变电设备用绝缘油称为超高压变压器油。对超高压设备用油性能要求不仅要具有良好的氧化安定性，还应具有良好的电气性能，包括耐击穿电压高，介质损耗小，另外，还要具有良好的抗电场析气性。
　　直到20世纪90年代末，国产超高压变压器油并未普及，且其生产也未形成规模。究其原因是国内500 kV电网设备几乎全部为进口设备，所使用油也全部是随设备进口。由于这些进口油来自不同产地，牌号杂、质量不一，给发供电单位购置、管理和使用带来不便，国内若能实现超高压变压器油国产化，既为国家节约外汇且价格便宜，购买使用方便，又能促进国产超高压变压器油生产工业的发展和提高。因此，探讨500 kV及以上设备用油国产化问题具有重要意义。
       由于生产需要，我省于1997年底进行国产环烷基超高压变压器油替代500 kV进口设备油的试验论证，首先选择了运行温度相对高的500 kV进口电抗器进行现场更换试验。通过深入试验论证及现场运行试验，加深了对国产环烷基超高压变压器油的认识，为500 kV设备用油国产化积累了经验。

1　国产环烷基超高压变压器油的应用
1．1　在进口500 kV电抗器中替代意大利油运行
　　我省电网1台进口意大利500 kV单相变压器、2台进口ABB公司500 kV单相电抗器充意大利ITE360油，总油量约250 t。自1986年投运以来，油质监督试验发现，油的氧化安定性较差，投运不到3年，油颜色不断加深，油质量指标下降，为抑制油的劣化速度曾采取了添加抗氧化剂措施，但毕竟因油进入劣化阶段，抗氧化剂发挥作用有限。尤其是电抗器运行温度比变压器高，油介损上升快，为了控制油介损不超标，每年停电检修期间都要处理油介损问题，于是确定逐步更换ITE360油。为慎重起见，1997年底对国产超高压变压器油开展了调查，1998年选择克拉玛依炼油厂（以下简称“克炼厂”）生产的环烷基超高压变压器油进行试验研究并提出可行性报告。1999年1月首先选择云田变电站500kV电抗器A相，换出运行过12年的意大利ITE360油，完全用克拉玛依炼油厂产环烷基超高压变压器油替代运行。
　　换油后进行了油质跟踪监督。在跟踪监督中发现，投运仅2个月，油介损从0．38％上升到1．10％，运行约3个月后，油介损稳定在1．3％左右，其余性能指标值基本无变化。为了查明引起油介损升高原因，在与油厂家共同探讨验证中发现，将油样通过普通滤纸过滤后，就能大大降低介损值。分析引起电抗器油介损升高的原因无非两方面可能性：一是国产油与进口设备中固体绝缘材料相容性差，发生某些理化作用；二是来自电抗器中固体部件与绝缘材料上残留的脏污物污染。探讨中倾向性认为，如果是前者原因，油介损值不会在短时期内出现稳定趋势，油介损升高来自第二方面原因的可能性较大，因为设备换油前，劣化油可能逐年在设备内部固体部件表面产生沉积物（油垢），运行温度条件下，新换的环烷基油会将表面沉积物逐渐溶解下来。另外固体绝缘材料原来吸附的部分劣化油也会在运行一段时间后平衡析出，这种溶解和析出平衡一旦建立完毕，油介损值就趋于稳定。于是我们继续考察油介损变化趋势，每1～2个月测定介损，1年后油介损仍然稳定在1．4％左右，从而证实当时的分析判断是正确的。
1．2　在进口500 kV电抗器中替代尼拉斯油运行
　　我省民丰变电站电抗器为进口法国ABB公司设备，随设备带进尼拉斯10X油。1996年投运，1998年11月B相电抗器因突发性故障，主绝缘击穿，绝缘油遭严重破坏，形成严重碳粒污染而报废。因为取得前面应用国产油经验，该相电抗器经返厂修复后重新安装时，我们又采用克炼厂环烷基超高压变压器油替代原有的尼拉斯10X油。在投运后的油质跟踪监督中，没有发现油介损反弹现象，至今运行已有1年多，油质各项指标良好，设备无其他与油质有关的异常现象发生。
2　国产油质量、性能评价
2．1　与国内外有关标准对照
　　通过对国产超高压变压器油进行全面分析检测，其质量指标值完全符合国内SH0040－91超高压变压器油标准（见表1）。由表1看出SH0040－91标准在理化性能指标方面与美国ASTM标准和IEC标准接近，在某些电气性能指标值方面要求更高。　

2．2　与几种国外进口变压器油质量、性能对比
　　同等条件下，将国产环烷基超高压变压器油性能指标与几种国外进口油进行对比试验（表2）。试验结果表明：国产环烷基油电场析气性大大优于尼拉斯油。氧化安定性大大优于ITE360油及英国TRANSOL油，但略差于尼拉斯10X油。水分含量高于进口油，且油颜色比尼拉斯油深，比意大利ITE360油略浅。
2．3　与进口变压器油烃类组成对比
　　将克炼25号油、ITE360油、尼拉斯10X油进一步做烃类组成分析，各自组成见表3。
2．3．1　链烷烃含量以意大利ITE360油最高，为15．5％；其次是克炼25号油为6．7％；尼拉斯10X油含量最低，为5．8％。一般讲，油品链烷烃含量高，氧化稳定性较差；蜡含量高，低温流动性不理想；高电场条件下表现放气性，即电场析气性差。

2．3．2　环烷烃含量以尼拉斯油最高，为81．9％；其次是克炼油为68．3％；意大利油为61．9％。油品中环烷烃含量高，低温流动性好，热稳定性好，利于传热散热，不易形成油泥和沉淀物。
2．3．3　比较总芳烃含量，克炼油含量最高，为23．3％；其次是意大利油，为20．4％；尼拉斯油含量最低，为11．2％。油品中适量芳烃物存在可改善油品的电场析气性和氧化稳定性，但过量的芳烃存在可导致油品的吸潮性增大，降低油品其它电气性能。2．3．4　进一步比较各自单环芳烃含量占总芳烃百分率，尼拉斯油为86．6％；意大利油为65．2％；克炼油为54．5％。也就是说，尼拉斯油所含芳烃主要是单环芳烃，而克炼油和意大利油中所含芳烃，二环和多环芳烃占比例大。油中多环芳烃含量高体现油的粘度、密度增大，最重要的是增大油的吸潮性。因此，并不希望油中多环芳烃含量过高。
2．3．5　比较油中杂环烃和胶质物含量（包括未鉴定烃），克炼油为4．7％；其次是意大利油为4．0％；尼拉斯油含量最低，为1．3％。这部分化合物是变压器油中不希望存在的东西。油中这些化合物存在量的多少，体现油精制工艺的好坏。另外，油中这些化合物存在引起油颜色加深，油介损增大，也可能使油的氧化安定性降低。

2．4　国产油电场析气性与油流带电度讨论
　　超高压变压器油的电场析气性问题过去备受专家们的关注，对这方面的探讨和试验比较多。国内外研究的结果都一致认为，油品电场析气性能与油中芳烃物含量有关，一定量的芳烃物加入油中，可以改善油品析气性能，从而使环烷＋链烷组成的变压器油从放气性转换为析气性。当前，国内生产超高压变压器油过程中，一是选择加入一定量单环芳烃系列物（烷基苯），二是采取加入一定比例浓缩芳烃来改善油品的电场析气性能。浓缩芳烃来自石油产品中的加工提取物，含有多种结构的芳烃化合物，通过精制后，按一定比例加入变压器油中，既能起到一定抗氧化剂的作用（某些结构芳烃物是天然抗氧化剂），而且对改善油品电场析气性比烷基苯效果好。然而，有试验结果^〔5〕证明，浓缩芳烃含量会引起油品的油流带电度升高。图1表明，25号变压器油中含20％的浓缩芳烃时，油品的相对油流带电度从60 pc／mL上升到180 pc／mL。克炼厂生产的环烷基超高压变压器油是通过加入浓缩芳烃调制的，将克炼厂25号超高压变压器油做油流带电度测试，其油流带电度为181 pc／mL。与其他几种国内外油比较，克炼厂油的油流带电度倾向最大（见表4）。究其原因：一是可能与浓缩芳烃中携带有较多的杂环烃和胶质有关，从表3的变压器油烃类组成分析中也表明了克炼厂25号超高压变压器油的杂环烃、胶质物含量相对较高。另外，从表2的试验结果比较表明，克炼厂25号超高压变压器油中固体污染颗粒物相对较高，也可能是导致油流带电度升高的一个重要因素。

　　作为超高压设备用油，总是希望油品本身带电度倾向越小越好，尤其用于强循环冷却的超高压变压器油更为重要，这是国内今后生产使用超高压变压器油应该重视的问题。为此，建议在国产超高压变压器油的生产中，要从精制和调制工艺上进一步研究改进，除严格控制固体颗粒污染物，提高油品洁净度外，需要提高浓缩芳烃精制水平，尽量降低油中多环芳烃、杂环烃、胶质物含量等可能影响带电度的组分。
3　结　论
3．1　环烷基油可作为超高压变压器油的最佳选择
　　环烷基油含环烷基成分高，一般超过60％以上，油中含蜡成份极少，具有较好的低温流动性，有利于发挥冷却散热功能。经过精制的环烷烃多数为五员环，结构稳定，具有较好的热稳定性，生成酸和油泥的倾向大大低于石蜡基油。这些优良特性决定了环烷基油可作为超高压变压器油的最佳选择。当然，有环烷基油作为基础油，还只是具备了一个好的基础条件，能否真正生产出高品质、性能优良的变压器油，重要的一步还要靠合理的精制工艺和调和工艺。
　　克炼厂生产的超高压变压器油，截取常压三线馏分作为基础油，通过调制，其性能可满足国内超高压变压器油标准，达到国外同类产品标准。通过在我省两台500 kV进口电抗器现场应用表明，可以代替进口变压器油，适应国产和进口500 kV变压器和电抗器应用要求。
3．2　国产环烷基超高压变压器油有待改进和提高
　　将克炼环烷基超高压变压器油与意大利ITE360油、英国TRANSOL油及尼拉斯油作深入比较，克炼油具有良好的电场析气性和氧化安定性。综合评价，克炼环烷基油性能指标优于意大利ITE360油和英国TRANSOL油，而不及尼拉斯10X油，其主要弱点是颜色较尼拉斯油深，相对油流带电度和吸潮性倾向大。这些弱点是国产超高压变压器油在今后的生产工艺上应研究改进的方面。