合成酯变压器油热氧老化特性研究

孙迎伟，陈红生，薛长志，梁西川，朱菲菲，蒋 芝，文 敏

（中车株洲电机有限公司 电气绝缘技术湖南省重点实验室，湖南株洲 412000）

引言

变压器油作为变压器最重要的绝缘材料之一，起着绝缘、冷却、保护等重要作用，其性能直接影响变压器的安全可靠运行。在变压器运行过程中，变压器油随着运行时间的增加，会发生热老化和电老化，导致性能逐渐下降，严重时会引起变压器故障。其中，热老化是引起变压器油老化的最主要因素[1]。

目前，国内外学者对变压器油的热氧老化特性进行了大量的研究，但研究对象大部分为矿物变压器油。矿物绝缘油存在闪点低、生物降解性差、不可再生等缺点，已无法满足绿色环保和可持续发展要求［2-5］。与矿物变压器油相比，合成酯变压器油具有良好的生物降解性能，环保性能突出，同时具备良好的抗燃性能、电气性能和氧化安定性，广泛应用于高速动车组、海上及陆上风能电场、城市输变等变压器领域。因此，研究合成酯变压器油热氧老化特性具有重要意义。

本研究选取合成酯变压器油为研究对象，模拟实际运行工况，进行热氧加速老化试验，研究了其热氧老化特性，为后续高速动车组牵引变压器油的剩余寿命评估提供一定的理论和试验基础。

1 合成酯变压器油热氧加速老化试验

1.1 试验样品及预处理

样品为未使用过的合成酯变压器油。试验前，通过滤油设备对样品进行脱气、脱水处理，得到符合IEC 61099要求的油样。

1.2 试验方法

参考NB/SH/T 0811标准方法，将样品置于装有铜丝的氧化管中，保持温度为130℃，空气流速为0.15 L/h，进行加速老化试验。老化共5个周期，每个周期7 d。然后，对每个周期取出的试样进行酸值、运动黏度（40℃）、介质损耗因数（90℃）及紫外吸收光谱测试。

2 结果分析与讨论

2.1 酸值

合成酯变压器油酸值随老化时间变化曲线如图1所示。由图1可知，随着老化时间的增加，合成酯变压器油的酸值缓慢增大，但在28 d后则急剧增大。基于经典的谢苗诺夫自由基链反应理论，合成酯变压器油在热氧条件下，发生自由基链式反应，生成一些羧酸类、醛类和酮类等中间产物，导致其酸值增大。前期由于合成酯变压器油中抗氧剂的存在，抑制了合成酯变压器油的氧化反应速率。随着老化时间增长，抗氧剂被逐渐消耗，到达28 d后，由于剩余抗氧剂过少，其对氧化反应的抑制作用减弱，合成酯变压器油剧烈氧化，产生大量的羧酸类、醛类和酮类等物质，从而引起酸值急剧增大。

图1 酸值随老化时间的变化曲线

2.2 运动粘度

合成酯变压器油运动黏度随老化时间变化曲线如图2所示。由图2可知，前期随着老化时间的增加，合成酯变压器油的运动黏度变化较小，但到28 d后急剧增大。出现这种现象的主要原因是：老化前期由于抗氧剂的抑制作用，导致由合成酯变压器油氧化产生的中间产物较少，中间产物进一步发生反应形成的大分子量的氧化产物也就更少，对运动黏度影响较小；老化后期，抗氧剂大量消耗，对氧化反应的抑制作用减弱，导致合成酯变压器油氧化反应剧烈，产生大量的大分子量的氧化产物，引起运动黏度快速增大。

图2 运动粘度随老化时间的变化曲线

2.3 介质损耗因数

合成酯变压器油介质损耗因数随老化时间变化曲线如图3所示。由图3可知，随着老化时间的增加，合成酯变压器油的介质损耗因数逐渐增大。这主要是因为合成酯变压器油老化过程中产生了极性杂质、带电胶体等物质，这些物质均会导致其介质损耗因数增大。

图3 介质损耗因数随老化时间的变化曲线

2.4 紫外吸收光谱

合成酯变压器油的紫外吸收光谱如图4所示。由图4可知，与老化前相比，老化后的合成酯变压器油在320 nm附近均出现了1个吸收峰，并且其吸光度随着老化时间的增加逐渐增强。吸光度与浓度关系式为A=lg(1/T)=kCL，其中A为吸光度，T为透射率，k为摩尔吸收系数，C为浓度，L为光程长度。综上所述，老化产生了新的氧化物，并且随着老化时间增加生成量逐渐增大。由此也证明了合成酯变压器油在热氧条件下，发生自由基链式反应，生成羧酸类和酮类等氧化物。

图4 合成酯变压器油的紫外吸收谱图

3 结论

（1）随着热氧老化时间的延长，合成酯变压器油的酸值和运动粘度缓慢增大，到28 d出现增长拐点，之后急剧增大。合成酯变压器油的介质损耗因数则随老化时间的增加而逐渐增大。

（2）伴随着老化的进行，合成酯变压器油氧化产生新的氧化物，氧化物对性能劣化起到决定作用，并随老化时间的增加而逐渐增多。

（3）合成酯变压器油中的抗氧剂对氧化反应具有显著抑制作用，随着老化时间的增加，抗氧剂被逐渐消耗，当其含量低于限定值后，对氧化反应的抑制作用减弱，导致合成酯变压器油剧烈氧化。