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基于中红外光谱分析热老化对变压器油性能影响

范文

丘晖饶贺石中车超萍

摘 ?????要：以500 kV的在用变压器油作为研究对象，在实验室中用150 ℃加热老化试验，探讨了热老化对变压器油的氧化性能和电气性能的影响。运用中红外光谱对不同老化时间样品进行扫描得到红外光谱，同时测试了变压器油中T501、酸值、介电损耗常数、击穿电压和碳族组成。试验结果表明：变压器油在3 650 cm-1处酚类抗氧化剂的伸缩振动吸收峰强度随着老化时间明显降低，并以此特征吸收峰建立了T501红外光谱定量检测的标准曲线，相关系数为0.999 964;变压器油深度老化后在1 700 cm-1处出现C=O伸缩振动吸收峰，此时酸值明显增加，T501仅剩0.01%，变压器油的氧化安定性迅速下降。变压器油老化过程中，介电损耗常数随着老化时间的增大而增大，击穿电压随着老化时间增加而降低。通过对变压器油的中红外光谱分析，探讨了绝缘油老化过程和机理，发现热老化对变压器油的抗氧化性和绝缘性能有很大的影响。。

关 ?键 ?词：红外光谱;热老化;变压器油;介质损耗常数;击穿电压;酸值;碳族组成

中图分类号：TQ 64 ??????文献标识码： A ??????文章编号： 1671-0460（2019）06-1154-04

Abstract： The 500 kV transformer oil was used as the research objects， and thermal aging test at 150℃ was carried out in laboratory， the effect of thermal aging on oxidation properties and electrical properties of insulating oil was investigated. The infrared spectrums of samples with different aging time were obtained by FT-IR.， Meanwhile， T501，acid number， dielectric loss constant， breakdown voltage and carbon group composition of transformer oil were tested. The results showed that： the intensity of stretching vibration absorption peak of insulating oils phenolic antioxidants at 3 650 cm-1 decreased significantly with aging time， based on the characteristic absorption peak， the standard curve of T501 infrared spectrum quantitative detection was established， and the correlation coefficient was 0.999 964. After aging deeply， C=O absorption peak appeared at 1 700 cm-1，at this point， the acid number increased significantly ，only 0.01% T501 remained in transformer oil ，the oxidation stability of oil decreased. In the aging process， the dielectric loss constant increased with the aging time， and the breakdown voltage decreased with the aging time. The aging process and mechanism of insulating oil were analyzed by FT-IR. It's found that thermal aging had a great influence on the oxidation and electrical performances of the insulating oil..

Key words： FT-IR spectrometry; Thermal aging; Insulating oil; Dielectric dissipation factor; Breakdown voltage; Acid number; Carbon compositions

變压器油是源于石油的一种分馏产物，它的主要成分是具有特定分子量的烷烃、环烷烃的饱和烃类和芳香族不饱和烃类等的化合物。变压器油的性能是保证设备安全运行的重要条件，它在变压器运行中起到循环、冷却和绝缘等作用[1，2]。

击穿电压、介质损耗常数等是表征其绝缘特性的主要性能指标。击穿电压是指将变压器油置于含有电极的油杯中，按一定速率施加连续升压，当油的电阻突然下降，电流瞬间突增，并由火花或电弧通过变压器油，变压器油被“击穿”，此时的临界电压成为击穿电压。介质损耗常数对油中存在的可溶性记性杂质、老化产物以及带电胶体的反应敏感[3-6]。

变压器在长期运行过程中，油纸绝缘持续承受电、热等多种应力作用，变压器油（矿物绝缘油）主要组分为饱和烃类，烃类化合物容易被空气中的氧不断氧化，会出现氧化、老化等现象，生成醛、酮、酸、酯和油泥等劣化产物，其绝缘性能和抗氧化性能逐渐下降，严重影响变压器油的使用寿命[7-9]。目前，主要通过加热老化的方式分析变压器油老化的性能。吴海燕[10]用旋转氧弹法对变压器油加速老化，进行了加氢变压器油和环烷烃变压器油抗氧化性能的比较。王献敏等[11]通过在变压器油中加入铜丝，通过热老化和电老化分析老化对变压器油介质损耗的影响，但没有对老化过程中碳组成变化、击穿电压和抗氧化性能进行分析。

本文对变压器油试样在150 ℃进行加速老化试样，通过测试了不同老化阶段下变压器油红外光谱、碳族组成变化、T501质量分数变化、酸值、击穿电压和介质损耗常数的变化，探寻变压器油热老化过程中电气性能和抗氧化性能变化规律。

1 ?试验部分

1.1 ?仪器与试剂

实验采用PE Spectrum two型傅里叶红外光谱仪，红外光谱通过透射池法采集獲得。实验中使用KBr窗片、扫描次数设定为32次，分辨为2 cm-1，波数范围为4 000～500 cm-1，最终显示为吸光度，样品测试前扫描空气的红外光谱作为背景。采用BAUR DTA 100C绝缘油耐压测定仪进行击穿电压的测试。不同老化阶段的变压器油的介质损耗常数采用DYC-1绝缘油电阻率测试仪。

1.2 ?测试方法

试验样品采用是三种变压器油均为100 kV变压器取下的在用油。本次实验设计在150 ℃进行老化1个月，每168 h取样测试。为了足够的试验样品共进行老化了8个样品，每个样品量为1 000 mL，不同老化时间下取出样品进行红外光谱、酸值、击穿电压、介电常数等参数进行测试。

2 ?分析与讨论

2.1 ?未老化变压器油红外光谱分析

试验用变压器油的基础油为矿物油，通过结构族组成发现[12]，基础油由CN为54.2%、CP为39.6、CA为6.2%组成，未老化变压器油傅里叶中红外光谱如图1所示。从图1可以看出，波数在3 170 cm-1存在C-H伸缩振动吸收峰，波数在1 600 cm-1存在C=C振动吸收峰，表明绝缘油中存在不饱和烃类，波数在970 cm-1的C-C弯曲振动吸收峰，吸收表明存在环烷烃，结合表1中绝缘油红外光谱特征吸收归属，试验用的绝缘油是以环烷基为主要组成的矿物油。波数在3 648 cm-1的强O-H伸缩振动表明，绝缘油中添加了酚类抗氧化剂。

据式（1）-（4）变压器油在热的作用下产生了自由基，自由基在与氧生成过氧基，过氧基在与其他活性物质反应，生成过氧化氢和烷基自由基，过氧化氢进一步分解成过氧基，经过一系列的连锁反应，变压器油发生氧化变化。为了防止氧化反应，变压器油中酚类抗氧剂采取捕获自由基的方式阻止反应的进行。式（5）中的T501捕获式（3）中氧化生成烷氧自由基生成过氧化氢和苯氧自由基团。酚类的抗氧化作用就是通过能与过氧基团发生反应，从而阻断链式反应的发生，保护变压器油氧化变质。一般来说，邻位取代基对抗氧化活性的影响主要是空间位阻效应引起的，酚分子中引入的烷基和给电子基越多，其抗氧化效果越好，在邻对位上引入给电子基的酚类表现出最佳的抗氧化效果。

从3 650和1 750 cm-1附近放大的特征谱图如图2（a）（b）所示，未老化的样品及老化初期在3 650 cm-1处有强而宽的酚类O-H伸缩振动吸收峰，随着老化时间不断延长，O-H的吸收峰不断减少，说明酚类抗氧化剂在不断消耗;同时，在1 700～1 740 cm-1处出现C=O伸缩振动，这是油中醛和酸类吸收峰，此时油已发生氧化降解。随着老化进行，油中酸类物质不断增多，C=O伸缩振动吸收峰不断增强，O-H伸缩振动吸收峰不断减弱，直到抗氧剂消耗殆尽。

2.3 ?老化后变压器油性能的变化

从图2可以看到，3 650 cm-1吸收峰随着加热时间的增长峰的强度逐渐降低，只到完全消失，根据GB/T 7602.3[16]对3 650 cm-1处酚O-H吸收峰作为特征吸收峰，得到标准工作曲线如图3所示。

将表3中的T501、酸值、介电损耗常数跟老化时间，绘制成图4，从图中可以看出，三者具有强的相关性，变压器油的酸值随着劣化时间延长而增大，而变压器油的介质损耗常数也呈现相同的趋势，而且介质损耗常数随着酸值升高而不断增大，在1-7周老化时间，变化是微小的，当第14周时，酸值突增至0.19 mgKOH/g，介电损耗常数突徒增至0.98。这说明变压器油老化过程中，酸值和介质损耗常数具有一定的相关性，由于本次试验样本较少，不能确认其具体的相关关系。但可以通过变压器油老化机理分析这一现象，随着变压器油在热作用，逐步氧化变质，产生的酸性组分都是极性物质，能够提高油品的导电性，因此，变压器油的介电损耗常数下降。

通过击穿电压验证，随着老化时间增长，油中酸性组分增加时，击穿电压值也逐步的下降，同时与图4的结果相符合。

通过对对不同老化时间的变压器油的结构族组成进行分析，芳烃（CA）、环烷烃（CN）和链烷烃（CP）含量变化不明显，但在老化14周后，芳烃（CA）含量较初始值有较明显的降低，可能是芳烃中C=C不饱和烃出现断裂成饱和的环烷烃或链烷烃，由于样品量较小，此次不能完全分析结构族组成和变压器油热老化之间的关系。

3 ?结论

通过红外光谱对变压器油在150 ℃热老化过程中不同阶段样品进行测试，分析了各个样品的主要官能团的变化信息，并且老化过程中样品进行酸值、介电损耗常数和击穿电压测试，初步探索了变压器油老化机理和性能变化规律，得到如下结论：

（1）变压器油老化过程中，酚类O-H伸缩振动吸收峰强度随着老化时间明显降低。通过波数在

3 650 cm-1处建立T501的标准工作曲线，T501含量随着老化时间有明显下降。在1 700 cm-1出现了酸和醛C=O基团的吸收峰，且随着老化时间增长而变大，酸值也逐步增大。因此，热老化对变压器油的抗氧化性能影响很大，抗氧化劑降低，酸值增加。

（2）变压器油老化过程中，介电损耗常数随着老化时间的增大而增大，击穿电压随着老化时间增加而降低。因此，热老化对变压器油的绝缘性能也存在很大的影响。

（3）变压器油老化过程中，变压器油中结构族组成发现了微小变化，且在深度老化后芳烃CA在下降。

由于变压器油的老化产物非单一的某种物质，含有很多共同的官能团，并且有可能相互重叠相互影响，这增加了红外光谱分析变压器油老化的难度。今后还需继续分析变压器油老化过程中结构族组成的变化规律。

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