環(huán)烷基原油是一種寶貴的不可再生資源,原油中僅有2%的組分能用于煉制出不同電壓等級的變壓器油。不同的變壓器油由不同類(lèi)型煌類(lèi)分子組成,理化、電氣性能有所不同。換流變壓器用油因要兼 顧良好的電氣特性和較低的傾點(diǎn)與運動(dòng)黏度,因此 煉制單位質(zhì)量的換流變壓器油需消耗數倍于其它種類(lèi)變壓器油的環(huán)烷基原油。
KI50X環(huán)烷基油是一種在換流變中使用的變壓器油,能夠滿(mǎn)足換流變對絕緣油的低溫運動(dòng)黏度、傾點(diǎn)及電氣特性的苛刻要求,然而其原油開(kāi)采與煉 制受原料等多方面因素的限制,其產(chǎn)能有限。本文中使用的25#、45#油是常見(jiàn)的電力變壓器用的環(huán)烷基油,但是分別在傾點(diǎn)、低溫運動(dòng)黏度指標上,無(wú)法達到換流變中使用的KI50X變壓器油的水平,限制了其在更多領(lǐng)域的應用。
隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展,以異構鏈烷烴為主的異構非環(huán)烷基變壓器油克服了傳統非環(huán)烷基油傾點(diǎn)較高的缺陷。中國電科院的王健一發(fā)現,以氣制油新技術(shù)(gas-to-liquid transformer oil, GTL)制造的GTL異構鏈烷燒變壓器油具有分子極性小,低溫運動(dòng)黏度低、稠環(huán)芳垃含量較低,氧化安定性較好等特點(diǎn),并且GTL變壓器油異構鏈烷燒組分可以達到93%,與傳統變壓器油相比成分更為單一,油中芳香煌的比例僅占0.3%,且為單環(huán)芳香GTL 油的制造原料天然氣供應充足,然而其制備成本與成品價(jià)格顯著(zhù)高于傳統變壓器油,提高GTL技術(shù)的使用經(jīng)濟性可以加快其的推廣與應用。
中國電科院王健一與華北電力大學(xué)曾臣發(fā)現 GTL油電氣性能優(yōu)異,在GTL油與K150X變壓器 油混合并進(jìn)行72h短時(shí)老化后,擊穿電壓與介損未 明顯劣化"叫廖瑞金團隊將礦物油與天然酯混合 制造新型變壓器油,通過(guò)酯化反應對絕緣紙起到保護作用億叫中海油公司通過(guò)將環(huán)烷基油與加氫非環(huán)烷基油混合,對變壓器油進(jìn)行組成調整來(lái)制造新型 變壓器油,發(fā)現在部分條件下變壓器油性能可得到 提升網(wǎng)。但是對使用異構鏈烷基組分進(jìn)行組成調整 對各個(gè)指標的影響的研究有所不足。
已有研究表明,兩種油品混合后性能可能變好, 也可能變差口叫在變壓器油經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間運行后,經(jīng) 受熱、電老化作用的情況下,部分理化性能及電氣 性能會(huì )發(fā)生改變,由此也可能導致絕緣參數性能的 下降,給變壓器的安全帶來(lái)風(fēng)險。
因此,油品混合后的性能情況需要通過(guò)實(shí)驗比 較混合前及混合后的油品在理化性能、電氣性能上 的差異,來(lái)進(jìn)行判斷。對于在長(cháng)期運行條件下的變 壓器油的絕緣性能變化情況,可以通過(guò)熱老化實(shí)驗 模擬,對長(cháng)期熱老化后變壓器油的性能參數的變化 規律進(jìn)行研究。
因此,本文提出將GTL油作為異構非環(huán)烷基組 分混入傳統環(huán)烷基變壓器油的制備方法,對變壓器 油進(jìn)行組成優(yōu)化,使環(huán)烷基油與異構非環(huán)烷基油優(yōu) 勢互補,得到環(huán)烷基變壓器油混入異構非環(huán)烷基組 分后的性能指標的變化規律,研究異構非環(huán)烷基組 分對混合變壓器油理化特性、電氣特性的影響。本 文研究成果可為減少生產(chǎn)單位質(zhì)量換流變壓器油對 環(huán)烷基原油的消耗,并提高使用GTL技術(shù)的經(jīng)濟性, 為更好的利用環(huán)烷基油資源及GTL技術(shù)提供新思 路。
1實(shí)驗部分
1.1混合油理化、電氣性能檢測
實(shí)驗使用25#油、45#油、GTL油、KI50X四款 變壓器油。對變壓器油過(guò)濾干燥后,將GTL油分別 加入到25#、45#變壓器油中后,使用磁力攪拌器對 混合油進(jìn)行15分鐘攪拌,并靜置24h,制得GTL 油比例分別為10%、30%、50%、70%、90%的五種 比例的環(huán)烷基與異構非環(huán)烷基混合油(以下簡(jiǎn)稱(chēng)混 合油),并且與25#油、45#油、KI50X、GTL油四 種變壓器油一起進(jìn)行了密度、傾點(diǎn)、低溫運動(dòng)黏度 等理化性能與擊穿電壓、工頻介質(zhì)損耗因數、體積 電阻率等電氣性能的檢測,結果如表1所示。
1.2混合油熱老化實(shí)驗
實(shí)驗參考DL_T 429.6-2015《電力用油開(kāi)口杯 老化測定法》標準設計,使25#油、45#油分別與 GTL油進(jìn)行1:1混合,并參考文獻[13],依據國際 電工委員會(huì )(IEC)規定的6。(:原則,通過(guò)熱老化 可以加速消耗變壓器油與絕緣紙的絕緣壽命,同時(shí) 考慮換流變內部熱點(diǎn)溫度,本試驗選擇130。(:作為 老化試驗溫度。將25#-GTL、45#-GTL混合變壓器 油與未混合的25#油、45#油、GTL油、KI50X變壓 器油共同進(jìn)行7天、14天、21天、28天的13(TC 的熱老化實(shí)驗,模擬變壓器內部實(shí)際工況,觀(guān)察研 究六種變壓器油老化后酸值、擊穿電壓、工頻介質(zhì) 損耗因數、體枳電阻率的變化趨勢。
2混合油理化性能檢測與分析
25#油、45#油在低溫狀態(tài)下分別因傾點(diǎn)較高、 運動(dòng)黏度較大導致散熱性能上存在著(zhù)部分的不足, 使其達不到用于換流變的KI50X變壓器油的水平。 因此,對于理化性能方面,本文著(zhù)重檢測了混合后 的變壓器油低溫下的運動(dòng)黏度、傾點(diǎn)。除此之外, 還檢測了密度等部分通用理化性能參數。
2.1混合油密度變化
密度是變壓器油的一個(gè)物理性能指標。由于變 壓器中存在一些水分,變壓器在極低的溫度或冬季 暫時(shí)停用時(shí),變壓器油中水分可能會(huì )結冰。浮冰融 化會(huì )生成液態(tài)水,水的密度大于油,如果其下落至 電極區,會(huì )顯著(zhù)降低擊穿電壓,出現放電的危險。 浮冰密度會(huì )隨著(zhù)不同的環(huán)境氣壓在880?920kgzm3 范圍內變化,為保障變壓器的安全運行,希望油的 密度小于冰的密度,防止浮冰出現。且較低的密度 能為變壓器油的運輸帶來(lái)便利,降低運輸成本口可。 本文依據GB/T1884-2000《原油和液體石油產(chǎn)品密 度實(shí)驗室測定法》對變壓器油密度進(jìn)行檢測,結果圖1中混合油的密度與混合比例整體呈現出線(xiàn) 性變化。GTL油密度較低,混合油隨GTL油占比 的上升,密度整體上呈現出線(xiàn)性下降的變化,且滿(mǎn) 足國標GB2536-2011中密度應小于895 g/cnP的要 求。所有混合油密度均小于運用于換流變的KI50X。 混合油在密度方面有一定優(yōu)勢。
表2為混合油密度的變異系數,表示每種混合 油多次密度測量值上下限的差與平均值的比,混合 油與未混合的四種變壓器油的變異系數處于同一水 平,均小于0.1%。證明25#油、45#油能與GTL油相互溶解,維 持混合狀態(tài),通過(guò)混合方式制造新油具有可行性。 2.2混合油低溫運動(dòng)黏度變化
運動(dòng)黏度是變壓器油的一個(gè)重要參數,運動(dòng)黏 度的大小影響著(zhù)變壓器油的散熱效果。變壓器油通 過(guò)循環(huán)將熱量散發(fā)出去以此降低變壓器溫度,較低 的運動(dòng)黏度,能提供較好的冷卻性⑵。變壓器油的 運動(dòng)黏度與溫度有關(guān)。溫度越高變壓器油運動(dòng)黏度 越小,溫度越低,變壓器油黏度越大。這是因為溫 度降低,使液體分子間距減小,分子間引力增大, 導致內摩擦力增大,宏觀(guān)上表現為液體的運動(dòng)黏度 增大口兒在變壓器冬季停機啟動(dòng)或輕載運行時(shí),為 保證運行安全,對低溫下的變壓器油運動(dòng)黏度提出 了要求。本文對混合油與KI50X在-30(時(shí)的運動(dòng) 黏度依據GB/T265進(jìn)行了檢測,結果如圖2所示。
由圖2可知,25#油、45#油、KI50X三種油-30℃ 時(shí)的運動(dòng)黏度明顯高于GTL油的運動(dòng)黏度,且45# 油所測得的運動(dòng)黏度最高。從微觀(guān)層面來(lái)說(shuō),運動(dòng) 黏度的大小顯示了分子運動(dòng)的內摩擦力的高低,內 摩擦力越小,則運動(dòng)黏度越小,則更易于流動(dòng)[⑸。 分子內摩擦力是由于流體流動(dòng)時(shí),分子克服相鄰分 子間的引力而形成的口旬。分子的內摩擦力也隨著(zhù)分 子質(zhì)量的增加而增加。在碳原子數相同的情況下, 環(huán)烷燒分子相較于鏈烷燒分子具有更大的剛性與更 好地對稱(chēng)性,所以分子間更緊密,內摩擦力更大。 雖然不同的變壓器油中烷燒分子的碳原子數有所不 同,但是大體在相近的區間〔閉。所以在傾點(diǎn)溫度以上的相同溫度下時(shí),主要由環(huán)烷煌構成的 環(huán)烷基變壓器油的運動(dòng)黏度比由鏈烷燃構成的非環(huán) 烷基變壓器油的更大。
換流變運行溫度要高于交流電力變壓器的運 行溫度,需要變壓器油有更好的散熱效果。KI50X 油在-30。<3時(shí)的運動(dòng)黏度要求達到800 mm s-1以下。 實(shí)驗結果顯示,混合油的運動(dòng)黏度隨GTL油比例的 增加出現明顯下降,下降速率隨著(zhù)GTL油組分的增 加而減緩。25#變壓器油-30。(3時(shí)的運動(dòng)黏度在800 mm5左右,混入不同比例的GTL油后,25#-GTL 油混合油-30。<2時(shí)運動(dòng)黏度均低于800 mmsl而 45#變壓器油-30%:時(shí)的運動(dòng)黏度為1376.2 mm s ', 遠遠高于800 mm s-1的運動(dòng)黏度值。在45#-GTL油 混合油中GTL油的比例為33%時(shí),圖中運動(dòng)黏度 值能達到800 mm sL證明,添加異構非環(huán)烷基組 分進(jìn)入45#油中,可以解決45#油低溫下運動(dòng)黏度較 高的問(wèn)題。通過(guò)向45#油基礎油加入異構非環(huán)烷基 組分這一方法可以使混合油在低溫運動(dòng)黏度方面達 到與KI50X變壓器油相當的水平。
2.3混合油傾點(diǎn)變化
傾點(diǎn)是變壓器油在低溫條件下使用所需的一 個(gè)重要參數,較高的傾點(diǎn)會(huì )極大的限制變壓器油的 使用區域與使用電壓等級。運用于超高壓的25#油 傾點(diǎn)高,不能滿(mǎn)足換流變壓器中最低冷態(tài)投運為-30OC 的條件,依照GB/T3535對變壓器油傾點(diǎn)進(jìn)行檢測, 圖3表示了混合后變壓器油的傾點(diǎn)的變化。
由圖3可知,在45#-GTL油混合油中GTL油 占比為10%時(shí),出現自降凝現象,這是由于環(huán)烷基 油與非環(huán)烷基油有不同的凝固機理。
環(huán)烷基油與非環(huán)烷基油分別是黏溫凝固和構 造凝固。黏溫凝固是指變壓器油在溫度不斷降低的 情況下,油品黏度不斷增大,流動(dòng)性變差,最終達 到凝固的狀態(tài)。構造凝固是變壓器油在低溫下,不 斷有結晶析出,這些結晶會(huì )包圍或吸附附近的變壓 器油分子,加快變壓器油的凝固。直鏈和側鏈較少 的鏈烷煌易于排列聚集形成結晶也是傳統非環(huán)烷基 變壓器油傾點(diǎn)較高的原因,而GTL技術(shù)生產(chǎn)的異構 非環(huán)烷基變壓器油,因為其分子中烷燒側鏈較多、 較長(cháng),更易于擾亂油品的結晶,進(jìn)而使油的傾點(diǎn)降 低1電叫。環(huán)烷基與非環(huán)烷基變壓器油混合以后,由 于環(huán)烷基油中的環(huán)烷燒分子不易有序排列,且會(huì )擾 亂鏈烷燒的排列聚集,影響鏈烷烽結晶,從而影響 鏈烷燒分子的構造結晶。而鏈烷燒分子間的內摩擦 力較小,鏈烷燃油運動(dòng)黏度相較于環(huán)烷油更低,更 易流動(dòng),從而阻礙環(huán)烷燃油的黏溫凝固。這兩種因 數的共同作用,使兩種變壓器油按一定比例混合時(shí), 出現自降凝現象。
而在未出現兩種油品相互影響而自降凝的情 況時(shí),混合油的傾點(diǎn)會(huì )隨著(zhù)GTL變壓器油的比例的 上升而向GTL油的傾點(diǎn)接近。這是因為在兩種組分 的混合油中,當傾點(diǎn)較高的組分達到凝固溫度時(shí), 另一種組分還存在著(zhù)一定的流動(dòng)性,影響了變壓器 油的凝固,使混合油傾點(diǎn)降低,并且這種影響隨傾 點(diǎn)較低的變壓器的占比的增加而增大,減小而減少。
45#油本身的傾點(diǎn)較低,GTL油的傾點(diǎn)高于45#油,所以45#油在混入GTL油后,45#-GTL油混合油的 傾點(diǎn)均低于-30 ℃,且整體上隨著(zhù)GTL油的比例增 加而上升。
25#變壓器油不同批次傾點(diǎn)值略有不同,在-30℃ 上下,不能保證每一批次均能滿(mǎn)足換流變壓器要求 的最低冷態(tài)投運條件。25#油的傾點(diǎn)較高,GTL油的傾點(diǎn)低于25#油,混入異構非環(huán)烷基組分可以降 低25#變壓器油的傾點(diǎn)。25#-GTL油混合油的傾點(diǎn) 整體上隨著(zhù)GTL油的比例的增加而降低,當GTL 油的比例占混合油比例的30%時(shí),混合油傾點(diǎn)明顯 低于換流變壓器中要求的-30。(3最低冷態(tài)投運條件。
實(shí)驗結果表明,通過(guò)向45#變壓器油中加入異 構非環(huán)烷基組分有希望制造出傾點(diǎn)極低的變壓器油, 為極端條件下的變壓器所需變壓器油的制造做技術(shù) 儲備。添加異構非環(huán)烷基組分進(jìn)入環(huán)烷基變壓器油 中可以解決25#油傾點(diǎn)較高的問(wèn)題,使25#油可以滿(mǎn) 足更高等級的電力系統之中所需條件。
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