1、第 1 页,共 17 页变压器油常识讲座 2011.6.21天威保变 质保部 王文昌一、变压器油基础知识1有机化合物概念变压器油是有机化合物。 “有机化合物”的“机”指的就是“碳” 。“碳”为什么叫“机”呢？没有什么道理，这是中国化学家给起的名字。英文名是 organic compound，而 organic 即“有机”这个词的含义是“器官的、有机体的” ，里面并没有单独表达“机”的含义，也没有说“有机就是有碳” 。除变压器油外，绝缘纸和纸板以及其他绝缘材料也是有机物。2氢、碳、氧、氮原子的结构为什么要讲“原子结构”？因为原子结构决定了原子构成什么样的物质。为什么要讲这几个原子的结构？因为有机
2、物主要是由这几个原子构成的。2.1 氢原子的结构核内一个质子，核外一个电子。2.2 碳原子的结构碳原子的原子核中有 6 个正电荷，那么，原子核的外部就有 6 个电子。其排布方式是：第一层：两个 1S 电子，各自的自旋方向相反。第二层：4 个电子，2S 亚层 2 个，各自的自旋方向相反；2P 亚层 2 个，没有配对，同向各自旋转。2.3 氧原子的结构核内 8 个正电荷，核外 8 个电子，即比碳原子多两个。所以：第一层：两个 1S 电子，各自的自旋方向相反。第二层：6 个电子，2S 亚层 2 个，各自的自旋方向相反；2P 亚层 2 个，配对，各自的自旋方向相反；第 5 个第 6 个，没有配对，同向
3、各自旋转。2.4 稳定结构对于绝大多数原子而言，当最外层的电子为 8 个时，才最为稳定（惰性气小知识变压器油箱和夹件是由钢材做成的，钢材主要是由铁原子构成的，还含有碳、硫、硅、锰、磷等原子。所以，严格地说，钢材是铁和这后几种原子的合金。铁能够和这些原子结合起来形成强度这么高强度的材料，是由它的原子结构决定的。导体铜是由铜原子构成的，它的纯度很高。少量的杂质原子和铜原子也是以合金的形式存在的。硅钢片是由钢和硅原子构成的。钢的成分上边已讲，那么，硅钢片就是在那些原子里又混入硅原子。有机物和上述几类不一样，它们不是直接由原子构成的，首先是由原子构成分子，分子再构成大分子（例如纤维素的分子量可以高达
4、200 万） 。第 2 页,共 17 页体除氦外全是这样） 。碳原子也不例外。它有再结合 4 个电子而成为 8 电子层的倾向。氧原子有再结合 2 个电子而成为 8 电子层的倾向。3有机化合物的形成3.1 简单的有机化合物甲烷。哪个原子最容易和碳原子结合呢？氢原子最容易，它的原子核外边只有一个电子。照这个规律，碳原子应该结合 4 个氢原子才达到 8 电子稳定结构，于是就得到甲烷：CH 4。应该指出：刚才所讲 2S 亚层 2 个电子，各自的自旋方向相反；2P 亚层 2 个电子，没有配对，同向各自旋转，在和氢原子结合的过程中，2S 亚层的 2 个电子分离开来，和 2P 亚层上的 2 个电子完全一样了
5、。（氧原子结合两个氢原子达到 8 电子稳定结构，即成为水 H2O，但水不是有机物。 ）乙烷。碳原子和碳原子也能结合，于是就形成其他化合物，乙烷就是最简单的碳原子和碳原子的结合物：CH 3CH3，可以理解为两个甲烷分子个失去一个氢原子后的结合。以上两个属于烷烃。乙烯：乙烯中只有 4 个氢原子，碳和碳再互相结合，也是形成了 8 电子稳定结构。那么，得到双键：CH 2=CH2乙炔：只有 2 个氢原子，形成三键。 环戊烷： 为环烷烃。 苯： 为芳香烃。3.2 复杂的有机化合物种类很多，可能已经超过 100 万种。前述两个碳原子结合，叫“乙” ，照此类推，就有丙、丁、戊、己、庚，等等，超过癸之后，就有十
6、一、十二等等，分子式如：CH 3-CH2-CH2n-CH3而环烷烃和芳香烃也已有很复杂的结合形式。R R 其中 R 为烷烃去掉一个氢原子剩余的部分。4变压器油化学组成4.1 石油的成分石油天然气 C1C4 常温下是气体；汽油 C5C12 馏程 40200；煤油 C11C16 馏程 200270；CH CH第 3 页,共 17 页柴油 C15C18 馏程 270340；润滑油 C18C24 馏程 340400以上。4.2 变压器油的成分变压器油就是由润滑油精制而成的。它的主要成分和石油一样有以下三类物质,也就是上面给出结构式的三大类物质（当然微量杂志是必然会有的）：（1）烷烃变压器油中的烷烃碳原
7、子数大约在 1824 之间。烷烃含量大约占 25%60%。值得说明：上述像乙烯那样的双键化合物和像乙炔那样的三键化合物，也有含十几个碳的，但变压器油里不含长链烯烃和炔烃。（2）环烷烃当烷烃的分子链比较长时，会形成环烷烃。五、六元环是最为常见的，因为容易成环并且稳定。但是，仅仅有一个五、六元环，还够不上变压器油（例如环己烷就是一种溶剂） 。而是在环上还有其他基团，比如R 基， “R”里可能有十几个碳原子。环烷烃含量大约占 30%60%。（3）芳香烃最简单的芳香烃是苯。设想一下环己烷少了 6 个氢原子，那么，每个碳原子只有一个氢原子，另外 3 个电子都要和相邻的碳原子共用，这就是苯的结构。和环烷烃
8、类似，简单的苯成不了变压器油，它身上也接有各种基团，或者几个苯环连接起来。芳香烃含量大约占 3%15%。4.3 全部化合物数量美国的化学机构研究过变压器油的化学组成，报道说含有 2900 多种化合物。4.4 石蜡基油和环烷基油烷烃又叫“石蜡烃” ，所以含烷烃多的油被称为“石蜡基油” 。一般说来，含环烷烃 40%以上、烷烃 50%以下的油常被称为环烷基油，而其他的油则称为石蜡基油。二者的主要区别：石蜡基油容易凝固；石蜡基油易于吸潮。环烷基油则不然。4.5 分子的极性小知识：其他油类都是什么物质?可食用的动植物油和不可食用的植物油都是甘油酸酯。可食用的是很常见的。不可食用的例如蓖麻油（非干性油）
9、、桐油（干性油） 。人工合成的酯类例如磷酸酯、邻苯二甲酸酯（网上批评的用于儿童玩具的塑料或橡胶增塑剂）也被称为油类。第 4 页,共 17 页像前述各种原子和甲烷正负电荷中心重合，分子没有极性的。而好多原子结合成分子，虽然正负电荷数量相等，但正负电荷中心就有可能不重叠了，总体上虽然没有带电，但已经有极性了，比如分子的一端显出正电、一端显出负电。5变压器油标准和牌号5.1 标准IEC296:1982 GB2536-1990IEC60296:2003 GB2536-20055.2 牌号各国的编号方法不统一。GB2536-1990 是以凝点为基础的，如凝点低于-10的变压器油牌号为 DB-10，低于-
10、25的变压器油牌号为 DB-25，低于-45的变压器油牌号为 DB-45，其中“D”代表“电力用油” ， “B”代表“变压器油” 。而在 IEC60296:2003 中， “凝点”一项不再采用，只保留了“倾点” 。并且，IEC 602962003 对变压器油的编号办法作了规定，要求编号中体现是否含有阻化剂并标明最低冷起动温度，用“U” （uninhibited）表示未阻化变压器油,用“T” （trace inhibited）表示微阻化变压器油，用“I” （inhibited）表示阻化变压器油，标准建议倾点比最低冷起动温度至少低 10。由于倾点一般比凝点高 3，那么，对于我国的阻化变压器油来说：
11、DB-10 DB-25 B-45对应的倾点 -7 -22 -42最低冷起动温度 3 -12 -32所以三种油的新编号应分别为 I3、I-12和 I-32。6. 变压器油在变压器中的作用6.1 绝缘怎么反映它的绝缘性能好呢？4 个参数都比较好。电阻率比较大，高达 1013cm；相对介电系数不算大，2.2；介质损耗系数比较小，小于 0.5%；击穿电压比较高，6 万伏以上。6.2 散热较历史上绝缘液体不差。二、变压器油技术指标相对介电系数：两个带电点在绝缘材料中的相互作用力，比在真空中小 r（静电单位制）倍；装有绝缘材料的电容器的电容，比真空电容大 r（米千克秒制）倍。说明绝缘材料在电场下的极化特性
12、。 （乙醇的 r为 25.7；水的为 81.5） 。作为绝缘材料， r不能太大，作为储能元件的电容器， r不能太小。第 5 页,共 17 页未使用过的变压器油技术要求及试验方法（IEC 60296:2003）性能 试验方法 单位 要求1 功能特性粘度（40） GB/T 265 mm2/s 12粘度（-30） (1) GB/T 265 mm2/s 1800倾点 (1) GB/T 3535 -40水含量 IEC 60814 mg/kg 30 (2)/40（3）击穿电压 GB/T 507 kV 30/70 (4)密度（20） GB/T 1884或 ISO 12185 g/mL 0.895介质损耗因数
13、（90） GB/T 5654或 IEC 61620 0.0052 精炼/稳定性外观 清澈透明，无沉淀物和悬浮物酸度 IEC 62021-1 mgKOH/g 0.01表面张力 GB/T 6541 mN/m 无通用要求 （5）总硫含量 BS 2000 第 373 部分或 ISO 14596 无通用要求腐蚀性硫 DIN 51353 无腐蚀性(U)未阻化油 检测不出(T)微阻化油 0.08抗氧添加剂(I) 阻化油IEC 60666 %0.080.402-呋喃甲醛含量 IEC 61198 mg/kg 0.13 运行性能总酸度 mgKOH/g 1.2油泥IEC 61125（方法 C）试验时间：(U)未阻化
14、油：164h(T)微阻化油：332h(I)阻化油：500h % 0.8氧化稳定性介质损耗因数（90） GB/T 5654 0.500析气性 IEC 60628（方法 A） L/min 无通用要求4 健康、安全和环境性能（HSE）闪点 GB/T 261 135稠环芳烃含量 BS 2000 第 346 部分 % 3多氯联苯含量 IEC 61619 % 检测不出（1）把倾点定为-40的原因是：-30是变压器的最低冷起动温度，可根据每个国家的气候条件进行调整，倾点应当比最低冷起动温度低至少 10。1.运动粘度液体受外力作用移动时，分子间会产生内摩擦，表现出具有粘度。从化学上讲，这种内摩擦力就是分子间的
15、相互作用力。变压器油是一种液体，因而也具有粘度这一性质。变压器油粘度的表示方法有多种，现国标规定的是运动粘度。国外尚有采用赛氏、雷氏和巴氏等粘度的，这些粘度也都是条件粘度，可按公式换算为运第 6 页,共 17 页动粘度 4。运动粘度又称动粘度或内摩擦系数，是液体的动力粘度 与同温度下液体密度 的比值，用符号 表示。由于粘度受温度影响明显，故提到粘度时必须指明温度。温度 t()的运动粘度以 t表示。 IEC60296:2003 规定40下的运动黏度12mm 2/s2倾点尽管 IEC 602962003 取消了“凝点”而只保留了“倾点”,但要想对倾点进行说明，却不能不涉及变压器油的凝固。如前所述，
16、变压器油是一种复杂的混合物，因而它不可能有确定的凝点。但若给变压器油降温，它必然逐渐变粘稠，流动性逐渐降低，最后完全不能流动，成为固体。为了表征油品的这一性质，人们提出了倾点的概念。所谓油品的倾点是指油品在规定的试验条件下，凝结为固体后，在室温下放置 5s，又熔为液体，发生流动的最低温度。倾点又称流动点，二者均译自英文“pour point” 。IEC60296:2003 规定倾点-40（因为最低冷起动温度推荐为-30） 。3.含水量水分影响绝缘材料的老化速度和绝缘性能，对于变压器油来说也是如此。在温度高达 30 多度、湿度高达 70%以上的湿热条件下，水在各种油品中的溶解度可达 5070mg
17、/kg。这个量尽管不大，却能大大降低油的击穿电压。若含水量继续升高，油将发生乳化，丧失绝缘性能。为此，生产和使用油的部门都必须严格控制含水量。一定要知道：随着温度的升高，水在油中的溶解度是升高的。在这种情况下，水是溶质，油是溶剂。真空脱水脱气时加一加热，是为了降低油的黏度。而不是靠温度将水蒸发掉。IEC60296:2003 规定新油含水量30mg/kg。4击穿电压击穿电压和试验条件紧密相关，这些条件包括：施加电压的波形、频率、峰值因数、试验变压器的短路电流、电极的形状、电极间距离、电极表面状况、油杯容积、升压速度、试验时的温度、湿度。由于平行试验分散性大，故一般要做几次试验，取所有结果的平均值
18、。这样从油倒入油杯到首次击穿的时间、每次间隔的时间、间隔期间内是否搅拌油样也都影响试验结果，成为必须严加控制的试验条件。在所有这些条件中，电极的形状、电极间距、电极表面状况对试验结果影响最为明显。可以说，不指明试验方法的击穿电压、不严格按规定条件测定的击穿电压是毫无意义的。IEC60296:2003 规定新油击穿电压30kV,试验室处理后70kV。5. 密度变压器油单位体积的质量称为变压器油的密度，其单位为 g/cm3或 kg/m3，第 7 页,共 17 页以 表示。由于油的密度受温度影响较大，提到密度必须指明温度。温度 t的密度，以 t表示。IEC60296:2003 规定的密度为 20的密
19、度，因此以 20表示。测定变压器油的密度在生产实际中有重要意义。一是根据密度的变化看是否发货发错了；二是控制变压器油密度不得过高。若变压器油密度过高，比如高于标准要求的 0.895 g/cm3，那么当油温低达 0及以下时，它就会高于冰的密度，在极低温度下运行或停放的充油设备中就有可能出现浮冰 2。因此，对于变压器油来说，只要不影响油的其他性质（如闪点） ，密度低一些为好。IEC60296:2003 规定油的密度0.895g/mL。6介质损耗因数（tan）由于少量自由电荷和极性分子的存在，在高场强下，变压器油不仅通过电容电流，还通过电导电流和极化电流，消耗有功功率，这种现象被称为变压器油的介质损
20、耗。三种电流的概念：衡量变压器油介质损耗的大小常用介质损耗因数（tan） 。电容电流的相位比电压超前 90 度角，而由电容电流、电导电流和极化电流三者构成的总电流不是超前 90 度角，只是超前（90-）度角，即滞后于电容电流 度角。 被称为介质损失角，其正切 tan 为有功电流与无功电流的比值，称为介质损耗因数。变压器油的介损和变压器、互感器、套管的介损具有相同的物理含义。给极板（导体）加个电压，作为绝缘材料会有微小电流通过，为什么电流的相位比电压超前 90 度呢？因为电容器的电流：I=dq/dt=Cdu/dt是一个变化率，二者是导数关系。因为电容器漏电和极化，极板上的电荷聚集得不那么快，所以
21、才不是正好超前 90 度。那么，到底超前多少度呢？90 度减去滞后的角度就是实际超前度数。滞后的 是多少度？比如 IEC60296：2003传导电流：由于带电粒子的定向移动造成。位移电流：一个假设的电流。打比方，当电容充电时，不断有电子涌入电容两板，但电容两板之间却没有电流流动，因为电容相当于开路，电流在两板之间“断开 ”了。为了让电流连续下去，不妨假设电容两板之间仍然有电流流动，这就是位移电流。极化电流：当介质被极化时，原本呈电中性的粒子的正负电荷被拉开，在拉开过程中正、负电荷产生位移，也就是有电流，这就是极化电流。第 8 页,共 17 页规定新油介损值不大于 0.5%，即 0.005，求
22、0.005 的反正切，即arctg=0.286（度） ，那么超前角度是 89.714 度。相当的时间：交流电变化一周需要 50 分之 1 秒，即 0.02 秒，电流超前电压 90 度，即 4 分之 1 周，也就是 0.02/4=0.005 秒即 5 毫秒。一周 360 度，1度相当于 0.02/360=0.0000555 秒，滞后 0.286 度，相当于0.00005550.286=0.0000158 秒=0.0158 毫秒，实际超前 4.9842 毫秒。7酸度（也叫酸值）变压器油的酸度是指中和 1g 试油中的酸性组分所消耗的氢氧化钾的毫克数。由于油中的酸不是单纯一种，且分子量不同，因而无法将
23、氢氧化钾的毫克数换算为酸的毫克数，只能以 mgKOH/g 表示。显然氢氧化钾耗量越大，含酸就越多。变压器油中所含酸性物质为无机酸和全部有机酸的总和，有些国家把酸度称为总酸度。新变压器油的酸度一般都很小，随着保管和运行时间的增长，变压器油的酸度会越来越高，这也就是通常所说的酸败，其实质是某些原子团被氧所氧化而成为酸性基团，因而用酸度判断油的老化程度是非常灵敏的。IEC60296:2003 规定新油的酸度0.01mgKOH/g。8界面张力变压器油的界面张力是指变压器油与纯水之间的界面所具有的张力。由于油分子与水分子极性不同，并且水的密度大于油的密度，当将二者注入同一个容器中时，水总是在下，油总是在
24、上，两相之间存在着一个明显的界面。在每一相的内部，每一个分子受到周围分子作用的合力为零，宏观上不存在力场。而处于界面上的分子，一侧受到同相分子的作用，另一侧受到异相分子的作用，并且异相分子的作用力小于同相分子的作用力，从而在构成界面的两相表面上便各自形成一种具有收缩趋势的宏观力，这就是界面张力。通常用单位长度上的力来衡量界面张力的大小，其单位为 mN/m。由于界面张力受温度影响明显，所以提到界面张力必须指明温度。一般情况下，各标准、文献中出现的界面张力都是 25下的界面张力。变压器油所含极性物质（亲水性物质）越少，油分子的极性越小，处于界面上的油分子和水分子之间的作用力越小，界面张力就越高。如
25、 15.8.1 所述，极性分子的存在使得高场强下的变压器油通过极化电流，消耗有功功率，因此，人们希望变压器油中的极性分子尽可能少一些，相应地，也就希望变压器油的界面张力尽可能高一些。GB 2536-1990 规定新变压器油的界面张力不得小于40mN/m，而 IEC 60296:2003 对界面张力“无通用要求” ，同时在注释中说明：“在用作通用要求的场合，推荐最小值为 40mN/m。 ” 9总硫含量和腐蚀性硫总硫含量是指变压器油中含有的各种有机硫化物（organo-sulfur compound）的总和。这些物质可能会腐蚀金属。有证据表明，投运时总硫含量高的变压器油，随着运行年限的增加，油中铜
26、的含量不断增高，从而导致油的第 9 页,共 17 页电阻率下降。这一现象的机理是：铜线受到有机硫化物的腐蚀，铜锈脱落到油中，增大了油在直流电场下的电导电流。在石油的炼制过程中，人们总是想办法把它们脱除。IEC60296:2003 对此：无通用要求。腐蚀性硫是指变压器油中含有的对钢、铜和银（开关触头用）有很强的腐蚀作用的硫化物。这些硫化物不仅腐蚀金属，对绝缘材料也有很强的腐蚀作用，对充油电气设备危害极大，在变压器油中是不允许有的，因此：IEC 60296:2003 对腐蚀性硫的规定为“无腐蚀性” 。10抗氧化添加剂含量这是炼油厂做的项目。不加抗氧剂老化得很快。分三种：不加；少量加：0.08%；
27、OH CH 3加入：0.08%0.40% C C CH 3加入的多是：2，6 二叔丁基对苯甲酚： H 3C CH3 CH3 112- 呋喃甲醛含量O H CH2OH O COH HO H H H OH OH OH糠醛 H 右旋葡萄糖 C6H12O6碳水化合物的来历这个名字是学名，由于最早被发现于米糠之中，所以也叫糠醛。纯净的糠醛在室温下为无色液体。糠醛的工业用途很广，在炼油行业它被用于精制电力用油，这也就是所谓溶剂精制。作为溶剂，糠醛对油中理想组分（有利于油的各项性能指标的组分）溶解能力并不强，但对一些非理想组分（不利于油的各项性能指标的组分，例如环烷酸、多环短侧链的芳香烃和环烷烃、杂环化合物
28、、沥青等）却有着较强的溶解能力。将糠醛按一定比例和油混合，油中的这些非理想组分就会溶解到糠醛之中。糠醛密度 1.598g/mL，沉到下部，将糠醛和油进行分离，便达到对油进行精制的目的。依靠糠醛和油的自然分层，虽然实现了对油进行精制的目的，但必然也会有少量糠醛残留于油中，这是人们所不希望的。为此，在精制之后，还要对油进行重蒸馏，以尽可能脱除残留糠醛。所以，IEC 60296:2003 规定新油中糠醛含量不得大于 0.1mg/kg。随着变压器运行年数的增加，变压器油在不断老化，老化产物不断增加，但是却不会生成糠醛，油中糠醛含量不应该发生变化。但实际上糠醛含量却在不断升高。新生成的糠醛来自于绝缘纸板
29、的老化。绝缘纸板的化学成分为纤维素，纤维素是由多个葡萄糖分子构成的分子量高达一百万至二百万的大分子化CH3CH3第 10 页,共 17 页合物，其老化过程是一个脱水降解过程，在最终水解为葡萄糖的漫长而复杂的化学反应中，生成和葡萄糖分子结构（见前面结构式）相似的副产物糠醛是比较容易的，并且，老化程度愈深，糠醛含量愈高。因此，依据运行油中糠醛含量可以大致判定变压器绝缘的老化程度。12. 氧化稳定性通氧气、加热一定时间后测油的酸值、沉淀物、介损。按 IEC61125,加抗氧化剂的油加热 500h。IEC60296:2003 规定：酸度1.2mgKOH/g；沉淀物0.8%；介损0.500。13析气性在
30、电场作用下变压器油吸收或放出气体的能力，称为变压器油的析气性。这一定义是和试验方法紧密相关的。变压器油有很强的吸气能力，若含气量未饱和，则势必继续吸气，若含气量达到饱和或过饱和，在温度、压力发生变化时，就可能放出气体，似乎不存在某种油是吸气、某种油是放气的析气属性。然而试验方法都规定析气性试验要在某种气体和为该气体所饱和的油两相共存的电极系统中加电压进行，这就将含气量状态限定在了饱和点上。在饱和点上，在高压电场中，油品的吸气或放气不是溶解或释放，而是化学结合或裂解。这样，析气性就有正有负，用油吸收或放出气体的速率去衡量，单位为L/min，放气为正，吸气为负。不少国家的标准都规定，变压器油的析气
31、性不得大于某一正值。由此可以看出，他们是希望变压器油有一定的吸收气体能力，而不能放出过多的气体。IEC60296:2003 对析气性没有具体要求。克炼指标：+5L/min。14. 闪点变压器油虽不是易燃油，但毕竟是可燃液体，在遇到明火时存在着着火爆炸的危险。为此，需要测定变压器油的闪点。所谓闪点就是在规定条件下将油品加热，油蒸汽与空气的混合物遇明火发生燃烧的最低温度。很明显若油中易挥发组分多，油品的闪点就低，反之就高。IEC60296:2003 规定：闪点135。15. 稠环芳烃含量稠环芳烃就是很多个苯环连在一起的芳香烃。开始时讲过，各种变压器油含芳香烃的比例大约为 3%15%。在这些芳香烃中，一定会有一定比例的稠环芳烃。芳香烃提高油的吸气性，增强油的抗氧化能力，但某些稠环芳烃却是致癌物。所以，控制这个指标是从保护人体健康考虑的。IEC60296:2003 规定的试验方法是 BS2000 第 346 部分，稠环芳烃含量3%。16多氯联苯含量
