500 kV超高壓充油海纜絕緣油混合替代研究

夏俊峰， 仲偉霞， 李 闖， 徐曉峰， 孫建生， 黃賢球

(1.上海電纜研究所，上海200093;2.南方電網有限責任公司超高壓輸電公司，廣東 廣州510405)

0 引言

近20年來，隨著交聯聚乙烯絕緣電纜的迅速發展，國內高壓充油電纜的生產和工程需求處于停頓狀態。但在超高壓應用場合，絕緣高壓電纜的運行經驗不如充油電纜成熟，充油電纜仍具有一定的優勢。而絕緣油是制造充油電纜的關鍵材料之一，它的組成和性能對500 kV超高壓充油電纜中油紙絕緣的絕緣性能起著至關重要的作用，其運行穩定性和可靠性對高壓線路系統和電纜終端的安全運行十分重要［1］。

我國從上世紀70年代開始，采用國產烷基苯合成油生產充油電纜，性能達到國外同類產品水平(均采用合成洗滌劑烷基苯原材料，經過絕緣油處理工藝后制成烷基苯合成油)。目前南方電網瓊州海峽500 kV海底電纜線路采用日本進口的合成絕緣油作為填充介質，其生產受國外廠商限制，業務聯系周期長，價格較高且運送困難，購置、管理和使用均有相當不便。若能實現超高壓電纜絕緣油的國產替代，既可節約運行維護成本，又能促進高壓輸電設備國產化進程的推進和發展。因此，研究采用高品質國產電纜絕緣油替代進口油，具有較大的經濟效益和社會意義。

本文通過采用多種對油品理化性能及電氣性能的測試手段，結合紅外光譜(FTIR)及氣相色譜－質譜聯用儀(GC-MS)等化學結構及成分分析技術，對國產烷基苯合成油與南網進口充油電纜用烷基苯合成油進行性能對比分析，并根據可能的運行情況，按照不同配比將國產油與進口油進行混油，測定其物理、化學、電氣特性，考察國產油的性能是否能夠達到與進口油相當的水平，以及混合油是否能滿足500 kV充油電纜用油的質量要求，綜合評估國產烷基苯合成油混合替代500 kV海纜進口充油電纜用烷基苯合成油的可行性。

1 概述

電纜油和浸漬劑是充油電纜的關鍵材料之一，它的組成和性能對電纜線路的安全運行有很大的影響。在充油電纜發展的早期，一直采用低粘度的礦物油作為充油電纜的浸漬劑。自上世紀80年代初以來，隨著石油化學工業的飛速發展，礦物油已逐漸淘汰，以烷基苯系和聚丁烯系等合成油為主的絕緣油大量應用于充油電纜及其它高壓電器設備中。對于高壓電纜的絕緣油，合成油普遍替代了礦物油。在合成油中，聚丁烯系合成油多用于鋼管充油電纜和壓力電纜，屬中粘度或高粘度油;烷基苯系合成油多用于自容式充油電纜，屬低粘度油。

十二烷基苯(DDB)是由烷烴或烯烴與苯直接合成得到，是毒性最低的合成油之一。十二烷基苯油屬于弱極性材料，具有粘度低、介質損耗低、對金屬材料的老化穩定性好、擊穿場強高、電場析氣性優異、可與石油質電纜油任意混用等優點，目前廣泛應用于自容式高壓充油電纜及其附件的浸漬和填充［2］。

2 試驗方案

2.1 油品采集

本研究采集的絕緣油樣品可分為進口油品與國產原始新油及經二次提純處理的國產油三類。其中進口油品取自南方電網瓊州海峽500 kV充油海底電纜線路某終端站，系日本進口的烷基苯系合成絕緣油。國產原始新油取自南京某企業生產的十二烷基苯合成油。該公司生產的十二烷基苯油已被國內多家電纜廠商采購，且已有應用于220 kV充油電纜的運行經驗。提純國產油樣品則是對前述國產新油做進一步的提純精制，其目的是通過提純油品與原始油樣及進口油樣的性能對比，考察國產油品與進口油品的性能差異，借此評估進國產油品替代進口油品的可行性。

2.2 絕緣油的性能測試

如前所述，用于充油電纜的絕緣油可分為石油質電纜油和合成式電纜油，分別由石油原油煉制和化學合成得到，不同烴類的組成很大程度決定其性能表現。在原油制成后，還需經過酸堿水洗、白土吸附過濾等工藝進行精制，以提高純度，提純工藝的水平也直接影響油品理化性能和電氣性能。同時，充油電纜在運行過程中，因氧化、受潮、過熱、局部放電等因素，絕緣油的品質會發生變化，造成絕緣性能下降，影響電纜的安全運行;絕緣油的老化和劣化過程也會引起絕緣油的理化性能和電氣性能的改變［3］。因此，絕緣油的品質可通過測定其成分組成、理化性質和電氣性能的相關參數來進行評價。

本研究將從以下方面對油品的性能進行評估，主要包括:油品成分的光譜、色譜分析，運動粘度、閃點、酸值等理化性能測試項目，擊穿電壓、介損、體積電阻率等電氣性能測試項目。這些技術指標涵蓋了絕緣油的物理、化學、電氣三方面特性，同時在國家標準中也對絕緣油在這些技術指標上需滿足的要求作了嚴格規定［4］。

2.3 技術路線

(1)油品老化前的分析測試

對進口絕緣油與國產絕緣油進行結構分析與性能測試，分析兩種油品的組分差別，研究兩種油品的混溶性，且電氣與理化性能指標能否達到500kV充油海纜用絕緣油的要求。

利用紅外光譜對油品進行定性分析，及液相色譜的定量分析，對比研究國產絕緣油與進口絕緣油的組分差異，從油品的化學成分角度考察國產油替代進口油的可行性。

對進口油/國產油不同配比混合后的油樣進行紅外光譜分析，研究混合油與進口油組分的差別。

通過理化性能和電氣性能測試，分析評估國產提純處理過的絕緣油是否具有與進口絕緣油相近或相同的理化和電氣性能，評估進口油與國產油混合后是否能達到500 kV充油電纜用絕緣油的性能要求，通過研究為混合替代的可行性提供技術支持。

(2)不同配比混合油的老化測試

通過模擬老化，研究國產、進口及不同混合配比絕緣油品的電氣和理化性能，研究其是否滿足500 kV充油海纜用絕緣油的要求。

理化性能和電氣性能測試，分析混合油是否具有與進口油相似的老化性能，適度老化后性能是否達到500 kV充油海纜用絕緣油的性能標準(熱老化和與銅共存老化)。

通過紅外光譜對老化后的絕緣油進行分析測試，對比老化前后化學成分的差異，分析研究老化對油樣化學成分的影響，根據老化前后的紅外分析進行電氣性能分析。對比研究混合油與進口油老化性能差異，分析評估混合替代的可行性。

3 試驗數據及分析

3.1 進口、國產絕緣油的成分分析

(1)紅外光譜(FTIR)分析

圖1 進口油和國產絕緣油的FTIR譜圖

FTIR分析見圖1，從圖1可以看出，進口油與國產絕緣油相似在各對應的位置處，顯示了特定基團的紅外反射峰。兩個譜圖相對比，匹配度高達99.7%。這說明國產絕緣油與進口絕緣油的成分非常相近。

將進口絕緣油與國產絕緣油按不同的比例混合，再與國產絕緣油的紅外譜圖對比，匹配度均在99.7%以上，其隨國產油的比例增加，匹配度最高達99.9%，詳見表1。

表1 進口、混合油與國產油的紅外譜圖匹配度

(2)GC-MS分析

借助GC-MS技術則可以對國產絕緣油、進口絕緣油的具體成分、含量及組成的差異做定量分析。在GC-MS實驗中，國產絕緣油編號為“homemade oil”;進口絕緣油編號為“import oil”。實驗結果如圖2所示。

從圖2可以看出國產絕緣油與進口絕緣油的主要成分相似，與FTIR測試結果一致。但國產油在較低時間位置點(6.00 min)附近和較高時間位置點(10.29 min，10.47 min)都有組分分離出，但峰的高度有限，可見對應的組分溶度較低。將圖2中的出峰點與對應物質解析后得知，國產油與進口油的主要成分相同，均為烷基苯系的混合油，只是混合的組分濃度有所差別。具體組分構成為:1)國產絕緣油組分。癸烷基 －苯系，9.05%，十一烷基 －苯系，31.86%，十二烷基－苯系，34.5%，十三烷基－苯系，23.69%;2)進口絕緣油組分。癸烷基－苯系，11.08%，十一烷基－苯系，30.41%，十二烷基－苯系，33.3%，十三烷基－苯系，24.86%。

(3)理化、電氣性能分析

圖2 GC-MS測試結果

表2為進口、國產絕緣油處理前后油樣的性能結果及與技術指標的對比。從表2中數據可以看出，對于未處理的油樣，其電氣性能(擊穿電壓、介質損耗等)明顯低于處理后的國產絕緣油的相應指標，且低于絕緣油技術指標的相應要求。國產絕緣油經過濾處理后，油樣各項測試指標與進口絕緣油相當，均達到或超過絕緣油的技術指標要求。國產絕緣油的過濾提純處理工序非常必要且重要。

表3為不同配比的混合油樣的理化、電氣性能測試結果。從表3中可以看出，混合后樣品的各項測試性能結果均與國產純油(提純后)及進口純油接近，且均能滿足絕緣油性能指標的要求。

3.2 絕緣油的老化研究

老化研究主要從國產絕緣油與進口絕緣油本身的老化情況開展。按試驗規范要求，國產絕緣油和進口絕緣油各取1000 ml置于烘箱中，經115℃、96 h的老化處理。取出樣品進行如下分析。

(1)老化油樣的成分

分別取適量老化后的進口絕緣油(實驗編號:4#)和國產絕緣油(實驗編號:6#)進行GC-MS分析，其結果如圖3所示。

從圖3中可以看出，老化后的國產絕緣油、進口絕緣油樣品的主要出峰時間點也很相近，與圖2中未老化絕緣油的GC-MS結果比較，老化后的絕緣油各組分從色譜柱中分離出的時間有所延長。將圖3中的出峰點與對應物質解析后得知，兩種油品老化后的國產絕緣油主要組分及含量相近，但原先含有的一些微量組分有所減少，說明在老化處理過程中，油品中一些熱穩定性差的組分發生了分解。

表2 進口、國產絕緣油處理前后油樣的性能結果及與技術指標的對比

表3 不同比例混合絕緣油的理化、電氣性能結果

(2)理化、電氣性能

老化后的國產絕緣油與進口絕緣油的理化、電氣性能結果見表4。結果表明:1)老化后的國產絕緣油，其運動粘度明顯減小，油的流動性提高;閉口閃點沒有明顯變化;酸值略有增大;介損增大;擊穿電壓降低。這說明經老化處理，國產絕緣油發生了一定程度的老化，其理化、電氣性能等發生不同程度的降低。2)老化后的進口絕緣油，運動粘度也略有減低，油的流動性提高;閉口閃點有所減低;酸值明顯增大;擊穿電壓下降;介損增大。從電氣性能的降低幅度也可以進一步得知，經老化處理后，進口絕緣油老化較國產油更為明顯。

表4 不同比例混合絕緣油的理化、電氣性能結果

圖3 老化油GC-MS測試結果

3.3 絕緣油與金屬共存的老化性能研究

絕緣油的熱穩定性與老化過程中有無金屬催化劑及金屬類型有關。已有研究表明，鋁對石油質自容式充油電纜油的老化性能基本沒有影響，鉛和錫次之，而銅對石油質自容式充油電纜油的老化穩定性有嚴重的影響。本研究中將國產絕緣油和進口絕緣油各1000 ml，分別加入金屬銅1000 cm3(注:金屬加入量為1 cm3/1mL)置于烘箱中，經115℃、96 h的老化處理。對取出樣品進行理化及電氣性能測試，測試結果見表5。

表5 與銅共存老化后的國產、進口油性能測試結果

表5結果顯示:國產絕緣油和進口絕緣油與銅共存經老化處理后，兩種油品都發生了明顯的老化，劣化程度相近，理化、電氣性能明顯減低，部分試驗值低于性能指標。與銅共存的老化比單一熱老化效應更明顯，銅在這一過程中起了催化老化的作用。

4 結論

(1)未處理的國產絕緣油含雜質較多，其粘度和介損偏高，不能直接與進口油混用，需經過進一步提純處理。提純后的國產油品質，各項指標均有不同程度的改善，尤其是電氣性能指標，可達到絕緣油的相關技術指標要求。

(2)提純后的國產絕緣油具有較好的理化和電氣性能。國產絕緣油與進口絕緣油主要化學成分相同，均為烷基-苯系的混合絕緣油，只是極少量的組分存在差異。國產絕緣油與進口絕緣油混合相容性好。

(3)通過多種比例的混油實驗，證明國產油可以與進口油混合使用。混合油具有與進口絕緣油相近或相同的理化和電氣性能。

(4)國產絕緣油與進口絕緣油的熱穩定相當。

(5)銅的存在起到了催化老化的作用，在實際使用中應注意跟蹤評估。

［1］陳凌云，朱熙樵，李泰軍.海南聯網工程海底電纜的選擇［J］.高電壓技術，2006，32(7):39-42.

［2］《電線電纜手冊》編委會.電線電纜手冊(第2冊)［M］.北京:機械工業出版社，2009.

［3］郝 建，楊麗君，廖瑞金，等.混合絕緣油對油-紙絕緣熱老化速率的延緩原因分析［J］.中國電機工程學報，2010，30(19):121-125.

［4］曹小虎，曹小龍，梁曉淼，等.電力設備絕緣油的檢驗［J］.機械研究與應用，2009，22(2):114-116.