電氣絕緣用國內外二甲基硅油性能對比研究

朱菲菲　梁西川　陳紅生

摘 要：對KI50Si二甲基硅油的常規性能、粘度-溫度特性、熱穩定性等進行了研究，并與國外某同類產品KF96D-50CS二甲基硅油進行了比較。研究結果表明，KI50Si二甲基硅油有良好的熱穩定性能，總體性能與進口二甲基絕緣硅油相當，適用于牽引變壓器絕緣。

關鍵詞：牽引變壓器；二甲基硅油；電氣性能；理化性能；熱穩定性

引言

硅油用作高等級變壓器合成絕緣油，除了具有優良的電絕緣性能外，還具有燃點高、凝固點低、粘度隨溫度變化很小等優點[1]。相對于礦物變壓器油，硅油變壓器油具有以下比較優勢：①優異的熱安定性，其閃點和燃點約為礦物變壓器油的2倍，難以著火；自燃溫度高達360℃，且具有自熄滅性能；硅油可燃性較低，燃燒熱僅為礦物變壓器油的一半，且熱釋放率也很低[2-3]。②硅油惰性極強，具有很好的抗氧化性能。③硅油幾乎無毒，環保性能優異，不會污染環境[4]。

我國首次在CRH2系列高速動車組牽引變壓器上使用硅油作為絕緣介質，采用的是某進口二甲基硅油，硅油牌號為KF96D-50CS，但考慮進口原材料綜合應用成本較高，有必要對其實施國產化。

本文采用橫向對比方法對國內自主合成生產某型號為KI50Si的二甲基硅油與進口二甲基硅油（以下簡稱硅油）的常規理化和電氣性能、粘度-溫度特性、揮發分以及氧化安定性等進行了試驗研究。

1.試驗

1.1原材料技術指標

KI50Si和KF96D-50CS硅油常規理化與電氣性能對比（見表1）

表1

指標名稱 技術指標

IEC60836 KF96D-50CS KI50Si 試驗標準

外觀 無色透明 無色透明 無色透明 目測

密度（20℃）g/cm3 0.955～0.970 0.9640 0.9649 ISO 3675

運動粘度，mm2/s（40℃） 40±4 37.28 37.32 ISO 3104

閃點（開口），℃ ≥240 312 333 ISO 2592

燃點，℃ ≥340 344 365 ISO 2592

折光率，20℃ 1.404±0.002 1.404 1.404 ISO 5661

傾點，℃ <-50 -62 -66 ISO 3016

總酸值，mgKOH/g ≤0.01 0.008 0.009 IEC60836

水含量，% ≤50 15 20 IEC 60814

擊穿電壓（2.5mm），KV ≥40 65 62 IEC 60156

體積電阻率（90℃）Ω.m >1011 2.82×1012 2.89×1012 IEC 60247

介電常數（90℃） 2.55±0.05 2.527 2.529 IEC 60247

介質損耗因數（90℃） ≤0.001 0.00022 0.00011 IEC 60247

1.2 粘度-溫度特性

按ISO 3104，檢測硅油在-40℃、-20℃、0℃、25℃、40℃、60℃、80℃、100℃、125℃、150℃時的運動粘度，識別硅油運動粘度隨溫度變化特性。

1.3 揮發性

按ASTM D4559，分別在150℃和180℃下處理24h后檢測硅油的低分子揮發性物質的含量。

1.4 氧化熱穩定性

按IEC 61125方法進行試驗，對硅油取樣，重量為25g（±0.1g），硅油中放入銅片，置于180℃（±1℃）處理500h。試驗結束后，測試硅油運動粘度（40℃）、介質損耗變化（90℃）及酸值變化。

1.5 無氧熱穩定性

模擬變壓器運行硅油的實際工況（密閉、無氧、熱），硅油試樣（750ml）中放入銅絲充氮氣保護置于180℃下處理336h，老化后測試硅油運動粘度（40℃）、介質損耗（90℃）、擊穿電壓和酸值的變化。

2.試驗結果與分析

2.1 粘度-溫度特性

硅油不僅是電氣絕緣介質，同時也是變壓器線圈的冷卻劑。硅油的運動粘度對冷卻效果尤為重要[6]，兩種硅油在-40℃、-20℃、0℃、25℃、40℃、60℃、80℃、100℃、125℃、150℃時的運動粘度變化曲線見圖2，由圖可見，兩種硅油的運動粘度-溫度特性相當，且粘度隨溫度變化小，特別適合像牽引變壓器這種油品粘度指數要求高的使用場合。

圖1 硅油運動粘度隨溫度變化曲線

2.2 揮發性

揮發性表征硅油內部低分子物質的含量，揮發份的含量直接影響硅油的閃點，表征產品的精餾水平。從表2數據可見，國產KI50Si硅油揮發份含量更低。

表2 揮發份含量

處理溫度 KF96D-50CS KI50Si

150℃ 0.12 0.06

180℃ 0.38 0.06

2.3 氧化熱穩定性

氧化熱穩定性是評價變壓器用絕緣油的抗老化能力的重要指標。兩種硅油180℃下處理500h后性能指標見表3。

（1）粘度：兩種硅油老化后的運動粘度比老化前均略有增長，且增長水平相當，其誘因是硅油在高溫時被空氣氧化，Si-C鍵斷裂，引起硅油分子間的交聯。

（2）介質損耗：經過180℃、500h老化后，KF96D-50CS和KI50Si硅油的介質損耗與老化前相比均有較大增長，處于10-3數量級同級水平。

（3）酸值：兩種硅油老化后酸值均有增長，且增長水平相當。

以上結果表明，兩種硅油的氧化熱穩定性水平相當。

表3 180℃下老化500h后兩種硅油的性能對比

檢測項點 KF96D-50CS KI50Si

運動粘度

（40℃），mm2/s 試驗前 37.28 37.32

試驗后 38.36 38.23

變化率 +2.89% +2.44%

介質損耗

（90℃） 試驗前 0.022% 0.011%

試驗后 0.39% 0.47%

總酸值，mgKOH/g 試驗前 0.008 0.009

試驗后 0.05 0.04

2.4無氧熱穩定性

無氧熱穩定性試驗模擬變壓器運行硅油的實際工況（密閉、無氧、熱），體現產品使用穩定性，兩種硅油充氮氣保護置于180℃下處理336h，試驗前后性能指標見表4。在無氧環境下，硅油受熱裂解使粘度略有降低；老化后介質損耗因數有所增加，都為10-4級；老化后兩種硅油的酸值都略有增長；老化后兩種硅油擊穿電壓水平相當。

以上結果表明，兩種硅油均具有良好的無氧熱穩定性。

表4 無氧180℃老化336h后兩種硅油性能對比

檢測項點 KF96D-50CS KI50Si

運動粘度（40℃），mm2/s 試驗前 37.28 37.32

試驗后 37.22 37.25

變化率 -0.16% -0.18%

介質損耗（90℃） 試驗前 0.022% 0.011%

試驗后 0.06% 0.04%

總酸值，mgKOH/g 試驗前 0.008 0.009

試驗后 0.009 0.01

擊穿電壓（2.5mm），KV 試驗后 60 61

3.結論

通過對硅油常規性能、粘度-溫度特性、熱揮發性、氧化穩定性和無氧熱穩定性的檢測與分析，結果表明國產KI50Si電氣絕緣用硅油具有與國際上有成熟應用業績的KF96D-50CS硅油產品相當的綜合性能。KI50Si硅油具有本土化（成本）技術優勢，可以取代進口用于牽引變壓器領域，并向高安全性的硅油變壓器領域推廣。

參考文獻：

[1]蔣國柱，趙玉貞等.高燃點變壓器油的性能與應用[J].合成潤滑材料，2010（02）

[2]韓進賢，孫摯.硅油與礦物油用作變壓器油的性能比較[J].有機硅材料，2000（05）

[3]應百川.硅油變壓器[J].變壓器，1988（04）

[4]劉紅.高速鐵路動車牽引變壓器及用油分析[J].石油商技，2010（06）

[5]鄒武.環保變壓器油—硅油[J].電氣制造，2008（12）

[6]顧宗宗.電氣絕緣有機硅油的特性[J].有機硅材料及應用，1991（01）