低溫開關用礦物絕緣油的研制

馬蕊燕,柯友勝,張美瓊,何軍,羅慶華

(中石油克拉瑪依石化有限責任公司煉油化工研究院，新疆 克拉瑪依 834003)

0 引言

在我國，油開關也稱做油斷路器(以下均稱為油斷路器)，是以密封的絕緣油作為開斷故障的滅弧介質的一種開關設備。試驗表明，當用開關電器斷開電流時，如果電路電壓不低于10～20 V，電流不小于80～100 mA，動觸頭和靜觸頭之間會產生火花，這個火花就是電弧。此時電流通過電弧繼續流動，一直到動觸頭拉開足夠長距離時，火花熄滅，電流才被真正切斷。電弧是高溫高導電率的游離氣體，是一種具有強光和高溫的電游離現象，其高溫區域可達5000 ℃以上，這不僅對電器設備有很大的破壞作用，而且使斷開電路的時間延長，有很大的危害[1]。多油斷路器和少油斷路器都要充油，其作用是滅弧、散熱和絕緣。當油斷路器的動觸頭和靜觸頭互相分離時，會產生電弧[2]。電弧的高溫使其附近的絕緣油蒸發氣化和發生熱分解，生成滅弧能力很強的氣體(主要是氫氣)和壓力較高的氣泡，使電弧本身也很快被熄滅。因此我們使用絕緣油作為滅弧介質。

低溫開關油是在戶外寒冷氣候條件下用于油斷路器的一種絕緣油，起絕緣和滅弧作用。目前，國內低溫開關油專用產品較少，用戶普遍以變壓器油替代，但變壓器油的絕緣性能及低溫性能均無法滿足開關設備在低溫下的使用要求，開斷短路電流后生成的游離碳大，介電強度下降較大，在一定程度上影響開斷性能和運行性能[3]。因此開展了低溫開關礦物絕緣油的研制。

1 低溫開關油的技術要求

1.1 國內標準

2012年6月1日，GB 2536-2011《電工流體 變壓器和開關用的未使用過的礦物絕緣油》標準正式頒布，原有斷路器油標準SH 0351-1992《斷路器油》作廢，GB 2536-2011中低溫開關油的技術要求和試驗方法見表1。

表1 GB 2536—2011標準對低溫開關油技術要求和相關試驗方法[4]

GB 2536-2011標準對低溫開關油提出了全面和完善的性能要求：

(1)將低溫開關油的最低冷態投運溫度(LCSET)設定為-40 ℃。最低冷態投運溫度(LCSET)是區分絕緣油類別的重要標志之一。應根據電氣設備使用環境溫度的不同，選擇不同的最低冷態投運溫度(LCSET)，以免影響泵、有載調壓開關(如果有)的啟動。

(2)當環境溫度降到一定程度，將使開關設備的速度下降，有時不設置必要的加熱器，就會影響斷路器的使用性能[5]，因此規定低溫開關油的40 ℃運動黏度不大于3.5 mm2/s；同時對-40 ℃運動黏度和傾點的要求較苛刻，規定低溫開關油的-40 ℃運動黏度不大于400 mm2/s，傾點不高于-60 ℃。

(3)對油品的氧化安定性提出了指標要求。

(4)提出了健康、安全和環保特性的性能要求，包括閃點、多環芳烴含量、多氯聯苯含量。

(5)增加了2-糠醛含量、腐蝕性硫等檢測項目。

1.2 國外標準

國際電工委員會(IEC)成立于1906年，是世界上成立最早的國際性電工標準化機構。IEC于2012年2月20日正式發布和實施了IEC 60296-2012標準第4版《電工流體 變壓器和開關用的未使用過的礦物絕緣油》。IEC 60296-2012標準對低溫開關油的技術要求和相關試驗方法見表2。

表2 IEC 60296-2012標準中低溫開關油的技術要求[6]

與上一版本標準IEC 60296-2003相比，IEC 60296-2012標準增加了顆粒度含量、潛在腐蝕性硫、DBDS(二芐基二硫化物)、金屬鈍化劑等檢測項目。設置這幾個檢測項目的意義在于：

(1)低溫開關油的顆粒度含量對開關設備的絕緣性能有較大影響。油中存在的顆粒主要是非金屬類雜質，其本身不會對設備產生較大的影響，但是據有關專家表明：如果水分和雜質共同存在時，其對絕緣的影響會明顯增加[7]。近年來，有一定數量的開關設備事故被認為是油品顆粒度所導致的[8]，因此對油品顆粒度的研究受到各制造商和用戶的普遍關注。

(2)近年來，國內外電力行業發生了多起因變壓器絕緣油中含有腐蝕性硫導致的變壓器絕緣擊穿事故，抑制腐蝕性硫問題成為研究人員關注的重要問題[9]。在因腐蝕性硫引起的事故中，變壓器油中的硫化合物與變壓器繞組銅線發生反應，生成Cu2S沉積在變壓器絕緣紙上，最后可以引起變壓器及其他電氣設備事故[10]，其中DBDS是造成絕緣紙上Cu2S沉積的主要腐蝕性硫[11,13]。

(3)添加金屬鈍化劑是被廣泛應用的能抑制銅硫化物沉積的有效方法。但是加入金屬鈍化劑后會使油品氧化后的酸值增大[12]。

2 研究內容

2.1 原料的選取

選取高壓加氫生產A油方案時生產合格的煤油、柴油，生產B油方案時生產合格的煤油、柴油，以及生產的輕質白油C油以及D油作為低溫開關油的原料，并且將每種方案的煤油、柴油按照自然比進行調合，原料油的性質分析如表3所示。

表3 低溫開關油原料油性質分析

從表3中的性質分析可以看出：A油方案煤柴油調合樣、B油方案煤柴油調合樣以及輕質白油C油，40 ℃和-40 ℃運動黏度均比較小，但是閉口閃點相比GB 2536中低溫開關油的指標要求(閉口閃點要求不低于100 ℃)，存在偏小以及卡邊的情況，因此可以將A油方案煤柴油調合樣、B油方案煤柴油調合樣進行窄餾分切割，選取適宜的餾分段作為低溫開關油基礎油1和基礎油2，將輕質白油C油和D油按照一定比例調合作為低溫開關油基礎油3。

2.2 低溫開關油基礎油性質評定

基礎油1、基礎油2以及基礎油3性質分析如表4所示。

表4 低溫開關油基礎油性質分析

從表4中的性質分析可以看出：基礎油1、基礎油2和基礎油3均滿足GB 2536-2011中低溫開關油的技術要求和試驗方法。

2.3 低溫開關油氧化安定性評定

電器絕緣油要求油品有較長的使用壽命，因此要求絕緣油有良好的抗氧化安定性。當油品與空氣和鐵、銅金屬接觸而導致氧化，會造成設備的腐蝕，使油品的電氣性能變壞，所以對油品的氧化安定性提出更高的要求，因此需要添加抗氧劑來提高油樣的抗氧化安定性能。實驗室在低溫開關油基礎油1、基礎油2和基礎油3中分別加入0.3%的酚型抗氧劑H，抗氧化性能按照IEC 61125C法進行評定，評定結果如表5所示。

表5 氧化安定性評定結果

從表5中的數據可以看出：低溫開關油基礎油1、基礎油2和基礎油3中分別加入0.3%的酚型抗氧劑H后，氧化之后的酸值、沉淀以及介質損耗因數都很小，均能滿足IEC 60296中低溫開關油氧化安定性指標要求。

2.4 低溫開關油導熱系數的測定

油品在電氣設備中起絕緣、散熱冷卻作用。 其散熱冷卻作用除與循環速度 (取決于設備黏度及循環泵的流速等)有關外，與低溫開關設備本身的熱力學性質如導熱系數、 比熱容及熱膨脹系數等有很大關系[13]。因此此小節主要考察3個低溫開關油的導熱系數。

進行基礎油1+0.3%抗氧劑H、基礎油2+0.3%抗氧劑H、基礎油3+0.3%抗氧劑H三個方案低溫開關油導熱系數的測定，數據如表6所示，變化趨勢圖見圖1。

表6 低溫開關油導熱系數的測定

圖1 導熱系數變化趨勢

從表6和圖1可以看出：隨著油樣溫度不斷升高，低溫開關油3號的導熱系數減少得最快，低溫開關油1號以及2號導熱系數隨著溫度的升高減少緩慢。

3 與國外同類產品對比

國外生產低溫開關油產品的公司有尼納斯，該公司是全球最大的環烷基油生產商和供應商。尼納斯公司生產的低溫開關油產品名稱為Nyswitcho 3X[14-15],將實驗室研制的一種低溫開關油產品與尼那斯公司低溫開關油Nyswitcho 3X的性質進行分析對比，如表7所示。

表7 低溫開關油與Nyswitcho 3X對比情況

從表7中的數據可以看出：實驗室研制的低溫開關油的低溫性質、介質損耗因數、界面張力與Nyswitcho 3X產品相當，可以用于溫度較低的環境氣候中。從抗氧化安定性來看，實驗室研制的低溫開關油與Nyswitcho 3X產品均比較優異，滿足IEC 60296中低溫開關油指標要求。

4 結論

經過實驗室研究，以高壓加氫車間生產的煤柴油組分以及精密分餾裝置生產的C油、D油為原料，加入優質的酚類抗氧劑可以調合生產出滿足指標要求的低溫開關油，其低溫性質、電氣性能以及抗氧化性能與國外尼那斯公司生產的低溫開關油Nyswitcho 3X產品相當，閃點、多環芳烴(PCA)以及多氯聯苯(PCB)含量均滿足標準要求，具有健康、安全和環保性能。