XLPE高壓電纜終端用硅油性能綜合試驗分析

夏俊峰，徐曉峰，仲偉霞，孫建生，李 闖，李 海

(1.上海電纜研究所，上海200093;2.上海市電力公司檢修公司，上海200942)

0 引言

高壓電纜終端通常借助硅油來增強(qiáng)終端內(nèi)絕緣和界面強(qiáng)度，并使內(nèi)部的應(yīng)力錐部件與外部空氣隔絕［1］。作為液體絕緣填充劑，它的穩(wěn)定性和可靠性對高壓線路系統(tǒng)和電纜終端的安全運行十分重要。

為分析高壓電纜終端及其組部件的運行情況，提供高壓電纜終端狀態(tài)檢修的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，需要對終端用硅油開展研究。通過采用綜合試驗分析手段，對不同型式、不同電壓等級的電纜終端用硅油的原始性能、老化運行特性及故障時的硅油性能進(jìn)行分析研究，找出反映電纜運行狀態(tài)的硅油老化特征，為硅油檢測技術(shù)和判定標(biāo)準(zhǔn)制訂提供依據(jù)。

1 概述

硅油具有卓越的耐熱性、電絕緣性、耐候性、疏水性和較小的表面張力，還具有低的粘溫系數(shù)，較高的抗壓縮性，有的品種還有耐輻射的性能。

硅油具有非常好的電性能與熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性及阻燃性，所以在電絕緣方面的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。尤其是二甲基硅油，與礦物油類絕緣油相比，具有較高的阻燃性，并且對人體、環(huán)境的安全性非常高;與其他絕緣油相比，低粘度硅油存在熱膨脹系數(shù)大、氣體溶解量大、吸濕性高等缺點，在結(jié)構(gòu)設(shè)計及水分管理上要給予充分的注意［2］。

為了有效防止終端的內(nèi)部爬電，增大其絕緣強(qiáng)度，套管內(nèi)部需要充入大量的絕緣介質(zhì)。而硅油憑借其高耐熱性、高電絕緣性以及其它優(yōu)良性能，成為良好的絕緣介質(zhì)選擇［3］。

2 試驗方案

2.1 硅油樣品的采集

本研究采集的硅油樣品可分為未使用的原始油樣及運行現(xiàn)場的運行油樣，未使用的原始油樣從主流附件廠商處獲得。電纜終端用硅油的類型較多，包括粘度在內(nèi)的特性有很大不同。若綜合檢測電纜終端硅油的性能變化，就必須保證采集的硅油樣品具有一定的代表性。不僅要選擇有代表性的不同廠家的純油樣品，而且還要從電纜終端運行的年限、工作環(huán)境、電壓等級等角度考慮確定采樣原則，并需保證一定的樣本量。因此，為保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完備性，在設(shè)計方案時考慮的因素涵蓋了附件廠商、終端類型、硅油品牌、電壓等級、運行年限等多個因素。其使用的原始油樣應(yīng)能代表市場上電纜終端用硅油的原始性能。

運行現(xiàn)場的運行油樣則結(jié)合現(xiàn)場檢修工作，從實際運行的多條電纜輸電線路獲取不同運行年限的油樣。涉及的電纜輸電線路共9條，終端取樣點主要為市區(qū)變電。涵蓋了110 kV和220 kV兩個電壓等級，戶外終端、GIS終端、過渡接頭三種終端類型，運行年限跨度從5年至20年。其中，110 kV線路3條，220 kV線路3條。戶外終端樣品2個，GIS終端樣品6個，過渡接頭樣品1個。

采樣終端按附件廠商分為1#～4#;其中2#為高粘度硅油，其余為低粘度硅油。樣品信息如圖1和圖2所示。

圖1 終端類型及比例

圖2 終端運行年限

2.2 硅油的性能測試

對電纜終端的硅油進(jìn)行全面的性能分析，主要從以下幾個方面進(jìn)行了分析。

(1)酸值

硅油的酸值是一個重要的指標(biāo)，它表示油中含有酸性物質(zhì)的數(shù)量。分析酸值與運行時間及運行環(huán)境的關(guān)系，可以掌握硅油氧化的程度。

(2)運動粘度

運動粘度表征液體在重力作用下流動時摩擦力的量度。它與硅油的流動性能、去氣特性等有密切關(guān)系。

(3)電場析氣性

絕緣油在受到其強(qiáng)度足以引起在油、氣交界中放電的電場(或電離)作用下，油本身表現(xiàn)出吸收或放出氣體的能力。

在工頻電場應(yīng)力的作用下，硅油中部分烴分子可能會發(fā)生裂解而產(chǎn)生氣體，這部分氣體的主要成分是氫氣，它以微小氣泡的形態(tài)從油中釋放出來。但由于它是大分子的聚合物，且主鍵為硅－氧鍵，與而碳－碳主鍵的常規(guī)的小分子的絕緣油相比，結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定［4］。

3 試驗數(shù)據(jù)及分析

3.1 酸值

酸值是一個重要的數(shù)據(jù)，它表示油中含有酸性物質(zhì)的數(shù)量，一般以中和1 g絕緣油中酸性物質(zhì)所需的氫氧化鉀質(zhì)量(mg)來表示。分析酸值與運行時間及運行環(huán)境的關(guān)系(見圖3)，可以掌握硅油氧化的程度。

圖3 酸值與運行時間的關(guān)系

從圖3中可以看出，運行過的硅油和未運行的硅油相比，酸值存在顯著增加的情況。對1#硅油，同一電壓等級的運行5年的硅油和新油相比較，酸值有所增加，但變化不大。對2#硅油，運行時間超過10年時，酸值較原始值增大了2～3倍。但其絕對數(shù)值仍較低，最大值為0.018 mgKOH/g。雖然化工標(biāo)準(zhǔn)(HG/T 2366)未對粘度100以上的二甲基硅油提出酸值指標(biāo)要求，但參考低粘度硅油的酸值要求低限(≤0.03 mgKOH/g)，以及終端的實際運行時間，上述試驗值仍處在較低水平。

上述試驗分析可發(fā)現(xiàn)該項指標(biāo)隨時間變化相對敏感，且呈正相關(guān)性。

3.2 水分

水分含量與終端的電氣性能密切相關(guān)，其變化需重點關(guān)注(見圖4)。

圖4 水分與運行時間的關(guān)系

從圖4中可以看出，運行過的硅油和未運行的硅油相比，水分含量均有所增加，且與原始油的技術(shù)要求有較大差距。1#和2#兩種硅油的試驗值相差近一倍。2#硅油水分含量增量較小，10年后試驗值均在較低水平(＜70 mg/kg);而1#硅油，水分含量增量較大，5年后的試驗值較初始值增加近60%，遠(yuǎn)超原始油的性能要求。這與不同粘度的硅油特性有直接關(guān)系。此外，2#油樣均在GIS終端提取，密封結(jié)構(gòu)與運行壓力不同也是可能原因之一。

3.3 電場析氣性

對于1#和2#硅油，隨運行時間的延長，電場析氣性存在較小的波動，但總體水平較低。例如，運行年限大于5年的1#硅油析氣性指標(biāo)為負(fù)值;2#硅油的析氣性指標(biāo)較為穩(wěn)定，接近于零。

3.4 界面張力

界面張力是由表面過渡層分子間引力差而形成的。一般來說，粘度大的硅油分子間引力較大，界面張力也大(見圖5)。

從圖5可以看出，與前述的酸值和閉口閃點相似，隨著運行時間的延長，1#硅油的界面張力試驗值變小。原因可能是硅油中小分子的活性物質(zhì)(包括水分)含量增加所致。

4 結(jié)論

(1)與未使用的空白硅油相比，不同運行年限的硅油各項指標(biāo)均發(fā)生了不同程度的變化。

圖5 界面張力與運行時間的關(guān)系

(2)受硅油粘度、終端類型、電壓等級、運行環(huán)境及條件等多種因素的影響，各項指標(biāo)的顯著程度有所不同?？紤]樣本量有限，數(shù)據(jù)具有一定的分散性，主要進(jìn)行與時間的單因素分析，未對各因素進(jìn)行聯(lián)合分析。

(3)硅油的穩(wěn)定性相對較好，這主要歸因于其穩(wěn)定的材質(zhì)?；谠囼灁?shù)據(jù)變化的總體判斷，硅油的總體狀況仍可滿足使用條件。目前，這些進(jìn)行的試驗項目及指標(biāo)總體是適合的，對其中的敏感項目可跟蹤分析。若有個別樣本的指標(biāo)明顯偏離，可重點關(guān)注，并探討將其作為未來判據(jù)的可能性。

(4)通過對各指標(biāo)的敏感程度分析得知，水分、閃點、酸值等可作為今后跟蹤的主要項目。它們與運行時間均有一定的正/負(fù)相關(guān)性。

(5)硅油的性狀是動態(tài)變化的，需全面分析電、熱等綜合因素，而這與材料特性、終端結(jié)構(gòu)、安裝工藝等密切相關(guān)。為避免終端異常狀況的發(fā)生，在運行檢修工作中應(yīng)予以綜合考慮。

［1］韓進(jìn)賢，孫 摯.硅油與礦物油用作變壓器油的性能比較［J］.有機(jī)硅材料，2000，14(5):18-19.

［2］齊 帆，李美江.硅油制備工藝與應(yīng)用［J］.化工生產(chǎn)與技術(shù)，2009，16(6):37-39.

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

［4］黃文潤.硅油及二次加工制品［M］.北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2004.