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(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司，廣東 廣州510405)

0 引言

近20年來(lái)，隨著交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)高壓充油電纜的生產(chǎn)和工程需求處于停頓狀態(tài)。但在超高壓應(yīng)用場(chǎng)合，絕緣高壓電纜的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不如充油電纜成熟，充油電纜仍具有一定的優(yōu)勢(shì)。而絕緣油是制造充油電纜的關(guān)鍵材料之一，它的組成和性能對(duì)500 kV超高壓充油電纜中油紙絕緣的絕緣性能起著至關(guān)重要的作用，其運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性對(duì)高壓線路系統(tǒng)和電纜終端的安全運(yùn)行十分重要［1］。

我國(guó)從上世紀(jì)70年代開(kāi)始，采用國(guó)產(chǎn)烷基苯合成油生產(chǎn)充油電纜，性能達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平(均采用合成洗滌劑烷基苯原材料，經(jīng)過(guò)絕緣油處理工藝后制成烷基苯合成油)。目前南方電網(wǎng)瓊州海峽500 kV海底電纜線路采用日本進(jìn)口的合成絕緣油作為填充介質(zhì)，其生產(chǎn)受國(guó)外廠商限制，業(yè)務(wù)聯(lián)系周期長(zhǎng)，價(jià)格較高且運(yùn)送困難，購(gòu)置、管理和使用均有相當(dāng)不便。若能實(shí)現(xiàn)超高壓電纜絕緣油的國(guó)產(chǎn)替代，既可節(jié)約運(yùn)行維護(hù)成本，又能促進(jìn)高壓輸電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程的推進(jìn)和發(fā)展。因此，研究采用高品質(zhì)國(guó)產(chǎn)電纜絕緣油替代進(jìn)口油，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義。

本文通過(guò)采用多種對(duì)油品理化性能及電氣性能的測(cè)試手段，結(jié)合紅外光譜(FTIR)及氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)等化學(xué)結(jié)構(gòu)及成分分析技術(shù)，對(duì)國(guó)產(chǎn)烷基苯合成油與南網(wǎng)進(jìn)口充油電纜用烷基苯合成油進(jìn)行性能對(duì)比分析，并根據(jù)可能的運(yùn)行情況，按照不同配比將國(guó)產(chǎn)油與進(jìn)口油進(jìn)行混油，測(cè)定其物理、化學(xué)、電氣特性，考察國(guó)產(chǎn)油的性能是否能夠達(dá)到與進(jìn)口油相當(dāng)?shù)乃?，以及混合油是否能滿足500 kV充油電纜用油的質(zhì)量要求，綜合評(píng)估國(guó)產(chǎn)烷基苯合成油混合替代500 kV海纜進(jìn)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(guān)鍵材料之一，它的組成和性能對(duì)電纜線路的安全運(yùn)行有很大的影響。在充油電纜發(fā)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(jì)80年代初以來(lái)，隨著石油化學(xué)工業(yè)的飛速發(fā)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(yīng)用于充油電纜及其它高壓電器設(shè)備中。對(duì)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(zhì)損耗低、對(duì)金屬材料的老化穩(wěn)定性好、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、電場(chǎng)析氣性優(yōu)異、可與石油質(zhì)電纜油任意混用等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)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(yàn)方案

2.1 油品采集

本研究采集的絕緣油樣品可分為進(jìn)口油品與國(guó)產(chǎn)原始新油及經(jīng)二次提純處理的國(guó)產(chǎn)油三類。其中進(jìn)口油品取自南方電網(wǎng)瓊州海峽500 kV充油海底電纜線路某終端站，系日本進(jìn)口的烷基苯系合成絕緣油。國(guó)產(chǎn)原始新油取自南京某企業(yè)生產(chǎn)的十二烷基苯合成油。該公司生產(chǎn)的十二烷基苯油已被國(guó)內(nèi)多家電纜廠商采購(gòu)，且已有應(yīng)用于220 kV充油電纜的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。提純國(guó)產(chǎn)油樣品則是對(duì)前述國(guó)產(chǎn)新油做進(jìn)一步的提純精制，其目的是通過(guò)提純油品與原始油樣及進(jìn)口油樣的性能對(duì)比，考察國(guó)產(chǎn)油品與進(jìn)口油品的性能差異，借此評(píng)估進(jìn)國(guó)產(chǎn)油品替代進(jìn)口油品的可行性。

2.2 絕緣油的性能測(cè)試

如前所述，用于充油電纜的絕緣油可分為石油質(zhì)電纜油和合成式電纜油，分別由石油原油煉制和化學(xué)合成得到，不同烴類的組成很大程度決定其性能表現(xiàn)。在原油制成后，還需經(jīng)過(guò)酸堿水洗、白土吸附過(guò)濾等工藝進(jìn)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(shí)，充油電纜在運(yùn)行過(guò)程中，因氧化、受潮、過(guò)熱、局部放電等因素，絕緣油的品質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，造成絕緣性能下降，影響電纜的安全運(yùn)行;絕緣油的老化和劣化過(guò)程也會(huì)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(zhì)可通過(guò)測(cè)定其成分組成、理化性質(zhì)和電氣性能的相關(guān)參數(shù)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本研究將從以下方面對(duì)油品的性能進(jìn)行評(píng)估，主要包括:油品成分的光譜、色譜分析，運(yùn)動(dòng)粘度、閃點(diǎn)、酸值等理化性能測(cè)試項(xiàng)目，擊穿電壓、介損、體積電阻率等電氣性能測(cè)試項(xiàng)目。這些技術(shù)指標(biāo)涵蓋了絕緣油的物理、化學(xué)、電氣三方面特性，同時(shí)在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中也對(duì)絕緣油在這些技術(shù)指標(biāo)上需滿足的要求作了嚴(yán)格規(guī)定［4］。

2.3 技術(shù)路線

(1)油品老化前的分析測(cè)試

對(duì)進(jìn)口絕緣油與國(guó)產(chǎn)絕緣油進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與性能測(cè)試，分析兩種油品的組分差別，研究?jī)煞N油品的混溶性，且電氣與理化性能指標(biāo)能否達(dá)到500kV充油海纜用絕緣油的要求。

利用紅外光譜對(duì)油品進(jìn)行定性分析，及液相色譜的定量分析，對(duì)比研究國(guó)產(chǎn)絕緣油與進(jìn)口絕緣油的組分差異，從油品的化學(xué)成分角度考察國(guó)產(chǎn)油替代進(jìn)口油的可行性。

對(duì)進(jìn)口油/國(guó)產(chǎn)油不同配比混合后的油樣進(jìn)行紅外光譜分析，研究混合油與進(jìn)口油組分的差別。

通過(guò)理化性能和電氣性能測(cè)試，分析評(píng)估國(guó)產(chǎn)提純處理過(guò)的絕緣油是否具有與進(jìn)口絕緣油相近或相同的理化和電氣性能，評(píng)估進(jìn)口油與國(guó)產(chǎn)油混合后是否能達(dá)到500 kV充油電纜用絕緣油的性能要求，通過(guò)研究為混合替代的可行性提供技術(shù)支持。

(2)不同配比混合油的老化測(cè)試

通過(guò)模擬老化，研究國(guó)產(chǎn)、進(jìn)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(cè)試，分析混合油是否具有與進(jìn)口油相似的老化性能，適度老化后性能是否達(dá)到500 kV充油海纜用絕緣油的性能標(biāo)準(zhǔn)(熱老化和與銅共存老化)。

通過(guò)紅外光譜對(duì)老化后的絕緣油進(jìn)行分析測(cè)試，對(duì)比老化前后化學(xué)成分的差異，分析研究老化對(duì)油樣化學(xué)成分的影響，根據(jù)老化前后的紅外分析進(jìn)行電氣性能分析。對(duì)比研究混合油與進(jìn)口油老化性能差異，分析評(píng)估混合替代的可行性。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 進(jìn)口、國(guó)產(chǎn)絕緣油的成分分析

(1)紅外光譜(FTIR)分析

圖1 進(jìn)口油和國(guó)產(chǎn)絕緣油的FTIR譜圖

FTIR分析見(jiàn)圖1，從圖1可以看出，進(jìn)口油與國(guó)產(chǎn)絕緣油相似在各對(duì)應(yīng)的位置處，顯示了特定基團(tuán)的紅外反射峰。兩個(gè)譜圖相對(duì)比，匹配度高達(dá)99.7%。這說(shuō)明國(guó)產(chǎn)絕緣油與進(jìn)口絕緣油的成分非常相近。

將進(jìn)口絕緣油與國(guó)產(chǎn)絕緣油按不同的比例混合，再與國(guó)產(chǎn)絕緣油的紅外譜圖對(duì)比，匹配度均在99.7%以上，其隨國(guó)產(chǎn)油的比例增加，匹配度最高達(dá)99.9%，詳見(jiàn)表1。

表1 進(jìn)口、混合油與國(guó)產(chǎn)油的紅外譜圖匹配度

(2)GC-MS分析

借助GC-MS技術(shù)則可以對(duì)國(guó)產(chǎn)絕緣油、進(jìn)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(shí)驗(yàn)中，國(guó)產(chǎn)絕緣油編號(hào)為“homemade oil”;進(jìn)口絕緣油編號(hào)為“import oil”。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出國(guó)產(chǎn)絕緣油與進(jìn)口絕緣油的主要成分相似，與FTIR測(cè)試結(jié)果一致。但國(guó)產(chǎn)油在較低時(shí)間位置點(diǎn)(6.00 min)附近和較高時(shí)間位置點(diǎn)(10.29 min，10.47 min)都有組分分離出，但峰的高度有限，可見(jiàn)對(duì)應(yīng)的組分溶度較低。將圖2中的出峰點(diǎn)與對(duì)應(yīng)物質(zhì)解析后得知，國(guó)產(chǎn)油與進(jìn)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(gòu)成為:1)國(guó)產(chǎn)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(jìn)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(cè)試結(jié)果

表2為進(jìn)口、國(guó)產(chǎn)絕緣油處理前后油樣的性能結(jié)果及與技術(shù)指標(biāo)的對(duì)比。從表2中數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于未處理的油樣，其電氣性能(擊穿電壓、介質(zhì)損耗等)明顯低于處理后的國(guó)產(chǎn)絕緣油的相應(yīng)指標(biāo)，且低于絕緣油技術(shù)指標(biāo)的相應(yīng)要求。國(guó)產(chǎn)絕緣油經(jīng)過(guò)濾處理后，油樣各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)與進(jìn)口絕緣油相當(dāng)，均達(dá)到或超過(guò)絕緣油的技術(shù)指標(biāo)要求。國(guó)產(chǎn)絕緣油的過(guò)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(cè)試結(jié)果。從表3中可以看出，混合后樣品的各項(xiàng)測(cè)試性能結(jié)果均與國(guó)產(chǎn)純油(提純后)及進(jìn)口純油接近，且均能滿足絕緣油性能指標(biāo)的要求。

3.2 絕緣油的老化研究

老化研究主要從國(guó)產(chǎn)絕緣油與進(jìn)口絕緣油本身的老化情況開(kāi)展。按試驗(yàn)規(guī)范要求，國(guó)產(chǎn)絕緣油和進(jìn)口絕緣油各取1000 ml置于烘箱中，經(jīng)115℃、96 h的老化處理。取出樣品進(jìn)行如下分析。

(1)老化油樣的成分

分別取適量老化后的進(jìn)口絕緣油(實(shí)驗(yàn)編號(hào):4#)和國(guó)產(chǎn)絕緣油(實(shí)驗(yàn)編號(hào):6#)進(jìn)行GC-MS分析，其結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，老化后的國(guó)產(chǎn)絕緣油、進(jìn)口絕緣油樣品的主要出峰時(shí)間點(diǎn)也很相近，與圖2中未老化絕緣油的GC-MS結(jié)果比較，老化后的絕緣油各組分從色譜柱中分離出的時(shí)間有所延長(zhǎng)。將圖3中的出峰點(diǎn)與對(duì)應(yīng)物質(zhì)解析后得知，兩種油品老化后的國(guó)產(chǎn)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(shuō)明在老化處理過(guò)程中，油品中一些熱穩(wěn)定性差的組分發(fā)生了分解。

表2 進(jìn)口、國(guó)產(chǎn)絕緣油處理前后油樣的性能結(jié)果及與技術(shù)指標(biāo)的對(duì)比

表3 不同比例混合絕緣油的理化、電氣性能結(jié)果

(2)理化、電氣性能

老化后的國(guó)產(chǎn)絕緣油與進(jìn)口絕緣油的理化、電氣性能結(jié)果見(jiàn)表4。結(jié)果表明:1)老化后的國(guó)產(chǎn)絕緣油，其運(yùn)動(dòng)粘度明顯減小，油的流動(dòng)性提高;閉口閃點(diǎn)沒(méi)有明顯變化;酸值略有增大;介損增大;擊穿電壓降低。這說(shuō)明經(jīng)老化處理，國(guó)產(chǎn)絕緣油發(fā)生了一定程度的老化，其理化、電氣性能等發(fā)生不同程度的降低。2)老化后的進(jìn)口絕緣油，運(yùn)動(dòng)粘度也略有減低，油的流動(dòng)性提高;閉口閃點(diǎn)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(jìn)一步得知，經(jīng)老化處理后，進(jìn)口絕緣油老化較國(guó)產(chǎn)油更為明顯。

表4 不同比例混合絕緣油的理化、電氣性能結(jié)果

圖3 老化油GC-MS測(cè)試結(jié)果

3.3 絕緣油與金屬共存的老化性能研究

絕緣油的熱穩(wěn)定性與老化過(guò)程中有無(wú)金屬催化劑及金屬類型有關(guān)。已有研究表明，鋁對(duì)石油質(zhì)自容式充油電纜油的老化性能基本沒(méi)有影響，鉛和錫次之，而銅對(duì)石油質(zhì)自容式充油電纜油的老化穩(wěn)定性有嚴(yán)重的影響。本研究中將國(guó)產(chǎn)絕緣油和進(jìn)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(jīng)115℃、96 h的老化處理。對(duì)取出樣品進(jìn)行理化及電氣性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 與銅共存老化后的國(guó)產(chǎn)、進(jìn)口油性能測(cè)試結(jié)果

表5結(jié)果顯示:國(guó)產(chǎn)絕緣油和進(jìn)口絕緣油與銅共存經(jīng)老化處理后，兩種油品都發(fā)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(yàn)值低于性能指標(biāo)。與銅共存的老化比單一熱老化效應(yīng)更明顯，銅在這一過(guò)程中起了催化老化的作用。

4 結(jié)論

(1)未處理的國(guó)產(chǎn)絕緣油含雜質(zhì)較多，其粘度和介損偏高，不能直接與進(jìn)口油混用，需經(jīng)過(guò)進(jìn)一步提純處理。提純后的國(guó)產(chǎn)油品質(zhì)，各項(xiàng)指標(biāo)均有不同程度的改善，尤其是電氣性能指標(biāo)，可達(dá)到絕緣油的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。

(2)提純后的國(guó)產(chǎn)絕緣油具有較好的理化和電氣性能。國(guó)產(chǎn)絕緣油與進(jìn)口絕緣油主要化學(xué)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(guó)產(chǎn)絕緣油與進(jìn)口絕緣油混合相容性好。

(3)通過(guò)多種比例的混油實(shí)驗(yàn)，證明國(guó)產(chǎn)油可以與進(jìn)口油混合使用?；旌嫌途哂信c進(jìn)口絕緣油相近或相同的理化和電氣性能。

(4)國(guó)產(chǎn)絕緣油與進(jìn)口絕緣油的熱穩(wěn)定相當(dāng)。

(5)銅的存在起到了催化老化的作用，在實(shí)際使用中應(yīng)注意跟蹤評(píng)估。

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

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

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