電氣絕緣用國內(nèi)外二甲基硅油性能對(duì)比研究

朱菲菲　梁西川　陳紅生

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

關(guān)鍵詞：牽引變壓器；二甲基硅油；電氣性能；理化性能；熱穩(wěn)定性

引言

硅油用作高等級(jí)變壓器合成絕緣油，除了具有優(yōu)良的電絕緣性能外，還具有燃點(diǎn)高、凝固點(diǎn)低、粘度隨溫度變化很小等優(yōu)點(diǎn)[1]。相對(duì)于礦物變壓器油，硅油變壓器油具有以下比較優(yōu)勢：①優(yōu)異的熱安定性，其閃點(diǎn)和燃點(diǎn)約為礦物變壓器油的2倍，難以著火；自燃溫度高達(dá)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(qiáng)，具有很好的抗氧化性能。③硅油幾乎無毒，環(huán)保性能優(yōu)異，不會(huì)污染環(huán)境[4]。

我國首次在CRH2系列高速動(dòng)車組牽引變壓器上使用硅油作為絕緣介質(zhì)，采用的是某進(jìn)口二甲基硅油，硅油牌號(hào)為KF96D-50CS，但考慮進(jìn)口原材料綜合應(yīng)用成本較高，有必要對(duì)其實(shí)施國產(chǎn)化。

本文采用橫向?qū)Ρ确椒▽?duì)國內(nèi)自主合成生產(chǎn)某型號(hào)為KI50Si的二甲基硅油與進(jìn)口二甲基硅油（以下簡稱硅油）的常規(guī)理化和電氣性能、粘度-溫度特性、揮發(fā)分以及氧化安定性等進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1.試驗(yàn)

1.1原材料技術(shù)指標(biāo)

KI50Si和KF96D-50CS硅油常規(guī)理化與電氣性能對(duì)比（見表1）

表1

指標(biāo)名稱 技術(shù)指標(biāo)

IEC60836 KF96D-50CS KI50Si 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

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(yùn)動(dòng)粘度，mm2/s（40℃） 40±4 37.28 37.32 ISO 3104

閃點(diǎn)（開口），℃ ≥240 312 333 ISO 2592

燃點(diǎn)，℃ ≥340 344 365 ISO 2592

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

傾點(diǎn)，℃ <-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(shù)（90℃） 2.55±0.05 2.527 2.529 IEC 60247

介質(zhì)損耗因數(shù)（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(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度，識(shí)別硅油運(yùn)動(dòng)粘度隨溫度變化特性。

1.3 揮發(fā)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(fā)性物質(zhì)的含量。

1.4 氧化熱穩(wěn)定性

按IEC 61125方法進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)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(yàn)結(jié)束后，測試硅油運(yùn)動(dòng)粘度（40℃）、介質(zhì)損耗變化（90℃）及酸值變化。

1.5 無氧熱穩(wěn)定性

模擬變壓器運(yùn)行硅油的實(shí)際工況（密閉、無氧、熱），硅油試樣（750ml）中放入銅絲充氮?dú)獗Ｗo(hù)置于180℃下處理336h，老化后測試硅油運(yùn)動(dòng)粘度（40℃）、介質(zhì)損耗（90℃）、擊穿電壓和酸值的變化。

2.試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粘度-溫度特性

硅油不僅是電氣絕緣介質(zhì)，同時(shí)也是變壓器線圈的冷卻劑。硅油的運(yùn)動(dòng)粘度對(duì)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(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度變化曲線見圖2，由圖可見，兩種硅油的運(yùn)動(dòng)粘度-溫度特性相當(dāng)，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(shù)要求高的使用場合。

圖1 硅油運(yùn)動(dòng)粘度隨溫度變化曲線

2.2 揮發(fā)性

揮發(fā)性表征硅油內(nèi)部低分子物質(zhì)的含量，揮發(fā)份的含量直接影響硅油的閃點(diǎn)，表征產(chǎn)品的精餾水平。從表2數(shù)據(jù)可見，國產(chǎn)KI50Si硅油揮發(fā)份含量更低。

表2 揮發(fā)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(wěn)定性

氧化熱穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)變壓器用絕緣油的抗老化能力的重要指標(biāo)。兩種硅油180℃下處理500h后性能指標(biāo)見表3。

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

（2）介質(zhì)損耗：經(jīng)過180℃、500h老化后，KF96D-50CS和KI50Si硅油的介質(zhì)損耗與老化前相比均有較大增長，處于10-3數(shù)量級(jí)同級(jí)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(dāng)。

以上結(jié)果表明，兩種硅油的氧化熱穩(wěn)定性水平相當(dāng)。

表3 180℃下老化500h后兩種硅油的性能對(duì)比

檢測項(xiàng)點(diǎn) KF96D-50CS KI50Si

運(yùn)動(dòng)粘度

（40℃），mm2/s 試驗(yàn)前 37.28 37.32

試驗(yàn)后 38.36 38.23

變化率 +2.89% +2.44%

介質(zhì)損耗

（90℃） 試驗(yàn)前 0.022% 0.011%

試驗(yàn)后 0.39% 0.47%

總酸值，mgKOH/g 試驗(yàn)前 0.008 0.009

試驗(yàn)后 0.05 0.04

2.4無氧熱穩(wěn)定性

無氧熱穩(wěn)定性試驗(yàn)?zāi)M變壓器運(yùn)行硅油的實(shí)際工況（密閉、無氧、熱），體現(xiàn)產(chǎn)品使用穩(wěn)定性，兩種硅油充氮?dú)獗Ｗo(hù)置于180℃下處理336h，試驗(yàn)前后性能指標(biāo)見表4。在無氧環(huán)境下，硅油受熱裂解使粘度略有降低；老化后介質(zhì)損耗因數(shù)有所增加，都為10-4級(jí)；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(dāng)。

以上結(jié)果表明，兩種硅油均具有良好的無氧熱穩(wěn)定性。

表4 無氧180℃老化336h后兩種硅油性能對(duì)比

檢測項(xiàng)點(diǎn) KF96D-50CS KI50Si

運(yùn)動(dòng)粘度（40℃），mm2/s 試驗(yàn)前 37.28 37.32

試驗(yàn)后 37.22 37.25

變化率 -0.16% -0.18%

介質(zhì)損耗（90℃） 試驗(yàn)前 0.022% 0.011%

試驗(yàn)后 0.06% 0.04%

總酸值，mgKOH/g 試驗(yàn)前 0.008 0.009

試驗(yàn)后 0.009 0.01

擊穿電壓（2.5mm），KV 試驗(yàn)后 60 61

3.結(jié)論

通過對(duì)硅油常規(guī)性能、粘度-溫度特性、熱揮發(fā)性、氧化穩(wěn)定性和無氧熱穩(wěn)定性的檢測與分析，結(jié)果表明國產(chǎn)KI50Si電氣絕緣用硅油具有與國際上有成熟應(yīng)用業(yè)績的KF96D-50CS硅油產(chǎn)品相當(dāng)?shù)木C合性能。KI50Si硅油具有本土化（成本）技術(shù)優(yōu)勢，可以取代進(jìn)口用于牽引變壓器領(lǐng)域，并向高安全性的硅油變壓器領(lǐng)域推廣。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]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（05）

[3]應(yīng)百川.硅油變壓器[J].變壓器，1988（04）

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

[5]鄒武.環(huán)保變壓器油—硅油[J].電氣制造，2008（12）

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