客運動車組牽引變壓器絕緣用油的性能對比分析

于會民，張 綺，王會娟，馬書杰

(中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，中國石油潤滑油重點實驗室，新疆 克拉瑪依 834003)

客運動車組牽引變壓器絕緣用油的性能對比分析

于會民，張 綺，王會娟，馬書杰

(中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，中國石油潤滑油重點實驗室，新疆 克拉瑪依 834003)

對國內(nèi)客運動車組牽引變壓器絕緣用油的情況進行簡述，對兩種典型硅絕緣油和酯類絕緣油產(chǎn)品的常規(guī)性能、絕緣性能、傳熱性能、產(chǎn)氣性能、氧化安定性等進行對比分析。結(jié)果表明：與硅絕緣油相比，酯類絕緣油的燃點較低、酸值較大、介質(zhì)損耗因數(shù)較大、帶電傾向很大、體積電阻率較低，隨著溫度的升高絕緣性能下降很快；硅絕緣油和酯類絕緣油的傳熱性能相近；硅絕緣油的抗雷電擊穿能力強，熱穩(wěn)定性優(yōu)異，氧化安定性優(yōu)良，氣體產(chǎn)出量遠遠小于酯類絕緣油。

客運動車組 牽引變壓器 絕緣油 絕緣性能 氧化安定性

自1958年我國試制成功第一臺SS1型干線電力機車牽引變壓器以來，國內(nèi)企業(yè)先后研制成功SS3～SS9、TM1、DDJ等交直傳動的電力機車用牽引變壓器。21世紀初期我國引進了DJ1型機車及ABB公司的技術，牽引變壓器設計及制造技術得到快速發(fā)展[1]。

自2004年以來，我國通過引進、消化、吸收和再創(chuàng)新戰(zhàn)略已完全掌握了動車組列車的牽引變壓器主要配套技術。大同ABB牽引變壓器有限公司和中國南車株洲電機有限公司是國內(nèi)兩家最大的客運高鐵車載牽引變壓器制造商，為唐山客車廠、長春客車廠、青島四方車輛廠完成我國客運動車組制造任務做出了重要貢獻。客運動車組車載牽引變壓器為特A級、H級絕緣，主要以硅油和酯類絕緣油為主，此類產(chǎn)品的特點是閃點高、燃點高、傾點低，以滿足客運動車組的防火(抗燃)和低溫運行環(huán)境要求[2-6]。為了系統(tǒng)考察這兩類絕緣油在使用性能上的差異，本課題對兩種典型硅絕緣油和酯類絕緣油產(chǎn)品的常規(guī)性能、絕緣性能、傳熱性能、產(chǎn)氣性能、氧化安定性能等進行對比分析，期望為客運動車組車載牽引變壓器選用油品和設備設計提供參考。

1 實驗原料

實驗原料采用在客運動車組車載牽引變壓器行業(yè)中使用廣泛的兩種典型產(chǎn)品：電器級硅油96DE和MIDEL 7131酯類絕緣油，其基本情況見表1。

表1 實驗原料的基本情況

2 結(jié)果與討論

2.1 常規(guī)性能對比

在國際市場上，硅油主要執(zhí)行IEC 60836和ASTM D4652硅絕緣油標準；酯類絕緣油執(zhí)行IEC61099標準。在國內(nèi)市場上，硅絕緣油執(zhí)行GBT 21218標準，等效于IEC 60836；酯類絕緣油沒有標準。

依據(jù)IEC 60836和IEC61099標準，分別對96DE硅油和MIDEL 7131酯類絕緣油的常規(guī)性能進行檢測，結(jié)果見表2。由表2可知：96DE硅油符合IEC 60836標準要求； MIDEL 7131酯類絕緣油符合IEC61099標準要求；與96DE硅油相比，MIDEL 7131酯類絕緣油的酸值較大、介質(zhì)損耗因數(shù)較大、燃點較低、體積電阻率較低。

2.2 絕緣性能對比

2.2.1 常規(guī)絕緣性能 表3為兩種油品的常規(guī)絕緣性能檢測結(jié)果。由表3可知，與96DE硅油相比，MIDEL 7131酯類絕緣油的界面張力較小、帶電傾向很大，其原因為：酯類絕緣油中含有親水基團——酯基，可大幅降低油水界面張力(低于傳統(tǒng)的石油基變壓器油)；酯基的碳氧雙鍵上的氧電負性大，使碳原子上的電子云偏向于氧原子，使其具有很強的親質(zhì)子性，而絕緣紙的主要成分為木質(zhì)纖維素，在木質(zhì)纖維素分子中，存在著醇羥基—OH，羥基中的氫容易在親質(zhì)子基團攻擊下失去氫正離子，導致絕緣紙的表面電子分離，使油帶有過多的正電荷，從而導致MIDEL 7131酯類絕緣油的帶電傾向很大。

表2 常規(guī)性能檢測結(jié)果

表3 常規(guī)絕緣性能檢測結(jié)果

2.2.2 絕緣性能與溫度的相關性 介質(zhì)損耗因數(shù)和體積電阻率是反映變壓器油絕緣性能好壞的關鍵指標。介質(zhì)損耗因數(shù)的高低反映出變壓器油在交流電場下絕緣性能的好壞，體積電阻率的大小反映出變壓器油在直流電場下絕緣性能的好壞。96DE硅油和MIDEL 7131酯類絕緣油在不同溫度下的介質(zhì)損耗因數(shù)和體積電阻率變化趨勢見圖1和圖2。由圖1和圖2可知：隨著溫度的升高，96DE硅油和MIDEL 7131酯類絕緣油的介質(zhì)損耗因數(shù)增大、體積電阻率降低，但是96DE硅油的介質(zhì)損耗因數(shù)隨著溫度升高而增加的幅度很小；在相同溫度下，96DE硅油的介質(zhì)損耗因數(shù)遠小于MIDEL 7131酯類絕緣油，而體積電阻率遠高于MIDEL 7131酯類絕緣油；隨著溫度的升高MIDEL 7131酯類絕緣油的絕緣性能下降很快。

圖1 不同溫度下的介質(zhì)損耗因數(shù)變化趨勢◆—96DE； ■—MIDEL 7131。 圖2、圖5～圖8同

圖2 不同溫度下的體積電阻率變化趨勢

2.2.3 沖擊電壓下的絕緣性能 車載牽引變壓器在動車組投運過程中不可避免地要受到操作過電壓和雷電沖擊電壓的作用，因此考察96DE硅油和MIDEL 7131酯類絕緣油在操作過電壓和雷電沖擊電壓下的擊穿特性，結(jié)果見圖3和圖4。由圖3和圖4可知：受雷電波和操作波沖擊時，在正極性電壓下 96DE硅油和MIDEL 7131酯類絕緣油的擊穿電壓相近；在負極性電壓下 96DE硅油的擊穿電壓比MIDEL 7131酯類絕緣油高。由于自然環(huán)境里，95%以上的雷電都是負極性的，因此96DE硅油的抗雷電擊穿能力更強。

圖3 雷電波沖擊下的擊穿特性■—96DE(正極性)； ◆——96DE(負極性)；正極性)； ▲—MIDEL 7131(負極性)。 圖4同

圖4 操作波沖擊下的擊穿特性

2.3 傳熱性能對比

圖5 不同溫度下的黏度變化趨勢

圖6 不同溫度下的密度變化趨勢

圖7 不同溫度下的熱導率變化趨勢

圖8 不同溫度下的比熱容變化趨勢

決定變壓器油傳熱性能的主要熱物性參數(shù)有黏度、密度、導熱率和比熱容。在不同溫度下考察96DE硅油和MIDEL 7131酯類絕緣油的熱物性，結(jié)果見圖5～圖8。由圖5～圖8可知：96DE硅油的低溫黏度小于MIDEL 7131酯類絕緣油，即96DE硅油的低溫流動性能更好；96DE硅油和MIDEL 7131酯類絕緣油的密度和比熱容相近；隨著溫度的升高，96DE硅油和MIDEL 7131酯類絕緣油的導熱率均降低，導熱率隨溫度的變化近似于線性關系，在相同溫度下，MIDEL 7131酯類絕緣油的導熱率比96DE硅油低。

對變壓器油這類有機物而言，能量主要是依靠微觀粒子(分子)在其平衡位置附近的振動波傳遞出去。這種作用與密度的變化關系很大，當溫度升高時密度減小，單位傳熱面內(nèi)的微觀粒子數(shù)減少，振動時所交換的能量減少，宏觀上則表現(xiàn)為導熱率降低。黏度越大的化合物，其烷基碳鏈越多、相對分子質(zhì)量越大，因此導熱率越大。兩種油品的密度雖然相近，但MIDEL 7131酯類絕緣油的黏度(25～150 ℃)和相對分子質(zhì)量均小于96DE硅油，因此其導熱率也略小于96DE硅油。

2.4 產(chǎn)氣性能對比

圖9 在氮氣飽和下的產(chǎn)氣量■—96DE； ■—Midel 7131。 圖10同

圖10 在空氣飽和下的產(chǎn)氣量

變壓器油中的溶解氣體直接影響絕緣油的抗擊穿性能，因此在低熱下(120 ℃、164 h)考察96DE硅油和MIDEL 7131酯類絕緣油的產(chǎn)氣特性，結(jié)果見圖9和圖10。由圖9和圖10可知，在氮氣飽和及空氣飽和下，96DE硅油的總氣體產(chǎn)出量均遠遠小于MIDEL 7131酯類絕緣油，說明MIDEL 7131酯類絕緣油的熱穩(wěn)定性能差，在低熱下使用時會產(chǎn)出更多的H2、CO和CO2氣體。

2.5 氧化安定性對比

表4 氧化安定性檢測結(jié)果

3 結(jié) 論

(1) 與硅絕緣油相比，酯類絕緣油的酸值較大、介質(zhì)損耗因數(shù)較大、燃點較低、體積電阻率較低、帶電傾向很大。

(2) 隨著溫度的升高，硅絕緣油和酯類絕緣油的介質(zhì)損耗因數(shù)增大、體積電阻率降低，酯類絕緣油的絕緣性能隨著溫度的升高下降很快；在相同溫度下，硅絕緣油的介質(zhì)損耗因數(shù)遠小于酯類絕緣油，體積電阻率遠高于酯類絕緣油。

(3) 在雷電波和操作波沖擊時，正極性電壓下，硅絕緣油和酯類絕緣油的擊穿電壓相近；在負極性電壓下，硅絕緣油的擊穿電壓比酯類絕緣油高，硅絕緣油的抗雷電擊穿能力更強。

(4) 硅絕緣油和酯類絕緣油的傳熱性能相近。

(5) 硅絕緣油的熱穩(wěn)定性能非常優(yōu)異，其總氣體產(chǎn)出量遠遠小于酯類絕緣油，酯類絕緣油的熱穩(wěn)定性能差，氧化安定性能也差。

[1] 龍谷宗.我國電力牽引變壓器技術現(xiàn)狀及展望[J].電力機車與城軌車輛，2006，29(2)：5-6

[2] 胡貴，龍谷宗，吳勇.200 kmh動車組牽引主變壓器的國產(chǎn)化設計[J].電力機車與城軌車輛，2008，31(4)：16-18

[3] 趙叔東.高速列車電氣設備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電力機車技術，1999(3)：1-5

[4] 于會民，張培恒，范興琳，等.在交直流電場下不同烴組成變壓器油的析氣性研究[J].石油煉制與化工，2015，46(2)：89-94

[5] 張綺，馬書杰，于會民，等.變壓器油碳型組成對氧化安定性的影響[J].石油煉制與化工，2015，46(12)：73-76

[6] 盧新玲，于會民，雍新民，等.變壓器油烴組成與其抗氧劑含量檢測偏差的關聯(lián)性研究及方法優(yōu)化[J].石油煉制與化工，2015，46(1)：68-73

PERFORMANCE COMPARISON OF INSULATING OILS IN TRACTION TRANSFORMERS FOR PASSENGER TRANSPORT EMU

Yu Huimin， Zhang Qi， Wang Huijuan， Ma Shujie

(PetrochinaLanzhouLubricatingOilR&DInstitute，PetrochinaLubricatingOilKeyLab，Karamay，Xingjiang834003)

The comparative analyses of silicone oil and ester insulating oil in general performance， insulation performance， heat transfer properties， tray gassing performance and oxidation stability was conducted. The results show that compared with silicone oil， ester insulating oil has lower ignition point， larger acid value， higher the dielectric loss factor， larger ECT and lower volume resistivity. As the temperature increases， insulation performance of ester insulating oil drops rapidly， while the silicone oils and ester oils have similar heat transfer performance. The silicone insulating oil has strong anti-lightning breakdown capability， excellent thermal and oxidation stabilities. Tray gassing production of silicone insulating oil is much less than the ester oil.

passenger transport EMU； traction transformer； insulating oil； insulation performance； oxidation stability

2016-02-17； 修改稿收到日期： 2016-04-08。

于會民，碩士，高級工程師，主要從事絕緣油研制及絕緣性能測試研究工作。

于會民，E-mail：yuhuimin_rhy@petrochina.com.cn。

中國石油天然氣集團公司重點項目(2014B-2509)。