低溫開關(guān)油與變壓器油性質(zhì)對(duì)比

馬蕊燕，柯友勝，張 靜，何 軍，默云娟

(中國(guó)石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依 834000)

當(dāng)電路中使用開關(guān)斷開時(shí)，如果電路電壓不低于10～20 V，電流不小于80～100 mA，動(dòng)觸頭和靜觸頭之間會(huì)產(chǎn)生火花，這個(gè)火花就是電弧。此時(shí)電流通過(guò)電弧繼續(xù)流動(dòng)，直到動(dòng)觸頭拉開足夠長(zhǎng)距離時(shí)火花熄滅，電流才被真正切斷。電弧本質(zhì)上是高溫高導(dǎo)電率的游離氣體，伴隨著強(qiáng)光和高溫，其高溫區(qū)域可達(dá)5 000 ℃以上。電弧的存在會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)和設(shè)備造成危害[1]，主要有以下幾種：①延長(zhǎng)了開關(guān)電器開斷故障電路的時(shí)間；②電弧產(chǎn)生的高溫，不僅將觸頭表面熔化或蒸發(fā)，而且使電弧附近電氣絕緣材料燒壞引起事故；③電弧在電動(dòng)力、熱力作用下能夠移動(dòng)，易造成飛弧短路和傷人，使事故擴(kuò)大；④使油斷路器的內(nèi)部溫度和壓力劇增而引起爆炸。油開關(guān)也稱作油斷路器，是以密封的絕緣油作為開斷故障的滅弧介質(zhì)的一種開關(guān)設(shè)備，其作用是滅弧、散熱和絕緣。低溫開關(guān)油是在戶外寒冷氣候條件下用于油斷路器的一種絕緣油。目前，國(guó)內(nèi)低溫開關(guān)油專用產(chǎn)品較少，用戶普遍以變壓器油替代低溫開關(guān)油。本文主要從標(biāo)準(zhǔn)以及油品性質(zhì)方面比較低溫開關(guān)油與變壓器油的差別。

1 標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比

2012年6月1日，GB 2536—2011《電工流體 變壓器和開關(guān)用的未使用過(guò)的礦物絕緣油》標(biāo)準(zhǔn)正式頒布，原有斷路器油標(biāo)準(zhǔn)SH 0351—1992《斷路器油》作廢。GB 2536—2011中最低冷態(tài)投運(yùn)溫度是區(qū)分絕緣油類別的重要標(biāo)志之一，根據(jù)電氣設(shè)備使用環(huán)境溫度的不同，選擇不同的最低冷態(tài)投運(yùn)溫度。變壓器油(通用)技術(shù)要求按照最低冷態(tài)投運(yùn)溫度將變壓器油分為5類，分別為0，-10，-20，-30，-40 ℃，根據(jù)最低冷態(tài)投運(yùn)溫度的不同，傾點(diǎn)也有所不同，對(duì)應(yīng)傾點(diǎn)分別為≤-10，≤-20，≤-30，≤-40，≤-50 ℃；而低溫開關(guān)油只有一類，最低冷態(tài)投運(yùn)溫度為不高于-40 ℃，對(duì)應(yīng)傾點(diǎn)要求較為苛刻，指標(biāo)要求不高于-60 ℃。低溫開關(guān)油與變壓器油的其它主要技術(shù)指標(biāo)[2]見(jiàn)表1。從表1可以看出：GB 2536—2011標(biāo)準(zhǔn)中，低溫開關(guān)油與變壓器油相比，40 ℃和-40 ℃的運(yùn)動(dòng)黏度均較小；低溫開關(guān)油閃點(diǎn)要求不低于100 ℃，變壓器油閃點(diǎn)要求不低于135 ℃。

2 油品組成及性質(zhì)對(duì)比

2.1 油品組成

根據(jù)GB 2536—2011對(duì)低溫開關(guān)油的技術(shù)指標(biāo)要求，在實(shí)驗(yàn)室選用環(huán)烷基油為原料研制出3種低溫開關(guān)油，分別為低溫開關(guān)油A，B，C。3種低溫開關(guān)油與變壓器油的主要性質(zhì)見(jiàn)表2。從表2可以看出，低溫開關(guān)油組成中有30%以上的鏈烷烴，變壓器油組成中只有7.5%的鏈烷烴。絕緣油是復(fù)雜的混合物，主要由鏈烷烴、環(huán)烷烴、芳烴等組成，其中鏈烷烴的電氣性能好，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下容易發(fā)生脫氫反應(yīng)，生成小分子物質(zhì)以及氫氣。由于油開關(guān)中填充的油主要用來(lái)熄滅電弧，當(dāng)開關(guān)切斷電流時(shí)，動(dòng)、靜觸頭產(chǎn)生電弧，由于電弧的高溫作用使油急劇分解成氣體，氣體中氫氣占70%，氫氣的導(dǎo)熱性和絕緣強(qiáng)度都比空氣大幾倍，因此氫氣能夠迅速降低弧注溫度和提高極間絕緣強(qiáng)度，這一特性對(duì)熄弧極為有利。3種低溫開關(guān)油組成中的鏈烷烴含量相比變壓器油足夠高，由于鏈烷烴在高溫和高電場(chǎng)作用下容易發(fā)生脫氫反應(yīng)，生成大量的氫氣，因此低溫開關(guān)油的滅弧作用更具優(yōu)勢(shì)。

表1 GB 2536—2011中低溫開關(guān)油與變壓器油的主要技術(shù)指標(biāo)

1)當(dāng)環(huán)境濕度不大于50%時(shí)，對(duì)于散裝交貨，水質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于30 μg/g；對(duì)于桶裝或復(fù)合中型集裝容器(IBC)交貨，水質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于40 μg/g。

2)含抗氧劑油。

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)

熱傳導(dǎo)(或稱導(dǎo)熱)是物體中溫度較高的部分分子因振動(dòng)與相鄰分子碰撞而發(fā)生的熱量傳遞過(guò)程。在熱傳導(dǎo)過(guò)程中，物體中的分子并不發(fā)生宏觀的相對(duì)位移。因此，熱傳導(dǎo)總是和物體內(nèi)部溫度分布的不均勻性聯(lián)系在一起。熱傳導(dǎo)過(guò)程遵循傅里葉定律[3]。絕緣油在設(shè)備中的散熱冷卻作用除了與設(shè)備的循環(huán)速率有關(guān)，也與絕緣油的熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。

測(cè)定流體導(dǎo)熱系數(shù)的方法種類較多，如平板法、同心圓筒法、熱絲法、探針?lè)包c(diǎn)熱源比較法等。在實(shí)驗(yàn)室使用ISO22007-2—2008(瞬態(tài)平面熱源(熱盤)法)測(cè)定3種低溫開關(guān)油和變壓器油的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖1。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于測(cè)試溫度不斷升高，為了減小油品對(duì)流對(duì)結(jié)果造成的影響，設(shè)定加熱功率為35 mW，測(cè)試時(shí)間為5 s。從圖1可以看出，隨著溫度的升高，油品的導(dǎo)熱系數(shù)不斷減小，在20～60 ℃，3種低溫開關(guān)油的導(dǎo)熱系數(shù)均大于變壓器油的導(dǎo)熱系數(shù)。因此低溫開關(guān)油在設(shè)備中的散熱冷卻效果更好。

表2 低溫開關(guān)油與變壓器油的主要性質(zhì)

圖1 導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化■—低溫開關(guān)油A； ●—低溫開關(guān)油B；▲—低溫開關(guān)油C； 變壓器油

2.3 運(yùn)動(dòng)黏度和閃點(diǎn)

熱交換因數(shù)是表示變壓器冷卻的重要參數(shù)，實(shí)際上是反映油品與線圈之間的熱交換本質(zhì)。油品的運(yùn)動(dòng)黏度在很大程度上影響著油品的熱交換因數(shù)。在變壓器生產(chǎn)廠，雷諾數(shù)(Re)被作為測(cè)定熱交換因數(shù)的一個(gè)參數(shù)。Re值表示油品流動(dòng)狀態(tài)是層流狀態(tài)或湍流狀態(tài)，層流狀態(tài)是油層沿著油品和線圈之間的邊界流動(dòng)，在湍流層狀態(tài)下油層被擾亂而且在不斷混合，所以油相不同部分不斷接觸線圈，這意味著在湍流層狀態(tài)下，油品的冷卻方式更有效。絕緣油運(yùn)動(dòng)黏度越小，Re越高。當(dāng)Re超過(guò)2 300時(shí)，絕緣油的流動(dòng)狀態(tài)過(guò)渡到湍流層狀態(tài)，這對(duì)設(shè)備的散熱是有效的。

從表2可以看出，3種低溫開關(guān)油的運(yùn)動(dòng)黏度均比變壓器油的運(yùn)動(dòng)黏度小，40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度小于3.5 mm2/s，-40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度小于400 mm2/s，油品的流動(dòng)速率變快，提高了開關(guān)設(shè)備的散熱性能。而且在操作開關(guān)設(shè)備時(shí)，觸頭阻力較少，從而加強(qiáng)了滅弧作用，減少了觸頭的燒損。變壓器油黏度大，在低溫下會(huì)降低開關(guān)的合閘、分閘速率，影響開關(guān)設(shè)備的開斷與關(guān)合性能。當(dāng)開關(guān)設(shè)備在開斷動(dòng)作時(shí)，觸頭間將產(chǎn)生電弧，電弧的功率大、溫度高，能量除小部分通過(guò)傳導(dǎo)、輻射等方式向四周散

出外，大部分能量使油品蒸發(fā)和分解，在電弧周圍產(chǎn)生高壓氣泡，氣泡中主要成分為油蒸氣和油氣分解的其它氣體。氣泡和油混合體受到油的慣性力和滅弧室的限制，在電弧的作用下，氣泡的壓力不斷升高，并且按預(yù)定的方向流動(dòng)，使電弧處在高壓、導(dǎo)熱性良好以及有強(qiáng)大滅弧作用的氣體包圍之中。當(dāng)電流過(guò)零時(shí)，弧隙介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)很快，電弧也隨之熄滅。為了提高滅弧能力，要求油品產(chǎn)生的氣體有利于滅弧，也就是油的氣化率和蒸發(fā)度高，因而要求閃點(diǎn)略低[4]。從表2還可以看出，低溫開關(guān)油閃點(diǎn)為110 ℃左右，而變壓器油閃點(diǎn)達(dá)到了140 ℃左右，因此低溫開關(guān)油具有較高的氣化率和蒸發(fā)率，利于熄滅油斷路器觸頭間產(chǎn)生的電弧。

3 結(jié) 論

(1)低溫開關(guān)油組成中有30%以上的鏈烷烴，變壓器油組成中只有7.5%的鏈烷烴，由于鏈烷烴在高溫和高電場(chǎng)作用下容易發(fā)生脫氫反應(yīng)，生成大量的氫氣，因此低溫開關(guān)油的滅弧作用更具優(yōu)勢(shì)。

(2)在20～60 ℃，低溫開關(guān)油的導(dǎo)熱系數(shù)均大于變壓器油的導(dǎo)熱系數(shù)，因此低溫開關(guān)油在設(shè)備中的散熱冷卻效果更好。

(3)相比變壓器油，低溫開關(guān)油的40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度小于3.5 mm2/s，-40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度小于400 mm2/s，高溫、低溫運(yùn)動(dòng)黏度均很小，加強(qiáng)了設(shè)備的散熱性能、提高了滅弧作用；低溫開關(guān)油閃點(diǎn)為110 ℃左右，而變壓器油閃點(diǎn)達(dá)到了140 ℃左右，因此低溫開關(guān)油具有較高的氣化率和蒸發(fā)率，利于熄滅油斷路器觸頭間產(chǎn)生的電弧。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 吳思華主編.電力工程[M].北京：中國(guó)電力出版社，2011：26-27

[2] GB2536-2011.電工流體——變壓器和開關(guān)用的未使用過(guò)的礦物絕緣油[S].2011

[3] 李東風(fēng).流體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀的研制與開發(fā)[D].西安：西北大學(xué)，2005

[4] 顧建新，蔡龍康.斷路器油的研制[J].潤(rùn)滑油，1986，1(2)：27-28