低溫開(kāi)關(guān)用礦物絕緣油的研制

馬蕊燕,柯友勝,張美瓊,何軍,羅慶華

(中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司煉油化工研究院，新疆 克拉瑪依 834003)

0 引言

在我國(guó)，油開(kāi)關(guān)也稱做油斷路器(以下均稱為油斷路器)，是以密封的絕緣油作為開(kāi)斷故障的滅弧介質(zhì)的一種開(kāi)關(guān)設(shè)備。試驗(yàn)表明，當(dāng)用開(kāi)關(guān)電器斷開(kāi)電流時(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)，一直到動(dòng)觸頭拉開(kāi)足夠長(zhǎng)距離時(shí)，火花熄滅，電流才被真正切斷。電弧是高溫高導(dǎo)電率的游離氣體，是一種具有強(qiáng)光和高溫的電游離現(xiàn)象，其高溫區(qū)域可達(dá)5000 ℃以上，這不僅對(duì)電器設(shè)備有很大的破壞作用，而且使斷開(kāi)電路的時(shí)間延長(zhǎng)，有很大的危害[1]。多油斷路器和少油斷路器都要充油，其作用是滅弧、散熱和絕緣。當(dāng)油斷路器的動(dòng)觸頭和靜觸頭互相分離時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電弧[2]。電弧的高溫使其附近的絕緣油蒸發(fā)氣化和發(fā)生熱分解，生成滅弧能力很強(qiáng)的氣體(主要是氫氣)和壓力較高的氣泡，使電弧本身也很快被熄滅。因此我們使用絕緣油作為滅弧介質(zhì)。

低溫開(kāi)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，起絕緣和滅弧作用。目前，國(guó)內(nèi)低溫開(kāi)關(guān)油專用產(chǎn)品較少，用戶普遍以變壓器油替代，但變壓器油的絕緣性能及低溫性能均無(wú)法滿足開(kāi)關(guān)設(shè)備在低溫下的使用要求，開(kāi)斷短路電流后生成的游離碳大，介電強(qiáng)度下降較大，在一定程度上影響開(kāi)斷性能和運(yùn)行性能[3]。因此開(kāi)展了低溫開(kāi)關(guān)礦物絕緣油的研制。

1 低溫開(kāi)關(guān)油的技術(shù)要求

1.1 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

2012年6月1日，GB 2536-2011《電工流體 變壓器和開(kāi)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中低溫開(kāi)關(guān)油的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法見(jiàn)表1。

表1 GB 2536—2011標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低溫開(kāi)關(guān)油技術(shù)要求和相關(guān)試驗(yàn)方法[4]

GB 2536-2011標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低溫開(kāi)關(guān)油提出了全面和完善的性能要求：

(1)將低溫開(kāi)關(guān)油的最低冷態(tài)投運(yùn)溫度(LCSET)設(shè)定為-40 ℃。最低冷態(tài)投運(yùn)溫度(LCSET)是區(qū)分絕緣油類別的重要標(biāo)志之一。應(yīng)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(LCSET)，以免影響泵、有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)(如果有)的啟動(dòng)。

(2)當(dāng)環(huán)境溫度降到一定程度，將使開(kāi)關(guān)設(shè)備的速度下降，有時(shí)不設(shè)置必要的加熱器，就會(huì)影響斷路器的使用性能[5]，因此規(guī)定低溫開(kāi)關(guān)油的40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度不大于3.5 mm2/s；同時(shí)對(duì)-40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度和傾點(diǎn)的要求較苛刻，規(guī)定低溫開(kāi)關(guān)油的-40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度不大于400 mm2/s，傾點(diǎn)不高于-60 ℃。

(3)對(duì)油品的氧化安定性提出了指標(biāo)要求。

(4)提出了健康、安全和環(huán)保特性的性能要求，包括閃點(diǎn)、多環(huán)芳烴含量、多氯聯(lián)苯含量。

(5)增加了2-糠醛含量、腐蝕性硫等檢測(cè)項(xiàng)目。

1.2 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)成立于1906年，是世界上成立最早的國(guó)際性電工標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)。IEC于2012年2月20日正式發(fā)布和實(shí)施了IEC 60296-2012標(biāo)準(zhǔn)第4版《電工流體 變壓器和開(kāi)關(guān)用的未使用過(guò)的礦物絕緣油》。IEC 60296-2012標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低溫開(kāi)關(guān)油的技術(shù)要求和相關(guān)試驗(yàn)方法見(jiàn)表2。

表2 IEC 60296-2012標(biāo)準(zhǔn)中低溫開(kāi)關(guān)油的技術(shù)要求[6]

與上一版本標(biāo)準(zhǔn)IEC 60296-2003相比，IEC 60296-2012標(biāo)準(zhǔn)增加了顆粒度含量、潛在腐蝕性硫、DBDS(二芐基二硫化物)、金屬鈍化劑等檢測(cè)項(xiàng)目。設(shè)置這幾個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目的意義在于：

(1)低溫開(kāi)關(guān)油的顆粒度含量對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的絕緣性能有較大影響。油中存在的顆粒主要是非金屬類雜質(zhì)，其本身不會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生較大的影響，但是據(jù)有關(guān)專家表明：如果水分和雜質(zhì)共同存在時(shí)，其對(duì)絕緣的影響會(huì)明顯增加[7]。近年來(lái)，有一定數(shù)量的開(kāi)關(guān)設(shè)備事故被認(rèn)為是油品顆粒度所導(dǎo)致的[8]，因此對(duì)油品顆粒度的研究受到各制造商和用戶的普遍關(guān)注。

(2)近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)發(fā)生了多起因變壓器絕緣油中含有腐蝕性硫?qū)е碌淖儔浩鹘^緣擊穿事故，抑制腐蝕性硫問(wèn)題成為研究人員關(guān)注的重要問(wèn)題[9]。在因腐蝕性硫引起的事故中，變壓器油中的硫化合物與變壓器繞組銅線發(fā)生反應(yīng)，生成Cu2S沉積在變壓器絕緣紙上，最后可以引起變壓器及其他電氣設(shè)備事故[10]，其中DBDS是造成絕緣紙上Cu2S沉積的主要腐蝕性硫[11,13]。

(3)添加金屬鈍化劑是被廣泛應(yīng)用的能抑制銅硫化物沉積的有效方法。但是加入金屬鈍化劑后會(huì)使油品氧化后的酸值增大[12]。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 原料的選取

選取高壓加氫生產(chǎn)A油方案時(shí)生產(chǎn)合格的煤油、柴油，生產(chǎn)B油方案時(shí)生產(chǎn)合格的煤油、柴油，以及生產(chǎn)的輕質(zhì)白油C油以及D油作為低溫開(kāi)關(guān)油的原料，并且將每種方案的煤油、柴油按照自然比進(jìn)行調(diào)合，原料油的性質(zhì)分析如表3所示。

表3 低溫開(kāi)關(guān)油原料油性質(zhì)分析

從表3中的性質(zhì)分析可以看出：A油方案煤柴油調(diào)合樣、B油方案煤柴油調(diào)合樣以及輕質(zhì)白油C油，40 ℃和-40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度均比較小，但是閉口閃點(diǎn)相比GB 2536中低溫開(kāi)關(guān)油的指標(biāo)要求(閉口閃點(diǎn)要求不低于100 ℃)，存在偏小以及卡邊的情況，因此可以將A油方案煤柴油調(diào)合樣、B油方案煤柴油調(diào)合樣進(jìn)行窄餾分切割，選取適宜的餾分段作為低溫開(kāi)關(guān)油基礎(chǔ)油1和基礎(chǔ)油2，將輕質(zhì)白油C油和D油按照一定比例調(diào)合作為低溫開(kāi)關(guān)油基礎(chǔ)油3。

2.2 低溫開(kāi)關(guān)油基礎(chǔ)油性質(zhì)評(píng)定

基礎(chǔ)油1、基礎(chǔ)油2以及基礎(chǔ)油3性質(zhì)分析如表4所示。

表4 低溫開(kāi)關(guān)油基礎(chǔ)油性質(zhì)分析

從表4中的性質(zhì)分析可以看出：基礎(chǔ)油1、基礎(chǔ)油2和基礎(chǔ)油3均滿足GB 2536-2011中低溫開(kāi)關(guān)油的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法。

2.3 低溫開(kāi)關(guān)油氧化安定性評(píng)定

電器絕緣油要求油品有較長(zhǎng)的使用壽命，因此要求絕緣油有良好的抗氧化安定性。當(dāng)油品與空氣和鐵、銅金屬接觸而導(dǎo)致氧化，會(huì)造成設(shè)備的腐蝕，使油品的電氣性能變壞，所以對(duì)油品的氧化安定性提出更高的要求，因此需要添加抗氧劑來(lái)提高油樣的抗氧化安定性能。實(shí)驗(yàn)室在低溫開(kāi)關(guān)油基礎(chǔ)油1、基礎(chǔ)油2和基礎(chǔ)油3中分別加入0.3%的酚型抗氧劑H，抗氧化性能按照IEC 61125C法進(jìn)行評(píng)定，評(píng)定結(jié)果如表5所示。

表5 氧化安定性評(píng)定結(jié)果

從表5中的數(shù)據(jù)可以看出：低溫開(kāi)關(guān)油基礎(chǔ)油1、基礎(chǔ)油2和基礎(chǔ)油3中分別加入0.3%的酚型抗氧劑H后，氧化之后的酸值、沉淀以及介質(zhì)損耗因數(shù)都很小，均能滿足IEC 60296中低溫開(kāi)關(guān)油氧化安定性指標(biāo)要求。

2.4 低溫開(kāi)關(guān)油導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定

油品在電氣設(shè)備中起絕緣、散熱冷卻作用。 其散熱冷卻作用除與循環(huán)速度 (取決于設(shè)備黏度及循環(huán)泵的流速等)有關(guān)外，與低溫開(kāi)關(guān)設(shè)備本身的熱力學(xué)性質(zhì)如導(dǎo)熱系數(shù)、 比熱容及熱膨脹系數(shù)等有很大關(guān)系[13]。因此此小節(jié)主要考察3個(gè)低溫開(kāi)關(guān)油的導(dǎo)熱系數(shù)。

進(jìn)行基礎(chǔ)油1+0.3%抗氧劑H、基礎(chǔ)油2+0.3%抗氧劑H、基礎(chǔ)油3+0.3%抗氧劑H三個(gè)方案低溫開(kāi)關(guān)油導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定，數(shù)據(jù)如表6所示，變化趨勢(shì)圖見(jiàn)圖1。

表6 低溫開(kāi)關(guān)油導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定

圖1 導(dǎo)熱系數(shù)變化趨勢(shì)

從表6和圖1可以看出：隨著油樣溫度不斷升高，低溫開(kāi)關(guān)油3號(hào)的導(dǎo)熱系數(shù)減少得最快，低溫開(kāi)關(guān)油1號(hào)以及2號(hào)導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高減少緩慢。

3 與國(guó)外同類產(chǎn)品對(duì)比

國(guó)外生產(chǎn)低溫開(kāi)關(guān)油產(chǎn)品的公司有尼納斯，該公司是全球最大的環(huán)烷基油生產(chǎn)商和供應(yīng)商。尼納斯公司生產(chǎn)的低溫開(kāi)關(guān)油產(chǎn)品名稱為Nyswitcho 3X[14-15],將實(shí)驗(yàn)室研制的一種低溫開(kāi)關(guān)油產(chǎn)品與尼那斯公司低溫開(kāi)關(guān)油Nyswitcho 3X的性質(zhì)進(jìn)行分析對(duì)比，如表7所示。

表7 低溫開(kāi)關(guān)油與Nyswitcho 3X對(duì)比情況

從表7中的數(shù)據(jù)可以看出：實(shí)驗(yàn)室研制的低溫開(kāi)關(guān)油的低溫性質(zhì)、介質(zhì)損耗因數(shù)、界面張力與Nyswitcho 3X產(chǎn)品相當(dāng)，可以用于溫度較低的環(huán)境氣候中。從抗氧化安定性來(lái)看，實(shí)驗(yàn)室研制的低溫開(kāi)關(guān)油與Nyswitcho 3X產(chǎn)品均比較優(yōu)異，滿足IEC 60296中低溫開(kāi)關(guān)油指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室研究，以高壓加氫車間生產(chǎn)的煤柴油組分以及精密分餾裝置生產(chǎn)的C油、D油為原料，加入優(yōu)質(zhì)的酚類抗氧劑可以調(diào)合生產(chǎn)出滿足指標(biāo)要求的低溫開(kāi)關(guān)油，其低溫性質(zhì)、電氣性能以及抗氧化性能與國(guó)外尼那斯公司生產(chǎn)的低溫開(kāi)關(guān)油Nyswitcho 3X產(chǎn)品相當(dāng)，閃點(diǎn)、多環(huán)芳烴(PCA)以及多氯聯(lián)苯(PCB)含量均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，具有健康、安全和環(huán)保性能。