高壓互感器用絕緣油的性能對比分析

于會民， 王會娟， 楊雪， 黃松柏，陳華， 張綺， 張昱， 張守杰

（1.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，新疆 克拉瑪依 834003；2.中國石油潤滑油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 克拉瑪依 834003；3.中國石油克拉瑪依潤滑油廠，新疆 克拉瑪依 834003）

0 引 言

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，互感器的電壓等級和準(zhǔn)確度等級都有很大提高，還發(fā)展了很多特種互感器，如直流電流互感器，以及SF6全封閉組合電器（GIS）中的電壓、電流互感器等。其中，油浸式電流互感器制造成本較低，在35～500 kV等級變電站內(nèi)使用廣泛[1-2]，是互感器行業(yè)絕緣油用量最大的設(shè)備。

油浸式電流互感器是輸電系統(tǒng)中的重要測量設(shè)備，由于其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、用油量少，在出現(xiàn)局部過熱或局部放電時，會導(dǎo)致油中溶解氣體含量增加，特別是氫氣含量大幅增加。如果過多的氫氣不能及時被油吸收，會對設(shè)備的安全運(yùn)行構(gòu)成極大的威脅。近年來，高壓、超高壓油浸式電流互感器仍然存在產(chǎn)生氫氣的問題，嚴(yán)重時甚至出現(xiàn)爆裂事故[3-16]。因此，此類設(shè)備對絕緣油的產(chǎn)氣性能和氣體吸收性能有著極其嚴(yán)格的要求。

本文通過對國內(nèi)外絕緣油技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的概述，歸納出高壓互感器用絕緣油的關(guān)鍵性能要求。針對目前國內(nèi)高壓、超高壓電流互感器常用的絕緣油，在使用性能上進(jìn)行系統(tǒng)地考察，重點(diǎn)對絕緣油的常規(guī)性能、絕緣性能、組成與析氣性能、產(chǎn)氣性能、氧化安定性等方面進(jìn)行對比分析，以期為互感器制造企業(yè)選用絕緣油和設(shè)備設(shè)計提供參考。

1 互感器用絕緣油標(biāo)準(zhǔn)的概述

在互感器行業(yè)中，絕緣油主要是礦物型絕緣油。目前國內(nèi)外礦物絕緣油的標(biāo)準(zhǔn)有兩類，一類是國際通用標(biāo)準(zhǔn)IEC 60296:2020[17]和ASTM D3487-2016[18]；另一類是國家標(biāo)準(zhǔn)，如GB 2536—2011[19]、英國BS EN 60296:2012[20]、澳大利亞AS 60296:2017[21]、南非SANS 555-1-2018[22]、加拿大CAN/CSA-C50-14 (R2018)[23]、英國BS 148:2020[24]等。其中IEC 60296:2020、ASTM D3487-2016和GB 2536—2011規(guī)定的礦物絕緣油技術(shù)要求見表1。對比表1指標(biāo)可以看出，與ASTM D3487-2016相比，IEC 60296:2020中絕緣油的氧化安定性評定條件（120℃、500 h）更為苛刻，而ASTM D3487-2016中絕緣油的氧化安定性評定條件為110℃、72 h和110℃、164 h，同時增加了旋轉(zhuǎn)氧彈法。從檢測項(xiàng)目看，IEC 60296:2020要求檢測的項(xiàng)目比ASTM D3487-2016多，有DBDS含量、潛在硫腐蝕檢測項(xiàng)目、金屬鈍化劑含量、糠醛含量、總硫含量和產(chǎn)氣趨勢等，而ASTM D3487-2016對擊穿電壓的檢測項(xiàng)目較多，包括圓盤電極、VDE電極和脈沖擊穿電壓3種方法。綜合分析，ASTM D3487-2016涵蓋的范圍更寬，指標(biāo)要求也更加嚴(yán)格。GB 2536—2011標(biāo)準(zhǔn)采用IEC 60296-2003制定，因此GB 2536—2011標(biāo)準(zhǔn)與IEC 60296:2020第五版的標(biāo)準(zhǔn)相比有較大差距，沒有DBDS含量、潛在硫腐蝕項(xiàng)目、金屬鈍化劑含量和產(chǎn)氣趨勢等檢測項(xiàng)目及指標(biāo)要求，標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求沒有IEC 60296:2020標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格。

表1 礦物絕緣油技術(shù)要求Tab.1 Technical requirements for mineral insulating oil

IEC 602096:2020、英國BS EN 60296:2012、澳大利亞AS 60296:2017、南非SANS 555-1:2018中對絕緣油的析氣性解釋為：析氣性是表征絕緣油在特定的電場電離的實(shí)驗(yàn)條件下吸收或放出氣體的能力。低析氣性（負(fù)析氣性）的絕緣油適用于特殊的電氣設(shè)備如高壓互感器和套管。氣體的負(fù)析氣性與絕緣油的芳烴含量有關(guān)，析氣性測定可參考IEC 60628。加拿大CAN/CSA-C50-14 (R2018)和英國BS 148:2020指出，對于特殊電氣設(shè)備如高壓互感器和套管使用的絕緣油，在局部放電下吸收氣體的性能（負(fù)析氣性）是必要的和重要的，在特定的實(shí)驗(yàn)條件下絕緣油吸收或放出氣體的速率是可以測量的，氣體吸收特性與絕緣油的芳烴含量有關(guān)。

綜合眾多國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)來看，高壓互感器使用的絕緣油是一種特殊的絕緣油，除了滿足IEC 60296:2020、ASTM D3487-2016和GB 2536—2011要求之外，還要滿足低析氣性（負(fù)析氣性）的要求。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

在互感器行業(yè)中，使用廣泛的典型絕緣油產(chǎn)品有兩類：負(fù)析氣性絕緣油和正析氣性絕緣油，如表2所示。

表2 典型的絕緣油產(chǎn)品Tab.2 Typical insulating oil products

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文主要采用IEC 60296:2020和ASTM D3487-2016或GB 2536—2011中所列的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行分析，此外，在絕緣油的結(jié)構(gòu)族烴組成分析上，采用DL/T 929—2018的紅外光譜測定法。

3 絕緣油產(chǎn)品性能對比

3.1 常規(guī)性能對比

絕緣油的使用環(huán)境溫度通常受制于絕緣油的密度、黏度和傾點(diǎn)。絕緣油的運(yùn)動黏度較小時有利于熱量的傳導(dǎo)，低溫運(yùn)動黏度小有利于低溫冷態(tài)投運(yùn)，低的傾點(diǎn)有利于設(shè)備在高寒、極寒地區(qū)使用。5種絕緣油的傾點(diǎn)和不同溫度下的黏度見表3和圖1～2。

圖1 絕緣油的黏溫曲線圖（10～100℃）Fig.1 Viscosity-temperature curve of insulating oils(10-100℃)

圖2 絕緣油的黏溫曲線圖（-40～0℃）Fig.2 Viscosity-temperature curve of insulating oils(-40-0℃)

表3 絕緣油的傾點(diǎn)和黏度檢測結(jié)果Tab.3 Test results pour points and viscosity of insulating oils

從表3可知，1#絕緣油的傾點(diǎn)最低，3#、5#絕緣油次之，2#、4#絕緣油的傾點(diǎn)最高，說明1#絕緣油更適用于極寒環(huán)境。從圖1～2可以看出，1#、2#絕緣油的高、低溫黏度最小，3#、5#絕緣油的高、低溫黏度最大，說明1#、2#絕緣油的高溫傳熱性能更好，低溫投運(yùn)溫度更低。

3.2 精制穩(wěn)定性和健康安全環(huán)保特性對比

絕緣油的精制穩(wěn)定性通常以酸值、界面張力、總硫含量、腐蝕性硫等指標(biāo)進(jìn)行評價，健康、安全和環(huán)保特性用閃點(diǎn)、稠環(huán)芳烴(PCA)含量和多氯聯(lián)苯（PCB）含量指標(biāo)進(jìn)行評價。5種絕緣油的精制穩(wěn)定性以及健康、安全和環(huán)保特性測試結(jié)果如表4表示。從表4可知，5種絕緣油的精制穩(wěn)定性和健康安全環(huán)保特性相近，均滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表4 絕緣油的精制穩(wěn)定性及健康、安全和環(huán)保特性檢測結(jié)果Tab.4 Test results of refining stability and health, safety, and environmental properties of insulating oils

3.3 常規(guī)絕緣性能對比

絕緣油的水分、擊穿電壓、介質(zhì)損耗因數(shù)和帶電傾向可反映絕緣油的絕緣性能優(yōu)劣，5種絕緣油的絕緣性能檢測結(jié)果見表5。從表5數(shù)據(jù)可知，5種試驗(yàn)樣品的絕緣性能相近，滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表5 絕緣油的絕緣性能檢測結(jié)果Tab.5 Test results of insulating properties of insulating oils

3.4 組成及析氣性能對比

絕緣油的組成分析方法很多，可以采用密度（20℃）、黏度（40℃）和折光率（20℃）計算法，也可以采用紅外光譜儀分析，分析的原理是將復(fù)雜的礦物絕緣油看成是由鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴組成的單一分子，其中CA值表示芳香碳原子占總碳原子的百分?jǐn)?shù)，CN值表示環(huán)烷碳原子占總碳原子的百分?jǐn)?shù)，CP值表示鏈烷烴碳原子占總碳原子的百分?jǐn)?shù)。

析氣性試驗(yàn)是模擬絕緣油在電場和電離作用下吸收和析出氣體的傾向，主要用于絕緣油在電場下絕緣性能的評價，該方法比較接近實(shí)際設(shè)備發(fā)生局部放電時的氣體析出和吸收的工況。絕緣油的析氣性試驗(yàn)測得值是放氣和吸氣綜合作用的結(jié)果，絕緣油的析氣性值越小或負(fù)值越大，其析氣性越好，反之越差。

芳烴含量和環(huán)烷烴含量是絕緣油溶解油泥能力的關(guān)鍵指標(biāo)，通常用絕緣油的苯胺點(diǎn)來反映，苯胺點(diǎn)越低，溶解油泥的能力越強(qiáng)。5種絕緣油的結(jié)構(gòu)族組成分別與析氣性和苯胺點(diǎn)的關(guān)系見圖3和圖4。

圖3 絕緣油的結(jié)構(gòu)族組成與析氣性關(guān)系Fig.3 Relationships between hydrocarbon composition and gassing properties of insulating oils

圖4 絕緣油的結(jié)構(gòu)族組成與苯胺點(diǎn)關(guān)系Fig.4 Relationships between hydrocarbon composition and aniline point of insulating oils

國際上，按烴組成對基礎(chǔ)油的分類如下：若CP=42%～50%，則為環(huán)烷基油；若CP=50%～56%，則為中間基油；若CP=56%～65%，則為石蠟基油[25]。從圖3～4可以看出，5種絕緣油的Cp值均小于50%，為典型的環(huán)烷基油，其中1#和2#絕緣油的CA值大于10.0%，屬于典型的高芳烴環(huán)烷基油，3#、4#、5#絕緣油的芳烴含量（CA值）小于5%，屬于典型的深度精制的低芳烴環(huán)烷基油。

從圖3可知，1#絕緣油的芳烴含量（CA值）最高，析氣性負(fù)值最大，2#絕緣油次之，3#、4#、5#絕緣油的芳烴含量（CA值）最低，析氣性為正值，說明1#絕緣油在設(shè)備發(fā)生局部放電時吸收氣體的能力最強(qiáng)。

從圖4可知，1#、2#絕緣油的芳烴含量（CA值）更高；3#絕緣油的芳烴含量（CA值）較高且環(huán)烷烴含量（CN值）最高；4#、5#絕緣油的芳烴含量（CA值）較低，但環(huán)烷烴含量（CN值）較高。3#絕緣油的苯胺點(diǎn)最低，1#和2#絕緣油次之，4#絕緣油的苯胺點(diǎn)最高，說明3#絕緣油溶解油泥的能力最好。

從以上結(jié)果來看，絕緣油中芳烴含量與其析氣性相關(guān)度非常高，從析氣性檢測原理可知，在熱和電場的綜合作用下，析氣池中絕緣油表面發(fā)生劇烈反應(yīng)，使得絕緣油分子的碳?xì)鋯捂I、碳碳單鍵斷裂，產(chǎn)生活性的氫原子及烴基團(tuán)?；钚詺湓佑掷^續(xù)與油中的氫原子及烯烴分子作用，形成氫氣分子和甲烷等低分子烴類氣體。同時，芳烴的碳碳雙鍵會與活性氫原子發(fā)生加成反應(yīng)而吸收氫，形成新的環(huán)烷烴。另外，有一部分釋放了氫原子的不飽和烴基基團(tuán)有可能聚合，形成高分子的膠狀物——X蠟，X蠟是指出現(xiàn)在故障互感器和套管的絕緣層和屏蔽層中的大量不溶于絕緣油的黃色物質(zhì)。

3.5 產(chǎn)氣性能對比

運(yùn)行電力設(shè)備的絕緣故障與絕緣油的溶解氣體組分有著密切的關(guān)系，電力行業(yè)普遍通過檢測電力設(shè)備中絕緣油的溶解氣體組分及其含量變化的方法來判斷電力設(shè)備故障。然而，未投運(yùn)電力設(shè)備的絕緣油在受到某些污染物影響時可能會產(chǎn)生少量故障特征氣體，同時，一些新絕緣油由于自身的老化也會產(chǎn)生少量的故障特征氣體，其中氫氣最常見，從而容易造成電力設(shè)備故障的誤判，使得采用溶解氣體組分分析法來判斷電力設(shè)備的運(yùn)行狀況顯得更為復(fù)雜，影響電氣設(shè)備故障判斷的準(zhǔn)確性。因此，IEC 60296:2020中要求對新絕緣油的產(chǎn)氣特性進(jìn)行考察，并規(guī)定在105℃銅材料存在條件下貯存48 h后，油中的氫氣、甲烷和乙烷含量均不能超過50 μL/L。為此，對5種絕緣油進(jìn)行產(chǎn)氣性能考察，結(jié)果見圖5。

圖5 絕緣油的產(chǎn)氣性能Fig.5 Gass production properties of insulating oils

從圖5可知，2#絕緣油的總產(chǎn)氣量最大，氫氣含量超過標(biāo)準(zhǔn)要求，說明其熱穩(wěn)定性差；1#、3#、4#、5#絕緣油的總產(chǎn)氣量較小，氫氣含量、甲烷、乙烷滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其中1#絕緣油的產(chǎn)氣量最小，熱穩(wěn)定性最好。

究其原因，絕緣油是由許多不同分子量的碳?xì)浠衔锓肿咏M成的混合物，分子中含有-CH3、-CH2和-CH基團(tuán)并由C-C鍵鍵合在一起。有氧氣存在下絕緣油會發(fā)生氧化，符合自由基引發(fā)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理，可表示為式（1）。

碳?xì)浞肿覴H熱裂解產(chǎn)生碳自由基R·和活潑氫原子。這些氫原子或自由基通過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)迅速重新化合，形成氫氣和低分子烴類氣體，如甲烷、乙烷等。低能量時C-H鍵（338 kJ/mol）斷裂，大部分氫離子將重新化合成氫氣。C-C鍵的斷裂需要較高的能量，斷裂后又迅速以C-C鍵（607 kJ/mol）、C=C鍵（720 kJ/mol）和C≡C鍵（960 kJ/mol）的形式重新化合生成烴類氣體，依次需要越來越高的溫度和能量[26]。值得一提的是，在非故障狀態(tài)下絕緣油中不會產(chǎn)生乙炔，乙炔一般只在放電故障時產(chǎn)生。

3.6 氧化安定性能對比

抗氧化性能是絕緣油非常重要的指標(biāo)之一，是絕緣油使用等級劃分的重要基礎(chǔ)，也是電力設(shè)備制造商選擇絕緣油的主要依據(jù)。絕緣油運(yùn)行過程中產(chǎn)生的故障除自身絕緣問題外，均與絕緣油的抗氧化性能有著直接的關(guān)系。絕緣油在運(yùn)行溫度條件下，因受溶解在油中的氧氣、電場、電弧及水分、雜質(zhì)和金屬催化劑等的作用，會發(fā)生氧化、裂解等化學(xué)反應(yīng)而不斷變質(zhì)，生成過氧化物及醇、醛、酮、酸等氧化產(chǎn)物，這些氧化產(chǎn)物將降低油的絕緣性能，對絕緣油的絕緣結(jié)構(gòu)和散熱性能造成致命的影響。IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用在120℃下進(jìn)行500 h的試驗(yàn)來評定絕緣油的氧化安定性，5種絕緣油的氧化安定性試驗(yàn)結(jié)果如表6和圖6所示。從表6和圖6可知，2#絕緣油氧化安定性試驗(yàn)后的總酸值、油泥和介質(zhì)損耗因數(shù)最大，說明其氧化安定性最差；1#、3#、4#、5#絕緣油氧化安定性試驗(yàn)后的總酸值、油泥和介質(zhì)損耗因數(shù)較小，氧化安定性較好，其中1#絕緣油的氧化安定性最好。

圖6 絕緣油氧化安定性試驗(yàn)后外觀Fig.6 Appearance of insulating oils after oxidation stability test

表6 絕緣油的氧化安定性試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Oxidation stability test results of insulating oils

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，從芳烴含量、析氣性、產(chǎn)氣性能、油泥溶解性能和氧化安定性之間的平衡來看，1#絕緣油的綜合性能最好，芳烴含量最高，析氣性最低，氧化安定性最好；2#絕緣油次之，其芳烴含量也比較高，析氣性相對較低，但是其產(chǎn)氣性能和氧化安定性最差；3#、4#、5#絕緣油的芳烴含量低，析氣性高且是正值，析氣性能和油泥溶解性能相對較差，產(chǎn)氣性能和氧化安定性較好。

從國際標(biāo)準(zhǔn)對高壓互感器和套管用絕緣油的性能推薦可以看出，高壓互感器使用的絕緣油作為一種特殊的絕緣油，除了滿足IEC60296:2020、ASTM D3487-2016和GB 2536—2011要求外，還要滿足負(fù)析氣性的要求。本文試驗(yàn)的5種絕緣油中只有中石油潤滑油公司的1#絕緣油和NYNAS公司的2#絕緣油能滿足高壓互感器用絕緣油的指標(biāo)要求，其中1#絕緣油更適用于高壓互感器的絕緣液體，而3#、4#、5#絕緣油不能滿足高壓互感器用絕緣油的要求，不適用于高壓互感器。

4 結(jié) 論

（1）綜合眾多國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)來看，高壓互感器用絕緣油除了滿足相應(yīng)的國內(nèi)外變壓器油的標(biāo)準(zhǔn)要求之外，還要滿足負(fù)析氣性（吸收氣體）的要求。

（2）更高的芳烴含量有利于提高絕緣油的抗析氣性能，芳烴和環(huán)烷烴的總含量越高，其溶解油泥的性能越好。

（3）在抗析氣性能、產(chǎn)氣性能、油泥溶解性能和氧化安定性之間的平衡上，1#絕緣油的綜合性能最好，2#絕緣油次之，適合作為高壓互感器的絕緣液體；3#、4#、5#絕緣油是正析氣性油，不適用于高壓互感器。