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        低溫開關(guān)用礦物絕緣油的研制

        2022-01-09 06:07:40馬蕊燕柯友勝張美瓊何軍羅慶華
        潤滑油 2021年6期
        關(guān)鍵詞:調(diào)合安定性絕緣油

        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,油開關(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斷故障的滅弧介質(zhì)的一種開關(guān)設(shè)備。試驗表明,當(dāng)用開關(guān)電器斷開電流時,如果電路電壓不低于10~20 V,電流不小于80~100 mA,動觸頭和靜觸頭之間會產(chǎn)生火花,這個火花就是電弧。此時電流通過電弧繼續(xù)流動,一直到動觸頭拉開足夠長距離時,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,是一種具有強光和高溫的電游離現(xiàn)象,其高溫區(qū)域可達5000 ℃以上,這不僅對電器設(shè)備有很大的破壞作用,而且使斷開電路的時間延長,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)油斷路器的動觸頭和靜觸頭互相分離時,會產(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,但變壓器油的絕緣性能及低溫性能均無法滿足開關(guān)設(shè)備在低溫下的使用要求,開斷短路電流后生成的游離碳大,介電強度下降較大,在一定程度上影響開斷性能和運行性能[3]。因此開展了低溫開關(guān)礦物絕緣油的研制。

        1 低溫開關(guān)油的技術(shù)要求

        1.1 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

        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中低溫開關(guān)油的技術(shù)要求和試驗方法見表1。

        表1 GB 2536—2011標(biāo)準(zhǔn)對低溫開關(guān)油技術(shù)要求和相關(guān)試驗方法[4]

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

        (1)將低溫開關(guān)油的最低冷態(tài)投運溫度(LCSET)設(shè)定為-40 ℃。最低冷態(tài)投運溫度(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)投運溫度(LCSET),以免影響泵、有載調(diào)壓開關(guān)(如果有)的啟動。

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

        (3)對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、多環(huán)芳烴含量、多氯聯(lián)苯含量。

        (5)增加了2-糠醛含量、腐蝕性硫等檢測項目。

        1.2 國外標(biāo)準(zhǔn)

        國際電工委員會(IEC)成立于1906年,是世界上成立最早的國際性電工標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)。IEC于2012年2月20日正式發(fā)布和實施了IEC 60296-2012標(biāo)準(zhǔn)第4版《電工流體 變壓器和開關(guān)用的未使用過的礦物絕緣油》。IEC 60296-2012標(biāo)準(zhǔn)對低溫開關(guān)油的技術(shù)要求和相關(guān)試驗方法見表2。

        表2 IEC 60296-2012標(biāo)準(zhǔn)中低溫開關(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)、金屬鈍化劑等檢測項目。設(shè)置這幾個檢測項目的意義在于:

        (1)低溫開關(guān)油的顆粒度含量對開關(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),其本身不會對設(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,其對絕緣的影響會明顯增加[7]。近年來,有一定數(shù)量的開關(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,國內(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,抑制腐蝕性硫問題成為研究人員關(guān)注的重要問題[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使油品氧化后的酸值增大[12]。

        2 研究內(nèi)容

        2.1 原料的選取

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

        表3 低溫開關(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 ℃運動黏度均比較小,但是閉口閃點相比GB 2536中低溫開關(guān)油的指標(biāo)要求(閉口閃點要求不低于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)合樣進行窄餾分切割,選取適宜的餾分段作為低溫開關(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)合作為低溫開關(guān)油基礎(chǔ)油3。

        2.2 低溫開關(guān)油基礎(chǔ)油性質(zhì)評定

        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中低溫開關(guān)油的技術(shù)要求和試驗方法。

        2.3 低溫開關(guān)油氧化安定性評定

        電器絕緣油要求油品有較長的使用壽命,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,會造成設(shè)備的腐蝕,使油品的電氣性能變壞,所以對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提高油樣的抗氧化安定性能。實驗室在低溫開關(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法進行評定,評定結(jié)果如表5所示。

        表5 氧化安定性評定結(jié)果

        從表5中的數(shù)據(jù)可以看出:低溫開關(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中低溫開關(guān)油氧化安定性指標(biāo)要求。

        2.4 低溫開關(guān)油導(dǎo)熱系數(shù)的測定

        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個低溫開關(guān)油的導(dǎo)熱系數(shù)。

        進行基礎(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三個方案低溫開關(guān)油導(dǎo)熱系數(shù)的測定,數(shù)據(jù)如表6所示,變化趨勢圖見圖1。

        表6 低溫開關(guān)油導(dǎo)熱系數(shù)的測定

        圖1 導(dǎo)熱系數(shù)變化趨勢

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

        3 與國外同類產(chǎn)品對比

        國外生產(chǎn)低溫開關(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)的低溫開關(guān)油產(chǎn)品名稱為Nyswitcho 3X[14-15],將實驗室研制的一種低溫開關(guān)油產(chǎn)品與尼那斯公司低溫開關(guān)油Nyswitcho 3X的性質(zhì)進行分析對比,如表7所示。

        表7 低溫開關(guān)油與Nyswitcho 3X對比情況

        從表7中的數(shù)據(jù)可以看出:實驗室研制的低溫開關(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。從抗氧化安定性來看,實驗室研制的低溫開關(guān)油與Nyswitcho 3X產(chǎn)品均比較優(yōu)異,滿足IEC 60296中低溫開關(guān)油指標(biāo)要求。

        4 結(jié)論

        經(jīng)過實驗室研究,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)要求的低溫開關(guān)油,其低溫性質(zhì)、電氣性能以及抗氧化性能與國外尼那斯公司生產(chǎn)的低溫開關(guān)油Nyswitcho 3X產(chǎn)品相當(dāng),閃點、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。

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