XLPE高壓電纜終端用硅油性能綜合試驗分析

夏俊峰，徐曉峰，仲偉霞，孫建生，李 闖，李 海

(1.上海電纜研究所，上海200093;2.上海市電力公司檢修公司，上海200942)

0 引言

高壓電纜終端通常借助硅油來增強終端內絕緣和界面強度，并使內部的應力錐部件與外部空氣隔絕［1］。作為液體絕緣填充劑，它的穩定性和可靠性對高壓線路系統和電纜終端的安全運行十分重要。

為分析高壓電纜終端及其組部件的運行情況，提供高壓電纜終端狀態檢修的標準和依據，需要對終端用硅油開展研究。通過采用綜合試驗分析手段，對不同型式、不同電壓等級的電纜終端用硅油的原始性能、老化運行特性及故障時的硅油性能進行分析研究，找出反映電纜運行狀態的硅油老化特征，為硅油檢測技術和判定標準制訂提供依據。

1 概述

硅油具有卓越的耐熱性、電絕緣性、耐候性、疏水性和較小的表面張力，還具有低的粘溫系數，較高的抗壓縮性，有的品種還有耐輻射的性能。

硅油具有非常好的電性能與熱穩定性、化學穩定性及阻燃性，所以在電絕緣方面的應用不斷擴大。尤其是二甲基硅油，與礦物油類絕緣油相比，具有較高的阻燃性，并且對人體、環境的安全性非常高;與其他絕緣油相比，低粘度硅油存在熱膨脹系數大、氣體溶解量大、吸濕性高等缺點，在結構設計及水分管理上要給予充分的注意［2］。

為了有效防止終端的內部爬電，增大其絕緣強度，套管內部需要充入大量的絕緣介質。而硅油憑借其高耐熱性、高電絕緣性以及其它優良性能，成為良好的絕緣介質選擇［3］。

2 試驗方案

2.1 硅油樣品的采集

本研究采集的硅油樣品可分為未使用的原始油樣及運行現場的運行油樣，未使用的原始油樣從主流附件廠商處獲得。電纜終端用硅油的類型較多，包括粘度在內的特性有很大不同。若綜合檢測電纜終端硅油的性能變化，就必須保證采集的硅油樣品具有一定的代表性。不僅要選擇有代表性的不同廠家的純油樣品，而且還要從電纜終端運行的年限、工作環境、電壓等級等角度考慮確定采樣原則，并需保證一定的樣本量。因此，為保證測試數據的準確性和完備性，在設計方案時考慮的因素涵蓋了附件廠商、終端類型、硅油品牌、電壓等級、運行年限等多個因素。其使用的原始油樣應能代表市場上電纜終端用硅油的原始性能。

運行現場的運行油樣則結合現場檢修工作，從實際運行的多條電纜輸電線路獲取不同運行年限的油樣。涉及的電纜輸電線路共9條，終端取樣點主要為市區變電。涵蓋了110 kV和220 kV兩個電壓等級，戶外終端、GIS終端、過渡接頭三種終端類型，運行年限跨度從5年至20年。其中，110 kV線路3條，220 kV線路3條。戶外終端樣品2個，GIS終端樣品6個，過渡接頭樣品1個。

采樣終端按附件廠商分為1#～4#;其中2#為高粘度硅油，其余為低粘度硅油。樣品信息如圖1和圖2所示。

圖1 終端類型及比例

圖2 終端運行年限

2.2 硅油的性能測試

對電纜終端的硅油進行全面的性能分析，主要從以下幾個方面進行了分析。

(1)酸值

硅油的酸值是一個重要的指標，它表示油中含有酸性物質的數量。分析酸值與運行時間及運行環境的關系，可以掌握硅油氧化的程度。

(2)運動粘度

運動粘度表征液體在重力作用下流動時摩擦力的量度。它與硅油的流動性能、去氣特性等有密切關系。

(3)電場析氣性

絕緣油在受到其強度足以引起在油、氣交界中放電的電場(或電離)作用下，油本身表現出吸收或放出氣體的能力。

在工頻電場應力的作用下，硅油中部分烴分子可能會發生裂解而產生氣體，這部分氣體的主要成分是氫氣，它以微小氣泡的形態從油中釋放出來。但由于它是大分子的聚合物，且主鍵為硅－氧鍵，與而碳－碳主鍵的常規的小分子的絕緣油相比，結構更為穩定［4］。

3 試驗數據及分析

3.1 酸值

酸值是一個重要的數據，它表示油中含有酸性物質的數量，一般以中和1 g絕緣油中酸性物質所需的氫氧化鉀質量(mg)來表示。分析酸值與運行時間及運行環境的關系(見圖3)，可以掌握硅油氧化的程度。

圖3 酸值與運行時間的關系

從圖3中可以看出，運行過的硅油和未運行的硅油相比，酸值存在顯著增加的情況。對1#硅油，同一電壓等級的運行5年的硅油和新油相比較，酸值有所增加，但變化不大。對2#硅油，運行時間超過10年時，酸值較原始值增大了2～3倍。但其絕對數值仍較低，最大值為0.018 mgKOH/g。雖然化工標準(HG/T 2366)未對粘度100以上的二甲基硅油提出酸值指標要求，但參考低粘度硅油的酸值要求低限(≤0.03 mgKOH/g)，以及終端的實際運行時間，上述試驗值仍處在較低水平。

上述試驗分析可發現該項指標隨時間變化相對敏感，且呈正相關性。

3.2 水分

水分含量與終端的電氣性能密切相關，其變化需重點關注(見圖4)。

圖4 水分與運行時間的關系

從圖4中可以看出，運行過的硅油和未運行的硅油相比，水分含量均有所增加，且與原始油的技術要求有較大差距。1#和2#兩種硅油的試驗值相差近一倍。2#硅油水分含量增量較小，10年后試驗值均在較低水平(＜70 mg/kg);而1#硅油，水分含量增量較大，5年后的試驗值較初始值增加近60%，遠超原始油的性能要求。這與不同粘度的硅油特性有直接關系。此外，2#油樣均在GIS終端提取，密封結構與運行壓力不同也是可能原因之一。

3.3 電場析氣性

對于1#和2#硅油，隨運行時間的延長，電場析氣性存在較小的波動，但總體水平較低。例如，運行年限大于5年的1#硅油析氣性指標為負值;2#硅油的析氣性指標較為穩定，接近于零。

3.4 界面張力

界面張力是由表面過渡層分子間引力差而形成的。一般來說，粘度大的硅油分子間引力較大，界面張力也大(見圖5)。

從圖5可以看出，與前述的酸值和閉口閃點相似，隨著運行時間的延長，1#硅油的界面張力試驗值變小。原因可能是硅油中小分子的活性物質(包括水分)含量增加所致。

4 結論

(1)與未使用的空白硅油相比，不同運行年限的硅油各項指標均發生了不同程度的變化。

圖5 界面張力與運行時間的關系

(2)受硅油粘度、終端類型、電壓等級、運行環境及條件等多種因素的影響，各項指標的顯著程度有所不同。考慮樣本量有限，數據具有一定的分散性，主要進行與時間的單因素分析，未對各因素進行聯合分析。

(3)硅油的穩定性相對較好，這主要歸因于其穩定的材質。基于試驗數據變化的總體判斷，硅油的總體狀況仍可滿足使用條件。目前，這些進行的試驗項目及指標總體是適合的，對其中的敏感項目可跟蹤分析。若有個別樣本的指標明顯偏離，可重點關注，并探討將其作為未來判據的可能性。

(4)通過對各指標的敏感程度分析得知，水分、閃點、酸值等可作為今后跟蹤的主要項目。它們與運行時間均有一定的正/負相關性。

(5)硅油的性狀是動態變化的，需全面分析電、熱等綜合因素，而這與材料特性、終端結構、安裝工藝等密切相關。為避免終端異常狀況的發生，在運行檢修工作中應予以綜合考慮。

［1］韓進賢，孫 摯.硅油與礦物油用作變壓器油的性能比較［J］.有機硅材料，2000，14(5):18-19.

［2］齊 帆，李美江.硅油制備工藝與應用［J］.化工生產與技術，2009，16(6):37-39.

［3］《電線電纜手冊》編委會.電線電纜手冊(第2冊)［M］.北京:機械工業出版社，2009.

［4］黃文潤.硅油及二次加工制品［M］.北京，化學工業出版社，2004.