客運(yùn)動(dòng)車組牽引變壓器絕緣用油的性能對(duì)比分析

于會(huì)民，張 綺，王會(huì)娟，馬書杰

(中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開發(fā)中心，中國(guó)石油潤(rùn)滑油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 克拉瑪依 834003)

客運(yùn)動(dòng)車組牽引變壓器絕緣用油的性能對(duì)比分析

于會(huì)民，張 綺，王會(huì)娟，馬書杰

(中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開發(fā)中心，中國(guó)石油潤(rùn)滑油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 克拉瑪依 834003)

對(duì)國(guó)內(nèi)客運(yùn)動(dòng)車組牽引變壓器絕緣用油的情況進(jìn)行簡(jiǎn)述，對(duì)兩種典型硅絕緣油和酯類絕緣油產(chǎn)品的常規(guī)性能、絕緣性能、傳熱性能、產(chǎn)氣性能、氧化安定性等進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：與硅絕緣油相比，酯類絕緣油的燃點(diǎn)較低、酸值較大、介質(zhì)損耗因數(shù)較大、帶電傾向很大、體積電阻率較低，隨著溫度的升高絕緣性能下降很快；硅絕緣油和酯類絕緣油的傳熱性能相近；硅絕緣油的抗雷電擊穿能力強(qiáng)，熱穩(wěn)定性優(yōu)異，氧化安定性優(yōu)良，氣體產(chǎn)出量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于酯類絕緣油。

客運(yùn)動(dòng)車組 牽引變壓器 絕緣油 絕緣性能 氧化安定性

自1958年我國(guó)試制成功第一臺(tái)SS1型干線電力機(jī)車牽引變壓器以來(lái)，國(guó)內(nèi)企業(yè)先后研制成功SS3～SS9、TM1、DDJ等交直傳動(dòng)的電力機(jī)車用牽引變壓器。21世紀(jì)初期我國(guó)引進(jìn)了DJ1型機(jī)車及ABB公司的技術(shù)，牽引變壓器設(shè)計(jì)及制造技術(shù)得到快速發(fā)展[1]。

自2004年以來(lái)，我國(guó)通過(guò)引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新戰(zhàn)略已完全掌握了動(dòng)車組列車的牽引變壓器主要配套技術(shù)。大同ABB牽引變壓器有限公司和中國(guó)南車株洲電機(jī)有限公司是國(guó)內(nèi)兩家最大的客運(yùn)高鐵車載牽引變壓器制造商，為唐山客車廠、長(zhǎng)春客車廠、青島四方車輛廠完成我國(guó)客運(yùn)動(dòng)車組制造任務(wù)做出了重要貢獻(xiàn)。客運(yùn)動(dòng)車組車載牽引變壓器為特A級(jí)、H級(jí)絕緣，主要以硅油和酯類絕緣油為主，此類產(chǎn)品的特點(diǎn)是閃點(diǎn)高、燃點(diǎn)高、傾點(diǎn)低，以滿足客運(yùn)動(dòng)車組的防火(抗燃)和低溫運(yùn)行環(huán)境要求[2-6]。為了系統(tǒng)考察這兩類絕緣油在使用性能上的差異，本課題對(duì)兩種典型硅絕緣油和酯類絕緣油產(chǎn)品的常規(guī)性能、絕緣性能、傳熱性能、產(chǎn)氣性能、氧化安定性能等進(jìn)行對(duì)比分析，期望為客運(yùn)動(dòng)車組車載牽引變壓器選用油品和設(shè)備設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)原料采用在客運(yùn)動(dòng)車組車載牽引變壓器行業(yè)中使用廣泛的兩種典型產(chǎn)品：電器級(jí)硅油96DE和MIDEL 7131酯類絕緣油，其基本情況見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)原料的基本情況

2 結(jié)果與討論

2.1 常規(guī)性能對(duì)比

在國(guó)際市場(chǎng)上，硅油主要執(zhí)行IEC 60836和ASTM D4652硅絕緣油標(biāo)準(zhǔn)；酯類絕緣油執(zhí)行IEC61099標(biāo)準(zhǔn)。在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，硅絕緣油執(zhí)行GBT 21218標(biāo)準(zhǔn)，等效于IEC 60836；酯類絕緣油沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)。

依據(jù)IEC 60836和IEC61099標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)96DE硅油和MIDEL 7131酯類絕緣油的常規(guī)性能進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表2。由表2可知：96DE硅油符合IEC 60836標(biāo)準(zhǔn)要求； MIDEL 7131酯類絕緣油符合IEC61099標(biāo)準(zhǔn)要求；與96DE硅油相比，MIDEL 7131酯類絕緣油的酸值較大、介質(zhì)損耗因數(shù)較大、燃點(diǎn)較低、體積電阻率較低。

2.2 絕緣性能對(duì)比

2.2.1 常規(guī)絕緣性能 表3為兩種油品的常規(guī)絕緣性能檢測(cè)結(jié)果。由表3可知，與96DE硅油相比，MIDEL 7131酯類絕緣油的界面張力較小、帶電傾向很大，其原因?yàn)椋乎ヮ惤^緣油中含有親水基團(tuán)——酯基，可大幅降低油水界面張力(低于傳統(tǒng)的石油基變壓器油)；酯基的碳氧雙鍵上的氧電負(fù)性大，使碳原子上的電子云偏向于氧原子，使其具有很強(qiáng)的親質(zhì)子性，而絕緣紙的主要成分為木質(zhì)纖維素，在木質(zhì)纖維素分子中，存在著醇羥基—OH，羥基中的氫容易在親質(zhì)子基團(tuán)攻擊下失去氫正離子，導(dǎo)致絕緣紙的表面電子分離，使油帶有過(guò)多的正電荷，從而導(dǎo)致MIDEL 7131酯類絕緣油的帶電傾向很大。

表2 常規(guī)性能檢測(cè)結(jié)果

表3 常規(guī)絕緣性能檢測(cè)結(jié)果

2.2.2 絕緣性能與溫度的相關(guān)性 介質(zhì)損耗因數(shù)和體積電阻率是反映變壓器油絕緣性能好壞的關(guān)鍵指標(biāo)。介質(zhì)損耗因數(shù)的高低反映出變壓器油在交流電場(chǎng)下絕緣性能的好壞，體積電阻率的大小反映出變壓器油在直流電場(chǎng)下絕緣性能的好壞。96DE硅油和MIDEL 7131酯類絕緣油在不同溫度下的介質(zhì)損耗因數(shù)和體積電阻率變化趨勢(shì)見圖1和圖2。由圖1和圖2可知：隨著溫度的升高，96DE硅油和MIDEL 7131酯類絕緣油的介質(zhì)損耗因數(shù)增大、體積電阻率降低，但是96DE硅油的介質(zhì)損耗因數(shù)隨著溫度升高而增加的幅度很小；在相同溫度下，96DE硅油的介質(zhì)損耗因數(shù)遠(yuǎn)小于MIDEL 7131酯類絕緣油，而體積電阻率遠(yuǎn)高于MIDEL 7131酯類絕緣油；隨著溫度的升高M(jìn)IDEL 7131酯類絕緣油的絕緣性能下降很快。

圖1 不同溫度下的介質(zhì)損耗因數(shù)變化趨勢(shì)◆—96DE； ■—MIDEL 7131。 圖2、圖5～圖8同

圖2 不同溫度下的體積電阻率變化趨勢(shì)

2.2.3 沖擊電壓下的絕緣性能 車載牽引變壓器在動(dòng)車組投運(yùn)過(guò)程中不可避免地要受到操作過(guò)電壓和雷電沖擊電壓的作用，因此考察96DE硅油和MIDEL 7131酯類絕緣油在操作過(guò)電壓和雷電沖擊電壓下的擊穿特性，結(jié)果見圖3和圖4。由圖3和圖4可知：受雷電波和操作波沖擊時(shí)，在正極性電壓下 96DE硅油和MIDEL 7131酯類絕緣油的擊穿電壓相近；在負(fù)極性電壓下 96DE硅油的擊穿電壓比MIDEL 7131酯類絕緣油高。由于自然環(huán)境里，95%以上的雷電都是負(fù)極性的，因此96DE硅油的抗雷電擊穿能力更強(qiáng)。

圖3 雷電波沖擊下的擊穿特性■—96DE(正極性)； ◆——96DE(負(fù)極性)；正極性)； ▲—MIDEL 7131(負(fù)極性)。 圖4同

圖4 操作波沖擊下的擊穿特性

2.3 傳熱性能對(duì)比

圖5 不同溫度下的黏度變化趨勢(shì)

圖6 不同溫度下的密度變化趨勢(shì)

圖7 不同溫度下的熱導(dǎo)率變化趨勢(shì)

圖8 不同溫度下的比熱容變化趨勢(shì)

決定變壓器油傳熱性能的主要熱物性參數(shù)有黏度、密度、導(dǎo)熱率和比熱容。在不同溫度下考察96DE硅油和MIDEL 7131酯類絕緣油的熱物性，結(jié)果見圖5～圖8。由圖5～圖8可知：96DE硅油的低溫黏度小于MIDEL 7131酯類絕緣油，即96DE硅油的低溫流動(dòng)性能更好；96DE硅油和MIDEL 7131酯類絕緣油的密度和比熱容相近；隨著溫度的升高，96DE硅油和MIDEL 7131酯類絕緣油的導(dǎo)熱率均降低，導(dǎo)熱率隨溫度的變化近似于線性關(guān)系，在相同溫度下，MIDEL 7131酯類絕緣油的導(dǎo)熱率比96DE硅油低。

對(duì)變壓器油這類有機(jī)物而言，能量主要是依靠微觀粒子(分子)在其平衡位置附近的振動(dòng)波傳遞出去。這種作用與密度的變化關(guān)系很大，當(dāng)溫度升高時(shí)密度減小，單位傳熱面內(nèi)的微觀粒子數(shù)減少，振動(dòng)時(shí)所交換的能量減少，宏觀上則表現(xiàn)為導(dǎo)熱率降低。黏度越大的化合物，其烷基碳鏈越多、相對(duì)分子質(zhì)量越大，因此導(dǎo)熱率越大。兩種油品的密度雖然相近，但MIDEL 7131酯類絕緣油的黏度(25～150 ℃)和相對(duì)分子質(zhì)量均小于96DE硅油，因此其導(dǎo)熱率也略小于96DE硅油。

2.4 產(chǎn)氣性能對(duì)比

圖9 在氮?dú)怙柡拖碌漠a(chǎn)氣量■—96DE； ■—Midel 7131。 圖10同

圖10 在空氣飽和下的產(chǎn)氣量

變壓器油中的溶解氣體直接影響絕緣油的抗擊穿性能，因此在低熱下(120 ℃、164 h)考察96DE硅油和MIDEL 7131酯類絕緣油的產(chǎn)氣特性，結(jié)果見圖9和圖10。由圖9和圖10可知，在氮?dú)怙柡图翱諝怙柡拖拢?6DE硅油的總氣體產(chǎn)出量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于MIDEL 7131酯類絕緣油，說(shuō)明MIDEL 7131酯類絕緣油的熱穩(wěn)定性能差，在低熱下使用時(shí)會(huì)產(chǎn)出更多的H2、CO和CO2氣體。

2.5 氧化安定性對(duì)比

表4 氧化安定性檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié) 論

(1) 與硅絕緣油相比，酯類絕緣油的酸值較大、介質(zhì)損耗因數(shù)較大、燃點(diǎn)較低、體積電阻率較低、帶電傾向很大。

(2) 隨著溫度的升高，硅絕緣油和酯類絕緣油的介質(zhì)損耗因數(shù)增大、體積電阻率降低，酯類絕緣油的絕緣性能隨著溫度的升高下降很快；在相同溫度下，硅絕緣油的介質(zhì)損耗因數(shù)遠(yuǎn)小于酯類絕緣油，體積電阻率遠(yuǎn)高于酯類絕緣油。

(3) 在雷電波和操作波沖擊時(shí)，正極性電壓下，硅絕緣油和酯類絕緣油的擊穿電壓相近；在負(fù)極性電壓下，硅絕緣油的擊穿電壓比酯類絕緣油高，硅絕緣油的抗雷電擊穿能力更強(qiáng)。

(4) 硅絕緣油和酯類絕緣油的傳熱性能相近。

(5) 硅絕緣油的熱穩(wěn)定性能非常優(yōu)異，其總氣體產(chǎn)出量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于酯類絕緣油，酯類絕緣油的熱穩(wěn)定性能差，氧化安定性能也差。

[1] 龍谷宗.我國(guó)電力牽引變壓器技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2006，29(2)：5-6

[2] 胡貴，龍谷宗，吳勇.200 kmh動(dòng)車組牽引主變壓器的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2008，31(4)：16-18

[3] 趙叔東.高速列車電氣設(shè)備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].電力機(jī)車技術(shù)，1999(3)：1-5

[4] 于會(huì)民，張培恒，范興琳，等.在交直流電場(chǎng)下不同烴組成變壓器油的析氣性研究[J].石油煉制與化工，2015，46(2)：89-94

[5] 張綺，馬書杰，于會(huì)民，等.變壓器油碳型組成對(duì)氧化安定性的影響[J].石油煉制與化工，2015，46(12)：73-76

[6] 盧新玲，于會(huì)民，雍新民，等.變壓器油烴組成與其抗氧劑含量檢測(cè)偏差的關(guān)聯(lián)性研究及方法優(yōu)化[J].石油煉制與化工，2015，46(1)：68-73

PERFORMANCE COMPARISON OF INSULATING OILS IN TRACTION TRANSFORMERS FOR PASSENGER TRANSPORT EMU

Yu Huimin， Zhang Qi， Wang Huijuan， Ma Shujie

(PetrochinaLanzhouLubricatingOilR&DInstitute，PetrochinaLubricatingOilKeyLab，Karamay，Xingjiang834003)

The comparative analyses of silicone oil and ester insulating oil in general performance， insulation performance， heat transfer properties， tray gassing performance and oxidation stability was conducted. The results show that compared with silicone oil， ester insulating oil has lower ignition point， larger acid value， higher the dielectric loss factor， larger ECT and lower volume resistivity. As the temperature increases， insulation performance of ester insulating oil drops rapidly， while the silicone oils and ester oils have similar heat transfer performance. The silicone insulating oil has strong anti-lightning breakdown capability， excellent thermal and oxidation stabilities. Tray gassing production of silicone insulating oil is much less than the ester oil.

passenger transport EMU； traction transformer； insulating oil； insulation performance； oxidation stability

2016-02-17； 修改稿收到日期： 2016-04-08。

于會(huì)民，碩士，高級(jí)工程師，主要從事絕緣油研制及絕緣性能測(cè)試研究工作。

于會(huì)民，E-mail：yuhuimin_rhy@petrochina.com.cn。

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司重點(diǎn)項(xiàng)目(2014B-2509)。