马蕊燕,柯友胜,张美琼,何军,罗庆华

(中石油克拉玛依石化有限责任公司炼油化工研究院，新疆 克拉玛依 834003)

0 引言

在我国，油开关也称做油断路器(以下均称为油断路器)，是以密封的绝缘油作为开断故障的灭弧介质的一种开关设备。试验表明，当用开关电器断开电流时，如果电路电压不低于10～20 V，电流不小于80～100 mA，动触头和静触头之间会产生火花，这个火花就是电弧。此时电流通过电弧继续流动，一直到动触头拉开足够长距离时，火花熄灭，电流才被真正切断。电弧是高温高导电率的游离气体，是一种具有强光和高温的电游离现象，其高温区域可达5000 ℃以上，这不仅对电器设备有很大的破坏作用，而且使断开电路的时间延长，有很大的危害[1]。多油断路器和少油断路器都要充油，其作用是灭弧、散热和绝缘。当油断路器的动触头和静触头互相分离时，会产生电弧[2]。电弧的高温使其附近的绝缘油蒸发气化和发生热分解，生成灭弧能力很强的气体(主要是氢气)和压力较高的气泡，使电弧本身也很快被熄灭。因此我们使用绝缘油作为灭弧介质。

低温开关油是在户外寒冷气候条件下用于油断路器的一种绝缘油，起绝缘和灭弧作用。目前，国内低温开关油专用产品较少，用户普遍以变压器油替代，但变压器油的绝缘性能及低温性能均无法满足开关设备在低温下的使用要求，开断短路电流后生成的游离碳大，介电强度下降较大，在一定程度上影响开断性能和运行性能[3]。因此开展了低温开关矿物绝缘油的研制。

1 低温开关油的技术要求

1.1 国内标准

2012年6月1日，GB 2536-2011《电工流体 变压器和开关用的未使用过的矿物绝缘油》标准正式颁布，原有断路器油标准SH 0351-1992《断路器油》作废，GB 2536-2011中低温开关油的技术要求和试验方法见表1。

表1 GB 2536—2011标准对低温开关油技术要求和相关试验方法[4]

GB 2536-2011标准对低温开关油提出了全面和完善的性能要求：

(1)将低温开关油的最低冷态投运温度(LCSET)设定为-40 ℃。最低冷态投运温度(LCSET)是区分绝缘油类别的重要标志之一。应根据电气设备使用环境温度的不同，选择不同的最低冷态投运温度(LCSET)，以免影响泵、有载调压开关(如果有)的启动。

(2)当环境温度降到一定程度，将使开关设备的速度下降，有时不设置必要的加热器，就会影响断路器的使用性能[5]，因此规定低温开关油的40 ℃运动黏度不大于3.5 mm2/s；同时对-40 ℃运动黏度和倾点的要求较苛刻，规定低温开关油的-40 ℃运动黏度不大于400 mm2/s，倾点不高于-60 ℃。

(3)对油品的氧化安定性提出了指标要求。

(4)提出了健康、安全和环保特性的性能要求，包括闪点、多环芳烃含量、多氯联苯含量。

(5)增加了2-糠醛含量、腐蚀性硫等检测项目。

1.2 国外标准

国际电工委员会(IEC)成立于1906年，是世界上成立最早的国际性电工标准化机构。IEC于2012年2月20日正式发布和实施了IEC 60296-2012标准第4版《电工流体 变压器和开关用的未使用过的矿物绝缘油》。IEC 60296-2012标准对低温开关油的技术要求和相关试验方法见表2。

表2 IEC 60296-2012标准中低温开关油的技术要求[6]

与上一版本标准IEC 60296-2003相比，IEC 60296-2012标准增加了颗粒度含量、潜在腐蚀性硫、DBDS(二苄基二硫化物)、金属钝化剂等检测项目。设置这几个检测项目的意义在于：

(1)低温开关油的颗粒度含量对开关设备的绝缘性能有较大影响。油中存在的颗粒主要是非金属类杂质，其本身不会对设备产生较大的影响，但是据有关专家表明：如果水分和杂质共同存在时，其对绝缘的影响会明显增加[7]。近年来，有一定数量的开关设备事故被认为是油品颗粒度所导致的[8]，因此对油品颗粒度的研究受到各制造商和用户的普遍关注。

(2)近年来，国内外电力行业发生了多起因变压器绝缘油中含有腐蚀性硫导致的变压器绝缘击穿事故，抑制腐蚀性硫问题成为研究人员关注的重要问题[9]。在因腐蚀性硫引起的事故中，变压器油中的硫化合物与变压器绕组铜线发生反应，生成Cu2S沉积在变压器绝缘纸上，最后可以引起变压器及其他电气设备事故[10]，其中DBDS是造成绝缘纸上Cu2S沉积的主要腐蚀性硫[11,13]。

(3)添加金属钝化剂是被广泛应用的能抑制铜硫化物沉积的有效方法。但是加入金属钝化剂后会使油品氧化后的酸值增大[12]。

2 研究内容

2.1 原料的选取

选取高压加氢生产A油方案时生产合格的煤油、柴油，生产B油方案时生产合格的煤油、柴油，以及生产的轻质白油C油以及D油作为低温开关油的原料，并且将每种方案的煤油、柴油按照自然比进行调合，原料油的性质分析如表3所示。

表3 低温开关油原料油性质分析

从表3中的性质分析可以看出：A油方案煤柴油调合样、B油方案煤柴油调合样以及轻质白油C油，40 ℃和-40 ℃运动黏度均比较小，但是闭口闪点相比GB 2536中低温开关油的指标要求(闭口闪点要求不低于100 ℃)，存在偏小以及卡边的情况，因此可以将A油方案煤柴油调合样、B油方案煤柴油调合样进行窄馏分切割，选取适宜的馏分段作为低温开关油基础油1和基础油2，将轻质白油C油和D油按照一定比例调合作为低温开关油基础油3。

2.2 低温开关油基础油性质评定

基础油1、基础油2以及基础油3性质分析如表4所示。

表4 低温开关油基础油性质分析

从表4中的性质分析可以看出：基础油1、基础油2和基础油3均满足GB 2536-2011中低温开关油的技术要求和试验方法。

2.3 低温开关油氧化安定性评定

电器绝缘油要求油品有较长的使用寿命，因此要求绝缘油有良好的抗氧化安定性。当油品与空气和铁、铜金属接触而导致氧化，会造成设备的腐蚀，使油品的电气性能变坏，所以对油品的氧化安定性提出更高的要求，因此需要添加抗氧剂来提高油样的抗氧化安定性能。实验室在低温开关油基础油1、基础油2和基础油3中分别加入0.3%的酚型抗氧剂H，抗氧化性能按照IEC 61125C法进行评定，评定结果如表5所示。

表5 氧化安定性评定结果

从表5中的数据可以看出：低温开关油基础油1、基础油2和基础油3中分别加入0.3%的酚型抗氧剂H后，氧化之后的酸值、沉淀以及介质损耗因数都很小，均能满足IEC 60296中低温开关油氧化安定性指标要求。

2.4 低温开关油导热系数的测定

油品在电气设备中起绝缘、散热冷却作用。 其散热冷却作用除与循环速度 (取决于设备黏度及循环泵的流速等)有关外，与低温开关设备本身的热力学性质如导热系数、 比热容及热膨胀系数等有很大关系[13]。因此此小节主要考察3个低温开关油的导热系数。

进行基础油1+0.3%抗氧剂H、基础油2+0.3%抗氧剂H、基础油3+0.3%抗氧剂H三个方案低温开关油导热系数的测定，数据如表6所示，变化趋势图见图1。

表6 低温开关油导热系数的测定

图1 导热系数变化趋势

从表6和图1可以看出：随着油样温度不断升高，低温开关油3号的导热系数减少得最快，低温开关油1号以及2号导热系数随着温度的升高减少缓慢。

3 与国外同类产品对比

国外生产低温开关油产品的公司有尼纳斯，该公司是全球最大的环烷基油生产商和供应商。尼纳斯公司生产的低温开关油产品名称为Nyswitcho 3X[14-15],将实验室研制的一种低温开关油产品与尼那斯公司低温开关油Nyswitcho 3X的性质进行分析对比，如表7所示。

表7 低温开关油与Nyswitcho 3X对比情况

从表7中的数据可以看出：实验室研制的低温开关油的低温性质、介质损耗因数、界面张力与Nyswitcho 3X产品相当，可以用于温度较低的环境气候中。从抗氧化安定性来看，实验室研制的低温开关油与Nyswitcho 3X产品均比较优异，满足IEC 60296中低温开关油指标要求。

4 结论

经过实验室研究，以高压加氢车间生产的煤柴油组分以及精密分馏装置生产的C油、D油为原料，加入优质的酚类抗氧剂可以调合生产出满足指标要求的低温开关油，其低温性质、电气性能以及抗氧化性能与国外尼那斯公司生产的低温开关油Nyswitcho 3X产品相当，闪点、多环芳烃(PCA)以及多氯联苯(PCB)含量均满足标准要求，具有健康、安全和环保性能。