电气绝缘用国内外二甲基硅油性能对比研究

摘 要：对KI50Si二甲基硅油的常规性能、粘度-温度特性、热稳定性等进行了研究，并与国外某同类产品KF96D-50CS二甲基硅油进行了比较。研究结果表明，KI50Si二甲基硅油有良好的热稳定性能，总体性能与进口二甲基绝缘硅油相当，适用于牵引变压器绝缘。

关键词：牵引变压器；二甲基硅油；电气性能；理化性能；热稳定性

引言

硅油用作高等级变压器合成绝缘油，除了具有优良的电绝缘性能外，还具有燃点高、凝固点低、粘度随温度变化很小等优点[1]。相对于矿物变压器油，硅油变压器油具有以下比较优势：①优异的热安定性，其闪点和燃点约为矿物变压器油的2倍，难以着火；自燃温度高达360℃，且具有自熄灭性能；硅油可燃性较低，燃烧热仅为矿物变压器油的一半，且热释放率也很低[2-3]。②硅油惰性极强，具有很好的抗氧化性能。③硅油几乎无毒，环保性能优异，不会污染环境[4]。

我国首次在CRH2系列高速动车组牵引变压器上使用硅油作为绝缘介质，采用的是某进口二甲基硅油，硅油牌号为KF96D-50CS，但考虑进口原材料综合应用成本较高，有必要对其实施国产化。

本文采用横向对比方法对国内自主合成生产某型号为KI50Si的二甲基硅油与进口二甲基硅油（以下简称硅油）的常规理化和电气性能、粘度-温度特性、挥发分以及氧化安定性等进行了试验研究。

1.试验

1.1原材料技术指标

KI50Si和KF96D-50CS硅油常规理化与电气性能对比（见表1）

表1

指标名称 技术指标

IEC60836 KF96D-50CS KI50Si 试验标准

外观 无色透明 无色透明 无色透明 目测

密度（20℃）g/cm3 0.955～0.970 0.9640 0.9649 ISO 3675

运动粘度，mm2/s（40℃） 40±4 37.28 37.32 ISO 3104

闪点（开口），℃ ≥240 312 333 ISO 2592

燃点，℃ ≥340 344 365 ISO 2592

折光率，20℃ 1.404±0.002 1.404 1.404 ISO 5661

倾点，℃

总酸值，mgKOH/g ≤0.01 0.008 0.009 IEC60836

水含量，% ≤50 15 20 IEC 60814

击穿电压（2.5mm），KV ≥40 65 62 IEC 60156

体积电阻率（90℃）Ω.m >1011 2.82×1012 2.89×1012 IEC 60247

介电常数（90℃） 2.55±0.05 2.527 2.529 IEC 60247

介质损耗因数（90℃） ≤0.001 0.00022 0.00011 IEC 60247

1.2 粘度-温度特性

按ISO 3104，检测硅油在-40℃、-20℃、0℃、25℃、40℃、60℃、80℃、100℃、125℃、150℃时的运动粘度，识别硅油运动粘度随温度变化特性。

1.3 挥发性

按ASTM D4559，分别在150℃和180℃下处理24h后检测硅油的低分子挥发性物质的含量。

1.4 氧化热稳定性

按IEC 61125方法进行试验，对硅油取样，重量为25g（±0.1g），硅油中放入铜片，置于180℃（±1℃）处理500h。试验结束后，测试硅油运动粘度（40℃）、介质损耗变化（90℃）及酸值变化。

1.5 无氧热稳定性

模拟变压器运行硅油的实际工况（密闭、无氧、热），硅油试样（750ml）中放入铜丝充氮气保护置于180℃下处理336h，老化后测试硅油运动粘度（40℃）、介质损耗（90℃）、击穿电压和酸值的变化。

2.试验结果与分析

2.1 粘度-温度特性

硅油不仅是电气绝缘介质，同时也是变压器线圈的冷却剂。硅油的运动粘度对冷却效果尤为重要[6]，两种硅油在-40℃、-20℃、0℃、25℃、40℃、60℃、80℃、100℃、125℃、150℃时的运动粘度变化曲线见图2，由图可见，两种硅油的运动粘度-温度特性相当，且粘度随温度变化小，特别适合像牵引变压器这种油品粘度指数要求高的使用场合。

图1 硅油运动粘度随温度变化曲线

2.2 挥发性

挥发性表征硅油内部低分子物质的含量，挥发份的含量直接影响硅油的闪点，表征产品的精馏水平。从表2数据可见，国产KI50Si硅油挥发份含量更低。

表2 挥发份含量

处理温度 KF96D-50CS KI50Si

150℃ 0.12 0.06

180℃ 0.38 0.06

2.3 氧化热稳定性

氧化热稳定性是评价变压器用绝缘油的抗老化能力的重要指标。两种硅油180℃下处理500h后性能指标见表3。

（1）粘度：两种硅油老化后的运动粘度比老化前均略有增长，且增长水平相当，其诱因是硅油在高温时被空气氧化，Si-C键断裂，引起硅油分子间的交联。

（2）介质损耗：经过180℃、500h老化后，KF96D-50CS和KI50Si硅油的介质损耗与老化前相比均有较大增长，处于10-3数量级同级水平。

（3）酸值：两种硅油老化后酸值均有增长，且增长水平相当。

以上结果表明，两种硅油的氧化热稳定性水平相当。

表3 180℃下老化500h后两种硅油的性能对比

检测项点 KF96D-50CS KI50Si

运动粘度

（40℃），mm2/s 试验前 37.28 37.32

试验后 38.36 38.23

变化率 +2.89% +2.44%

介质损耗

（90℃） 试验前 0.022% 0.011%

试验后 0.39% 0.47%

总酸值，mgKOH/g 试验前 0.008 0.009

试验后 0.05 0.04

2.4无氧热稳定性

无氧热稳定性试验模拟变压器运行硅油的实际工况（密闭、无氧、热），体现产品使用稳定性，两种硅油充氮气保护置于180℃下处理336h，试验前后性能指标见表4。在无氧环境下，硅油受热裂解使粘度略有降低；老化后介质损耗因数有所增加，都为10-4级；老化后两种硅油的酸值都略有增长；老化后两种硅油击穿电压水平相当。

以上结果表明，两种硅油均具有良好的无氧热稳定性。

表4 无氧180℃老化336h后两种硅油性能对比

检测项点 KF96D-50CS KI50Si

运动粘度（40℃），mm2/s 试验前 37.28 37.32

试验后 37.22 37.25

变化率 -0.16% -0.18%

介质损耗（90℃） 试验前 0.022% 0.011%

试验后 0.06% 0.04%

总酸值，mgKOH/g 试验前 0.008 0.009

试验后 0.009 0.01

击穿电压（2.5mm），KV 试验后 60 61

3.结论

通过对硅油常规性能、粘度-温度特性、热挥发性、氧化稳定性和无氧热稳定性的检测与分析，结果表明国产KI50Si电气绝缘用硅油具有与国际上有成熟应用业绩的KF96D-50CS硅油产品相当的综合性能。KI50Si硅油具有本土化（成本）技术优势，可以取代进口用于牵引变压器领域，并向高安全性的硅油变压器领域推广。

参考文献：

[1]蒋国柱，赵玉贞等.高燃点变压器油的性能与应用[J].合成材料，2010（02）

[2]韩进贤，孙挚.硅油与矿物油用作变压器油的性能比较[J].有机硅材料，2000（05）

[3]应百川.硅油变压器[J].变压器，1988（04）

[4]刘红.高速铁路动车牵引变压器及用油分析[J].石油商技，2010（06）

[5]邹武.环保变压器油―硅油[J].电气制造，2008（12）

[6]顾宗宗.电气绝缘有机硅油的特性[J].有机硅材料及应用，1991（01）