XLPE高压电缆终端用硅油性能综合试验分析

夏俊峰，徐晓峰，仲伟霞，孙建生，李 闯，李 海

(1.上海电缆研究所，上海200093;2.上海市电力公司检修公司，上海200942)

0 引言

高压电缆终端通常借助硅油来增强终端内绝缘和界面强度，并使内部的应力锥部件与外部空气隔绝［1］。作为液体绝缘填充剂，它的稳定性和可靠性对高压线路系统和电缆终端的安全运行十分重要。

为分析高压电缆终端及其组部件的运行情况，提供高压电缆终端状态检修的标准和依据，需要对终端用硅油开展研究。通过采用综合试验分析手段，对不同型式、不同电压等级的电缆终端用硅油的原始性能、老化运行特性及故障时的硅油性能进行分析研究，找出反映电缆运行状态的硅油老化特征，为硅油检测技术和判定标准制订提供依据。

1 概述

硅油具有卓越的耐热性、电绝缘性、耐候性、疏水性和较小的表面张力，还具有低的粘温系数，较高的抗压缩性，有的品种还有耐辐射的性能。

硅油具有非常好的电性能与热稳定性、化学稳定性及阻燃性，所以在电绝缘方面的应用不断扩大。尤其是二甲基硅油，与矿物油类绝缘油相比，具有较高的阻燃性，并且对人体、环境的安全性非常高;与其他绝缘油相比，低粘度硅油存在热膨胀系数大、气体溶解量大、吸湿性高等缺点，在结构设计及水分管理上要给予充分的注意［2］。

为了有效防止终端的内部爬电，增大其绝缘强度，套管内部需要充入大量的绝缘介质。而硅油凭借其高耐热性、高电绝缘性以及其它优良性能，成为良好的绝缘介质选择［3］。

2 试验方案

2.1 硅油样品的采集

本研究采集的硅油样品可分为未使用的原始油样及运行现场的运行油样，未使用的原始油样从主流附件厂商处获得。电缆终端用硅油的类型较多，包括粘度在内的特性有很大不同。若综合检测电缆终端硅油的性能变化，就必须保证采集的硅油样品具有一定的代表性。不仅要选择有代表性的不同厂家的纯油样品，而且还要从电缆终端运行的年限、工作环境、电压等级等角度考虑确定采样原则，并需保证一定的样本量。因此，为保证测试数据的准确性和完备性，在设计方案时考虑的因素涵盖了附件厂商、终端类型、硅油品牌、电压等级、运行年限等多个因素。其使用的原始油样应能代表市场上电缆终端用硅油的原始性能。

运行现场的运行油样则结合现场检修工作，从实际运行的多条电缆输电线路获取不同运行年限的油样。涉及的电缆输电线路共9条，终端取样点主要为市区变电。涵盖了110 kV和220 kV两个电压等级，户外终端、GIS终端、过渡接头三种终端类型，运行年限跨度从5年至20年。其中，110 kV线路3条，220 kV线路3条。户外终端样品2个，GIS终端样品6个，过渡接头样品1个。

采样终端按附件厂商分为1#～4#;其中2#为高粘度硅油，其余为低粘度硅油。样品信息如图1和图2所示。

图1 终端类型及比例

图2 终端运行年限

2.2 硅油的性能测试

对电缆终端的硅油进行全面的性能分析，主要从以下几个方面进行了分析。

(1)酸值

硅油的酸值是一个重要的指标，它表示油中含有酸性物质的数量。分析酸值与运行时间及运行环境的关系，可以掌握硅油氧化的程度。

(2)运动粘度

运动粘度表征液体在重力作用下流动时摩擦力的量度。它与硅油的流动性能、去气特性等有密切关系。

(3)电场析气性

绝缘油在受到其强度足以引起在油、气交界中放电的电场(或电离)作用下，油本身表现出吸收或放出气体的能力。

在工频电场应力的作用下，硅油中部分烃分子可能会发生裂解而产生气体，这部分气体的主要成分是氢气，它以微小气泡的形态从油中释放出来。但由于它是大分子的聚合物，且主键为硅－氧键，与而碳－碳主键的常规的小分子的绝缘油相比，结构更为稳定［4］。

3 试验数据及分析

3.1 酸值

酸值是一个重要的数据，它表示油中含有酸性物质的数量，一般以中和1 g绝缘油中酸性物质所需的氢氧化钾质量(mg)来表示。分析酸值与运行时间及运行环境的关系(见图3)，可以掌握硅油氧化的程度。

图3 酸值与运行时间的关系

从图3中可以看出，运行过的硅油和未运行的硅油相比，酸值存在显著增加的情况。对1#硅油，同一电压等级的运行5年的硅油和新油相比较，酸值有所增加，但变化不大。对2#硅油，运行时间超过10年时，酸值较原始值增大了2～3倍。但其绝对数值仍较低，最大值为0.018 mgKOH/g。虽然化工标准(HG/T 2366)未对粘度100以上的二甲基硅油提出酸值指标要求，但参考低粘度硅油的酸值要求低限(≤0.03 mgKOH/g)，以及终端的实际运行时间，上述试验值仍处在较低水平。

上述试验分析可发现该项指标随时间变化相对敏感，且呈正相关性。

3.2 水分

水分含量与终端的电气性能密切相关，其变化需重点关注(见图4)。

图4 水分与运行时间的关系

从图4中可以看出，运行过的硅油和未运行的硅油相比，水分含量均有所增加，且与原始油的技术要求有较大差距。1#和2#两种硅油的试验值相差近一倍。2#硅油水分含量增量较小，10年后试验值均在较低水平(＜70 mg/kg);而1#硅油，水分含量增量较大，5年后的试验值较初始值增加近60%，远超原始油的性能要求。这与不同粘度的硅油特性有直接关系。此外，2#油样均在GIS终端提取，密封结构与运行压力不同也是可能原因之一。

3.3 电场析气性

对于1#和2#硅油，随运行时间的延长，电场析气性存在较小的波动，但总体水平较低。例如，运行年限大于5年的1#硅油析气性指标为负值;2#硅油的析气性指标较为稳定，接近于零。

3.4 界面张力

界面张力是由表面过渡层分子间引力差而形成的。一般来说，粘度大的硅油分子间引力较大，界面张力也大(见图5)。

从图5可以看出，与前述的酸值和闭口闪点相似，随着运行时间的延长，1#硅油的界面张力试验值变小。原因可能是硅油中小分子的活性物质(包括水分)含量增加所致。

4 结论

(1)与未使用的空白硅油相比，不同运行年限的硅油各项指标均发生了不同程度的变化。

图5 界面张力与运行时间的关系

(2)受硅油粘度、终端类型、电压等级、运行环境及条件等多种因素的影响，各项指标的显著程度有所不同。考虑样本量有限，数据具有一定的分散性，主要进行与时间的单因素分析，未对各因素进行联合分析。

(3)硅油的稳定性相对较好，这主要归因于其稳定的材质。基于试验数据变化的总体判断，硅油的总体状况仍可满足使用条件。目前，这些进行的试验项目及指标总体是适合的，对其中的敏感项目可跟踪分析。若有个别样本的指标明显偏离，可重点关注，并探讨将其作为未来判据的可能性。

(4)通过对各指标的敏感程度分析得知，水分、闪点、酸值等可作为今后跟踪的主要项目。它们与运行时间均有一定的正/负相关性。

(5)硅油的性状是动态变化的，需全面分析电、热等综合因素，而这与材料特性、终端结构、安装工艺等密切相关。为避免终端异常状况的发生，在运行检修工作中应予以综合考虑。

［1］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，2000，14(5):18-19.

［2］齐 帆，李美江.硅油制备工艺与应用［J］.化工生产与技术，2009，16(6):37-39.

［3］《电线电缆手册》编委会.电线电缆手册(第2册)［M］.北京:机械工业出版社，2009.

［4］黄文润.硅油及二次加工制品［M］.北京，化学工业出版社，2004.