500 kV超高压充油海缆绝缘油混合替代研究

夏俊峰， 仲伟霞， 李 闯， 徐晓峰， 孙建生， 黄贤球

(1.上海电缆研究所，上海200093;2.南方电网有限责任公司超高压输电公司，广东 广州510405)

0 引言

近20年来，随着交联聚乙烯绝缘电缆的迅速发展，国内高压充油电缆的生产和工程需求处于停顿状态。但在超高压应用场合，绝缘高压电缆的运行经验不如充油电缆成熟，充油电缆仍具有一定的优势。而绝缘油是制造充油电缆的关键材料之一，它的组成和性能对500 kV超高压充油电缆中油纸绝缘的绝缘性能起着至关重要的作用，其运行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［1］。

我国从上世纪70年代开始，采用国产烷基苯合成油生产充油电缆，性能达到国外同类产品水平(均采用合成洗涤剂烷基苯原材料，经过绝缘油处理工艺后制成烷基苯合成油)。目前南方电网琼州海峡500 kV海底电缆线路采用日本进口的合成绝缘油作为填充介质，其生产受国外厂商限制，业务联系周期长，价格较高且运送困难，购置、管理和使用均有相当不便。若能实现超高压电缆绝缘油的国产替代，既可节约运行维护成本，又能促进高压输电设备国产化进程的推进和发展。因此，研究采用高品质国产电缆绝缘油替代进口油，具有较大的经济效益和社会意义。

本文通过采用多种对油品理化性能及电气性能的测试手段，结合红外光谱(FTIR)及气相色谱－质谱联用仪(GC-MS)等化学结构及成分分析技术，对国产烷基苯合成油与南网进口充油电缆用烷基苯合成油进行性能对比分析，并根据可能的运行情况，按照不同配比将国产油与进口油进行混油，测定其物理、化学、电气特性，考察国产油的性能是否能够达到与进口油相当的水平，以及混合油是否能满足500 kV充油电缆用油的质量要求，综合评估国产烷基苯合成油混合替代500 kV海缆进口充油电缆用烷基苯合成油的可行性。

1 概述

电缆油和浸渍剂是充油电缆的关键材料之一，它的组成和性能对电缆线路的安全运行有很大的影响。在充油电缆发展的早期，一直采用低粘度的矿物油作为充油电缆的浸渍剂。自上世纪80年代初以来，随着石油化学工业的飞速发展，矿物油已逐渐淘汰，以烷基苯系和聚丁烯系等合成油为主的绝缘油大量应用于充油电缆及其它高压电器设备中。对于高压电缆的绝缘油，合成油普遍替代了矿物油。在合成油中，聚丁烯系合成油多用于钢管充油电缆和压力电缆，属中粘度或高粘度油;烷基苯系合成油多用于自容式充油电缆，属低粘度油。

十二烷基苯(DDB)是由烷烃或烯烃与苯直接合成得到，是毒性最低的合成油之一。十二烷基苯油属于弱极性材料，具有粘度低、介质损耗低、对金属材料的老化稳定性好、击穿场强高、电场析气性优异、可与石油质电缆油任意混用等优点，目前广泛应用于自容式高压充油电缆及其附件的浸渍和填充［2］。

2 试验方案

2.1 油品采集

本研究采集的绝缘油样品可分为进口油品与国产原始新油及经二次提纯处理的国产油三类。其中进口油品取自南方电网琼州海峡500 kV充油海底电缆线路某终端站，系日本进口的烷基苯系合成绝缘油。国产原始新油取自南京某企业生产的十二烷基苯合成油。该公司生产的十二烷基苯油已被国内多家电缆厂商采购，且已有应用于220 kV充油电缆的运行经验。提纯国产油样品则是对前述国产新油做进一步的提纯精制，其目的是通过提纯油品与原始油样及进口油样的性能对比，考察国产油品与进口油品的性能差异，借此评估进国产油品替代进口油品的可行性。

2.2 绝缘油的性能测试

如前所述，用于充油电缆的绝缘油可分为石油质电缆油和合成式电缆油，分别由石油原油炼制和化学合成得到，不同烃类的组成很大程度决定其性能表现。在原油制成后，还需经过酸碱水洗、白土吸附过滤等工艺进行精制，以提高纯度，提纯工艺的水平也直接影响油品理化性能和电气性能。同时，充油电缆在运行过程中，因氧化、受潮、过热、局部放电等因素，绝缘油的品质会发生变化，造成绝缘性能下降，影响电缆的安全运行;绝缘油的老化和劣化过程也会引起绝缘油的理化性能和电气性能的改变［3］。因此，绝缘油的品质可通过测定其成分组成、理化性质和电气性能的相关参数来进行评价。

本研究将从以下方面对油品的性能进行评估，主要包括:油品成分的光谱、色谱分析，运动粘度、闪点、酸值等理化性能测试项目，击穿电压、介损、体积电阻率等电气性能测试项目。这些技术指标涵盖了绝缘油的物理、化学、电气三方面特性，同时在国家标准中也对绝缘油在这些技术指标上需满足的要求作了严格规定［4］。

2.3 技术路线

(1)油品老化前的分析测试

对进口绝缘油与国产绝缘油进行结构分析与性能测试，分析两种油品的组分差别，研究两种油品的混溶性，且电气与理化性能指标能否达到500kV充油海缆用绝缘油的要求。

利用红外光谱对油品进行定性分析，及液相色谱的定量分析，对比研究国产绝缘油与进口绝缘油的组分差异，从油品的化学成分角度考察国产油替代进口油的可行性。

对进口油/国产油不同配比混合后的油样进行红外光谱分析，研究混合油与进口油组分的差别。

通过理化性能和电气性能测试，分析评估国产提纯处理过的绝缘油是否具有与进口绝缘油相近或相同的理化和电气性能，评估进口油与国产油混合后是否能达到500 kV充油电缆用绝缘油的性能要求，通过研究为混合替代的可行性提供技术支持。

(2)不同配比混合油的老化测试

通过模拟老化，研究国产、进口及不同混合配比绝缘油品的电气和理化性能，研究其是否满足500 kV充油海缆用绝缘油的要求。

理化性能和电气性能测试，分析混合油是否具有与进口油相似的老化性能，适度老化后性能是否达到500 kV充油海缆用绝缘油的性能标准(热老化和与铜共存老化)。

通过红外光谱对老化后的绝缘油进行分析测试，对比老化前后化学成分的差异，分析研究老化对油样化学成分的影响，根据老化前后的红外分析进行电气性能分析。对比研究混合油与进口油老化性能差异，分析评估混合替代的可行性。

3 试验数据及分析

3.1 进口、国产绝缘油的成分分析

(1)红外光谱(FTIR)分析

图1 进口油和国产绝缘油的FTIR谱图

FTIR分析见图1，从图1可以看出，进口油与国产绝缘油相似在各对应的位置处，显示了特定基团的红外反射峰。两个谱图相对比，匹配度高达99.7%。这说明国产绝缘油与进口绝缘油的成分非常相近。

将进口绝缘油与国产绝缘油按不同的比例混合，再与国产绝缘油的红外谱图对比，匹配度均在99.7%以上，其随国产油的比例增加，匹配度最高达99.9%，详见表1。

表1 进口、混合油与国产油的红外谱图匹配度

(2)GC-MS分析

借助GC-MS技术则可以对国产绝缘油、进口绝缘油的具体成分、含量及组成的差异做定量分析。在GC-MS实验中，国产绝缘油编号为“homemade oil”;进口绝缘油编号为“import oil”。实验结果如图2所示。

从图2可以看出国产绝缘油与进口绝缘油的主要成分相似，与FTIR测试结果一致。但国产油在较低时间位置点(6.00 min)附近和较高时间位置点(10.29 min，10.47 min)都有组分分离出，但峰的高度有限，可见对应的组分溶度较低。将图2中的出峰点与对应物质解析后得知，国产油与进口油的主要成分相同，均为烷基苯系的混合油，只是混合的组分浓度有所差别。具体组分构成为:1)国产绝缘油组分。癸烷基 －苯系，9.05%，十一烷基 －苯系，31.86%，十二烷基－苯系，34.5%，十三烷基－苯系，23.69%;2)进口绝缘油组分。癸烷基－苯系，11.08%，十一烷基－苯系，30.41%，十二烷基－苯系，33.3%，十三烷基－苯系，24.86%。

(3)理化、电气性能分析

图2 GC-MS测试结果

表2为进口、国产绝缘油处理前后油样的性能结果及与技术指标的对比。从表2中数据可以看出，对于未处理的油样，其电气性能(击穿电压、介质损耗等)明显低于处理后的国产绝缘油的相应指标，且低于绝缘油技术指标的相应要求。国产绝缘油经过滤处理后，油样各项测试指标与进口绝缘油相当，均达到或超过绝缘油的技术指标要求。国产绝缘油的过滤提纯处理工序非常必要且重要。

表3为不同配比的混合油样的理化、电气性能测试结果。从表3中可以看出，混合后样品的各项测试性能结果均与国产纯油(提纯后)及进口纯油接近，且均能满足绝缘油性能指标的要求。

3.2 绝缘油的老化研究

老化研究主要从国产绝缘油与进口绝缘油本身的老化情况开展。按试验规范要求，国产绝缘油和进口绝缘油各取1000 ml置于烘箱中，经115℃、96 h的老化处理。取出样品进行如下分析。

(1)老化油样的成分

分别取适量老化后的进口绝缘油(实验编号:4#)和国产绝缘油(实验编号:6#)进行GC-MS分析，其结果如图3所示。

从图3中可以看出，老化后的国产绝缘油、进口绝缘油样品的主要出峰时间点也很相近，与图2中未老化绝缘油的GC-MS结果比较，老化后的绝缘油各组分从色谱柱中分离出的时间有所延长。将图3中的出峰点与对应物质解析后得知，两种油品老化后的国产绝缘油主要组分及含量相近，但原先含有的一些微量组分有所减少，说明在老化处理过程中，油品中一些热稳定性差的组分发生了分解。

表2 进口、国产绝缘油处理前后油样的性能结果及与技术指标的对比

表3 不同比例混合绝缘油的理化、电气性能结果

(2)理化、电气性能

老化后的国产绝缘油与进口绝缘油的理化、电气性能结果见表4。结果表明:1)老化后的国产绝缘油，其运动粘度明显减小，油的流动性提高;闭口闪点没有明显变化;酸值略有增大;介损增大;击穿电压降低。这说明经老化处理，国产绝缘油发生了一定程度的老化，其理化、电气性能等发生不同程度的降低。2)老化后的进口绝缘油，运动粘度也略有减低，油的流动性提高;闭口闪点有所减低;酸值明显增大;击穿电压下降;介损增大。从电气性能的降低幅度也可以进一步得知，经老化处理后，进口绝缘油老化较国产油更为明显。

表4 不同比例混合绝缘油的理化、电气性能结果

图3 老化油GC-MS测试结果

3.3 绝缘油与金属共存的老化性能研究

绝缘油的热稳定性与老化过程中有无金属催化剂及金属类型有关。已有研究表明，铝对石油质自容式充油电缆油的老化性能基本没有影响，铅和锡次之，而铜对石油质自容式充油电缆油的老化稳定性有严重的影响。本研究中将国产绝缘油和进口绝缘油各1000 ml，分别加入金属铜1000 cm3(注:金属加入量为1 cm3/1mL)置于烘箱中，经115℃、96 h的老化处理。对取出样品进行理化及电气性能测试，测试结果见表5。

表5 与铜共存老化后的国产、进口油性能测试结果

表5结果显示:国产绝缘油和进口绝缘油与铜共存经老化处理后，两种油品都发生了明显的老化，劣化程度相近，理化、电气性能明显减低，部分试验值低于性能指标。与铜共存的老化比单一热老化效应更明显，铜在这一过程中起了催化老化的作用。

4 结论

(1)未处理的国产绝缘油含杂质较多，其粘度和介损偏高，不能直接与进口油混用，需经过进一步提纯处理。提纯后的国产油品质，各项指标均有不同程度的改善，尤其是电气性能指标，可达到绝缘油的相关技术指标要求。

(2)提纯后的国产绝缘油具有较好的理化和电气性能。国产绝缘油与进口绝缘油主要化学成分相同，均为烷基-苯系的混合绝缘油，只是极少量的组分存在差异。国产绝缘油与进口绝缘油混合相容性好。

(3)通过多种比例的混油实验，证明国产油可以与进口油混合使用。混合油具有与进口绝缘油相近或相同的理化和电气性能。

(4)国产绝缘油与进口绝缘油的热稳定相当。

(5)铜的存在起到了催化老化的作用，在实际使用中应注意跟踪评估。

［1］陈凌云，朱熙樵，李泰军.海南联网工程海底电缆的选择［J］.高电压技术，2006，32(7):39-42.

［2］《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.

［3］郝 建，杨丽君，廖瑞金，等.混合绝缘油对油-纸绝缘热老化速率的延缓原因分析［J］.中国电机工程学报，2010，30(19):121-125.

［4］曹小虎，曹小龙，梁晓淼，等.电力设备绝缘油的检验［J］.机械研究与应用，2009，22(2):114-116.