客运动车组牵引变压器绝缘用油的性能对比分析

于会民，张 绮，王会娟，马书杰

(中国石油兰州润滑油研究开发中心，中国石油润滑油重点实验室，新疆 克拉玛依 834003)

客运动车组牵引变压器绝缘用油的性能对比分析

于会民，张 绮，王会娟，马书杰

(中国石油兰州润滑油研究开发中心，中国石油润滑油重点实验室，新疆 克拉玛依 834003)

对国内客运动车组牵引变压器绝缘用油的情况进行简述，对两种典型硅绝缘油和酯类绝缘油产品的常规性能、绝缘性能、传热性能、产气性能、氧化安定性等进行对比分析。结果表明：与硅绝缘油相比，酯类绝缘油的燃点较低、酸值较大、介质损耗因数较大、带电倾向很大、体积电阻率较低，随着温度的升高绝缘性能下降很快；硅绝缘油和酯类绝缘油的传热性能相近；硅绝缘油的抗雷电击穿能力强，热稳定性优异，氧化安定性优良，气体产出量远远小于酯类绝缘油。

客运动车组 牵引变压器 绝缘油 绝缘性能 氧化安定性

自1958年我国试制成功第一台SS1型干线电力机车牵引变压器以来，国内企业先后研制成功SS3～SS9、TM1、DDJ等交直传动的电力机车用牵引变压器。21世纪初期我国引进了DJ1型机车及ABB公司的技术，牵引变压器设计及制造技术得到快速发展[1]。

自2004年以来，我国通过引进、消化、吸收和再创新战略已完全掌握了动车组列车的牵引变压器主要配套技术。大同ABB牵引变压器有限公司和中国南车株洲电机有限公司是国内两家最大的客运高铁车载牵引变压器制造商，为唐山客车厂、长春客车厂、青岛四方车辆厂完成我国客运动车组制造任务做出了重要贡献。客运动车组车载牵引变压器为特A级、H级绝缘，主要以硅油和酯类绝缘油为主，此类产品的特点是闪点高、燃点高、倾点低，以满足客运动车组的防火(抗燃)和低温运行环境要求[2-6]。为了系统考察这两类绝缘油在使用性能上的差异，本课题对两种典型硅绝缘油和酯类绝缘油产品的常规性能、绝缘性能、传热性能、产气性能、氧化安定性能等进行对比分析，期望为客运动车组车载牵引变压器选用油品和设备设计提供参考。

1 实验原料

实验原料采用在客运动车组车载牵引变压器行业中使用广泛的两种典型产品：电器级硅油96DE和MIDEL 7131酯类绝缘油，其基本情况见表1。

表1 实验原料的基本情况

2 结果与讨论

2.1 常规性能对比

在国际市场上，硅油主要执行IEC 60836和ASTM D4652硅绝缘油标准；酯类绝缘油执行IEC61099标准。在国内市场上，硅绝缘油执行GBT 21218标准，等效于IEC 60836；酯类绝缘油没有标准。

依据IEC 60836和IEC61099标准，分别对96DE硅油和MIDEL 7131酯类绝缘油的常规性能进行检测，结果见表2。由表2可知：96DE硅油符合IEC 60836标准要求； MIDEL 7131酯类绝缘油符合IEC61099标准要求；与96DE硅油相比，MIDEL 7131酯类绝缘油的酸值较大、介质损耗因数较大、燃点较低、体积电阻率较低。

2.2 绝缘性能对比

2.2.1 常规绝缘性能 表3为两种油品的常规绝缘性能检测结果。由表3可知，与96DE硅油相比，MIDEL 7131酯类绝缘油的界面张力较小、带电倾向很大，其原因为：酯类绝缘油中含有亲水基团——酯基，可大幅降低油水界面张力(低于传统的石油基变压器油)；酯基的碳氧双键上的氧电负性大，使碳原子上的电子云偏向于氧原子，使其具有很强的亲质子性，而绝缘纸的主要成分为木质纤维素，在木质纤维素分子中，存在着醇羟基—OH，羟基中的氢容易在亲质子基团攻击下失去氢正离子，导致绝缘纸的表面电子分离，使油带有过多的正电荷，从而导致MIDEL 7131酯类绝缘油的带电倾向很大。

表2 常规性能检测结果

表3 常规绝缘性能检测结果

2.2.2 绝缘性能与温度的相关性 介质损耗因数和体积电阻率是反映变压器油绝缘性能好坏的关键指标。介质损耗因数的高低反映出变压器油在交流电场下绝缘性能的好坏，体积电阻率的大小反映出变压器油在直流电场下绝缘性能的好坏。96DE硅油和MIDEL 7131酯类绝缘油在不同温度下的介质损耗因数和体积电阻率变化趋势见图1和图2。由图1和图2可知：随着温度的升高，96DE硅油和MIDEL 7131酯类绝缘油的介质损耗因数增大、体积电阻率降低，但是96DE硅油的介质损耗因数随着温度升高而增加的幅度很小；在相同温度下，96DE硅油的介质损耗因数远小于MIDEL 7131酯类绝缘油，而体积电阻率远高于MIDEL 7131酯类绝缘油；随着温度的升高MIDEL 7131酯类绝缘油的绝缘性能下降很快。

图1 不同温度下的介质损耗因数变化趋势◆—96DE； ■—MIDEL 7131。 图2、图5～图8同

图2 不同温度下的体积电阻率变化趋势

2.2.3 冲击电压下的绝缘性能 车载牵引变压器在动车组投运过程中不可避免地要受到操作过电压和雷电冲击电压的作用，因此考察96DE硅油和MIDEL 7131酯类绝缘油在操作过电压和雷电冲击电压下的击穿特性，结果见图3和图4。由图3和图4可知：受雷电波和操作波冲击时，在正极性电压下 96DE硅油和MIDEL 7131酯类绝缘油的击穿电压相近；在负极性电压下 96DE硅油的击穿电压比MIDEL 7131酯类绝缘油高。由于自然环境里，95%以上的雷电都是负极性的，因此96DE硅油的抗雷电击穿能力更强。

图3 雷电波冲击下的击穿特性■—96DE(正极性)； ◆——96DE(负极性)；正极性)； ▲—MIDEL 7131(负极性)。 图4同

图4 操作波冲击下的击穿特性

2.3 传热性能对比

图5 不同温度下的黏度变化趋势

图6 不同温度下的密度变化趋势

图7 不同温度下的热导率变化趋势

图8 不同温度下的比热容变化趋势

决定变压器油传热性能的主要热物性参数有黏度、密度、导热率和比热容。在不同温度下考察96DE硅油和MIDEL 7131酯类绝缘油的热物性，结果见图5～图8。由图5～图8可知：96DE硅油的低温黏度小于MIDEL 7131酯类绝缘油，即96DE硅油的低温流动性能更好；96DE硅油和MIDEL 7131酯类绝缘油的密度和比热容相近；随着温度的升高，96DE硅油和MIDEL 7131酯类绝缘油的导热率均降低，导热率随温度的变化近似于线性关系，在相同温度下，MIDEL 7131酯类绝缘油的导热率比96DE硅油低。

对变压器油这类有机物而言，能量主要是依靠微观粒子(分子)在其平衡位置附近的振动波传递出去。这种作用与密度的变化关系很大，当温度升高时密度减小，单位传热面内的微观粒子数减少，振动时所交换的能量减少，宏观上则表现为导热率降低。黏度越大的化合物，其烷基碳链越多、相对分子质量越大，因此导热率越大。两种油品的密度虽然相近，但MIDEL 7131酯类绝缘油的黏度(25～150 ℃)和相对分子质量均小于96DE硅油，因此其导热率也略小于96DE硅油。

2.4 产气性能对比

图9 在氮气饱和下的产气量■—96DE； ■—Midel 7131。 图10同

图10 在空气饱和下的产气量

变压器油中的溶解气体直接影响绝缘油的抗击穿性能，因此在低热下(120 ℃、164 h)考察96DE硅油和MIDEL 7131酯类绝缘油的产气特性，结果见图9和图10。由图9和图10可知，在氮气饱和及空气饱和下，96DE硅油的总气体产出量均远远小于MIDEL 7131酯类绝缘油，说明MIDEL 7131酯类绝缘油的热稳定性能差，在低热下使用时会产出更多的H2、CO和CO2气体。

2.5 氧化安定性对比

表4 氧化安定性检测结果

3 结 论

(1) 与硅绝缘油相比，酯类绝缘油的酸值较大、介质损耗因数较大、燃点较低、体积电阻率较低、带电倾向很大。

(2) 随着温度的升高，硅绝缘油和酯类绝缘油的介质损耗因数增大、体积电阻率降低，酯类绝缘油的绝缘性能随着温度的升高下降很快；在相同温度下，硅绝缘油的介质损耗因数远小于酯类绝缘油，体积电阻率远高于酯类绝缘油。

(3) 在雷电波和操作波冲击时，正极性电压下，硅绝缘油和酯类绝缘油的击穿电压相近；在负极性电压下，硅绝缘油的击穿电压比酯类绝缘油高，硅绝缘油的抗雷电击穿能力更强。

(4) 硅绝缘油和酯类绝缘油的传热性能相近。

(5) 硅绝缘油的热稳定性能非常优异，其总气体产出量远远小于酯类绝缘油，酯类绝缘油的热稳定性能差，氧化安定性能也差。

[1] 龙谷宗.我国电力牵引变压器技术现状及展望[J].电力机车与城轨车辆，2006，29(2)：5-6

[2] 胡贵，龙谷宗，吴勇.200 kmh动车组牵引主变压器的国产化设计[J].电力机车与城轨车辆，2008，31(4)：16-18

[3] 赵叔东.高速列车电气设备现状及发展趋势[J].电力机车技术，1999(3)：1-5

[4] 于会民，张培恒，范兴琳，等.在交直流电场下不同烃组成变压器油的析气性研究[J].石油炼制与化工，2015，46(2)：89-94

[5] 张绮，马书杰，于会民，等.变压器油碳型组成对氧化安定性的影响[J].石油炼制与化工，2015，46(12)：73-76

[6] 卢新玲，于会民，雍新民，等.变压器油烃组成与其抗氧剂含量检测偏差的关联性研究及方法优化[J].石油炼制与化工，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。

于会民，硕士，高级工程师，主要从事绝缘油研制及绝缘性能测试研究工作。

于会民，E-mail：yuhuimin_rhy@petrochina.com.cn。

中国石油天然气集团公司重点项目(2014B-2509)。