低温开关油与变压器油性质对比

马蕊燕，柯友胜，张 静，何 军，默云娟

(中国石油克拉玛依石化有限责任公司，新疆 克拉玛依 834000)

当电路中使用开关断开时，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，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。电弧本质上是高温高导电率的游离气体，伴随着强光和高温，其高温区域可达5 000 ℃以上。电弧的存在会对电力系统和设备造成危害[1]，主要有以下几种：①延长了开关电器开断故障电路的时间；②电弧产生的高温，不仅将触头表面熔化或蒸发，而且使电弧附近电气绝缘材料烧坏引起事故；③电弧在电动力、热力作用下能够移动，易造成飞弧短路和伤人，使事故扩大；④使油断路器的内部温度和压力剧增而引起爆炸。油开关也称作油断路器，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，其作用是灭弧、散热和绝缘。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。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低温开关油。本文主要从标准以及油品性质方面比较低温开关油与变压器油的差别。

1 标准的对比

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中最低冷态投运温度是区分绝缘油类别的重要标志之一，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。变压器油(通用)技术要求按照最低冷态投运温度将变压器油分为5类，分别为0，-10，-20，-30，-40 ℃，根据最低冷态投运温度的不同，倾点也有所不同，对应倾点分别为≤-10，≤-20，≤-30，≤-40，≤-50 ℃；而低温开关油只有一类，最低冷态投运温度为不高于-40 ℃，对应倾点要求较为苛刻，指标要求不高于-60 ℃。低温开关油与变压器油的其它主要技术指标[2]见表1。从表1可以看出：GB 2536—2011标准中，低温开关油与变压器油相比，40 ℃和-40 ℃的运动黏度均较小；低温开关油闪点要求不低于100 ℃，变压器油闪点要求不低于135 ℃。

2 油品组成及性质对比

2.1 油品组成

根据GB 2536—2011对低温开关油的技术指标要求，在实验室选用环烷基油为原料研制出3种低温开关油，分别为低温开关油A，B，C。3种低温开关油与变压器油的主要性质见表2。从表2可以看出，低温开关油组成中有30%以上的链烷烃，变压器油组成中只有7.5%的链烷烃。绝缘油是复杂的混合物，主要由链烷烃、环烷烃、芳烃等组成，其中链烷烃的电气性能好，在强电场作用下容易发生脱氢反应，生成小分子物质以及氢气。由于油开关中填充的油主要用来熄灭电弧，当开关切断电流时，动、静触头产生电弧，由于电弧的高温作用使油急剧分解成气体，气体中氢气占70%，氢气的导热性和绝缘强度都比空气大几倍，因此氢气能够迅速降低弧注温度和提高极间绝缘强度，这一特性对熄弧极为有利。3种低温开关油组成中的链烷烃含量相比变压器油足够高，由于链烷烃在高温和高电场作用下容易发生脱氢反应，生成大量的氢气，因此低温开关油的灭弧作用更具优势。

表1 GB 2536—2011中低温开关油与变压器油的主要技术指标

1)当环境湿度不大于50%时，对于散装交货，水质量分数不大于30 μg/g；对于桶装或复合中型集装容器(IBC)交货，水质量分数不大于40 μg/g。

2)含抗氧剂油。

2.2 导热系数

热传导(或称导热)是物体中温度较高的部分分子因振动与相邻分子碰撞而发生的热量传递过程。在热传导过程中，物体中的分子并不发生宏观的相对位移。因此，热传导总是和物体内部温度分布的不均匀性联系在一起。热传导过程遵循傅里叶定律[3]。绝缘油在设备中的散热冷却作用除了与设备的循环速率有关，也与绝缘油的热力学性质有关。

测定流体导热系数的方法种类较多，如平板法、同心圆筒法、热丝法、探针法及点热源比较法等。在实验室使用ISO22007-2—2008(瞬态平面热源(热盘)法)测定3种低温开关油和变压器油的导热系数，结果见图1。在实验过程中，由于测试温度不断升高，为了减小油品对流对结果造成的影响，设定加热功率为35 mW，测试时间为5 s。从图1可以看出，随着温度的升高，油品的导热系数不断减小，在20～60 ℃，3种低温开关油的导热系数均大于变压器油的导热系数。因此低温开关油在设备中的散热冷却效果更好。

表2 低温开关油与变压器油的主要性质

图1 导热系数随温度的变化■—低温开关油A； ●—低温开关油B；▲—低温开关油C； 变压器油

2.3 运动黏度和闪点

热交换因数是表示变压器冷却的重要参数，实际上是反映油品与线圈之间的热交换本质。油品的运动黏度在很大程度上影响着油品的热交换因数。在变压器生产厂，雷诺数(Re)被作为测定热交换因数的一个参数。Re值表示油品流动状态是层流状态或湍流状态，层流状态是油层沿着油品和线圈之间的边界流动，在湍流层状态下油层被扰乱而且在不断混合，所以油相不同部分不断接触线圈，这意味着在湍流层状态下，油品的冷却方式更有效。绝缘油运动黏度越小，Re越高。当Re超过2 300时，绝缘油的流动状态过渡到湍流层状态，这对设备的散热是有效的。

从表2可以看出，3种低温开关油的运动黏度均比变压器油的运动黏度小，40 ℃运动黏度小于3.5 mm2/s，-40 ℃运动黏度小于400 mm2/s，油品的流动速率变快，提高了开关设备的散热性能。而且在操作开关设备时，触头阻力较少，从而加强了灭弧作用，减少了触头的烧损。变压器油黏度大，在低温下会降低开关的合闸、分闸速率，影响开关设备的开断与关合性能。当开关设备在开断动作时，触头间将产生电弧，电弧的功率大、温度高，能量除小部分通过传导、辐射等方式向四周散

出外，大部分能量使油品蒸发和分解，在电弧周围产生高压气泡，气泡中主要成分为油蒸气和油气分解的其它气体。气泡和油混合体受到油的惯性力和灭弧室的限制，在电弧的作用下，气泡的压力不断升高，并且按预定的方向流动，使电弧处在高压、导热性良好以及有强大灭弧作用的气体包围之中。当电流过零时，弧隙介质强度恢复很快，电弧也随之熄灭。为了提高灭弧能力，要求油品产生的气体有利于灭弧，也就是油的气化率和蒸发度高，因而要求闪点略低[4]。从表2还可以看出，低温开关油闪点为110 ℃左右，而变压器油闪点达到了140 ℃左右，因此低温开关油具有较高的气化率和蒸发率，利于熄灭油断路器触头间产生的电弧。

3 结 论

(1)低温开关油组成中有30%以上的链烷烃，变压器油组成中只有7.5%的链烷烃，由于链烷烃在高温和高电场作用下容易发生脱氢反应，生成大量的氢气，因此低温开关油的灭弧作用更具优势。

(2)在20～60 ℃，低温开关油的导热系数均大于变压器油的导热系数，因此低温开关油在设备中的散热冷却效果更好。

(3)相比变压器油，低温开关油的40 ℃运动黏度小于3.5 mm2/s，-40 ℃运动黏度小于400 mm2/s，高温、低温运动黏度均很小，加强了设备的散热性能、提高了灭弧作用；低温开关油闪点为110 ℃左右，而变压器油闪点达到了140 ℃左右，因此低温开关油具有较高的气化率和蒸发率，利于熄灭油断路器触头间产生的电弧。

参 考 文 献

[1] 吴思华主编.电力工程[M].北京：中国电力出版社，2011：26-27

[2] GB2536-2011.电工流体——变压器和开关用的未使用过的矿物绝缘油[S].2011

[3] 李东风.流体导热系数测定仪的研制与开发[D].西安：西北大学，2005

[4] 顾建新，蔡龙康.断路器油的研制[J].润滑油，1986，1(2)：27-28