CN1961383A - 高性能介电油以及其在高压电气设备中的用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高性能介电油,其包含约75-95体积%环烷油和约5-25体积%酯油,特别是合成酯油,更优选多羟基酯族油。本发明还涉及其在高压电气设备中的用途:例如功率变压器、测量变压器、配电变压器或牵引变压器、分接开关、轴承、分布器、油浸式断路开关、电力电容器或甚至电缆等。
Description
技术领域
本发明涉及高性能介电油及其在高压电气设备中的用途。
这样的设备可以尤其是功率变压器(transformatears depuissance)、测量变压器(transformatears de measure)、配电变压器(transformatears de distribution)或牵引变压器(transformatears detraction),而且可以是分接开关(changeurs de prise)、轴承(traversées)、分布器(répartiteurs)、油浸式断路开关(disjoncteursàbain d’huile)、电力电容器或甚至电缆(cbles)。
背景技术
功率变压器是电能转化和分配网络最关键和最昂贵的组成部分。因此,只要可能就希望它们正常运转。
绝大部分这些变压器都填充有液体,这些液体用作电绝缘和热转化流体。所述液体一般都是来自于粗石油馏分的无机油。相对于可用于电机工程中的合成绝缘液体(如烷基苯),所述元机油的优点尤其是具有低的费用。酯油和硅油被用于配电变压器中,但是很少用于功率变压器中,因为这些油的费用高。
近年来材料领域的发展,大大减小了功率变压器的大小尺寸,由此减小了绝缘范围、增加了需转化的热密度。
存在于这些变压器中的无机油因此被要求在窄范围相当或甚至较高的操作电压下发挥电绝缘作用,并同时确保提取更高的热密度。
尽管没有被证实,但是仍担心在这些条件下使用无机油将会导致变压器的故障或减少其使用寿命,尤其是因为这些油过早降解。
本发明发明者的目的是提供一种相比现用于功率变压器中的无机油更高性能的油,尤其具有更好的电介质强度和抗老化性能,以保证这些变压器在最高的可靠性和安全条件下的操作,赋予它们满意的使用寿命并提供生产更紧凑变压器的可能性。
本发明发明者的另一目的是提供一种油,考虑到功率变压器中可以包含多于40000升的油,所述油不但具有上述优点而且具有与用于生产功率变压器相应的费用。
发明概述
通过本发明实现了上述目的,本发明提出了一种介电油,该介电油包含约75-95体积%环烷油和约5-25体积%酯油。
本发明发明者惊奇地发现以上述适当的比例将酯油加入环烷油导致该环烷油的介电特性以及抗老化性能方面得到显著改善,而不影响其粘度和其热转化能力。因此得到的油比常规用于功率变压器中的无机油和硅油具有更好的性能。
根据本发明第一优选实施方式,该环烷油是一种油或油的混合物,其包含含量为约10-15%的芳族碳(Ca)、含量为约40-45%的链烷族碳(Cp)和含量为约45-50%的环烷碳(Cn)。作为具有此类型组成的环烷油的实例,可以提及的是由下述油制得:来自Ninas的Nytro10GBN,Nytro 3000和Nytro 10x;来自Apar的Poweroil TO-10油;来自Esso的Univolt 60油和Voltesso 35油;以及来自Shell的Diala A和DialaM油。
根据本发明,所述酯油可以是植物油或合成的油,或多种植物油和/或合成的油的混合物。但是,优选使用合成油或合成油混合物,这是因为这些油通常具有比植物油低并接近环烷无机油的流点,因此其在植物油趋于固化的温度下保持液态。此外,合成酯油氧化远远慢于植物酯油。
根据本发明的另一优选实施方式,该酯油是合成酯油或包含至少一种合成酯油的油混合物。
优选地,该合成酯油属于多羟基酯族,更特别地,其是基于季戊四醇四酯的油。
有利地,所述基于季戊四醇四酯的油符合下述式(I):
其中,R代表C5H11至C9H19范围内的烷基。例如,这种油可以从M&I(商品名为Midel 7131)商购得到。
但是还可以使用其他酯油,例如来自Cognis的合成油ProEcoTR3746或来自CPS的合成油Envirotemp 200,或来自ABB的植物油Biotemp或来自CPS的Envirotemp FR3。
根据本发明的一个特别优选实施方式,该介电油包含环烷油和基于符合上述式(I)的季戊四醇四酯的油,该环烷油具有含量为约14%的芳族碳(Ca)、含量为约41%的链烷族碳(Cp)和含量为约45%的环烷碳(Cn)。
优选,这两种油的体积比例为75∶25至85∶15,特别优选约80∶20。
除了具有上述优点之外,在主要由无机油组成的范围内,本发明油还具有经济的优点。
因此,其特别适合于在高压电气设备中用作电绝缘剂和热转化流体。
在本发明中,术语“高压”是指,按照国际电子技术委员会(International Electrotechnical Commission)(CEI)的规定,任何AC电压高于1000V和任何DC电压高于1500V。
特别地,本发明的油可以有利地用于功率变压器、测量变压器、配电变压器、分布变压器或牵引变压器,特别是功率分配器。
通过本说明书中的其他内容将可以更好地理解本发明,本发明说明书涉及所述本发明油的举例性实例,并证实本发明油的特性。
当然,给出这些实施例仅用于说明书本发明主题,并不视为对本发明的限定。
附图简述
图1示出环烷油(曲线A)、由环烷油和合成酯油以80∶20的体积比组成的本发明油(曲线B)以及由相同环烷油和硅油以80∶20体积比组成的油(曲线C)的粘度随温度(℃)的变化(mm2/s)。
图2示出环烷油(曲线A)、由环烷油和合成酯油以80∶20的体积比组成的本发明油(曲线B)以及由相同环烷油和硅油以80∶20体积比组成的油(曲线C)的发生击穿的累计高斯概率。
图3示出环烷油(曲线A)、由环烷油和合成酯油以80∶20的体积比组成的本发明油(曲线B)以及由相同环烷油和硅油以80∶20体积比组成的油(曲线C)在老化前(横坐标x轴上的点0)、没有金属催化剂的情况下老化后(横坐标x轴上的点1)和具有金属催化剂的情况下老化后(横坐标x轴上的点2)和存在纤维素绝缘剂(cellulosic insulant)所谓牛皮纸的情况下(横坐标x轴上的点3)的酸度(mg,KOH/g的油)。
图4示出环烷油(曲线A)、由环烷油和合成酯油以80∶20的体积比组成的本发明油(曲线B)以及由相同环烷油和硅油以80∶20体积比组成的油(曲线C)在老化前(横坐标x轴上的点0)、没有金属催化剂的情况下老化后(横坐标x轴上的点1)和具有金属催化剂的情况下老化后(横坐标x轴上的点2)和存在纤维素绝缘剂(cellulosic insulant)所谓牛皮纸的情况下(横坐标x轴上的点3)的损耗因数(或tanδ)。
图5示出过滤前后,在真空10-3bar下,以孔隙率为11-16微米在玻璃料上的环烷油(横坐标x轴上的点1)、合成酯油(横坐标x轴上的点2)、由环烷油和合成酯油以80∶20的体积比组成的本发明油(横坐标x轴上的点3)以及由相同环烷油和硅油以80∶20体积比组成的油(横坐标x轴上的点4)的电荷密度。
具体实施方案的具体说明
混和下述物质直至得到均匀混合物以制备本发明油:
*80体积份环烷油(Nynas以商品名Nytro 10GBN出售)(Ca=14%;Cp=41%;Cn=45%);和
*20体积份上述式(I)季戊四醇四酯油(M&I以商品名Midel 7131出售)。
由此得到的油分别经受如下四系列测试试验:其粘度随温度的变化、介电强度、抗老化性能和变为带电的倾向(sa tendance àse chargerélectriquement)。
作为对比目的,一方面对于Nynas环烷油Nytro 10GBN、另一方面对于由相同的环烷油和硅油Rhodorsil 604V50(得自Rhodia)以80∶20体积比例混和的混合物组成的油分别进行了上述相同的四系列测试试验。
还对于合成酯油Midel 7131自身测试了其变为带电的倾向。
粘度试验
根据CEI 60296/ISO3104标准测试所述油的粘度。
介电强度试验
根据CEI 60156标准,在室温下测试所述油的介电强度,即在由球形电极得到的水平轴上几乎均匀电场中进行测试。电极间的空间设置为2.5±0.05mm。以规则方式(2.0±0.2kV/s)增加电压直至击穿,在测试的整个期间对每一个待测样品进行搅拌。
在每一个测试之前,在真空10-3bar下,以孔隙率为11-16微米在玻璃料上过滤该油样品。根据CEI60814标准(Karl-Fischer库仓滴定)测试其水含量;根据CEI60970标准对颗粒进行计数,根据德国标准NAS1638,样品的微粒污染规定为1-12。
对每一种待测试油的32个样品,通过Baur“dieltest”(100kV-50Hz)测量击穿电压,使用如下式表示的Laplace-Gauss定律或常规定律分析测量结果:
其中,x代表击穿电压(kV),u代表平均击穿电压(kV),σ代表变差系数。
代表油最小击穿电压值的安全因子在f(x,u,σ)=0.01时进行测量,即其概率为99.9%。
老化试验
所述油的抗老化试验是根据ASTM D1934-95(2000)标准测定的,该标准推荐了两种氧化老化程序,其中一种不存在金属催化剂而另一种存在金属催化剂,即铜线。在后一种程序中,为了获得比ASTMD1934-95(2000)(其推荐每300ml油15cm2的铜)更严格的试验要求,本申请推荐使用CEI 61125标准(其推荐每25g油9.7cm2的铜),该代表油重量的8.8重量%。
还可以在与制备用于变压器的油性纸相似的条件下,浸渍牛皮纸并干燥这样浸渍的纸后进行所述油的抗老化试验。
在各种情况下,将样品放置于115℃温度的空气循环烘箱中96小时以实施该老化。
所述油的酸度和损耗因数(或tanδ)在老化之前和之后进行测量。
静电试验
油变为带电的倾向是通过所谓“小型静电测试仪(ministatic chargetester)进行测试的。该试验在于使得油经过由纤维素片的过滤器,从而导致电荷分离。使用静电计测量保留在过滤器上的电荷,其结果以电荷密度表示,即,每单位体积油流产生的电荷的数量。电荷密度通过下式测定:
电荷密度(μC/m3)=(i.t.1012)/V
其中,i代表电流(amps),t代表油流量(秒)和v代表油体积(ml)。
过滤前后,在真空10-3bar下,以孔隙率为11-16微米玻璃料上对每一种油进行测试。
结果
图1至5试验的结果如下:
图1:环烷油(曲线A)、本发明油(曲线B)以及具有20%硅油的油(曲线C)的粘度随温度(℃)的变化(mm2/s);
图2:环烷油(曲线A)、本发明油(曲线B)以及具有20%硅油的油(曲线C)发生击穿的累计高斯概率;
图3:环烷油(曲线A)、本发明油(曲线B)以及具有20%硅油的油(曲线C)在老化前(横坐标x轴上的点0)、没有金属催化剂的情况下老化后(横坐标x轴上的点1)和具有金属催化剂的情况下老化后(横坐标x轴上的点2)和存在牛皮纸的情况下(横坐标x轴上的点3)的酸度(mg,KOH/g的油);
图4:环烷油(曲线A)、本发明油(曲线B)以及具有20%硅油的油(曲线C)在老化前(横坐标x轴上的点0)、没有金属催化剂的情况下老化后(横坐标x轴上的点1)和具有金属催化剂的情况下老化后(横坐标x轴上的点2)和存在牛皮纸的情况下(横坐标x轴上的点3)的tanδ;和
图5:在玻璃料上过滤前后,环烷油(横坐标x轴上的点1)、合成酯油(横坐标x轴上的点2)、本发明油(横坐标x轴上的点3)以及具有20%硅油的油(横坐标x轴上的点4)的电荷密度绝对值(μC/m3)。
这些图显示出:
1.本发明油在整个研究的温度范围内具有几乎与其包含的环烷油相同的粘度。对于具有20%硅油的油,其在低温下具有明显较低的粘度,但是在功率变压器通常操作温度下具有较高的粘度。
2.对于所测试的三种油,本发明油相对于环烷油和具有20%硅油的油,具有最好的介电强度特性、具有平均击穿电压值和明显较高的安全因子。
事实上,本发明油的安全因子为86kV(水含量为66ppm,微粒污染为5的情况),然而环烷油的安全因子为50kV(水含量为10ppm,微粒污染为6的情况),具有20%硅油的油的安全因子为72kV(水含量为12pm,微粒污染为5的情况)。
这可以解释为:抗击穿作用强烈地依赖于油中的水的含量,水在合成酯油中的溶解度比水在无机油中的溶解度大得多。
3.对于所测试的三种油,本发明油还是具有最有利的抗老化性能的油,本发明油在老化状态下其酸度和tanδ的增加小于环烷油和具有20%硅油的油。
4.本发明油相对于环烷油和具有20%硅油的油更易于变为带电,这是其水含量造成的。但是本发明油得到的电荷密度值保持在用做功率变压器的电绝缘剂最适宜的水平上,尤其远远低于单独的合成酯油的情况。
Claims (11)
1.介电油,其包含约75-95体积%环烷油和约5-25体积%酯油。
2.根据权利要求1的介电油,其中环烷油是一种油或油的混合物,其包含含量为约10-15%的芳族碳、含量为约40-45%的链烷族碳和含量为约45-50%的环烷碳。
3.根据上述权利要求任一项的介电油,其中所述酯油是合成酯油或包含至少一种合成酯油的油的混合物。
4.根据权利要求3的介电油,其中所述合成酯油是多羟基酯族油。
5.根据权利要求4的介电油,其中多羟基酯族油基于季戊四醇四酯。
7.根据权利要求5的介电油,其包含环烷油和基于上式(I)的季戊四醇四酯的油,该环烷油具有含量为约14%的芳族碳、含量为约41%的链烷族碳和含量为约45%的环烷碳。
8.根据上述权利要求任一项的介电油,其中环烷油与酯油体积比为75∶25至85∶15。
9.根据权利要求8的介电油,其中环烷油与酯油体积比为约80∶20。
10.根据权利要求1-9任一项的介电油在高压电气设备中的用途。
11.根据权利要求10的用途,其中所述电气设备是功率变压器、测量变压器、配电变压器或牵引变压器,特别地是功率变压器。
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