軌道交通車(chē)輛是一種客流量大、線(xiàn)路大多處于相對密閉空間、無(wú)序人員密集的場(chǎng)所，在發(fā)生災難時(shí)逃生與救援都比較困難。列車(chē)如果發(fā)生火災事故，會(huì )導致人員傷亡和嚴重財產(chǎn)損失，因此世界各國對軌道交通車(chē)輛可能存在的消防安全隱患不斷提出更高的防范標準。軌道交通車(chē)輛中的電氣設備是整個(gè)系統的核心樞紐，需定期復查以保證其運行安全。而電氣設備中的牽引變壓器是列車(chē)的心臟，是整個(gè)機車(chē)的動(dòng)力來(lái)源，其運行狀況直接影響著(zhù)電氣化軌道交通車(chē)輛系統的安全及高效運營(yíng)。
牽引變壓器油作為電力牽引系統中的重要組成部分應用于變壓器箱體及套管等高壓電氣設備中，它主要是對牽引變壓器的固體絕緣材料進(jìn)行浸漬和保護，填充絕緣空隙中的氣泡，防止空氣或濕氣侵入，延緩絕緣材料老化，保證其可靠的電氣絕緣特性；因為牽引變壓器油具有良好的流動(dòng)性及較 大的熱容，它還能對變壓器鐵芯及線(xiàn)圈起到很好的 冷卻作用。當變壓器油受到氧化、潮濕、高溫、陽(yáng)光、強電場(chǎng)和雜質(zhì)的作用時(shí)，其理化特性、電氣特性 會(huì )逐漸降低，引發(fā)各種故障，嚴重時(shí)會(huì )啟動(dòng)變壓器的輕、重瓦斯保護或防爆裝置，使變壓器退出運行， 對運輸造成嚴重影響。因此，牽引變壓器油的選擇 十分嚴格，必須按照相關(guān)行業(yè)標準對牽引變壓器油的穩定性及安全性進(jìn)行嚴格的測試。而軌道交通車(chē)輛用牽引變壓器處在特殊的工作環(huán)境中，因此對軌道交通車(chē)輛用牽引變壓器油較一般的電力變壓器油提出了更高的要求。
合成酯作為高端潤滑材料，本身具有優(yōu)異的熱氧化安定性、潤滑性、低毒、原料可再生、易生物降解等優(yōu)良性能，廣泛應用于現代工業(yè)。馬琳僑采用相轉移法合成了具有廣泛發(fā)展前景的“綠色”天然表面活性劑——蔗糖多酯（SPE），合成的蔗糖多酯在具有良好表面性能的同時(shí)，還具有以石油化工產(chǎn)物為原料的表面活性劑所欠缺的可再生性、安全性、溫和性及生物降解性。鞠超等以航空發(fā)動(dòng)機基礎油季戊四醇多元醇酯（5750）與雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰（LiTFSI）為原料，通過(guò)“原位”法制備了一系列合成酯型離子液體，具有更優(yōu)異的熱穩定性。孟杰等將合成酯絕緣油與礦物油的絕緣性能進(jìn)行 分析比較，結果發(fā)現合成酯不但具有良好的散熱和 絕緣性能，同時(shí)還具有耐濕性、阻燃性、生物降解性、高燃點(diǎn)、低傾點(diǎn)以及對環(huán)境友好等一系列優(yōu)點(diǎn)。雖然合成酯作為變壓器油在國外電力系統等各個(gè) 領(lǐng)域已獲得了廣泛應用，但是在國內對合成酯變壓 器油的性能特征還缺乏了解，尤其在軌道交通領(lǐng) 域，目前僅有中車(chē)公司部分項目應用合成酯變壓器 油進(jìn)行試驗，實(shí)際的規?；瘧萌孕钑r(shí)日。
1、軌道交通變壓器油標準
我國高鐵的總體特點(diǎn)是速度很高、客流量大且 集中，對列車(chē)的安全系數要求高，所以對列車(chē)的一 些防火安全標準提出了更高的要求。我國雖然制 定發(fā)布了一些機車(chē)車(chē)輛防火標準，但整體上的適用 范圍不全面、規定內容零散不統一，尚未形成適用 于多類(lèi)型鐵路機車(chē)車(chē)輛的防火標準體系，如 CJ/T 416—2012適用于地鐵、輕軌、單軌、有軌及磁浮等車(chē)輛的防火標準，參考了德國標準DIN 5510-1988； TB/T 3138—2006 針對速度等級在200km/h 以下的動(dòng)車(chē)組用材料作了防火規定，TB/T 3237—2010對200 km/h以上的動(dòng)車(chē)組用材料作了防火規定，二者均參考了UIC 564-2:1991 與NF F 16-101:1988。目前DIN 5510系列標準和NFF16系列標準已完全被EN45545系列標準代替，該系列標準統一并形成了機車(chē)車(chē)輛的防火和驗證要求，是當前國內外最完整的鐵路機車(chē)車(chē)輛防火標準。我國鐵路車(chē)輛正在高速發(fā)展中 ，應以國際鐵路車(chē)輛的防火標準（EN 45545）為基礎，建立完善、統一、合理、適用于我國鐵路車(chē)輛的防火標準。
BS EN 45545-2 2013 第 33 頁(yè)明確規定：鐵路車(chē)輛上的電工用絕緣液體著(zhù)火危險等級最小在K 級， BSEN 61039: 2008、GB/T 5169.24—2008以及IEC/TS 60695-1-40:2002都對絕緣液體的等級標準做了明確規定：將燃點(diǎn)＞300℃的絕緣液體定位K級。也就是說(shuō)，只有絕緣液體的燃點(diǎn)＞300℃才允許在 鐵路車(chē)輛上使用。而礦物油的燃點(diǎn)一般在150℃左右，所以，歐洲早已停止礦物油在鐵路車(chē)輛電氣設 備上的使用，全部采用燃點(diǎn)＞300℃的絕緣液體作 為牽引變壓器用絕緣油。
2、合成酯
合成酯作為一種介電絕緣液體最早由英國通用電氣公司于1976年成功開(kāi)發(fā)并首先應用于軍工類(lèi)產(chǎn)品，自開(kāi)發(fā)至今已使用了近40年，在鐵路市場(chǎng)也已應用多年，符合歐盟 EN45545及IEC 61099系列國際標準要求 ，其主要客戶(hù)有西門(mén)子、龐巴迪、阿爾斯通、中國中車(chē)等。從企業(yè)社會(huì )責任角度，客 戶(hù)都明確要求使用具備環(huán)保性、耐低溫性、耐濕性、防火阻燃性及耐高溫性等特點(diǎn)的合成酯絕緣液作 為所有軌道交通等公共設施上的絕緣油。
合成酯絕緣油是一種用于變壓器以及電力設備的絕緣油，符合IEC 61099:1992要求，被歸為T(mén)1類(lèi)型，即一種無(wú)鹵素季戊四醇酯。合成酯絕緣油的特性可參考表1。
由于合成酯易于生物降解且阻燃，燃點(diǎn)高于300℃，被定義為K級防火絕緣液體，應用范圍較廣。在歐洲市場(chǎng)，合成酯不但在鐵路行業(yè)得到廣泛應用，而且在風(fēng)能、海洋、輸配電、船舶等領(lǐng)域也開(kāi) 始逐漸替代礦物油成為變壓器的重要絕緣液，在深 海鉆探、大功率電力元件冷卻等領(lǐng)域合成酯的應用 也在同步開(kāi)發(fā)。由于合成酯特殊的可靠性和優(yōu)越 的防火性能，可直接代替礦物油，近年來(lái)其市場(chǎng)需 求量逐年增加，根據多年使用經(jīng)驗及多方面測試， 市場(chǎng)對合成酯的肯定度越來(lái)越高。以西門(mén)子公司 為例，除軌道交通上用的車(chē)載及線(xiàn)路供電牽引變壓 器外，包括海上風(fēng)電變壓器、海上油臺特種變壓器、戶(hù)內或接近民居的変電站、220 kV無(wú)滅火設施地下水力發(fā)電站升壓變壓器，甚至400kV的英國倫敦市中心利用變壓器余熱供暖的戶(hù)內環(huán)保型高壓電力變壓器等都采用合成酯作為絕緣油。
3、合成酯作為軌道交通變壓器油的必要性
3.1、防火安全性能
在變壓器油應用領(lǐng)域，合成酯閃點(diǎn)可達到260℃，燃點(diǎn)則高于300℃，而礦物油閃點(diǎn)為150℃， 燃點(diǎn)為170℃。合成酯在防火方面最顯著(zhù)的特點(diǎn)是具有自熄滅特性，不會(huì )使變壓器發(fā)生爆炸，而礦物 油一旦發(fā)生火災，變壓器爆炸的可能性較大。另外 合成酯還通過(guò)了SGS、UL、FM等國際權威防火認證。實(shí)踐表明，變壓器發(fā)生火災后，其火勢會(huì )迅速 蔓延，將導致高昂的損失。合成酯為變壓器火災風(fēng) 險提供了一個(gè)完美的解決方案，在世界范圍內得到了重視，在過(guò)去 20多年的合成酯使用過(guò)程中，沒(méi)有發(fā)生過(guò)一次火災。
絕緣油的抗引燃性測試方法如下：將氧乙炔焊槍火焰（超過(guò)2000℃）直接置于金屬淺盤(pán)子中的絕緣油液表面，將熱電偶置于盤(pán)子底部用于檢測離油液表面較遠端的油液溫度。一旦焊槍點(diǎn)燃，便開(kāi)始記錄油液的溫度。合成酯和礦物油的抗引燃性測試結果如圖1所示。從圖1可以看出，礦物油的溫度迅速上升，僅過(guò)了4min便開(kāi)始燃燒。即使移走火源，礦物油還會(huì )繼續燃燒并產(chǎn)生濃烈的黑煙。相對而言，合成酯溫度升高的速度要緩慢許多，70min后溫度才超過(guò)260℃，但仍舊沒(méi)有被點(diǎn)燃。這是因為合成酯的熱容高，且熱導率大，燃點(diǎn)也高。
3.2、煙霧指數
通過(guò)Tewarson測試儀檢測變壓器油燃燒產(chǎn)生的煙量，測試儀上安裝有光源和感光器。對3種變壓器油（合成酯、硅油、礦物油）的煙密度測試發(fā)現，合成酯的煙霧指數比硅油和礦物油要低，合成酯達到最大煙霧密度需要17min，而礦物油僅需要4min，
硅油需要8min。同時(shí)合成酯燃燒時(shí)只產(chǎn)生白色稀薄煙霧，硅油產(chǎn)生白色濃密煙霧且含有有機硅氧化物粒子，而礦物油則產(chǎn)生黑色濃煙。發(fā)生火災時(shí)， 相較于采用硅油和礦物油的變壓器，采用合成酯的 變壓器將為人們留出更多的逃生時(shí)間。
3.3、環(huán)保性能
研究表明，合成酯是可生物降解的產(chǎn)品，并且對水體無(wú)污染。采用微生物分解測試其生物降解能力，結果如圖2所示。從圖2可以看出，合成酯在28d內降解率高達89%，而同樣條件下硅油的降解率僅為3.1%，礦物油的降解率為9.7%，后兩者被認定為非生物降解產(chǎn)品。合成酯不僅易生物降解，而且即使泄漏到河道中，在極高的濃度下（1000mg/L），也不會(huì )抑制活化泥的呼吸作用，不會(huì )對水生物造成危害。
3.4、耐濕性
合成酯具有極好的耐濕性，意味著(zhù)其可吸收更多的水分，同時(shí)保證其優(yōu)越的介電性能，這對變壓器，尤其是機車(chē)牽引變壓器來(lái)說(shuō)尤為重要。20℃時(shí)3種絕緣油擊穿電壓與水分含量的關(guān)系如圖3所示。
從圖3可以看出，合成酯的水分含量達到600×10-6時(shí)，其擊穿電壓仍能保持在75kV 以上，而礦物油的水分含量超過(guò) 30×10-6時(shí)，其擊穿電壓就會(huì )驟降至
35kV以下。硅油的耐濕性也比合成酯油的低，當水分含量超過(guò)100×10-6時(shí)，其擊穿電壓就會(huì )驟降至35kV。當絕緣油中水分過(guò)高時(shí)，礦物油和硅油擊穿性能下降較多，不能滿(mǎn)足變壓器運行要求，需及時(shí)進(jìn)行處理，這無(wú)形中增加了維護成本。
絕緣紙的老化速度與含水量有直接的關(guān)系，研究表明，纖維素的含水量每增加1%，絕緣紙的壽命將縮短10%。纖維素的分解會(huì )釋放出水分，加劇絕 緣紙的老化，所以應盡可能確保絕緣紙的干燥。與硅油和礦物油相比，合成酯可以捕獲更多的水分，減少絕緣紙的含水量，因此絕緣紙的老化速度也會(huì )降低。
在過(guò)載條件下，絕緣紙包裹的導體溫度上升，會(huì )提高產(chǎn)生氣泡的風(fēng)險。若絕緣紙的含水量為2.6%，則氣泡產(chǎn)生的溫度為130℃；若含水量為1.1%，則氣泡產(chǎn)生的溫度為165℃，而氣泡的產(chǎn)生會(huì )降低絕緣油體系的電氣性能。合成酯能吸收更多 的水分，確保絕緣紙的干燥，因此，在過(guò)載條件下，其吸收水分的閾值更高。
3.5、抗氧化性能
氧氣會(huì )加速變壓器油的老化，進(jìn)而導致沉積和油液基本性能的劣化。此外，高溫條件下氧化會(huì )加劇，即使在密閉系統內，油液也會(huì )老化。特別是在呼吸式變壓器如牽引變壓器中，其變化的負載及緊湊型設計會(huì )使變壓器油應力增加。
采用ASTM D2112-2015中的加壓容器氧化實(shí)驗，通過(guò)檢測氧耗時(shí)間來(lái)檢測油液的氧化反應。圖4為絕緣油的加壓容器氧化穩定性測試結果。一般而言，壓降一定時(shí)，耗時(shí)越長(cháng)表明油液的氧化穩定性越高。由圖4可知，合成酯在測試中耗時(shí)最長(cháng)，說(shuō)明其氧化穩定性最佳。
3.6、低溫穩定性
西門(mén)子用MIDEL合成酯做了-50℃惡劣氣溫環(huán)境下的實(shí)驗，結果表明，-50℃下合成酯仍能保證變壓器的正常運行。此外，該公司還在-50℃的極度寒冷條件下，采用環(huán)保、黏度較礦物油稍高的合成酯對 15MVA 變壓器進(jìn)行了一周的試驗測量，結果表明，合成酯可以保證變壓器在低溫條件下穩定運行，使用安全可靠，可以在加拿大、俄羅斯、中國內蒙古和斯堪的納維亞地區使用，這些地區的溫度可以達到-40℃甚至-50℃。
3.7、后期維護
合成酯的高性能優(yōu)勢使其售后維修成本降低，不需要經(jīng)常更換或過(guò)濾，而礦物油則需要定期檢測、過(guò)濾，由此帶來(lái)停工等問(wèn)題。硅油也會(huì )因為易 受潮而需要定期檢查，防止其因受潮而導致?lián)舸╇?壓下降。
4、結 論
合成酯作為軌道交通變壓器油有著(zhù)無(wú)可替代的優(yōu)勢，相對于礦物油有著(zhù)明顯的防火安全性，相對于硅油具有良好的生物可降解性。但受制于成本因素，合成酯在軌道交通變壓器油方面的應用并未廣泛開(kāi)展，隨著(zhù)工藝條件的改進(jìn)及成本優(yōu)化以及各國對于安全環(huán)保方面的重視，未來(lái)合成酯在軌道交通變壓器油方面的應用將越來(lái)越受到重視。
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