變壓器用天然酯絕緣油研究現(xiàn)狀

張 濤, 肖 霞, 楊文雁, 任喬林,肖 灑,李林多

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學(xué)醫(yī)學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 3.國網(wǎng)湖北省電力有限公司 孝感供電公司，湖北 孝感 432100)

絕緣油在電力變壓器等高壓電氣設(shè)備中具有絕緣、散熱等作用，礦物絕緣油因具有優(yōu)良的電氣性能、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電力變壓器中。但礦物絕緣油的閃點(diǎn)較低，無法滿足電氣設(shè)備高防火性能的要求；且生物降解性較差，一旦發(fā)生泄漏，會(huì)對(duì)水土資源造成嚴(yán)重破壞；同時(shí)礦物絕緣油不可再生，未來的使用與發(fā)展受到嚴(yán)重制約[1]。因此，尋求一種高燃點(diǎn)、易降解、可再生、環(huán)境友好型的新型絕緣介質(zhì)具有重要意義。

天然酯絕緣油(俗稱植物絕緣油)由天然的油料(大豆、油菜籽、葵花籽、棕櫚果等)經(jīng)過壓榨(或浸出)、精煉、改性等工藝制備而成[2]，是一種新型環(huán)保液體絕緣介質(zhì)，具有可生物降解、可再生、防火性能好等優(yōu)點(diǎn)，且能較大地提升油浸式電力變壓器的超負(fù)載性能，降低超負(fù)載運(yùn)行對(duì)變壓器壽命的影響。天然酯絕緣油來源廣泛，而且轉(zhuǎn)基因技術(shù)的不斷進(jìn)步讓高產(chǎn)量、高品質(zhì)的植物油料作物的生產(chǎn)成為可能。因此，天然酯絕緣油具有較好的應(yīng)用前景，有望成為礦物絕緣油的良好替代品。

早期天然酯絕緣油主要應(yīng)用于電容器中。Kamath[3]于1974年提出蓖麻油更適用于電容器。1985年一項(xiàng)美國專利[4]提出了將含添加劑的大豆油應(yīng)用于電容器中。隨后，酯類絕緣油開始出現(xiàn)，但由于合成酯價(jià)格昂貴，一般只用于超低溫條件下飛機(jī)機(jī)身潤(rùn)滑劑、貨運(yùn)火車和高鐵變壓器以及環(huán)境敏感地區(qū)建筑變壓器等特殊場(chǎng)合。目前，多家大型公司已經(jīng)開始生產(chǎn)變壓器用植物絕緣油，ABB ETI從葵花籽中提煉生產(chǎn)的BIOTEMP[5]，Cooper Power Systems從大豆中提煉生產(chǎn)的Envirotemp FR3[6]，Waverly Light & Power and University of Northern Iowa ABIL研究生產(chǎn)的BIOTRANS以及日本富士電機(jī)公司開發(fā)制造的菜籽酯油等。目前國內(nèi)也已研制出天然酯絕緣油，主要有重慶大學(xué)研制的RDB，國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院研制的NP，國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限公司研制的VinsOil等[7]，其中RDB酸價(jià)(KOH)為0.03 mg/g[8]，NP酸價(jià)(KOH)為0.026 mg/g，均能達(dá)到變壓器用絕緣油的酸價(jià)要求。但由于國外技術(shù)的壟斷，我國在天然酯絕緣油和天然酯變壓器的研制上仍處于起步階段，還需進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究與探究。

本文根據(jù)已有文獻(xiàn)，分析了天然酯絕緣油的制備方法，分別從電氣特性、理化特性、老化特性、親水性、氧化安定性和生物降解特性方面闡述了天然酯絕緣油的相關(guān)研究及應(yīng)用情況。介紹了天然酯變壓器在國內(nèi)外投入運(yùn)行的情況，針對(duì)天然酯絕緣油存在的不足，指出天然酯絕緣油投運(yùn)于變壓器需要解決的關(guān)鍵問題。

1 天然酯絕緣油的制備

天然酯在變成天然酯絕緣油的過程中，需要經(jīng)歷一系列的精煉工藝，對(duì)植物油(毛油)進(jìn)行堿煉、脫色、減壓蒸餾等。天然酯絕緣油生產(chǎn)工藝流程如圖1所示，其中原料油的選取、堿煉、脫酸過程很大程度上決定了成品油的品質(zhì)。

圖1 天然酯絕緣油生產(chǎn)工藝流程

李劍等[9]對(duì)比研究了菜籽油、棉籽油、花生油的電氣性能以及理化特性，得出菜籽油的性能最優(yōu)。李曉虎[10]指出單不飽和脂肪酸含量高的原料油制備的天然酯絕緣油具有更好的抗氧化性與低溫流動(dòng)性，如菜籽油、橄欖油等。胡婷等[11]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加堿量與堿液成分的改變會(huì)對(duì)成品油的電氣性能造成較大影響。市面上大多數(shù)的一級(jí)食用植物油酸價(jià)(KOH)均小于0.2 mg/g，但依據(jù)IEC 296—1982《用于變壓器和油開關(guān)中的礦物油》相關(guān)要求，變壓器絕緣油酸價(jià)(KOH)應(yīng)小于0.03 mg/g，酸價(jià)過高會(huì)增大油的導(dǎo)電性，降低油的絕緣性能，而且容易腐蝕設(shè)備，因此市面上出售的食用油不能直接作為絕緣油。楊濤等[12]提出了一種物理-化學(xué)混合精煉法，該方法不僅能降低天然酯絕緣油的酸價(jià)，而且能避免脫酸產(chǎn)生的極性物質(zhì)減弱天然酯絕緣油的電氣性能。劉格霞等[13]以大豆油為原料，通過減壓吸附、堿性降酸、減壓蒸餾、深度凈化等一系列精煉工藝過程，制備出了滿足要求的天然酯絕緣油。周璇等[14]通過酯交換反應(yīng)得到了菜籽絕緣油，即利用菜籽油與甲醇在氫氧化鈉的催化作用下反應(yīng)，并提出了最佳酯交換的工藝條件為：甲醇與菜籽油的摩爾比9∶1，氫氧化鈉用量為油質(zhì)量的0.6%，反應(yīng)溫度60℃，反應(yīng)時(shí)間75 min。Pompili等[15]從油菜籽、大豆中提取油脂并精煉制備天然酯絕緣油，并將其用于90 MVA、132 kV變壓器中。

潘逢博等[16]優(yōu)化設(shè)計(jì)了制備天然酯絕緣油的一次堿煉、脫水、脫色、脫酸的工藝，得到了精煉工藝處理后的天然酯絕緣油。植物油在精煉的基礎(chǔ)上加入適當(dāng)?shù)奶砑觿┠芴岣咂湫阅埽玫椒辖^緣電力設(shè)備要求的天然酯絕緣油。西安交通大學(xué)與西安凱博電力有限公司合作，對(duì)天然酯絕緣油的研制進(jìn)行了改進(jìn)，主要是通過添加劑改性和優(yōu)化工藝手段來實(shí)現(xiàn)天然酯絕緣油的改良，目前已經(jīng)成功研發(fā)出了國內(nèi)首款植物油型的配電變壓器。添加劑包括抗氧化劑、降凝劑、金屬鈍化劑、納米顆粒等，根據(jù)需要添加一定的添加劑，提高植物油的理化、電氣性能，以滿足電力設(shè)備的絕緣要求。天然酯絕緣油主要存在抗氧化性能差、熱老化后酸價(jià)升高快、運(yùn)動(dòng)黏度高導(dǎo)致的散熱性能較差等缺點(diǎn)。然而目前的天然酯絕緣油制備工藝相關(guān)的研究大多是針對(duì)整個(gè)流程的概論性報(bào)道，關(guān)于天然酯絕緣油理化性能提升的研究卻很少。為推廣天然酯絕緣油在變壓器中的應(yīng)用，還需要設(shè)計(jì)出一套簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且絕緣油性能更好的生產(chǎn)工藝流程。

2 天然酯絕緣油的特性

2.1 天然酯絕緣油的電氣特性

體現(xiàn)絕緣油電氣特性的主要指標(biāo)有電氣強(qiáng)度、介質(zhì)損耗因數(shù)、體積電阻率、相對(duì)介電常數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)天然酯絕緣油的電氣強(qiáng)度比礦物絕緣油的高。天然酯絕緣油的介質(zhì)損耗因數(shù)偏高，但經(jīng)過處理后的天然酯絕緣油介質(zhì)損耗因數(shù)可以明顯降低。呂程等[17]研究發(fā)現(xiàn)精煉后的菜籽油浸漬絕緣紙后的相對(duì)介電常數(shù)升高，高溫下介質(zhì)損耗角正切值降低?？芰璺宓萚18]對(duì)FR3天然酯絕緣油與國產(chǎn)克拉瑪依、雙江礦物絕緣油進(jìn)行混合，發(fā)現(xiàn)混合絕緣油的介質(zhì)損耗因數(shù)在130℃時(shí)符合油浸式變壓器的參數(shù)規(guī)定。鄒平等[19]進(jìn)行了天然酯絕緣油與絕緣紙板的浸漬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)菜籽油在60℃時(shí)與礦物油在20℃時(shí)的浸漬速率相當(dāng)。表1列出了幾種新型天然酯絕緣油與礦物油電氣特性參數(shù)的比較，并給出了國外標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)天然酯類絕緣油的質(zhì)量指標(biāo)(IEEE Std C57.147—2018)及國內(nèi)礦物油質(zhì)量指標(biāo)(GB/T 7595—2017)。

表1 天然酯絕緣油與礦物油的電氣特性比較[8，20]

注：標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)為變壓器油投入運(yùn)行前的質(zhì)量指標(biāo)。

從表1可知，天然酯絕緣油的電氣性能均能達(dá)到國外標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std C57.147—2018相關(guān)要求，且天然酯絕緣油的電氣絕緣性能更優(yōu)，擊穿電壓較高，介質(zhì)損耗因數(shù)與礦物油相差不大，相比于礦物絕緣油，天然酯絕緣油的相對(duì)介電常數(shù)與絕緣紙更接近，可使油-紙絕緣結(jié)構(gòu)電場(chǎng)分布更加均勻。

2.2 天然酯絕緣油的理化特性

絕緣油的理化特性要求密度小、黏度適中、閃點(diǎn)高、凝固點(diǎn)低。表2為幾種新型天然酯絕緣油與礦物油的理化特性參數(shù)比較。

表2 天然酯絕緣油與礦物油的理化特性比較[8，20]

由表2可知，天然酯絕緣油的閃點(diǎn)和燃點(diǎn)遠(yuǎn)高于礦物油，符合高防火性能的要求，使得天然酯絕緣油可以在人口高密度地區(qū)使用。但是天然酯絕緣油在界面張力、密度、含水量、酸價(jià)以及傾點(diǎn)等理化參數(shù)方面存在不足，需要向植物油中添加改性劑來優(yōu)化其理化性能。對(duì)于天然酯絕緣油，如大豆植物變壓器油相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1360—2014，目前尚未明確界面張力相關(guān)要求，該指標(biāo)對(duì)變壓器的絕緣性能及運(yùn)行要求影響不大。天然酯絕緣油的運(yùn)動(dòng)黏度雖然滿足國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但表現(xiàn)出來的黏度仍然較大，而過大的黏度會(huì)降低變壓器的散熱效率，可以通過添加黏度改性材料降低其黏度，提高散熱效率，使之符合絕緣電力設(shè)備的要求。目前，已經(jīng)有研究指出絕緣油加入適當(dāng)?shù)囊种苿┛墒蛊鋬A點(diǎn)下降。Bertrand等[21]研制出的低黏度流體天然酯絕緣油改善了絕緣油的散熱能力。王珊珊等[22]研究了凝點(diǎn)低的天然酯絕緣油對(duì)變壓器絕緣強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明冷凍后的天然酯絕緣油變壓器仍有較好的耐壓效果。目前的研究結(jié)果顯示，植物油是一種性能優(yōu)良、可替代礦物油的絕緣電介質(zhì)。通過添加適當(dāng)?shù)奶砑觿┮约熬珶捥幚砜商岣咛烊货ソ^緣油的理化性能，但改性后天然酯絕緣油其他方面的性能是否降低還有待進(jìn)一步的研究。

2.3 老化特性

油浸紙絕緣老化的速率直接決定了變壓器的運(yùn)行壽命。相同溫度下，天然酯絕緣油老化速率是普通礦物油的1/8～1/5。Norhafiz[23]研究了120℃下纖維素紙?jiān)谟椭械睦匣俾?，結(jié)果表明在1 280 h之前礦物油-紙老化速率明顯高于天然酯-紙老化速率，在1 280～2 800 h之間礦物油-紙老化速率約為天然酯-紙老化速率的3倍。Mcshane等[24]將一定年限的礦物油浸變壓器重新?lián)Q入天然酯絕緣油，并對(duì)變壓器的絕緣紙進(jìn)行壽命評(píng)估，結(jié)果表明此方法可以延長(zhǎng)變壓器的使用壽命。Amanullah等[25]設(shè)計(jì)了150℃加速熱老化實(shí)驗(yàn)，得到礦物絕緣油中絕緣紙水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大，而天然酯絕緣油中絕緣紙水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減小，可見天然酯絕緣油對(duì)變壓器固體絕緣紙具有保護(hù)作用。廖瑞金等[26]研究表明天然酯-紙絕緣中，相同老化條件下，熱穩(wěn)定紙聚合度明顯高于普通紙，熱穩(wěn)定紙能夠吸附絕緣油中的糠醛，在使用天然酯絕緣油變壓器時(shí)，為保證天然酯在老化過程中保持更好的絕緣性能，可以采用熱穩(wěn)定紙作為固體絕緣材料。

2.4 親水性

礦物絕緣油主要成分是不飽和烴、烷烴和芳香烴等，屬于憎水基團(tuán)；植物油的主要成分為甘油三酯，甘油三酯中含有羥基和羰基等親水基團(tuán)，這些特性使得天然酯絕緣油的親水性高于礦物油，故天然酯絕緣油對(duì)水分有較強(qiáng)的吸附能力。

表3為幾種絕緣油飽和含水量，可以看出天然酯絕緣油飽和含水量約是礦物油的20倍。故實(shí)際變壓器在運(yùn)行過程中，天然酯-紙絕緣系統(tǒng)的絕緣紙比礦物油-紙絕緣更干燥。楊濤等[27]證實(shí)了這一趨勢(shì)，即隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，天然酯絕緣油中紙板的含水量逐漸減小，而在礦物油中，紙板的含水量均隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。礦物絕緣油和天然酯絕緣油在不同溫度下的飽和溶解度也不同，常溫下天然酯絕緣油的飽和溶解度是礦物油的20倍左右，且隨著溫度的升高，天然酯絕緣油飽和溶解度增長(zhǎng)速率遠(yuǎn)高于礦物絕緣油。

表3 幾種絕緣油飽和含水量

2.5 氧化安定性

天然酯絕緣油的穩(wěn)定性能可由氧化安定性反映。對(duì)天然酯絕緣油而言，不飽和脂肪酸含量越高，其氧化安定性越差。由于天然酯絕緣油中的主要成分有油酸、亞油酸等，二者均為不飽和脂肪酸，天然酯絕緣油的氧化安定性低于礦物絕緣油。植物油易氧化的特性已成為植物油作為絕緣液體介質(zhì)應(yīng)用的主要障礙。植物油抗氧化性能的提高已成為植物油研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。Oommen等[28]研究指出，在食用植物油中添加抗氧化劑等可以有效改善其抗氧化性能，使其更易存放，抗氧化性能更優(yōu)，從而滿足工業(yè)絕緣油的要求。王詩琴等[29]通過實(shí)驗(yàn)研究得出：電導(dǎo)率法是最適合測(cè)定植物油氧化安定性的方法，并得到了此測(cè)定方法下3種抗氧化劑的適宜添加量。改善天然酯絕緣油的抗氧化性是今后研究的一個(gè)重點(diǎn)，加入適合的抗氧化劑或添加合適的金屬鈍化劑都可增強(qiáng)油品的抗氧化性能。如何選擇適當(dāng)?shù)奶砑觿纳浦参镉偷目寡趸?，使其能夠更好地取代礦物絕緣油是今后需要研究的問題。

2.6 生物降解特性

隨著綠色理念的推廣和普及，絕緣油的環(huán)保性能逐漸成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。生物降解率是絕緣油環(huán)保性能的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，表示有機(jī)物在一定條件下被微生物分解的百分率，生物降解率越高，表明絕緣油越容易在自然界中降解。陳江波等[30]研究了變壓器天然酯絕緣油、礦物絕緣油的微生物降解機(jī)制及差異，研究表明天然酯絕緣油FR3的微生物降解率為99.57%，而礦物絕緣油的微生物降解率僅為37.73%。礦物絕緣油降解率較低是因?yàn)槠渲饕煞滞闊N難與水發(fā)生水解反應(yīng)，而且不飽和化學(xué)鍵含量甚低，難以被微生物攻擊發(fā)生氧化。然而植物油主要成分甘油三酯容易水解，同時(shí)天然酯絕緣油燃燒只產(chǎn)生二氧化碳和水，不會(huì)產(chǎn)生其他有害物質(zhì)，相比于礦物絕緣油而言，天然酯絕緣油在變壓器絕緣方面的應(yīng)用更加環(huán)保，因此可以說天然酯絕緣油是一種天然、健康、無污染、可回收的綠色環(huán)保絕緣材料。

3 天然酯絕緣油在變壓器中的應(yīng)用

天然酯絕緣油可再生、綠色全降解、不燃不爆，適用于戶內(nèi)、地下、室外等更高要求的場(chǎng)合，在國外，美國、歐洲、加拿大、巴西、日本等已經(jīng)有將天然酯絕緣油應(yīng)用于變壓器的實(shí)例，如：ABB公司生產(chǎn)的BIOTEMP天然酯絕緣油在配電變壓器中使用，變壓器在-37.4℃的條件下仍能安全啟動(dòng)運(yùn)行；Cooper公司的FR3油已被應(yīng)用于15萬臺(tái)變壓器中，其應(yīng)用電壓等級(jí)可高達(dá)242 kV，十多年安全成功運(yùn)行；富士電機(jī)研制出菜籽酯油配電變壓器，進(jìn)入了試運(yùn)行階段；AE帕瓦株式會(huì)社開發(fā)出使用植物油的“Ecore Trans”變壓器，其最高應(yīng)用電壓等級(jí)為77 kV，現(xiàn)已投入到商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。世界上第一臺(tái)使用天然酯絕緣油的420 kV電力變壓器已于2014年成功投運(yùn)。這一成功案例，表明電力設(shè)備中天然酯替代礦物油是可行的，天然酯絕緣油的制備與投運(yùn)在環(huán)境和健康保護(hù)方面作出了巨大的貢獻(xiàn)，具有重大意義。天然酯絕緣油的一個(gè)重要特性是燃點(diǎn)高，即便是在人口高密度地區(qū)使用該類型的變壓器，潛在風(fēng)險(xiǎn)也非常小，同時(shí)也使得城市中安裝變壓器在防火方面需要投入的成本大大降低。使用天然酯絕緣油的變壓器綠色清潔、環(huán)境友好，對(duì)水土資源不造成污染，這一特性也為在高環(huán)保要求的地區(qū)安裝變壓器創(chuàng)造了可能性。目前，國外已有超過50萬臺(tái)使用天然酯絕緣油的變壓器投入了運(yùn)行。

國內(nèi)對(duì)天然酯絕緣油研究的起步比較晚，重慶大學(xué)最早于2000年開始了天然酯絕緣油的研制工作，于2010年研制出山茶籽變壓器絕緣油；隨后，國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司、國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院也進(jìn)行了相關(guān)研制工作，分別研制出了VinsOil和NP天然酯絕緣油。2014年，國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院設(shè)計(jì)制作出天然酯絕緣油配電變壓器。凡勇等[31]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了天然酯絕緣油與絕緣紙板、電磁線、硅鋼片等變壓器固體材料有著優(yōu)良的相容性，為天然酯絕緣油大規(guī)模生產(chǎn)并投入運(yùn)行于變壓器提供了可行性分析。表4為天然酯絕緣油在國內(nèi)的應(yīng)用情況。

表4 天然酯絕緣油在國內(nèi)的應(yīng)用情況

由表4可知，目前國內(nèi)的天然酯絕緣油變壓器的電壓等級(jí)較低，因此提高天然酯絕緣油的性能使其應(yīng)用到更高等級(jí)的設(shè)備中將是國內(nèi)學(xué)者研究需要重點(diǎn)攻克的難題。

4 結(jié)束語

天然酯絕緣油作為新型環(huán)境友好型液體電介質(zhì)，與礦物絕緣油相比，其電氣性能更優(yōu)，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)進(jìn)行了有力的嘗試。歸納總結(jié)如下：

(1)介紹了天然酯絕緣油的生產(chǎn)工藝流程，原油經(jīng)過精煉等一系列操作步驟后能夠得到滿足電力要求的變壓器用天然酯絕緣油。但如何得到工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、絕緣油特性優(yōu)良的最優(yōu)工藝流程，是需要進(jìn)一步研究的關(guān)鍵問題。

(2)新型天然酯絕緣油具有良好的電氣絕緣性能，擊穿電壓較高，且較高的介電常數(shù)能改善礦物絕緣油紙電場(chǎng)分布不均的問題。但天然酯絕緣油抗氧化性較差，提高天然酯絕緣油的抗氧化性，解決天然酯絕緣油的存放、密封等問題至關(guān)重要。

(3)天然酯絕緣油投入變壓器后的運(yùn)行與維護(hù)工作，需要相關(guān)學(xué)者進(jìn)一步研究天然酯絕緣油以及油浸紙的多因素絕緣老化特性，建立天然酯絕緣油變壓器的運(yùn)行規(guī)范以對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。