礦物絕緣油的替代與植物絕緣油的性能及應(yīng)用

陳琦 盛祖紅

1 中國石化潤滑油有限公司華東分公司

2 中國石化潤滑油有限公司上海研究院

絕緣油在充油電氣設(shè)備中起著絕緣、冷卻散熱和熄滅電弧的作用。傳統(tǒng)的絕緣油主要以礦物油為原料，來源充足，成本不高，理化性能與電氣性能好，但礦物絕緣油的燃點(diǎn)比較低，生物降解能力差，資源不可再生。隨著社會(huì)發(fā)展和對(duì)電氣設(shè)備安全生產(chǎn)與環(huán)保要求的提高，植物絕緣油（天然酯絕緣油）以其高燃點(diǎn)、可降解和資源可再生的特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注，成為高防火安全要求和環(huán)境敏感地區(qū)油浸電氣設(shè)備的首選。

礦物絕緣油替代品的發(fā)展

礦物絕緣油的電氣性能和理化性能好，價(jià)格不高，在變壓器和互感器器等充油電器設(shè)備中應(yīng)用較為普遍。但是，這種絕緣油的閃點(diǎn)較低，防火性能差，不能滿足電氣設(shè)備的防火安全要求；生物降解性能很差，一旦發(fā)生泄漏事故，將會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境；原料為石油，屬不可再生資源。所以，人們一直以來都在致力尋找礦物絕緣油的合適替代品。

1881年，德國H.施米特和G.舒爾茨首先合成了多氯聯(lián)苯（PCBs）。美國于1929年最先開始生產(chǎn)PCBs，英國Swan公司同年也開發(fā)了以PCBs為主要成分的不燃絕緣油Askarel。PCBs絕緣性能優(yōu)異，化學(xué)穩(wěn)定性好，耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿腐蝕，不與金屬發(fā)生發(fā)應(yīng)。此外，熱穩(wěn)定性能好，完全分解溫度達(dá)1 000 ℃以上。PCBs的用途很廣，可用作絕緣油、導(dǎo)熱油和潤滑油等。但是，PCBs極難溶于水而易溶于脂肪和有機(jī)溶劑，且極難降解，能在生物體脂肪中大量富集，被聯(lián)合國列為第一批持久性有機(jī)污染物，于20世紀(jì)70年代起全球停止使用，存留于世的PCBs處理至今仍是全球性難題。

PCBs被禁用后，高燃點(diǎn)絕緣油的開發(fā)成為新的研究熱點(diǎn)。研究人員先后發(fā)明了以有機(jī)硅油、α油、β油、合成酯和聚α烯烴等為代表的合成絕緣油，除了具有優(yōu)良的電絕緣性能外，還具有燃點(diǎn)高、凝固點(diǎn)低、黏度隨溫度變化很小等優(yōu)點(diǎn)。但硅油存在氣體溶解量大、容易吸濕、生物降解率低和價(jià)格偏高等不足，其他合成物質(zhì)的成本很高，其應(yīng)用范圍受到限制，一般只應(yīng)用于對(duì)防火性能要求很高的場(chǎng)合。

20 世紀(jì)60 年代，人們開始采用植物油來代替礦物油進(jìn)行電絕緣。到20世紀(jì)90 年代，出現(xiàn)了采用植物油絕緣的變壓器。1999年，ABB公司的Oommen等人以葵花籽油或菜籽油為原料，通過對(duì)植物油的純化開發(fā)出了一種油酸含量在80%以上的植物油絕緣介質(zhì)，其商品名為BIOTEMP?植物絕緣油[1]。2000年，COOPER公司和WL&P公司以大豆油為原料也分別開發(fā)出了名為Envirotemp FR3?和 BioTrans的植物油絕緣產(chǎn)品。

我國對(duì)植物絕緣油及其變壓器的研究起步較晚。重慶大學(xué)、西安交通大學(xué)、中國電力科學(xué)研究院和武漢大學(xué)等單位先后開展了植物變壓器油的研究，武漢南瑞和河南電科院等先后進(jìn)行了植物變壓器油的小批量生產(chǎn)。

植物絕緣油與礦物絕緣油的性能對(duì)比

植物油的主要成分是單不飽和、雙不飽和及多不飽和脂肪酸的三脂肪酸甘油酯，簡(jiǎn)稱甘三酯，4種植物油和FR3的脂肪酸組成如表1所示[2]。而礦物絕緣油的主要成分為烷烴、環(huán)烷烴和少量芳香烴的混合物。

由于化學(xué)組成的不同，植物油和礦物油在若干方面的性能上有著顯著的差異，如表2所示[3]。其中，主要的差異在于電氣性能、抗燃性能、降解性能和原料來源。

電氣性能

對(duì)植物油采取特殊精煉工藝后，其電氣性能進(jìn)一步改善，絕緣強(qiáng)度略優(yōu)于常用的礦物絕緣油。盡管絕緣油的標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)相對(duì)介電常數(shù)都沒有規(guī)定，但相對(duì)介電常數(shù)是與電介質(zhì)束縛電荷特性密切相關(guān)的一個(gè)性能參數(shù)。在相同試驗(yàn)溫度下，植物絕緣油紙的相對(duì)介電常數(shù)較高，礦物絕緣油紙的相對(duì)介電常數(shù)較低。油浸電氣設(shè)備中，相對(duì)介電常數(shù)越高，對(duì)油紙組合絕緣電場(chǎng)分布的改善越有利，絕緣紙的使用周期也越長(zhǎng)。

抗燃性能

植物絕緣油變壓器的防火安全特性優(yōu)于礦物絕緣油變壓器，其絕緣油的燃點(diǎn)高和防火性能好，是我國安全環(huán)保型變壓器的一個(gè)發(fā)展方向。礦物絕緣油的閉口閃點(diǎn)為150 ℃左右，燃點(diǎn)低于200 ℃。而植物絕緣油的閉口閃點(diǎn)大多超過280 ℃，燃點(diǎn)可超過350 ℃。顯然，植物絕緣油的抗燃性能遠(yuǎn)超礦物絕緣油。與合成的高燃點(diǎn)高溫絕緣油（如α油和有機(jī)硅油等）相比，植物絕緣油的抗燃性能滿足高燃點(diǎn)絕緣油的要求，使得充油電氣設(shè)備的安全性能大大提高，將變壓器的火災(zāi)事故率降至最低。

降解性能

有研究結(jié)果表明[1]，植物絕緣油幾乎可以完全生物降解，降解率大于97%，而礦物絕緣油的生物降解率一般不超過30%，有機(jī)硅油的生物降解率低于10%左右。由此可以看出，植物絕緣油的生物降解率高，對(duì)環(huán)境的影響小，且為可再生資源，符合當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的要求。

表1 4種植物油和FR3的脂肪酸組成

表2 植物絕緣油與礦物絕緣油的性能對(duì)比

原料來源

根據(jù)目前的報(bào)道，植物絕緣油選取的原料主要是葵花籽、大豆、油菜籽、棉籽和山茶籽等油料作物[4]。我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)產(chǎn)品種類和資源非常豐富，作為重要經(jīng)濟(jì)作物之一的油料類農(nóng)產(chǎn)品在我國種植范圍廣，總產(chǎn)量高。相比于其他國家，以植物油為原料用作絕緣油的優(yōu)勢(shì)更大[2]。而且，農(nóng)作物是可再生的，尤其可以利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)生產(chǎn)的油料，無需擔(dān)心資源枯竭的問題，符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。

但是，與礦物油相比，植物油的酸值高，黏度大，傾點(diǎn)高。另外，植物油中含有豐富的油酸、亞油酸以及亞麻酸等不飽和脂肪酸。這些不飽和脂肪酸很容易失去氫原子產(chǎn)生自由基，氧化安定性較差[2]。這都需要在植物絕緣油的加工和植物絕緣油變壓器的設(shè)計(jì)上特別考慮，以滿足植物絕緣油變壓器的安全運(yùn)行要求。

植物絕緣油的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

燃點(diǎn)高于300 ℃的液體被定義為國際電工委員會(huì)IEC K-級(jí)液體，火災(zāi)危險(xiǎn)程度為美國UL340 標(biāo)準(zhǔn)的4級(jí)～5級(jí)，即可作為高燃點(diǎn)絕緣油。美國國家電氣法規(guī)NEC 450-23已將高燃點(diǎn)絕緣油變壓器的戶內(nèi)、戶外安裝要求編入，用于安全和防火要求較高的戶內(nèi)[5]。

國內(nèi)外關(guān)于植物絕緣油的主要相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

植物絕緣油的生產(chǎn)技術(shù)

無論以何種植物油為原料，植物油的主要成分都是不飽和脂肪酸甘油三酯，易吸水，酸值高，氧化安定性差，制備出符合標(biāo)準(zhǔn)的絕緣油需要專門的精煉工藝和添加劑。

以植物油為原料生產(chǎn)植物絕緣油需要預(yù)處理除雜、堿煉降酸值、脫水和脫色等工藝[6]，具體見表4。

其中，降低植物油的酸值是精煉工藝中的難點(diǎn)，目前的主要方法是反復(fù)堿洗。這種堿洗工藝會(huì)產(chǎn)生廢水，還伴有皂化反應(yīng)發(fā)生，需要不斷優(yōu)化改進(jìn)，以減少生產(chǎn)過程污染和提高產(chǎn)率。

而且，植物油原料的抗氧化安定性不好，傾點(diǎn)高，僅僅通過普通的精煉技術(shù)不能完全改善其抗氧化性能和低溫流動(dòng)性能，需要進(jìn)行深度精煉或者添加抗氧化劑與降凝劑。

植物絕緣油變壓器的發(fā)展

國外植物油變壓器的應(yīng)用已有超過20年的歷史，累計(jì)應(yīng)用數(shù)量已超過200萬臺(tái)。其中，絕大部分是配電變壓器。采用植物絕緣油的電氣設(shè)備電壓等級(jí)最高達(dá)到420 kV。

國內(nèi)植物油變壓器的應(yīng)用在近十年來發(fā)展很快，應(yīng)用數(shù)量超過3 000臺(tái)，也主要為配電變壓器。2010年，重慶大學(xué)試制出10 kV山茶籽絕緣油配電變壓器掛網(wǎng)運(yùn)行。2014年，由河南省電力公司電力科學(xué)研究院、沈陽變壓器研究院和江蘇華鵬變壓器有限公司聯(lián)合開發(fā)的采用國產(chǎn)植物油的35 kV 級(jí)變壓器在國家變壓器質(zhì)檢中心通過包括短路試驗(yàn)在內(nèi)的全部試驗(yàn)[7]。2015年，武漢南瑞自主研制的PD-2000 型植物油智能配變產(chǎn)品在廣東電網(wǎng)四會(huì)供電公司配電網(wǎng)掛網(wǎng)運(yùn)行。2016年，湖北首臺(tái)采用直接換油技術(shù)的植物油變壓器在孝感毛陳鎮(zhèn)供電所10 kV南55毛陳線掛網(wǎng)，運(yùn)行良好。2017年，由廣州供電局牽頭研發(fā)的110 kV /40 MVA 植物油變壓器在廣州市花都區(qū)110 kV芙蓉變電站正式投產(chǎn)。2018年，山東電工電氣集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的110 kV/63 MVA 植物油變壓器一次性通過全部試驗(yàn)項(xiàng)目。2019年，西變中特研制的110 kV/50 MVA植物油變壓器在山東菏澤掛網(wǎng)運(yùn)行，正泰電氣有限公司研制的國內(nèi)首臺(tái)220 kV 植物油變壓器樣機(jī)通過型式試驗(yàn)。近年來，越來越多的10 kV、35 kV和110 kV植物油變壓器投入應(yīng)用[8]。

隨著植物絕緣油的應(yīng)用和植物油變壓器的發(fā)展，植物油變壓器不斷優(yōu)化完善，安全和環(huán)保優(yōu)勢(shì)日趨突出，正得到越來越多用戶的認(rèn)可。

結(jié)束語

植物絕緣油具有比礦物絕緣油高得多的閃點(diǎn)和生物降解性，原料可再生，符合當(dāng)今社會(huì)發(fā)展要求。隨著植物絕緣油的應(yīng)用和植物油變壓器的發(fā)展、優(yōu)化和完善，加上安全和環(huán)保優(yōu)勢(shì)日趨突出，采用植物絕緣油的變壓器電壓等級(jí)逐漸提高，植物絕緣油正得到越來越多用戶的認(rèn)可。而且，植物絕緣油的生產(chǎn)工藝也在不斷優(yōu)化，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，其發(fā)展前景將更加廣闊。

表3 國內(nèi)外植物絕緣油有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)

表4 植物絕緣油主要生產(chǎn)工藝