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比較低，生物降解能力差，資源不可再生。隨著社會發(fā)展和對電氣設(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、可降解和資源可再生的特點受到廣泛關(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，將會嚴重污染環(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，化學穩(wěn)定性好，耐強酸強堿腐蝕，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1 000 ℃以上。PCBs的用途很廣，可用作絕緣油、導熱油和潤滑油等。但是，PCBs極難溶于水而易溶于脂肪和有機溶劑，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污染物，于20世紀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，高燃點絕緣油的開發(fā)成為新的研究熱點。研究人員先后發(fā)明了以有機硅油、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，還具有燃點高、凝固點低、黏度隨溫度變化很小等優(yōu)點。但硅油存在氣體溶解量大、容易吸濕、生物降解率低和價格偏高等不足，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)用于對防火性能要求很高的場合。

20 世紀60 年代，人們開始采用植物油來代替礦物油進行電絕緣。到20世紀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。

我國對植物絕緣油及其變壓器的研究起步較晚。重慶大學、西安交通大學、中國電力科學研究院和武漢大學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

對植物油采取特殊精煉工藝后，其電氣性能進一步改善，絕緣強度略優(yōu)于常用的礦物絕緣油。盡管絕緣油的標準中對相對介電常數(shù)都沒有規(guī)定，但相對介電常數(shù)是與電介質(zhì)束縛電荷特性密切相關(guān)的一個性能參數(shù)。在相同試驗溫度下，植物絕緣油紙的相對介電常數(shù)較高，礦物絕緣油紙的相對介電常數(shù)較低。油浸電氣設(shè)備中，相對介電常數(shù)越高，對油紙組合絕緣電場分布的改善越有利，絕緣紙的使用周期也越長。

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，其絕緣油的燃點高和防火性能好，是我國安全環(huán)保型變壓器的一個發(fā)展方向。礦物絕緣油的閉口閃點為150 ℃左右，燃點低于200 ℃。而植物絕緣油的閉口閃點大多超過280 ℃，燃點可超過350 ℃。顯然，植物絕緣油的抗燃性能遠超礦物絕緣油。與合成的高燃點高溫絕緣油（如α油和有機硅油等）相比，植物絕緣油的抗燃性能滿足高燃點絕緣油的要求，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，對環(huán)境的影響小，且為可再生資源，符合當前社會發(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比

原料來源

根據(jù)目前的報道，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)計上特別考慮，以滿足植物絕緣油變壓器的安全運行要求。

植物絕緣油的相關(guān)標準

燃點高于300 ℃的液體被定義為國際電工委員會IEC K-級液體，火災(zāi)危險程度為美國UL340 標準的4級～5級，即可作為高燃點絕緣油。美國國家電氣法規(guī)NEC 450-23已將高燃點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)標準見表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，制備出符合標準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，目前的主要方法是反復堿洗。這種堿洗工藝會產(chǎn)生廢水，還伴有皂化反應(yīng)發(fā)生，需要不斷優(yōu)化改進，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性能，需要進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，累計應(yīng)用數(shù)量已超過200萬臺。其中，絕大部分是配電變壓器。采用植物絕緣油的電氣設(shè)備電壓等級最高達到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，也主要為配電變壓器。2010年，重慶大學試制出10 kV山茶籽絕緣油配電變壓器掛網(wǎng)運行。2014年，由河南省電力公司電力科學研究院、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 級變壓器在國家變壓器質(zhì)檢中心通過包括短路試驗在內(nèi)的全部試驗[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)四會供電公司配電網(wǎng)掛網(wǎng)運行。2016年，湖北首臺采用直接換油技術(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項目。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)運行，正泰電氣有限公司研制的國內(nèi)首臺220 kV 植物油變壓器樣機通過型式試驗。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)勢日趨突出，正得到越來越多用戶的認可。

結(jié)束語

植物絕緣油具有比礦物絕緣油高得多的閃點和生物降解性，原料可再生，符合當今社會發(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)勢日趨突出，采用植物絕緣油的變壓器電壓等級逐漸提高，植物絕緣油正得到越來越多用戶的認可。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)的標準

表4 植物絕緣油主要生產(chǎn)工藝