植物絕緣油精煉處理新進展

肖 灑，任喬林，任貝婷，肖亞平，陳 黎

（1．國網湖北省電力有限公司孝感供電公司，湖北 孝感432000；2．國網湖北省電力有限公司隨州供電公司，湖北 隨州441300；3三峽大學，湖北 宜昌443002）

0 引 言

作為一種重要的液體絕緣材料，絕緣油被比作是發電、供電設備中的血液［1］。絕緣油在電力設備中的重要性不言而喻，如何提高絕緣油的性能是現在電力研發的一個重要方向。絕緣油主要用于油浸絕緣高壓設備，如油浸式變壓器、斷路器、互感器等，通過油浸和裂縫來消除設備內絕緣的氣隙，起到絕緣、散熱、冷卻和熄滅電弧等作用［2］。礦物絕緣油以其優良的電氣性能在油浸變壓器中得到了廣泛使用，但礦物絕緣油來源于石油且使用后不易降解，不符合綠色環保、可持續發展的理念。經過處理精煉后的植物絕緣油具有高燃點、高閃點的優點，電氣性能好，是傳統礦物絕緣油的綠色替代品。植物絕緣油來源豐富，可從天然油料作物中提取，通過人工種植就可源源不斷地獲得，能有效避免能源資源枯竭等問題，并且植物絕緣油降解率很高，廢棄的植物油幾乎可完全降解、不污染環境，不會對生態環境造成負擔。植物油被用作液體絕緣介質的研究從很早就開始了，只是早期農作物產量低，沒有多余的植物油可以用作絕緣油。當時的技術也不能有效解決植物油的介質損耗因素高、抗氧化性能差、粘度大等問題。所以早期的植物絕緣油性能不高，并沒有得到推廣，主要用來作為電容器的浸漬劑。自20世紀90年代后，隨著轉基因農業技術以及相關科學技術的發展，植物絕緣油重新回到了大眾視野，成為研究熱點。

1 天然植物油成分分析

天然的植物油是由不飽和脂肪酸和甘油化合而成的化合物，植物油的主要成分是直鏈高級脂肪酸和甘油生成的酯，脂肪酸除軟脂酸、硬脂酸和油酸外，還含有多種不飽和酸，如芥酸、桐油酸、蓖麻油酸等。飽和脂肪酸雖然性能穩定，不易氧化變質但是其凝點高，低溫流動性差，飽和脂肪酸含量高的植物油在寒冷地域不適合使用。多不飽和脂肪酸雖然凝點低但是不穩定，多不飽和脂肪酸含量高的植物油使用壽命較短，容易變質。幾種常見植物油中脂肪酸含量的典型值如表1所示，綜合比較，只有單不飽和脂肪酸能兼顧低凝點和高抗氧化性。

表1 常見植物油中脂肪酸含量的典型值［1］

2 植物絕緣油研制狀況

目前在植物絕緣油的研發使用方面較為成熟的是歐美和日本等國家，他們生產的BIOTEMP?和FR3?等植物絕緣油性能都比較完善，我國在植物絕緣油方面的研究雖然起步較晚，但近幾年也取得了顯著的成果。西安卓源電力科技有限公司研發出了一種將低成本的高酸價植物油或地溝油轉化為高燃點、低介損、穩定性好的環保絕緣油的方法。他們制備的絕緣油性能良好，不亞于國外廣泛使用BIOTEMP?和FR3?等植物絕緣油，其各項指標均滿足ASTMD6871－2003標準。表2所示是ABB ETI研究生產的BIOTEMP，Cargill（Coop－er Power Systems）研究生產的 Envirotemp FR3和西安卓源電力科技有限公司生產的絕緣油與傳統礦物油各項指標的對比。

表2 絕緣油指標對比

由表2中四種絕緣油的各項指標數據對比分析可知，植物絕緣油的物理性能明顯優于傳統的礦物絕緣油，擊穿電壓和閃點較高，防火性能較好。植物絕緣油極高的生物降解率是礦物油無法比擬的優勢，廢棄的植物油在大自然中幾乎可以達到完全降解，不會對環境產生污染，礦物油降解率只有30%，廢棄的礦物油不能被降解，對環境危害很大。但植物絕緣油的介質損耗因素、運動粘度、水含量、酸值等數據雖滿足ASTMD6871－2003標準，但是與礦物絕緣油相比差別較大，著力于改善這些指標是今后研究植物絕緣油的主要方向。

3 植物絕緣油改進方法

3.1 植物絕緣油精煉

目前制備植物絕緣油較為主流的方法是對毛油進行精煉。通過加入堿來中和植物油里的游離脂肪酸，生成在油中不易溶解的鈉鹽，形成絮狀物沉淀下來，然后將植物油與絮狀沉淀物分離，進行脫酸處理。對處理后的油再使用吸附劑進行脫色，去除植物油中的色素等雜質。為了增強植物油的低溫特性和抗氧化性，在精煉好的植物油中加入降凝劑和抗氧化劑等添加劑。ABB公司的BIOTEMP植物絕緣油、Cooper公司的FR3植物絕緣油和重慶大學自主研發的RDB植物絕緣油均采用了此工藝［2］。

另一種是利用化學改性的方法來制備植物絕緣油，利用酯交換的方法對植物油進行改性，獲取可以用作絕緣材料的液體電介質。其具體過程是：植物油在堿的催化作用下與一個甲醇反應生成甘油和甲酯，生成的甲酯經環氧化生成環氧甲酯，環氧甲酯經過酸催化開環、酸酐加成反應生成支化甲酯，然后加入適當的添加劑獲取電氣性能良好的植物絕緣油［3］。

國網孝感供電公司采用XDK吸附劑進行了精煉。通過三水平四因素正交實驗，以介損為試驗結果參數計算極差，從以上試驗數據計算極差得出：①國產植物油吸附影響顯著性依吸附劑量、吸附時間、吸附溫度和攪拌次數次序降低，進口植物油吸附影響顯著性依吸附劑量、吸附時間、攪拌次數和吸附溫度次序降低；②隨著吸附溫度的增加，吸附后酸值和水分增大。所以，從表2看出，溫度在30℃、吸附時間72 h和吸附劑量在9%時吸附效果最好。

文獻［1］通過國產植物油和國外植物油本底數據和老化吸附試驗數據對比，可以看出，國產植物油各項指標略優越。從老化72 h后數據來看國產植物油更加抗老化。吸附試驗后國產植物油再生效果更好。隨著溫度升高兩種油都會產生不同比例的酸性產物，試驗表明，進口植物變壓器油吸附溫度不宜超過50℃，國產植物變壓器油的吸附溫度不宜超過30℃。此次對植物變壓器油老化吸附試驗驗證XDK吸附劑對變壓器油有效的再生能力，提高了油品的各項性能指標，某些吸附后指標甚至更優于新油指標［4］。

3.2 植物絕緣油性能改進

文獻［7］中重慶大學的李諾東等人通過研究提出使用足球烯C60納米粒子對植物絕緣油進行改性。經李諾東等人試驗發現，改性植物絕緣油的工頻擊穿電壓、介質損耗因數和體積電阻率三項屬性在C60納米粒子濃度為100 mg／L時將獲得最大程度的增強，其中工頻擊穿電壓提升了8．6%，介質損耗因數下降了20．1%，體積電阻率上升了23．3%［5］。

中國電力科學院的蔡勝偉等人通過進行酯交換反應來提高植物絕緣油的流動性［3］。由表2中四種絕緣油運動粘度數據對比分析可以看出，在40℃時礦物油的運動粘度只有9．7 mm2·s－1，而三種植物絕緣油運動粘度均在40 mm2·s－1左右，粘度過大流動性低，會影響散熱。文獻［1］中提出脂肪酸甘油三酯與醇經過酯交換反應，可轉化成相對分子質量較小的單脂肪酸酯類，大幅降低植物油粘度，提高其流動性。因此，我們可以通過酯交換反應制備出各種植物油對應的粘度低、流動性高的酯油。經研究人員測試，經過酯交換后的植物油與精煉植物油相比，其粘度大大降低［1］。

文獻［8］中重慶大學的杜斌等人通過多次實驗研究找出了在植物絕緣油中加入Fe3O4納米粒子來改進植物絕緣油性能的方法。我們知道體積越小的物體，比表面積越大，活性越高，納米粒子正是依靠其超高的比表面積，可以抑制植物油的氧化過程。文獻［8］中通過試驗分析了油酸表面活性劑與Fe3O4納米粒子的成鍵情況，研究了不同粒徑、制備方法及纖維雜質存在條件下納米粒子在植物絕緣油中的分散穩定性，對影響Fe3O4納米粒子在植物絕緣油中的分散穩定性的原因進行了分析。試驗表明：高溫分解法所制得Fe3O4納米粒子與油酸表面活性劑通過共價鍵緊密結合，當納米絕緣油中含有紙纖維等雜質時，高溫分解法所制得單分散Fe3O4納米植物絕緣油仍具有優良的分散穩定性。從杜斌等人的以上研究及結論可以看出，在植物絕緣油中加入適量四氧化三鐵納米粒子可以有效的提高植物油的電氣性能和穩定性［6］。

4 結 論

綜上所述，得出如下結論：

（1）為環保考慮，自20世紀90年代后，隨著轉基因農業技術以及相關科學技術的發展，植物絕緣油重新回到了大眾視野，成為研究熱點。植物油的生物降解率高達97%以上，幾乎能達到完全降解，對環境的影響微乎其微。

（2）單不飽和脂肪酸能兼顧低凝點和高抗氧化性。

（3）植物絕緣油的介質損耗因素、運動粘度、水含量、酸值等數據雖滿足ASTMD6871－2003標準，但是與礦物絕緣油相比差別較大，仍需改善。

（4）C60、Fe3O4納米粒子、酯交換應用是目前植物油精煉的熱點。XDK吸附劑對變壓器油有效的再生能力，提高了油品的各項性能指標，某些吸附后指標甚至更優于新油指標。