礦物絕緣油的替代與植物絕緣油的性能及應用

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備中起著絕緣、冷卻散熱和熄滅電弧的作用。傳統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。隨著社會發展和對電氣設備安全生產與環保要求的提高，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注，成為高防火安全要求和環境敏感地區油浸電氣設備的首選。

礦物絕緣油替代品的發展

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備中應用較為普遍。但是，這種絕緣油的閃點較低，防火性能差，不能滿足電氣設備的防火安全要求；生物降解性能很差，一旦發生泄漏事故，將會嚴重污染環境；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苯（PCBs）。美國于1929年最先開始生產PCBs，英國Swan公司同年也開發了以PCBs為主要成分的不燃絕緣油Askarel。PCBs絕緣性能優異，化學穩定性好，耐強酸強堿腐蝕，不與金屬發生發應。此外，熱穩定性能好，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成為新的研究熱點。研究人員先后發明了以有機硅油、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，其他合成物質的成本很高，其應用范圍受到限制，一般只應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出了一種油酸含量在80%以上的植物油絕緣介質，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出了名為Envirotemp FR3?和 BioTrans的植物油絕緣產品。

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。

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都沒有規定，但相對介電常數是與電介質束縛電荷特性密切相關的一個性能參數。在相同試驗溫度下，植物絕緣油紙的相對介電常數較高，礦物絕緣油紙的相對介電常數較低。油浸電氣設備中，相對介電常數越高，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，是我國安全環保型變壓器的一個發展方向。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，使得充油電氣設備的安全性能大大提高，將變壓器的火災事故率降至最低。

降解性能

有研究結果表明[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，對環境的影響小，且為可再生資源，符合當前社會發展的要求。

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]。我國是農業大國，農產品種類和資源非常豐富，作為重要經濟作物之一的油料類農產品在我國種植范圍廣，總產量高。相比于其他國家，以植物油為原料用作絕緣油的優勢更大[2]。而且，農作物是可再生的，尤其可以利用轉基因技術生產的油料，無需擔心資源枯竭的問題，符合可持續發展的戰略要求。

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NEC 450-23已將高燃點絕緣油變壓器的戶內、戶外安裝要求編入，用于安全和防火要求較高的戶內[5]。

國內外關于植物絕緣油的主要相關標準見表3。

植物絕緣油的生產技術

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。這種堿洗工藝會產生廢水，還伴有皂化反應發生，需要不斷優化改進，以減少生產過程污染和提高產率。

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展

國外植物油變壓器的應用已有超過20年的歷史，累計應用數量已超過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備電壓等級最高達到420 kV。

國內植物油變壓器的應用在近十年來發展很快，應用數量超過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合開發的采用國產植物油的35 kV 級變壓器在國家變壓器質檢中心通過包括短路試驗在內的全部試驗[7]。2015年，武漢南瑞自主研制的PD-2000 型植物油智能配變產品在廣東電網四會供電公司配電網掛網運行。2016年，湖北首臺采用直接換油技術的植物油變壓器在孝感毛陳鎮供電所10 kV南55毛陳線掛網，運行良好。2017年，由廣州供電局牽頭研發的110 kV /40 MVA 植物油變壓器在廣州市花都區110 kV芙蓉變電站正式投產。2018年，山東電工電氣集團有限公司自主研發的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運行，正泰電氣有限公司研制的國內首臺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用[8]。

隨著植物絕緣油的應用和植物油變壓器的發展，植物油變壓器不斷優化完善，安全和環保優勢日趨突出，正得到越來越多用戶的認可。

結束語

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，符合當今社會發展要求。隨著植物絕緣油的應用和植物油變壓器的發展、優化和完善，加上安全和環保優勢日趨突出，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，植物絕緣油的生產工藝也在不斷優化，產品質量不斷提高，其發展前景將更加廣闊。

表3 國內外植物絕緣油有關的標準

表4 植物絕緣油主要生產工藝