矿物绝缘油的替代与植物绝缘油的性能及应用

陈琦 盛祖红

1 中国石化润滑油有限公司华东分公司

2 中国石化润滑油有限公司上海研究院

绝缘油在充油电气设备中起着绝缘、冷却散热和熄灭电弧的作用。传统的绝缘油主要以矿物油为原料，来源充足，成本不高，理化性能与电气性能好，但矿物绝缘油的燃点比较低，生物降解能力差，资源不可再生。随着社会发展和对电气设备安全生产与环保要求的提高，植物绝缘油（天然酯绝缘油）以其高燃点、可降解和资源可再生的特点受到广泛关注，成为高防火安全要求和环境敏感地区油浸电气设备的首选。

矿物绝缘油替代品的发展

矿物绝缘油的电气性能和理化性能好，价格不高，在变压器和互感器器等充油电器设备中应用较为普遍。但是，这种绝缘油的闪点较低，防火性能差，不能满足电气设备的防火安全要求；生物降解性能很差，一旦发生泄漏事故，将会严重污染环境；原料为石油，属不可再生资源。所以，人们一直以来都在致力寻找矿物绝缘油的合适替代品。

1881年，德国H.施米特和G.舒尔茨首先合成了多氯联苯（PCBs）。美国于1929年最先开始生产PCBs，英国Swan公司同年也开发了以PCBs为主要成分的不燃绝缘油Askarel。PCBs绝缘性能优异，化学稳定性好，耐强酸强碱腐蚀，不与金属发生发应。此外，热稳定性能好，完全分解温度达1 000 ℃以上。PCBs的用途很广，可用作绝缘油、导热油和润滑油等。但是，PCBs极难溶于水而易溶于脂肪和有机溶剂，且极难降解，能在生物体脂肪中大量富集，被联合国列为第一批持久性有机污染物，于20世纪70年代起全球停止使用，存留于世的PCBs处理至今仍是全球性难题。

PCBs被禁用后，高燃点绝缘油的开发成为新的研究热点。研究人员先后发明了以有机硅油、α油、β油、合成酯和聚α烯烃等为代表的合成绝缘油，除了具有优良的电绝缘性能外，还具有燃点高、凝固点低、黏度随温度变化很小等优点。但硅油存在气体溶解量大、容易吸湿、生物降解率低和价格偏高等不足，其他合成物质的成本很高，其应用范围受到限制，一般只应用于对防火性能要求很高的场合。

20 世纪60 年代，人们开始采用植物油来代替矿物油进行电绝缘。到20世纪90 年代，出现了采用植物油绝缘的变压器。1999年，ABB公司的Oommen等人以葵花籽油或菜籽油为原料，通过对植物油的纯化开发出了一种油酸含量在80%以上的植物油绝缘介质，其商品名为BIOTEMP®植物绝缘油[1]。2000年，COOPER公司和WL&P公司以大豆油为原料也分别开发出了名为Envirotemp FR3®和 BioTrans的植物油绝缘产品。

我国对植物绝缘油及其变压器的研究起步较晚。重庆大学、西安交通大学、中国电力科学研究院和武汉大学等单位先后开展了植物变压器油的研究，武汉南瑞和河南电科院等先后进行了植物变压器油的小批量生产。

植物绝缘油与矿物绝缘油的性能对比

植物油的主要成分是单不饱和、双不饱和及多不饱和脂肪酸的三脂肪酸甘油酯，简称甘三酯，4种植物油和FR3的脂肪酸组成如表1所示[2]。而矿物绝缘油的主要成分为烷烃、环烷烃和少量芳香烃的混合物。

由于化学组成的不同，植物油和矿物油在若干方面的性能上有着显著的差异，如表2所示[3]。其中，主要的差异在于电气性能、抗燃性能、降解性能和原料来源。

电气性能

对植物油采取特殊精炼工艺后，其电气性能进一步改善，绝缘强度略优于常用的矿物绝缘油。尽管绝缘油的标准中对相对介电常数都没有规定，但相对介电常数是与电介质束缚电荷特性密切相关的一个性能参数。在相同试验温度下，植物绝缘油纸的相对介电常数较高，矿物绝缘油纸的相对介电常数较低。油浸电气设备中，相对介电常数越高，对油纸组合绝缘电场分布的改善越有利，绝缘纸的使用周期也越长。

抗燃性能

植物绝缘油变压器的防火安全特性优于矿物绝缘油变压器，其绝缘油的燃点高和防火性能好，是我国安全环保型变压器的一个发展方向。矿物绝缘油的闭口闪点为150 ℃左右，燃点低于200 ℃。而植物绝缘油的闭口闪点大多超过280 ℃，燃点可超过350 ℃。显然，植物绝缘油的抗燃性能远超矿物绝缘油。与合成的高燃点高温绝缘油（如α油和有机硅油等）相比，植物绝缘油的抗燃性能满足高燃点绝缘油的要求，使得充油电气设备的安全性能大大提高，将变压器的火灾事故率降至最低。

降解性能

有研究结果表明[1]，植物绝缘油几乎可以完全生物降解，降解率大于97%，而矿物绝缘油的生物降解率一般不超过30%，有机硅油的生物降解率低于10%左右。由此可以看出，植物绝缘油的生物降解率高，对环境的影响小，且为可再生资源，符合当前社会发展的要求。

表1 4种植物油和FR3的脂肪酸组成

表2 植物绝缘油与矿物绝缘油的性能对比

原料来源

根据目前的报道，植物绝缘油选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]。我国是农业大国，农产品种类和资源非常丰富，作为重要经济作物之一的油料类农产品在我国种植范围广，总产量高。相比于其他国家，以植物油为原料用作绝缘油的优势更大[2]。而且，农作物是可再生的，尤其可以利用转基因技术生产的油料，无需担心资源枯竭的问题，符合可持续发展的战略要求。

但是，与矿物油相比，植物油的酸值高，黏度大，倾点高。另外，植物油中含有丰富的油酸、亚油酸以及亚麻酸等不饱和脂肪酸。这些不饱和脂肪酸很容易失去氢原子产生自由基，氧化安定性较差[2]。这都需要在植物绝缘油的加工和植物绝缘油变压器的设计上特别考虑，以满足植物绝缘油变压器的安全运行要求。

植物绝缘油的相关标准

燃点高于300 ℃的液体被定义为国际电工委员会IEC K-级液体，火灾危险程度为美国UL340 标准的4级～5级，即可作为高燃点绝缘油。美国国家电气法规NEC 450-23已将高燃点绝缘油变压器的户内、户外安装要求编入，用于安全和防火要求较高的户内[5]。

国内外关于植物绝缘油的主要相关标准见表3。

植物绝缘油的生产技术

无论以何种植物油为原料，植物油的主要成分都是不饱和脂肪酸甘油三酯，易吸水，酸值高，氧化安定性差，制备出符合标准的绝缘油需要专门的精炼工艺和添加剂。

以植物油为原料生产植物绝缘油需要预处理除杂、碱炼降酸值、脱水和脱色等工艺[6]，具体见表4。

其中，降低植物油的酸值是精炼工艺中的难点，目前的主要方法是反复碱洗。这种碱洗工艺会产生废水，还伴有皂化反应发生，需要不断优化改进，以减少生产过程污染和提高产率。

而且，植物油原料的抗氧化安定性不好，倾点高，仅仅通过普通的精炼技术不能完全改善其抗氧化性能和低温流动性能，需要进行深度精炼或者添加抗氧化剂与降凝剂。

植物绝缘油变压器的发展

国外植物油变压器的应用已有超过20年的历史，累计应用数量已超过200万台。其中，绝大部分是配电变压器。采用植物绝缘油的电气设备电压等级最高达到420 kV。

国内植物油变压器的应用在近十年来发展很快，应用数量超过3 000台，也主要为配电变压器。2010年，重庆大学试制出10 kV山茶籽绝缘油配电变压器挂网运行。2014年，由河南省电力公司电力科学研究院、沈阳变压器研究院和江苏华鹏变压器有限公司联合开发的采用国产植物油的35 kV 级变压器在国家变压器质检中心通过包括短路试验在内的全部试验[7]。2015年，武汉南瑞自主研制的PD-2000 型植物油智能配变产品在广东电网四会供电公司配电网挂网运行。2016年，湖北首台采用直接换油技术的植物油变压器在孝感毛陈镇供电所10 kV南55毛陈线挂网，运行良好。2017年，由广州供电局牵头研发的110 kV /40 MVA 植物油变压器在广州市花都区110 kV芙蓉变电站正式投产。2018年，山东电工电气集团有限公司自主研发的110 kV/63 MVA 植物油变压器一次性通过全部试验项目。2019年，西变中特研制的110 kV/50 MVA植物油变压器在山东菏泽挂网运行，正泰电气有限公司研制的国内首台220 kV 植物油变压器样机通过型式试验。近年来，越来越多的10 kV、35 kV和110 kV植物油变压器投入应用[8]。

随着植物绝缘油的应用和植物油变压器的发展，植物油变压器不断优化完善，安全和环保优势日趋突出，正得到越来越多用户的认可。

结束语

植物绝缘油具有比矿物绝缘油高得多的闪点和生物降解性，原料可再生，符合当今社会发展要求。随着植物绝缘油的应用和植物油变压器的发展、优化和完善，加上安全和环保优势日趋突出，采用植物绝缘油的变压器电压等级逐渐提高，植物绝缘油正得到越来越多用户的认可。而且，植物绝缘油的生产工艺也在不断优化，产品质量不断提高，其发展前景将更加广阔。

表3 国内外植物绝缘油有关的标准

表4 植物绝缘油主要生产工艺