植物绝缘油精炼处理新进展

肖 洒，任乔林，任贝婷，肖亚平，陈 黎

（1．国网湖北省电力有限公司孝感供电公司，湖北 孝感432000；2．国网湖北省电力有限公司随州供电公司，湖北 随州441300；3三峡大学，湖北 宜昌443002）

0 引 言

作为一种重要的液体绝缘材料，绝缘油被比作是发电、供电设备中的血液［1］。绝缘油在电力设备中的重要性不言而喻，如何提高绝缘油的性能是现在电力研发的一个重要方向。绝缘油主要用于油浸绝缘高压设备，如油浸式变压器、断路器、互感器等，通过油浸和裂缝来消除设备内绝缘的气隙，起到绝缘、散热、冷却和熄灭电弧等作用［2］。矿物绝缘油以其优良的电气性能在油浸变压器中得到了广泛使用，但矿物绝缘油来源于石油且使用后不易降解，不符合绿色环保、可持续发展的理念。经过处理精炼后的植物绝缘油具有高燃点、高闪点的优点，电气性能好，是传统矿物绝缘油的绿色替代品。植物绝缘油来源丰富，可从天然油料作物中提取，通过人工种植就可源源不断地获得，能有效避免能源资源枯竭等问题，并且植物绝缘油降解率很高，废弃的植物油几乎可完全降解、不污染环境，不会对生态环境造成负担。植物油被用作液体绝缘介质的研究从很早就开始了，只是早期农作物产量低，没有多余的植物油可以用作绝缘油。当时的技术也不能有效解决植物油的介质损耗因素高、抗氧化性能差、粘度大等问题。所以早期的植物绝缘油性能不高，并没有得到推广，主要用来作为电容器的浸渍剂。自20世纪90年代后，随着转基因农业技术以及相关科学技术的发展，植物绝缘油重新回到了大众视野，成为研究热点。

1 天然植物油成分分析

天然的植物油是由不饱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链高级脂肪酸和甘油生成的酯，脂肪酸除软脂酸、硬脂酸和油酸外，还含有多种不饱和酸，如芥酸、桐油酸、蓖麻油酸等。饱和脂肪酸虽然性能稳定，不易氧化变质但是其凝点高，低温流动性差，饱和脂肪酸含量高的植物油在寒冷地域不适合使用。多不饱和脂肪酸虽然凝点低但是不稳定，多不饱和脂肪酸含量高的植物油使用寿命较短，容易变质。几种常见植物油中脂肪酸含量的典型值如表1所示，综合比较，只有单不饱和脂肪酸能兼顾低凝点和高抗氧化性。

表1 常见植物油中脂肪酸含量的典型值［1］

2 植物绝缘油研制状况

目前在植物绝缘油的研发使用方面较为成熟的是欧美和日本等国家，他们生产的BIOTEMP?和FR3?等植物绝缘油性能都比较完善，我国在植物绝缘油方面的研究虽然起步较晚，但近几年也取得了显著的成果。西安卓源电力科技有限公司研发出了一种将低成本的高酸价植物油或地沟油转化为高燃点、低介损、稳定性好的环保绝缘油的方法。他们制备的绝缘油性能良好，不亚于国外广泛使用BIOTEMP?和FR3?等植物绝缘油，其各项指标均满足ASTMD6871－2003标准。表2所示是ABB ETI研究生产的BIOTEMP，Cargill（Coop－er Power Systems）研究生产的 Envirotemp FR3和西安卓源电力科技有限公司生产的绝缘油与传统矿物油各项指标的对比。

表2 绝缘油指标对比

由表2中四种绝缘油的各项指标数据对比分析可知，植物绝缘油的物理性能明显优于传统的矿物绝缘油，击穿电压和闪点较高，防火性能较好。植物绝缘油极高的生物降解率是矿物油无法比拟的优势，废弃的植物油在大自然中几乎可以达到完全降解，不会对环境产生污染，矿物油降解率只有30%，废弃的矿物油不能被降解，对环境危害很大。但植物绝缘油的介质损耗因素、运动粘度、水含量、酸值等数据虽满足ASTMD6871－2003标准，但是与矿物绝缘油相比差别较大，着力于改善这些指标是今后研究植物绝缘油的主要方向。

3 植物绝缘油改进方法

3.1 植物绝缘油精炼

目前制备植物绝缘油较为主流的方法是对毛油进行精炼。通过加入碱来中和植物油里的游离脂肪酸，生成在油中不易溶解的钠盐，形成絮状物沉淀下来，然后将植物油与絮状沉淀物分离，进行脱酸处理。对处理后的油再使用吸附剂进行脱色，去除植物油中的色素等杂质。为了增强植物油的低温特性和抗氧化性，在精炼好的植物油中加入降凝剂和抗氧化剂等添加剂。ABB公司的BIOTEMP植物绝缘油、Cooper公司的FR3植物绝缘油和重庆大学自主研发的RDB植物绝缘油均采用了此工艺［2］。

另一种是利用化学改性的方法来制备植物绝缘油，利用酯交换的方法对植物油进行改性，获取可以用作绝缘材料的液体电介质。其具体过程是：植物油在碱的催化作用下与一个甲醇反应生成甘油和甲酯，生成的甲酯经环氧化生成环氧甲酯，环氧甲酯经过酸催化开环、酸酐加成反应生成支化甲酯，然后加入适当的添加剂获取电气性能良好的植物绝缘油［3］。

国网孝感供电公司采用XDK吸附剂进行了精炼。通过三水平四因素正交实验，以介损为试验结果参数计算极差，从以上试验数据计算极差得出：①国产植物油吸附影响显著性依吸附剂量、吸附时间、吸附温度和搅拌次数次序降低，进口植物油吸附影响显著性依吸附剂量、吸附时间、搅拌次数和吸附温度次序降低；②随着吸附温度的增加，吸附后酸值和水分增大。所以，从表2看出，温度在30℃、吸附时间72 h和吸附剂量在9%时吸附效果最好。

文献［1］通过国产植物油和国外植物油本底数据和老化吸附试验数据对比，可以看出，国产植物油各项指标略优越。从老化72 h后数据来看国产植物油更加抗老化。吸附试验后国产植物油再生效果更好。随着温度升高两种油都会产生不同比例的酸性产物，试验表明，进口植物变压器油吸附温度不宜超过50℃，国产植物变压器油的吸附温度不宜超过30℃。此次对植物变压器油老化吸附试验验证XDK吸附剂对变压器油有效的再生能力，提高了油品的各项性能指标，某些吸附后指标甚至更优于新油指标［4］。

3.2 植物绝缘油性能改进

文献［7］中重庆大学的李诺东等人通过研究提出使用足球烯C60纳米粒子对植物绝缘油进行改性。经李诺东等人试验发现，改性植物绝缘油的工频击穿电压、介质损耗因数和体积电阻率三项属性在C60纳米粒子浓度为100 mg／L时将获得最大程度的增强，其中工频击穿电压提升了8．6%，介质损耗因数下降了20．1%，体积电阻率上升了23．3%［5］。

中国电力科学院的蔡胜伟等人通过进行酯交换反应来提高植物绝缘油的流动性［3］。由表2中四种绝缘油运动粘度数据对比分析可以看出，在40℃时矿物油的运动粘度只有9．7 mm2·s－1，而三种植物绝缘油运动粘度均在40 mm2·s－1左右，粘度过大流动性低，会影响散热。文献［1］中提出脂肪酸甘油三酯与醇经过酯交换反应，可转化成相对分子质量较小的单脂肪酸酯类，大幅降低植物油粘度，提高其流动性。因此，我们可以通过酯交换反应制备出各种植物油对应的粘度低、流动性高的酯油。经研究人员测试，经过酯交换后的植物油与精炼植物油相比，其粘度大大降低［1］。

文献［8］中重庆大学的杜斌等人通过多次实验研究找出了在植物绝缘油中加入Fe3O4纳米粒子来改进植物绝缘油性能的方法。我们知道体积越小的物体，比表面积越大，活性越高，纳米粒子正是依靠其超高的比表面积，可以抑制植物油的氧化过程。文献［8］中通过试验分析了油酸表面活性剂与Fe3O4纳米粒子的成键情况，研究了不同粒径、制备方法及纤维杂质存在条件下纳米粒子在植物绝缘油中的分散稳定性，对影响Fe3O4纳米粒子在植物绝缘油中的分散稳定性的原因进行了分析。试验表明：高温分解法所制得Fe3O4纳米粒子与油酸表面活性剂通过共价键紧密结合，当纳米绝缘油中含有纸纤维等杂质时，高温分解法所制得单分散Fe3O4纳米植物绝缘油仍具有优良的分散稳定性。从杜斌等人的以上研究及结论可以看出，在植物绝缘油中加入适量四氧化三铁纳米粒子可以有效的提高植物油的电气性能和稳定性［6］。

4 结 论

综上所述，得出如下结论：

（1）为环保考虑，自20世纪90年代后，随着转基因农业技术以及相关科学技术的发展，植物绝缘油重新回到了大众视野，成为研究热点。植物油的生物降解率高达97%以上，几乎能达到完全降解，对环境的影响微乎其微。

（2）单不饱和脂肪酸能兼顾低凝点和高抗氧化性。

（3）植物绝缘油的介质损耗因素、运动粘度、水含量、酸值等数据虽满足ASTMD6871－2003标准，但是与矿物绝缘油相比差别较大，仍需改善。

（4）C60、Fe3O4纳米粒子、酯交换应用是目前植物油精炼的热点。XDK吸附剂对变压器油有效的再生能力，提高了油品的各项性能指标，某些吸附后指标甚至更优于新油指标。