变压器用天然酯绝缘油研究现状

张 涛, 肖 霞, 杨文雁, 任乔林,肖 洒,李林多

(1.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002； 2.三峡大学医学院，湖北 宜昌 443002； 3.国网湖北省电力有限公司 孝感供电公司，湖北 孝感 432100)

绝缘油在电力变压器等高压电气设备中具有绝缘、散热等作用，矿物绝缘油因具有优良的电气性能、价格低廉等优点，被广泛应用于电力变压器中。但矿物绝缘油的闪点较低，无法满足电气设备高防火性能的要求；且生物降解性较差，一旦发生泄漏，会对水土资源造成严重破坏；同时矿物绝缘油不可再生，未来的使用与发展受到严重制约[1]。因此，寻求一种高燃点、易降解、可再生、环境友好型的新型绝缘介质具有重要意义。

天然酯绝缘油(俗称植物绝缘油)由天然的油料(大豆、油菜籽、葵花籽、棕榈果等)经过压榨(或浸出)、精炼、改性等工艺制备而成[2]，是一种新型环保液体绝缘介质，具有可生物降解、可再生、防火性能好等优点，且能较大地提升油浸式电力变压器的超负载性能，降低超负载运行对变压器寿命的影响。天然酯绝缘油来源广泛，而且转基因技术的不断进步让高产量、高品质的植物油料作物的生产成为可能。因此，天然酯绝缘油具有较好的应用前景，有望成为矿物绝缘油的良好替代品。

早期天然酯绝缘油主要应用于电容器中。Kamath[3]于1974年提出蓖麻油更适用于电容器。1985年一项美国专利[4]提出了将含添加剂的大豆油应用于电容器中。随后，酯类绝缘油开始出现，但由于合成酯价格昂贵，一般只用于超低温条件下飞机机身润滑剂、货运火车和高铁变压器以及环境敏感地区建筑变压器等特殊场合。目前，多家大型公司已经开始生产变压器用植物绝缘油，ABB ETI从葵花籽中提炼生产的BIOTEMP[5]，Cooper Power Systems从大豆中提炼生产的Envirotemp FR3[6]，Waverly Light & Power and University of Northern Iowa ABIL研究生产的BIOTRANS以及日本富士电机公司开发制造的菜籽酯油等。目前国内也已研制出天然酯绝缘油，主要有重庆大学研制的RDB，国网河南省电力公司电力科学研究院研制的NP，国网电力科学研究院武汉南瑞有限公司研制的VinsOil等[7]，其中RDB酸价(KOH)为0.03 mg/g[8]，NP酸价(KOH)为0.026 mg/g，均能达到变压器用绝缘油的酸价要求。但由于国外技术的垄断，我国在天然酯绝缘油和天然酯变压器的研制上仍处于起步阶段，还需进行大量的实验研究与探究。

本文根据已有文献，分析了天然酯绝缘油的制备方法，分别从电气特性、理化特性、老化特性、亲水性、氧化安定性和生物降解特性方面阐述了天然酯绝缘油的相关研究及应用情况。介绍了天然酯变压器在国内外投入运行的情况，针对天然酯绝缘油存在的不足，指出天然酯绝缘油投运于变压器需要解决的关键问题。

1 天然酯绝缘油的制备

天然酯在变成天然酯绝缘油的过程中，需要经历一系列的精炼工艺，对植物油(毛油)进行碱炼、脱色、减压蒸馏等。天然酯绝缘油生产工艺流程如图1所示，其中原料油的选取、碱炼、脱酸过程很大程度上决定了成品油的品质。

图1 天然酯绝缘油生产工艺流程

李剑等[9]对比研究了菜籽油、棉籽油、花生油的电气性能以及理化特性，得出菜籽油的性能最优。李晓虎[10]指出单不饱和脂肪酸含量高的原料油制备的天然酯绝缘油具有更好的抗氧化性与低温流动性，如菜籽油、橄榄油等。胡婷等[11]通过实验发现加碱量与碱液成分的改变会对成品油的电气性能造成较大影响。市面上大多数的一级食用植物油酸价(KOH)均小于0.2 mg/g，但依据IEC 296—1982《用于变压器和油开关中的矿物油》相关要求，变压器绝缘油酸价(KOH)应小于0.03 mg/g，酸价过高会增大油的导电性，降低油的绝缘性能，而且容易腐蚀设备，因此市面上出售的食用油不能直接作为绝缘油。杨涛等[12]提出了一种物理-化学混合精炼法，该方法不仅能降低天然酯绝缘油的酸价，而且能避免脱酸产生的极性物质减弱天然酯绝缘油的电气性能。刘格霞等[13]以大豆油为原料，通过减压吸附、碱性降酸、减压蒸馏、深度净化等一系列精炼工艺过程，制备出了满足要求的天然酯绝缘油。周璇等[14]通过酯交换反应得到了菜籽绝缘油，即利用菜籽油与甲醇在氢氧化钠的催化作用下反应，并提出了最佳酯交换的工艺条件为：甲醇与菜籽油的摩尔比9∶1，氢氧化钠用量为油质量的0.6%，反应温度60℃，反应时间75 min。Pompili等[15]从油菜籽、大豆中提取油脂并精炼制备天然酯绝缘油，并将其用于90 MVA、132 kV变压器中。

潘逢博等[16]优化设计了制备天然酯绝缘油的一次碱炼、脱水、脱色、脱酸的工艺，得到了精炼工艺处理后的天然酯绝缘油。植物油在精炼的基础上加入适当的添加剂能提高其性能，得到符合绝缘电力设备要求的天然酯绝缘油。西安交通大学与西安凯博电力有限公司合作，对天然酯绝缘油的研制进行了改进，主要是通过添加剂改性和优化工艺手段来实现天然酯绝缘油的改良，目前已经成功研发出了国内首款植物油型的配电变压器。添加剂包括抗氧化剂、降凝剂、金属钝化剂、纳米颗粒等，根据需要添加一定的添加剂，提高植物油的理化、电气性能，以满足电力设备的绝缘要求。天然酯绝缘油主要存在抗氧化性能差、热老化后酸价升高快、运动黏度高导致的散热性能较差等缺点。然而目前的天然酯绝缘油制备工艺相关的研究大多是针对整个流程的概论性报道，关于天然酯绝缘油理化性能提升的研究却很少。为推广天然酯绝缘油在变压器中的应用，还需要设计出一套简单、经济且绝缘油性能更好的生产工艺流程。

2 天然酯绝缘油的特性

2.1 天然酯绝缘油的电气特性

体现绝缘油电气特性的主要指标有电气强度、介质损耗因数、体积电阻率、相对介电常数。研究发现天然酯绝缘油的电气强度比矿物绝缘油的高。天然酯绝缘油的介质损耗因数偏高，但经过处理后的天然酯绝缘油介质损耗因数可以明显降低。吕程等[17]研究发现精炼后的菜籽油浸渍绝缘纸后的相对介电常数升高，高温下介质损耗角正切值降低。寇凌峰等[18]对FR3天然酯绝缘油与国产克拉玛依、双江矿物绝缘油进行混合，发现混合绝缘油的介质损耗因数在130℃时符合油浸式变压器的参数规定。邹平等[19]进行了天然酯绝缘油与绝缘纸板的浸渍实验，发现菜籽油在60℃时与矿物油在20℃时的浸渍速率相当。表1列出了几种新型天然酯绝缘油与矿物油电气特性参数的比较，并给出了国外标准有关天然酯类绝缘油的质量指标(IEEE Std C57.147—2018)及国内矿物油质量指标(GB/T 7595—2017)。

表1 天然酯绝缘油与矿物油的电气特性比较[8，20]

注：标准数据为变压器油投入运行前的质量指标。

从表1可知，天然酯绝缘油的电气性能均能达到国外标准IEEE Std C57.147—2018相关要求，且天然酯绝缘油的电气绝缘性能更优，击穿电压较高，介质损耗因数与矿物油相差不大，相比于矿物绝缘油，天然酯绝缘油的相对介电常数与绝缘纸更接近，可使油-纸绝缘结构电场分布更加均匀。

2.2 天然酯绝缘油的理化特性

绝缘油的理化特性要求密度小、黏度适中、闪点高、凝固点低。表2为几种新型天然酯绝缘油与矿物油的理化特性参数比较。

表2 天然酯绝缘油与矿物油的理化特性比较[8，20]

由表2可知，天然酯绝缘油的闪点和燃点远高于矿物油，符合高防火性能的要求，使得天然酯绝缘油可以在人口高密度地区使用。但是天然酯绝缘油在界面张力、密度、含水量、酸价以及倾点等理化参数方面存在不足，需要向植物油中添加改性剂来优化其理化性能。对于天然酯绝缘油，如大豆植物变压器油相关标准DL/T 1360—2014，目前尚未明确界面张力相关要求，该指标对变压器的绝缘性能及运行要求影响不大。天然酯绝缘油的运动黏度虽然满足国外相关标准，但表现出来的黏度仍然较大，而过大的黏度会降低变压器的散热效率，可以通过添加黏度改性材料降低其黏度，提高散热效率，使之符合绝缘电力设备的要求。目前，已经有研究指出绝缘油加入适当的抑制剂可使其倾点下降。Bertrand等[21]研制出的低黏度流体天然酯绝缘油改善了绝缘油的散热能力。王珊珊等[22]研究了凝点低的天然酯绝缘油对变压器绝缘强度的影响，结果表明冷冻后的天然酯绝缘油变压器仍有较好的耐压效果。目前的研究结果显示，植物油是一种性能优良、可替代矿物油的绝缘电介质。通过添加适当的添加剂以及精炼处理可提高天然酯绝缘油的理化性能，但改性后天然酯绝缘油其他方面的性能是否降低还有待进一步的研究。

2.3 老化特性

油浸纸绝缘老化的速率直接决定了变压器的运行寿命。相同温度下，天然酯绝缘油老化速率是普通矿物油的1/8～1/5。Norhafiz[23]研究了120℃下纤维素纸在油中的老化速率，结果表明在1 280 h之前矿物油-纸老化速率明显高于天然酯-纸老化速率，在1 280～2 800 h之间矿物油-纸老化速率约为天然酯-纸老化速率的3倍。Mcshane等[24]将一定年限的矿物油浸变压器重新换入天然酯绝缘油，并对变压器的绝缘纸进行寿命评估，结果表明此方法可以延长变压器的使用寿命。Amanullah等[25]设计了150℃加速热老化实验，得到矿物绝缘油中绝缘纸水分的质量分数随着老化时间的延长逐渐增大，而天然酯绝缘油中绝缘纸水分的质量分数随老化时间的延长逐渐减小，可见天然酯绝缘油对变压器固体绝缘纸具有保护作用。廖瑞金等[26]研究表明天然酯-纸绝缘中，相同老化条件下，热稳定纸聚合度明显高于普通纸，热稳定纸能够吸附绝缘油中的糠醛，在使用天然酯绝缘油变压器时，为保证天然酯在老化过程中保持更好的绝缘性能，可以采用热稳定纸作为固体绝缘材料。

2.4 亲水性

矿物绝缘油主要成分是不饱和烃、烷烃和芳香烃等，属于憎水基团；植物油的主要成分为甘油三酯，甘油三酯中含有羟基和羰基等亲水基团，这些特性使得天然酯绝缘油的亲水性高于矿物油，故天然酯绝缘油对水分有较强的吸附能力。

表3为几种绝缘油饱和含水量，可以看出天然酯绝缘油饱和含水量约是矿物油的20倍。故实际变压器在运行过程中，天然酯-纸绝缘系统的绝缘纸比矿物油-纸绝缘更干燥。杨涛等[27]证实了这一趋势，即随着老化时间的延长，天然酯绝缘油中纸板的含水量逐渐减小，而在矿物油中，纸板的含水量均随老化时间的延长而增大。矿物绝缘油和天然酯绝缘油在不同温度下的饱和溶解度也不同，常温下天然酯绝缘油的饱和溶解度是矿物油的20倍左右，且随着温度的升高，天然酯绝缘油饱和溶解度增长速率远高于矿物绝缘油。

表3 几种绝缘油饱和含水量

2.5 氧化安定性

天然酯绝缘油的稳定性能可由氧化安定性反映。对天然酯绝缘油而言，不饱和脂肪酸含量越高，其氧化安定性越差。由于天然酯绝缘油中的主要成分有油酸、亚油酸等，二者均为不饱和脂肪酸，天然酯绝缘油的氧化安定性低于矿物绝缘油。植物油易氧化的特性已成为植物油作为绝缘液体介质应用的主要障碍。植物油抗氧化性能的提高已成为植物油研究的难点和热点。Oommen等[28]研究指出，在食用植物油中添加抗氧化剂等可以有效改善其抗氧化性能，使其更易存放，抗氧化性能更优，从而满足工业绝缘油的要求。王诗琴等[29]通过实验研究得出：电导率法是最适合测定植物油氧化安定性的方法，并得到了此测定方法下3种抗氧化剂的适宜添加量。改善天然酯绝缘油的抗氧化性是今后研究的一个重点，加入适合的抗氧化剂或添加合适的金属钝化剂都可增强油品的抗氧化性能。如何选择适当的添加剂，改善植物油的抗氧化性，使其能够更好地取代矿物绝缘油是今后需要研究的问题。

2.6 生物降解特性

随着绿色理念的推广和普及，绝缘油的环保性能逐渐成为人们关注的重点。生物降解率是绝缘油环保性能的评估标准，表示有机物在一定条件下被微生物分解的百分率，生物降解率越高，表明绝缘油越容易在自然界中降解。陈江波等[30]研究了变压器天然酯绝缘油、矿物绝缘油的微生物降解机制及差异，研究表明天然酯绝缘油FR3的微生物降解率为99.57%，而矿物绝缘油的微生物降解率仅为37.73%。矿物绝缘油降解率较低是因为其主要成分烷烃难与水发生水解反应，而且不饱和化学键含量甚低，难以被微生物攻击发生氧化。然而植物油主要成分甘油三酯容易水解，同时天然酯绝缘油燃烧只产生二氧化碳和水，不会产生其他有害物质，相比于矿物绝缘油而言，天然酯绝缘油在变压器绝缘方面的应用更加环保，因此可以说天然酯绝缘油是一种天然、健康、无污染、可回收的绿色环保绝缘材料。

3 天然酯绝缘油在变压器中的应用

天然酯绝缘油可再生、绿色全降解、不燃不爆，适用于户内、地下、室外等更高要求的场合，在国外，美国、欧洲、加拿大、巴西、日本等已经有将天然酯绝缘油应用于变压器的实例，如：ABB公司生产的BIOTEMP天然酯绝缘油在配电变压器中使用，变压器在-37.4℃的条件下仍能安全启动运行；Cooper公司的FR3油已被应用于15万台变压器中，其应用电压等级可高达242 kV，十多年安全成功运行；富士电机研制出菜籽酯油配电变压器，进入了试运行阶段；AE帕瓦株式会社开发出使用植物油的“Ecore Trans”变压器，其最高应用电压等级为77 kV，现已投入到商业应用领域。世界上第一台使用天然酯绝缘油的420 kV电力变压器已于2014年成功投运。这一成功案例，表明电力设备中天然酯替代矿物油是可行的，天然酯绝缘油的制备与投运在环境和健康保护方面作出了巨大的贡献，具有重大意义。天然酯绝缘油的一个重要特性是燃点高，即便是在人口高密度地区使用该类型的变压器，潜在风险也非常小，同时也使得城市中安装变压器在防火方面需要投入的成本大大降低。使用天然酯绝缘油的变压器绿色清洁、环境友好，对水土资源不造成污染，这一特性也为在高环保要求的地区安装变压器创造了可能性。目前，国外已有超过50万台使用天然酯绝缘油的变压器投入了运行。

国内对天然酯绝缘油研究的起步比较晚，重庆大学最早于2000年开始了天然酯绝缘油的研制工作，于2010年研制出山茶籽变压器绝缘油；随后，国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司、国网河南省电力公司电力科学研究院也进行了相关研制工作，分别研制出了VinsOil和NP天然酯绝缘油。2014年，国网河南省电力公司电力科学研究院设计制作出天然酯绝缘油配电变压器。凡勇等[31]通过实验验证了天然酯绝缘油与绝缘纸板、电磁线、硅钢片等变压器固体材料有着优良的相容性，为天然酯绝缘油大规模生产并投入运行于变压器提供了可行性分析。表4为天然酯绝缘油在国内的应用情况。

表4 天然酯绝缘油在国内的应用情况

由表4可知，目前国内的天然酯绝缘油变压器的电压等级较低，因此提高天然酯绝缘油的性能使其应用到更高等级的设备中将是国内学者研究需要重点攻克的难题。

4 结束语

天然酯绝缘油作为新型环境友好型液体电介质，与矿物绝缘油相比，其电气性能更优，为电网的安全稳定运行、建设资源节约型和环境友好型社会进行了有力的尝试。归纳总结如下：

(1)介绍了天然酯绝缘油的生产工艺流程，原油经过精炼等一系列操作步骤后能够得到满足电力要求的变压器用天然酯绝缘油。但如何得到工艺简单、经济、绝缘油特性优良的最优工艺流程，是需要进一步研究的关键问题。

(2)新型天然酯绝缘油具有良好的电气绝缘性能，击穿电压较高，且较高的介电常数能改善矿物绝缘油纸电场分布不均的问题。但天然酯绝缘油抗氧化性较差，提高天然酯绝缘油的抗氧化性，解决天然酯绝缘油的存放、密封等问题至关重要。

(3)天然酯绝缘油投入变压器后的运行与维护工作，需要相关学者进一步研究天然酯绝缘油以及油浸纸的多因素绝缘老化特性，建立天然酯绝缘油变压器的运行规范以对其进行实时监测。