植物絕緣油精煉處理新進(jìn)展

肖 灑，任喬林，任貝婷，肖亞平，陳 黎

（1．國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司孝感供電公司，湖北 孝感432000；2．國(guó)網(wǎng)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(xué)，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(fā)電、供電設(shè)備中的血液［1］。絕緣油在電力設(shè)備中的重要性不言而喻，如何提高絕緣油的性能是現(xiàn)在電力研發(fā)的一個(gè)重要方向。絕緣油主要用于油浸絕緣高壓設(shè)備，如油浸式變壓器、斷路器、互感器等，通過(guò)油浸和裂縫來(lái)消除設(shè)備內(nèi)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(yōu)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(lái)源于石油且使用后不易降解，不符合綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的理念。經(jīng)過(guò)處理精煉后的植物絕緣油具有高燃點(diǎn)、高閃點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)，電氣性能好，是傳統(tǒng)礦物絕緣油的綠色替代品。植物絕緣油來(lái)源豐富，可從天然油料作物中提取，通過(guò)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(wèn)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(huán)境，不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成負(fù)擔(dān)。植物油被用作液體絕緣介質(zhì)的研究從很早就開始了，只是早期農(nóng)作物產(chǎn)量低，沒(méi)有多余的植物油可以用作絕緣油。當(dāng)時(shí)的技術(shù)也不能有效解決植物油的介質(zhì)損耗因素高、抗氧化性能差、粘度大等問(wèn)題。所以早期的植物絕緣油性能不高，并沒(méi)有得到推廣，主要用來(lái)作為電容器的浸漬劑。自20世紀(jì)90年代后，隨著轉(zhuǎn)基因農(nóng)業(yè)技術(shù)以及相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，植物絕緣油重新回到了大眾視野，成為研究熱點(diǎn)。

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(jí)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(wěn)定，不易氧化變質(zhì)但是其凝點(diǎn)高，低溫流動(dòng)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(diǎn)低但是不穩(wěn)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(zhì)。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(diǎn)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(fā)使用方面較為成熟的是歐美和日本等國(guó)家，他們生產(chǎn)的BIOTEMP?和FR3?等植物絕緣油性能都比較完善，我國(guó)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(fā)出了一種將低成本的高酸價(jià)植物油或地溝油轉(zhuǎn)化為高燃點(diǎn)、低介損、穩(wěn)定性好的環(huán)保絕緣油的方法。他們制備的絕緣油性能良好，不亞于國(guó)外廣泛使用BIOTEMP?和FR3?等植物絕緣油，其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足ASTMD6871－2003標(biāo)準(zhǔn)。表2所示是ABB ETI研究生產(chǎn)的BIOTEMP，Cargill（Coop－er Power Systems）研究生產(chǎn)的 Envirotemp FR3和西安卓源電力科技有限公司生產(chǎn)的絕緣油與傳統(tǒng)礦物油各項(xiàng)指標(biāo)的對(duì)比。

表2 絕緣油指標(biāo)對(duì)比

由表2中四種絕緣油的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，植物絕緣油的物理性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的礦物絕緣油，擊穿電壓和閃點(diǎn)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(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，廢棄的植物油在大自然中幾乎可以達(dá)到完全降解，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，礦物油降解率只有30%，廢棄的礦物油不能被降解，對(duì)環(huán)境危害很大。但植物絕緣油的介質(zhì)損耗因素、運(yùn)動(dòng)粘度、水含量、酸值等數(shù)據(jù)雖滿足ASTMD6871－2003標(biāo)準(zhǔn)，但是與礦物絕緣油相比差別較大，著力于改善這些指標(biāo)是今后研究植物絕緣油的主要方向。

3 植物絕緣油改進(jìn)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(duì)毛油進(jìn)行精煉。通過(guò)加入堿來(lái)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(lái)，然后將植物油與絮狀沉淀物分離，進(jìn)行脫酸處理。對(duì)處理后的油再使用吸附劑進(jìn)行脫色，去除植物油中的色素等雜質(zhì)。為了增強(qiáng)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(xué)自主研發(fā)的RDB植物絕緣油均采用了此工藝［2］。

另一種是利用化學(xué)改性的方法來(lái)制備植物絕緣油，利用酯交換的方法對(duì)植物油進(jìn)行改性，獲取可以用作絕緣材料的液體電介質(zhì)。其具體過(guò)程是：植物油在堿的催化作用下與一個(gè)甲醇反應(yīng)生成甘油和甲酯，生成的甲酯經(jīng)環(huán)氧化生成環(huán)氧甲酯，環(huán)氧甲酯經(jīng)過(guò)酸催化開環(huán)、酸酐加成反應(yīng)生成支化甲酯，然后加入適當(dāng)?shù)奶砑觿┇@取電氣性能良好的植物絕緣油［3］。

國(guó)網(wǎng)孝感供電公司采用XDK吸附劑進(jìn)行了精煉。通過(guò)三水平四因素正交實(shí)驗(yàn)，以介損為試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)計(jì)算極差，從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算極差得出：①國(guó)產(chǎn)植物油吸附影響顯著性依吸附劑量、吸附時(shí)間、吸附溫度和攪拌次數(shù)次序降低，進(jìn)口植物油吸附影響顯著性依吸附劑量、吸附時(shí)間、攪拌次數(shù)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(shí)間72 h和吸附劑量在9%時(shí)吸附效果最好。

文獻(xiàn)［1］通過(guò)國(guó)產(chǎn)植物油和國(guó)外植物油本底數(shù)據(jù)和老化吸附試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看出，國(guó)產(chǎn)植物油各項(xiàng)指標(biāo)略優(yōu)越。從老化72 h后數(shù)據(jù)來(lái)看國(guó)產(chǎn)植物油更加抗老化。吸附試驗(yàn)后國(guó)產(chǎn)植物油再生效果更好。隨著溫度升高兩種油都會(huì)產(chǎn)生不同比例的酸性產(chǎn)物，試驗(yàn)表明，進(jìn)口植物變壓器油吸附溫度不宜超過(guò)50℃，國(guó)產(chǎn)植物變壓器油的吸附溫度不宜超過(guò)30℃。此次對(duì)植物變壓器油老化吸附試驗(yàn)驗(yàn)證XDK吸附劑對(duì)變壓器油有效的再生能力，提高了油品的各項(xiàng)性能指標(biāo)，某些吸附后指標(biāo)甚至更優(yōu)于新油指標(biāo)［4］。

3.2 植物絕緣油性能改進(jìn)

文獻(xiàn)［7］中重慶大學(xué)的李諾東等人通過(guò)研究提出使用足球烯C60納米粒子對(duì)植物絕緣油進(jìn)行改性。經(jīng)李諾東等人試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，改性植物絕緣油的工頻擊穿電壓、介質(zhì)損耗因數(shù)和體積電阻率三項(xiàng)屬性在C60納米粒子濃度為100 mg／L時(shí)將獲得最大程度的增強(qiáng)，其中工頻擊穿電壓提升了8．6%，介質(zhì)損耗因數(shù)下降了20．1%，體積電阻率上升了23．3%［5］。

中國(guó)電力科學(xué)院的蔡勝偉等人通過(guò)進(jìn)行酯交換反應(yīng)來(lái)提高植物絕緣油的流動(dòng)性［3］。由表2中四種絕緣油運(yùn)動(dòng)粘度數(shù)據(jù)對(duì)比分析可以看出，在40℃時(shí)礦物油的運(yùn)動(dòng)粘度只有9．7 mm2·s－1，而三種植物絕緣油運(yùn)動(dòng)粘度均在40 mm2·s－1左右，粘度過(guò)大流動(dòng)性低，會(huì)影響散熱。文獻(xiàn)［1］中提出脂肪酸甘油三酯與醇經(jīng)過(guò)酯交換反應(yīng)，可轉(zhuǎn)化成相對(duì)分子質(zhì)量較小的單脂肪酸酯類，大幅降低植物油粘度，提高其流動(dòng)性。因此，我們可以通過(guò)酯交換反應(yīng)制備出各種植物油對(duì)應(yīng)的粘度低、流動(dòng)性高的酯油。經(jīng)研究人員測(cè)試，經(jīng)過(guò)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(xiàn)［8］中重慶大學(xué)的杜斌等人通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)研究找出了在植物絕緣油中加入Fe3O4納米粒子來(lái)改進(jìn)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(guò)程。文獻(xiàn)［8］中通過(guò)試驗(yàn)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(zhì)存在條件下納米粒子在植物絕緣油中的分散穩(wěn)定性，對(duì)影響Fe3O4納米粒子在植物絕緣油中的分散穩(wěn)定性的原因進(jìn)行了分析。試驗(yàn)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(guò)共價(jià)鍵緊密結(jié)合，當(dāng)納米絕緣油中含有紙纖維等雜質(zhì)時(shí)，高溫分解法所制得單分散Fe3O4納米植物絕緣油仍具有優(yōu)良的分散穩(wěn)定性。從杜斌等人的以上研究及結(jié)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(wěn)定性［6］。

4 結(jié) 論

綜上所述，得出如下結(jié)論：

（1）為環(huán)保考慮，自20世紀(jì)90年代后，隨著轉(zhuǎn)基因農(nóng)業(yè)技術(shù)以及相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，植物絕緣油重新回到了大眾視野，成為研究熱點(diǎn)。植物油的生物降解率高達(dá)97%以上，幾乎能達(dá)到完全降解，對(duì)環(huán)境的影響微乎其微。

（2）單不飽和脂肪酸能兼顧低凝點(diǎn)和高抗氧化性。

（3）植物絕緣油的介質(zhì)損耗因素、運(yùn)動(dòng)粘度、水含量、酸值等數(shù)據(jù)雖滿足ASTMD6871－2003標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)用是目前植物油精煉的熱點(diǎn)。XDK吸附劑對(duì)變壓器油有效的再生能力，提高了油品的各項(xiàng)性能指標(biāo)，某些吸附后指標(biāo)甚至更優(yōu)于新油指標(biāo)。