天然酯絕緣油的基礎(chǔ)特性及其應(yīng)用研究

袁 飛，李 沐，王華興，鄒積鵬，賈 斌

(1.國網(wǎng)山東省電力公司泰安供電公司，山東 泰安 271000； 2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，濟南 250021)

目前，電力系統(tǒng)中所用的液體絕緣材料主要是從石油中煉制的礦物絕緣油。礦物絕緣油具有良好的絕緣性能、冷卻性能及低廉的成本，在油浸絕緣高電壓設(shè)備中已有上百年的應(yīng)用歷史。但礦物絕緣油的主要化學(xué)成分是碳氫化合物，即烴類化合物，燃點140℃左右，不能滿足礦山、礦井、軍事設(shè)施及高層建筑等對消防、安全有較高要求區(qū)域的需求[1]；其次，礦物絕緣油生物降解率低于30%，是一種非環(huán)保型液體絕緣材料，廣泛分布在農(nóng)村、水源附近、城市街道等地方的油浸式電力變壓器，如果發(fā)生泄漏將會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[2]。天然酯絕緣油是一種高燃點、環(huán)保型液體絕緣介質(zhì)，其燃點高于300℃，已經(jīng)達到難燃油的標(biāo)準(zhǔn)，防火安全性能突出，并具有良好的電氣特性，在球蓋電極及標(biāo)準(zhǔn)2.5 mm油隙條件下?lián)舸╇妷焊哌_70～80 kV，具備作為變壓器設(shè)備內(nèi)部絕緣冷卻介質(zhì)的基礎(chǔ)。同時，天然酯絕緣油具有很好的吸水性，能夠有效地吸收絕緣紙板中的水分，有利于緩解絕緣材料的老化，進而增加變壓器的使用壽命。

基于以上天然酯絕緣油基礎(chǔ)理化特性的研究成果，天然酯絕緣油正逐步應(yīng)用于大型電力設(shè)備中[3-4]。

1 概 述

國外對天然酯絕緣油的研究已超過一個半世紀(jì)的歷史，天然酯絕緣油用作電氣設(shè)備的絕緣材料可追溯到1858年亞麻籽油在電纜中的應(yīng)用[5]。早期的研究結(jié)果表明，天然酯絕緣油具有閃點高的優(yōu)點，但其抗氧化性能差、黏度大、產(chǎn)能低，其用途局限于電力電容器。

隨著礦物油大量使用后對環(huán)境危害的影響日益顯現(xiàn)，為加強環(huán)境保護，美國在1990年頒布環(huán)保法令，嚴(yán)禁礦物絕緣油泄漏對環(huán)境造成污染。為解決日益重要的環(huán)保問題和滿足可持續(xù)發(fā)展的要求，開發(fā)綠色環(huán)保的天然酯絕緣油變壓器逐漸成為液體電介質(zhì)研究的熱點，并帶動了各國再次研究新型天然酯絕緣油應(yīng)用的高潮。2000年總部位于美國威斯康辛州密爾沃基的Cooper公司開發(fā)出Envirotemp FR3天然酯絕緣油[6]，M&I MATERIALS 研制出MIDEL? eN[7]。

2009 年日本AE 帕瓦株式會社通過對棕櫚油進行改性，研制出不含任何降凝劑且閃點為186℃的低黏度棕櫚油Palm Fatty Acid Ester(PFAE)，作為天然酯絕緣油發(fā)展應(yīng)用的另一個方向[8]。

天然酯絕緣油主要來源于大豆、油菜籽、棕櫚、椰子、油茶籽等，并在電力設(shè)備中得到了超過十年、上百萬臺的工程應(yīng)用。國外開展天然酯絕緣油的研究較早，已形成相關(guān)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)體系。

我國20世紀(jì)50年代初電力設(shè)備生產(chǎn)曾選用以大豆油為主的天然酯絕緣油，但由于受到精煉改性等方面的技術(shù)限制，其理化和電氣特性不完全符合絕緣油的標(biāo)準(zhǔn)要求，且原材料短缺，因此限制了天然酯絕緣油的發(fā)展應(yīng)用[9-10]。

近些年來，隨著經(jīng)濟和社會的不斷發(fā)展，國內(nèi)對環(huán)保和安全意識逐漸增強，天然酯絕緣油的研究與應(yīng)用受到越來越多專家學(xué)者的重視，國內(nèi)多家研究機構(gòu)對天然酯絕緣油制備工藝及性能、天然酯絕緣油的油/紙復(fù)合特性、油中溶解氣體分析等內(nèi)容進行了深入研究，推動了多條天然酯絕緣油生產(chǎn)線的投運，并制定頒布了數(shù)項天然酯絕緣油相關(guān)國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

目前，國內(nèi)市場應(yīng)用比較廣泛的天然酯絕緣油產(chǎn)品主要有廣東卓原新材料有限公司生產(chǎn)的RAPO，河南省電力公司電力科學(xué)研究院研制的NP，武漢南瑞及湖北澤電生產(chǎn)的VinsOil以及嘉吉公司的FR3。

2 天然酯絕緣油性能

天然酯絕緣油和礦物油在分子構(gòu)成和結(jié)構(gòu)特征上具備相似性和差異性，宏觀表現(xiàn)在理化特性和電氣特性上的相似和差異，例如在外觀上均為油狀液體，具有一定的黏度，在純凈狀態(tài)下都具有很高的電氣強度，都具有冷卻散熱的功能；但是天然酯絕緣油的凝點、閃點、運動黏度、介質(zhì)損耗因數(shù)和介電常數(shù)都比礦物油的高，這些差異都是由于天然酯絕緣油和礦物油的分子構(gòu)成和結(jié)構(gòu)特征不同而造成的，從分子及原子角度入手，通過微觀機理研究才能深入揭示天然酯絕緣油和礦物油這種相似性與差異性的原因。

天然酯絕緣油屬于酯類油，是由一系列脂肪酸的甘油三酯組成，甘油三酯分子則由甘油基團和脂肪酸基團構(gòu)成，不僅含有碳、氫兩種原子，還含有氧原子。

2.1 天然酯絕緣油的理化特性

天然酯絕緣油的理化特性包括物理特性和化學(xué)特性。其中物理特性是其固有物理屬性，主要有密度、運動黏度、凝點(傾點)等。國內(nèi)市場上主流廠家的天然酯絕緣油物理特性檢測值如表1所示。

表1 天然酯絕緣油物理特性參數(shù)

由表1可見，天然酯絕緣油在40℃時運動黏度約為33 mm2/s，同溫度下礦物絕緣油的運動黏度僅為9.2 mm2/s，天然酯絕緣油運動黏度較礦物絕緣油的高。隨著溫度的升高，天然酯絕緣油與礦物絕緣油運動黏度的差距逐漸縮小。由于天然酯絕緣油運動黏度的大小影響變壓器的散熱冷卻效果，天然酯絕緣油變壓器散熱設(shè)計時應(yīng)重點考慮天然酯絕緣油與礦物絕緣油運動黏度差異而導(dǎo)致的影響。

天然酯絕緣油的化學(xué)特性主要有酸值、水分、腐蝕性硫、2-糠醛、氧化安定性等。國內(nèi)市場上主流廠家的天然酯絕緣油化學(xué)特性檢測值如表2所示。

表2 天然酯絕緣油化學(xué)特性參數(shù)

酸值表示油中有機酸的含量，可反映油的老化情況。油中所含酸性產(chǎn)物會使油的導(dǎo)電性增高，降低油的絕緣性能，在運行溫度較高時還會促使固體纖維質(zhì)絕緣材料老化和造成腐蝕，縮短設(shè)備使用壽命。

絕緣油中水分的存在，會降低絕緣油的電氣強度，絕緣油中的游離水在電場作用下發(fā)生極化，沿著電場分布形成電場小橋，使得介電強度降低。將絕緣油中水分控制在較低水平，一方面是防止溫度降低時油中游離水的形成，另一方面也有利于控制變壓器中固體纖維絕緣材料中的含水量，降低固體纖維絕緣材料的老化速率。

天然酯絕緣油與礦物絕緣油分子結(jié)構(gòu)差異大，礦物絕緣油中含有一定量的不飽和烴、烷烴、芳香烴等烴類物質(zhì)，屬于憎水基團。而天然酯絕緣油的主要成分是甘油三酯，含有羥基和羰基等親水基團，在相同溫度下天然酯絕緣油的相對飽和含水量遠遠大于礦物絕緣油，其含水量達到300 mg/L(20℃)時，標(biāo)準(zhǔn)條件下的擊穿電壓依然可保持在60 kV以上，仍然具有良好的電氣特性。此外，在相同的條件下，天然酯絕緣油吸收固體絕緣材料中水分的能力強于礦物絕緣油，使得絕緣紙板中的含水量保持在較低水平，有利于延長固體絕緣材料的使用壽命。

氧化安定性用于表征絕緣油抵抗氧氣、溫度等作用而保持其性能不發(fā)生永久變化的能力，是絕緣油的一項重要性能指標(biāo)。氧化安定性是變壓器油選擇的主要依據(jù)，通常天然酯絕緣油氧化安定性差，需要添加抗氧化劑和金屬離子鈍化劑來提高其氧化安定性?？寡趸瘎┛梢匝泳徧烊货ソ^緣油的氧化速度，延長其壽命以滿足變壓器對絕緣用油的要求。金屬離子鈍化劑可與多價金屬離子絡(luò)合后形成穩(wěn)定的可溶性金屬結(jié)合物，從而使金屬離子失去氧化催化能力。

2.2 天然酯絕緣油的電氣特性

絕緣油的電氣特性主要包括擊穿電壓、體積電阻率、介質(zhì)損耗因數(shù)等，這些電氣特性直接影響絕緣油在油浸式電力設(shè)備中的應(yīng)用，大量試驗和理論研究表明天然酯絕緣油具有良好的電氣特性。國內(nèi)市場上主流廠家的天然酯絕緣油電氣特性參數(shù)如表3所示。

表3 天然酯絕緣油電氣特性參數(shù)

介質(zhì)損耗因數(shù)越大，介質(zhì)溫度越高，材料老化就越快，同時介質(zhì)損耗所引起的溫度不斷升高會導(dǎo)致?lián)舸?，其特點為電壓作用時間長，擊穿電壓較低。在實際應(yīng)用中，由于天然酯絕緣油是脂肪酸甘油三酯的混合物，分子結(jié)構(gòu)中存在羧基、?；葮O性基團，空間結(jié)構(gòu)不對稱，具有極性。因此，天然酯絕緣油的極性強于礦物油，使得油品應(yīng)用過程中介質(zhì)損耗因數(shù)會發(fā)生大幅上升，然后保持穩(wěn)定。

2.3 天然酯絕緣油的優(yōu)勢

天然酯絕緣油相對于傳統(tǒng)的礦物絕緣油，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)綠色環(huán)保。天然酯絕緣油的生物降解率高(大于95%)，可自行降解，不會對土地、水源等造成污染，適用于水源地、農(nóng)田、景區(qū)、街道等環(huán)境敏感地區(qū)。

(2)節(jié)約能源。天然酯絕緣油來源于各種植物，可有效降低對石油產(chǎn)品的依賴，避免石油產(chǎn)量下降而引發(fā)的能源緊缺。

(3)防火安全性能高。天然酯絕緣油屬于K級絕緣液體，具備優(yōu)異的抗燃特性，適用于人口密集地區(qū)。

2.4 天然酯絕緣油的局限性

目前天然酯絕緣油的應(yīng)用仍存在一定的局限性：①天然酯絕緣油較礦物絕緣油價格高1.5～3倍，價格偏高；②天然酯絕緣油黏度較大，不利于散熱；③天然酯絕緣油抗氧化能力差，在使用環(huán)節(jié)需采取密封措施，防止天然酯絕緣油氧化。

3 天然酯絕緣油應(yīng)用于電力設(shè)備中的設(shè)計要點

當(dāng)天然酯絕緣油應(yīng)用于電力設(shè)備中時，最重要的就是在保證安全可靠運行的同時，保證其使用壽命不低于傳統(tǒng)的油浸式設(shè)備，例如油浸式電力變壓器、油浸式套管、電力電容器等，因此在基于天然酯絕緣油的理化和電氣特性方面，需從以下幾個方面對油浸式電力設(shè)備的設(shè)計進行修正。

3.1 電氣絕緣設(shè)計及配合

天然酯絕緣油應(yīng)用的電力設(shè)備設(shè)計中，電氣絕緣設(shè)計主要取決于油紙絕緣配合，可以從以下幾個方面進行考慮：

(1)介電常數(shù)

表4對比了天然酯絕緣油、礦物絕緣油及油浸絕緣紙板的介電常數(shù)。由表4可見，天然酯絕緣油的相對介電常數(shù)大于礦物絕緣油，更接近于油浸絕緣紙板，因此在工頻交流電壓下，天然酯絕緣油油紙絕緣系統(tǒng)中的電場分布更加均勻，這有益于天然酯絕緣油在特定的絕緣結(jié)構(gòu)下承受更高的電壓。

采集站點的光學(xué)參數(shù)測定和水樣采集同步進行，后向散射系數(shù)測量主要使用HOBI Labs公司研發(fā)的hydroscat-6p后向散射測量儀，該議器有6個波段，分別是420、442、470、510、590、700 nm（顧艷鎮(zhèn)等，2008；Doxaran et al.，2016），測定水體從表層垂直到距湖底50 cm范圍內(nèi)不同深度的水體后向散射系數(shù)，測定過程中儀器保持勻速下降，每秒鐘獲取1次數(shù)據(jù)。由于鄱陽湖水體為高動態(tài)水體，水體的后向散射系數(shù)受到水流影響而波動較大，為了減少高動態(tài)的變化引起的干擾，通過取平均值的方法獲得建模數(shù)據(jù)。

表4 天然酯絕緣油、礦物絕緣油及油浸絕緣紙板的介電常數(shù)(25℃)

(2)工頻耐壓

絕緣油擊穿電壓的測定是一個非常有效的衡量絕緣液體耐壓特性的參數(shù)，其主要受到體積效應(yīng)的影響，同時又與絕緣油的純凈度、濕度等相關(guān)。目前未使用過的新型礦物油可根據(jù)GB 2536(IEC 60156)的標(biāo)準(zhǔn)考核其絕緣強度。表5為絕緣油AC擊穿電壓對比。

表5 絕緣油AC擊穿電壓的對比 kV

(3)不同含水量下的耐電場強度

天然酯絕緣油與礦物絕緣油分子結(jié)構(gòu)不同，礦物絕緣油中含有一定量的不飽和烴、烷烴、芳香烴等物質(zhì)，烴類物質(zhì)屬于憎水基團[11-12]。而天然酯絕緣油的主要成分是甘油三酯，甘油三酯中含有羥基和羰基等親水基團，在相同溫度下天然酯絕緣油的相對飽和含水量遠遠大于礦物絕緣油，其含水量達到250 mg/kg時，擊穿電壓(2.5 mm)保持在75 kV以上，具有良好的電氣性能。

(4)電壓等級范圍

天然酯絕緣油變壓器在國外已研制成功并掛網(wǎng)運行的最高電壓等級為420 kV，而在國內(nèi)10、35、110、220 kV天然酯絕緣油變壓器已研制成功，目前正逐步推廣應(yīng)用。

3.2 冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計及溫升控制

變壓器中熱量的傳遞方式主要由絕緣油的熱傳導(dǎo)和對流來實現(xiàn)，其中對流主要是通過液體的流動來實現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移，與絕緣液體的黏度系數(shù)、比熱容、熱膨脹率相關(guān)，其中黏度系數(shù)是一個非常重要的參數(shù)。天然酯絕緣油的動力黏度隨溫度變化趨勢如圖1所示。

圖1 天然酯絕緣油動力黏度隨溫度變化曲線

變壓器在正常的工作溫度下，天然酯絕緣油的黏度系數(shù)大于礦物油，因此天然酯絕緣油的流動性更差，在相同的冷卻結(jié)構(gòu)及熱量條件下該特性將加大變壓器頂層與底層的絕緣油溫度差，尤其當(dāng)變壓器采用自然油循環(huán)的冷卻方式時，上述溫度差特性最為明顯。而采用強油循環(huán)的冷卻方式時，選擇適用于高黏度絕緣液體的油泵并設(shè)定合適的功率值，將大幅改善由于天然酯絕緣油的黏度系數(shù)高而造成的散熱不利的影響。

4 結(jié) 論

天然酯絕緣油具有燃點高、環(huán)保特性好等突出優(yōu)點，但也具備氧化安定性較差、運動黏度較大等缺點，不同型號的天然酯絕緣油的理化、電氣特性差距較小。天然酯絕緣油應(yīng)用于電力設(shè)備中時，在防火安全及環(huán)保特性上較傳統(tǒng)油浸式電力設(shè)備具有較大優(yōu)勢，其缺點主要在于對工藝的要求較高，并且目前的價格較為高昂，影響了天然酯絕緣油的進一步推廣和應(yīng)用。此外，天然酯絕緣油的標(biāo)準(zhǔn)體系及應(yīng)用規(guī)程尚未完全建立，未來需進一步開展天然酯絕緣油的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。

目前，我國天然酯絕緣油的應(yīng)用雖正處于初期階段，但天然酯絕緣油的制備工藝及技術(shù)已達到了世界先進水平，且天然酯絕緣油來源廣泛，可利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)大量種植油料作物獲得，提高產(chǎn)量后，可降低天然酯絕緣油的生產(chǎn)成本。因此，天然酯絕緣油將具有十分廣闊的市場應(yīng)用前景與良好的社會、經(jīng)濟效益。