变压器油,工业白油,抗磨液压油专业厂家—淄博勤润

1 前言
当前广泛应用的绝缘油主要是从石油中炼制而成的矿物绝缘油 它具有良好的绝和冷却性能以及相对低廉的价格，但也存在不可再生，闪点低，生物降解性差及发生泄漏时易造成环境污染等不足。随着可持续发展思想的深入和民众环保意识的提高，植物绝缘油因其良好的环保性、防火性和可再生性重新引起人们的重视。
植物绝缘油是由天然的油料作物经压榨、精炼、和改性等工艺制备而成，具有良好的电气性能，闪点高，原料来源广阔、可再生和可生物降解等优势 因此，自20世纪90年代之后逐渐成为新型绝缘液体研究的热点。
目前 欧美和日本等国家研究人员已经对植物绝缘油进行了前瞻性研究，并取得了一定的成果。例如，瑞典ABB公司于1999年生产出第一个商品名为“BIOTEMP”的植物绝缘油变压器。日本富士电机2002年也开发出小型、轻便及环保性能好的菜籽酯油配电变压器，美国库柏公司于2007年推出FR3型植物绝缘油并应用于配电变压器.我国对植物绝缘油的研究起步较晚。近年来，重庆大学等科研院所对植物油的制取、理化和电气性能开展了一些前期理论和试验研究 但国内还没有研制出成熟的植物绝缘油产品。无论是BIOTEMP油还是FR3油,在国内的售价都是矿物绝缘油的4倍-5倍，在技术层面对我国严密封锁。因此，要在国内推广应用植物绝缘油，必须研制出拥有自主知识产权、性价比优异的植物绝缘油产品。
本文中笔者采用精炼和酯交换两种工艺制备植物绝缘油，对绝缘油的理化性能、电气性能进行了测试分析和改进 最后对植物绝缘油的相容性、氧化安定性和长时老化特性进行了考核。
2 植物绝缘油的制备
天然植物油主要成分是脂肪酸甘油三酯，还含有少量但种类繁多的能溶于油脂的类脂物，平均相对分子质量为800-1000。通常植物油由一种或多种饱和或不饱和脂肪酸组成，其中饱和脂肪酸性能稳定但是凝点高，双不饱和脂肪酸和三不饱和脂肪酸凝点低但是易被氧化。综合比较，单不饱和脂肪酸兼具凝点较低和抗氧化性能较好的优点。表1列出了部分常见植物油中脂肪酸含量的典型值
综合考虑脂肪酸含量和原料来源，初步选取产量较大的菜籽、大豆、花生和棉籽油为制备植物绝缘油的备选基础油。
2.1植物油的精炼
针对毛油杂质多、酸值高及易氧化的特点，为了达到绝缘油的要求，需要对毛油进行精炼处理。首先，采用碱炼的方法去除游离脂肪酸，再对碱炼后的植物油进行脱色和蒸馏，以除去色素等类脂物。试验选用具有足够选择性的极性吸附剂活性白土对碱炼后的菜籽油进行脱色处理，最后通过减压蒸馏法除去油中具有特殊气味的挥发性物质及水分。
2.2酯交换合成工艺
酯交换反应是酯与醇在酸或碱的催化下生成一个新酯和一个新醇的反应，即酯的醇解反应。经过精炼提纯后的植物油，粘度仍较大，影响植物油的散热效果。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，在精炼的基础上通过酯交换反应制备各种植物油对应的酯油，精炼后的大豆油、花生油、菜籽油和棉籽油分别与甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇及叔丁醇等低分子醇进行酯交换反应合成酯油。
2.3工艺优化
针对精炼植物油及植物油酯交换产物酸值大、微水高和有醇杂质的情况，对各油样进行两次减压蒸馏除水和醇、两次脱色等工艺优化处理。经过工艺优化后的产品性能指标有明细改善，见图1和表2
3 性能测试与分析
对精炼和酯交换得到的各种油样进行微水、酸值、闪点、粘度及凝点等理化性能测试和介电常数、介质损耗因数和击穿电压等电气性能进行测试，并与GB2536-90变压器油和ASTM D6871-2003电气设备中使用的天然植物油酯液体标准规范进行对比分析。
3.1物理化学性能测试分析
通过测试，各种油样微水均在100mg/L以内,酸值在0.03以下,满足标准要求。闪点、粘度及凝点等理化性能测试数据见表3-5。
由表3可知，精炼植物油的闪点在300左右，达到高燃点绝缘油的闪点要求，酯交换油样的闪点有所降低，但所有油样的闪点均优于矿物油的闪点标准。
由表4可知，精炼植物绝缘油运动粘度均大于矿物绝缘油标准，但满足ASTM D6871标准要求,酯交换油样的粘度在5左右,异丙脂和叔丁酯由于反应转化率偏低 致使粘度值较大,优于矿物油指标,具有优异的流动性。
由表5可知，不同植物油系列油样的凝点由低到高依次为菜籽油、大豆油、棉籽油和花生油精炼，植物油的凝点比酯交换油样低。其中，菜籽油系列的油样能够满足 号矿物油的凝点标准。
3.2电气性能测试分析
各油样的主要电气性能测试包括介电常数、介质损耗因数、体积电阻率和击穿电
压，测试数据见表6。
由电气性能测试数据可知，所有油样的介电常数均在2.8-3.1之间，击穿电压 50kV-66kV，满足GB2536和ASTM D6871的击穿电压标准要求（>=35kV）。精炼植物油的介损在1%以下，优于ASTM D6871标准要求（<=4.0%），接近矿物变压器油的介损标准（<=0.5%），酯交换得到的酯油介损偏高，但介电常数和击穿电压等参数性能基本不变。
3.3成分分析
由各油样理化性能和电气性能测试结果分析可知，精炼油中大豆油和菜籽油闪点高，凝点较低且介损和击穿电压均优于花生油和棉籽油，且大豆和菜籽油的产量较大。因此，选取大豆油精炼油、大豆油、甲酯、菜籽油精炼油和菜籽油甲酯这 4种油样作为备选油样进行成分分析和性能改进研究。
为了更深入了解植物油的构效关系，从分子结构上改进植物油的性能 需要对植物油进行化学成分分析。精炼大豆油和菜籽油样化学组成通过气相色谱GC和气相色谱-质谱GC-MS法进行分析。
以菜籽油为例分析如下，通过气相色谱法的峰值可以定量地计算出样品中各组分的相对含量。图2中4min之前的为溶剂峰 4min 之后菜籽油分出八个物质峰，八个峰面积的含量从左到右依次为 6.7% 36.2% 43.9% 2.7% 4.2% 0.7% 4.8%和 0.9%。
气相色谱分离各组分后再通过质谱定性分析出样品中的各个成分。通过图3中 GC-MC 检测结果可知，气相中分出八个波峰的物质：第一个峰为棕榈酸，第二个峰为亚油酸，第三个峰为油酸，第四个峰为硬脂酸，第五个峰为二十碳烯酸，第六个峰为花生酸，第七个峰为芥酸，第八个峰为山嵛酸。
由以上分析可知，植物油中约 80%是油酸、亚油酸，由于大分子长烃基链之间的相互作用，使得植物油的粘度较高。此外，由于分子结构中含有大量不饱和双键 易在空气中发生自动氧化，致使植物油氧化安定性较差。通过成分分析，为从分子结构层面改进植物油的粘度、凝点和抗氧化性能提供依据。
4 植物绝缘油性能改进及考核
由于制备的精炼油凝点偏高、粘度大及氧化安定性差；制备的酯油虽然粘度性能良好，但仍存在凝点高、抗氧化能力不足的问题，需要优化改进。
4.1低温特性改进
备选的精炼油样凝点偏高，限制了其在寒冷地区的使用，通过添加合适降凝剂来降低植物油凝点。取同一批制备的菜籽油油样，分别加入不同含量的PMA 降凝剂，测定其电气性能和理化性能，数据如表 7 所示。
由表7可知，当降凝剂添加量在0.1%时综合性能最优。
4.2运动粘度性能改进
大豆油甲酯和菜籽油甲酯均具有优异的运动粘度性能，但精炼大豆油和精炼菜籽油的运动粘度均大于矿物绝缘油。运动粘度是绝缘油的重要属性，粘度过大会影响变压器的散热效果。
为了弥补植物绝缘油运动粘度过大的不足，除对变压器的散热结构进行优化设计之外，由表4可知，大豆油和菜籽油经过酯交换后粘度均大幅下降，可以通过控制酯交换的转化率来降低植物绝缘油的运动粘度，实际应用中，可根据不同的使用环境确定粘度、凝点和闪点要求，选取对应的转化率。
4.3抗氧化性能改进
变压器油在运行期间受到空气、铁、铜等金属的催化氧化，易使油品氧化变质，因此需要添加抗氧化剂延缓植物油的氧化速度。
常见食品级抗氧化剂有 BHT 2 6-二叔丁基-4-甲基苯酚、BHA 丁基羟基茴香醚、 TBHQ 叔丁基对苯二酚、PG 没食子酸丙酯和VE 维生素 E生育酚等。配置一系列已知含量的BHT、BHA、TBHQ、PG和VE等油样，按照SH/T 0206变压器油氧化安定性测定法的方法进行试验得出抗氧化剂含量和主要性能曲线，找出最优抗氧化剂类型和含量，即添加0.17%-0.5%的 BHT 效果最佳。
4.4试验考核
1 相容性试验
绝缘油相容性试验是在一个可控的环境内，选择一个试验模型，考察绝缘油与其他材料是否会发生相互或单方面的变质、劣化，从而证实绝缘油在储存、使用期内保持稳定性、有效性。
参考美国标准ASTM D3455-2002变压器内部结构件材料与矿物绝缘油相容性试验导则制定相容性试验方案，试验完毕后结合 IEEE C57.147-2008 用于变压器的天然酯液体验收和维护导则，对植物绝缘油相容性进行分析判断。各油样 168h 相容性试验后与试验前的测试数据见表 8，试验后还对绝缘纸、绝缘纸板、电磁线、硅钢片及垫块等材料的外观、尺寸、硬度、颜色、脆性和漆膜等变化情况进行检查，均无异常变化。试验结果表明制备的植物绝缘油相容性良好。
2 氧化安定性测试
按照 SH/T 0206 变压器油氧化安定性测定法的方法，对精炼大豆油和大豆酯油进行氧化安定性试验，同时与美国库柏油对比。试验结果表明精炼大豆油氧化安定性与库柏油相当，大豆酯油次之。
3 长时老化试验
为了考察植物绝缘油的老化特性，将大豆精炼油、大豆酯油和库柏油同时放入德国 Binder M115，试验结果表明，大豆精炼油、大豆酯油和库柏油的介质损耗因数均随老化时间的增加先变小，再出现小幅的上升并最终保持 1%以内，大豆精炼油和大豆酯油介质损耗因数优于库柏油；三者的工频击穿电压均随着老化时间的增加而降低，但都满足标准的要求；三种油样酸值都随老化时间增加而增大，最终维持在 0.25mg(KOH /g 以下。
5 总结
通过对植物绝缘油的制备、试验和性能改进、考核等，得出以下结论。
1）精炼和酯交换后的植物绝缘油的微水、酸值、闪点、界面张力和击穿电压等能够达到 GB2536-90 变压器油 的要求，但凝点、粘度和氧化安定性等需要采取特殊措施改进。其中，精炼油的闪点能够达到高燃点绝缘油的要求。
2）精炼和酯交换后的植物绝缘油各项性能参数均能达到 ASTM D 6871-2003 用于电气设备的天然 植物油 酯液体标准规范 的要求。
3 植物绝缘油与变压器内部材料相容，没有出现性能降低或关键参数异常劣化 老化试验表明植物绝缘油介电性能良好。