长期以来,矿物油以其良好的绝缘、冷却性能以及低廉的成本,广泛的应用于电气设备中。但是矿物绝缘油的闪点、燃点低,不能满足对绝缘材料高防火性能的要求;生物降解率只有30%左右,一旦泄漏将会对水源、居住环境等造成污染。随着石油资源的紧缺和人们环保意识的提高,研究者们开始寻找一种绿色可再生的液体绝缘材料。而天然植物油作为一种来源广,可再生,可降解的资源,在纯化后具备优良的绝缘性能和高抗燃性能,是极具前景的矿物绝缘油替代品。国外的研究者们于20年前开始了植物基绝缘油的研究,开发出了FR3油、BIOTEMP油等天然酯类植物基绝缘油。而国内的研究起步较晚,一直未有成熟的植物基绝缘油产品。而近年来,我国的电力行业响应政府可持续发展的政策号召,开始试用植物基绝缘油。面临着进口产品对植物基绝缘油市场的垄断,开发出知识产权自主的产品就显得尤为重要。而另一方面,与矿物绝缘油相比,以植物油为主要成分的天然酯类植物基绝缘油也有不足之处,主要表现在抗氧化性能较差、凝点较高以及黏度大,这些缺陷限制了植物基绝缘油的应用范围。针对植物基绝缘油的发展现状以及在性能上的缺陷,本论文以天然植物油为原料,开展了植物基绝缘油的产品开发,性能改进以及相关工作。以RBD(refined,bleached,deodorized)级别的大豆油、菜籽油、花生油和棉籽油为原料,以“活性白土吸附→碱性氧化铝降酸→减压蒸馏”三步纯化工艺处理,提高了植物油的绝缘性能。优化后的纯化工艺具体为:以两次活性白土减压吸附,白土投加量依次为油质量的3%和2%;以碱性A1203接触吸附法降低酸值,投加量4wt%,吸附温度50℃,吸附时间60min,经微孔滤膜真空抽滤后减压蒸馏除水。四种纯化植物油的性能测试结果表明:绝缘性能良好,击穿电压高于矿物绝缘油;介电常数、介质损耗因数和体积电阻率结果表明,纯化植物油的极性大于矿物绝缘油;耐火性能好,闭口闪点均在280℃左右,远高于矿物绝缘油(150℃左右);40℃运动黏度在32mm2/s～40mm2/s之间,是矿物油绝缘油的五倍以上,散热性能差,与FR3油相当;在凝点上,由于脂肪酸组成的差异,四种纯化植物油中菜籽油(-18℃)和大豆油(-10℃)的凝点比较低,但也仅能达到10#矿物绝缘油的凝点标准,和进口的FR3油(-21℃)还有一定的差距。由以上测试的结果,经纯化后的植物油绝缘性能好,闪点高,但是黏度大,凝点高。针对纯化植物油凝点高的问题,筛选合适的降凝剂对其进行了低温流动性的改进研究。结果表明,聚甲基丙烯酸酯(PMA)型降凝剂PPD150有明显的降凝效果;当PPD150加入量为0.5%时可以在不影响其他性能的条件下达到良好的降凝效果。对比降凝效果,发现PPD150对不同的植物油效果不同,具体规律是:花生油>菜籽油>大豆油>棉籽油,这和PMA降凝剂的降凝机理以及PPD150中烷基侧链的链长有关。在加入0.5%PPD150降凝剂后,纯化菜籽油(-28℃)和纯化大豆油(-18℃)在四种植物油中的低温性能最好,适宜作为植物基绝缘油。针对植物基绝缘油的氧化安定性,对其测试方法和性能提升展开了研究。试验对比了三种常用的油品氧化安定性的测试方法,确定了在《GB/T21121动植物油脂氧化稳定性的测定》(电导率法)的基础上加入铜丝模拟金属催化的效果,以改进后的“铜催化电导率法”测定氧化诱导期,评估植物绝缘油氧化安定性。以纯化大豆油为研究对象,使用“铜催化电导率法”考察了 BHT(2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚)、TBHQ(叔丁基对苯二酚)、PG(没食子酸丙酯)这三种抗氧化剂对其氧化安定性的改善情况,结果表明,叔丁基对苯二酚(TBHQ)在加入量为0.5%时对氧化诱导期的延长效果最好。同时也考察了金属钝化剂EDTA对氧化安定性的提升效果,结果表明,0.1%EDTA可以显著的延长纯化大豆油的诱导期。在加入0.5%TBHQ和0.1%EDTA后,纯化大豆油(55.12h)和纯化菜籽油(48.89 h)的氧化诱导期远超FR3油(11.21 h),氧化安定性优异。由此,通过“活性白土吸附-→碱性氧化铝降酸→减压蒸馏”纯化工艺,和0.5%PPD150、0.5%TBHQ和0.1%EDTA的添加,制备出的纯化大豆油和纯化菜籽油产品在理化、电气、氧化安定性等各方面的性能上均不弱于进口的FR3天然酯绝缘油产品。针对纯化植物油、FR3油等天然酯类绝缘油黏度高,散热性能差的问题,通过传统的碱催化甲酯化手段对大豆油、菜籽油、花生油和棉籽油进行改性,然后纯化处理,加入添加剂,制备了四种低黏度的植物油甲酯。以反应转化率为目标,对醇油摩尔比、碱量、温度和时间这四个条件进行了优化研究,优化结果为:醇油摩尔比6:1,催化剂用量0.45%,反应温度60℃,反应时间60 min。以此条件制备的四种甲酯的转化率均在95%左右。四种植物油甲酯的性能测试结果表明:绝缘性能良好;运动黏度为FR3油的0.2倍,矿物绝缘油的0.7倍左右,散热性能优异;但是,闪点与植物油相比大大降低,仅比矿物绝缘油高约20℃;而凝点上,则比植物油的低温性能更差,在0.5%PPD150的提升下,仅有菜籽油甲酯(-26℃)可作为绝缘油应用。由以上测试结果,通过甲酯化,纯化,加入添加剂制备的菜籽油甲酯是一种绝缘性能良好的低黏度植物基绝缘油产品,可以通过其良好的散热性能,降低变压器等电气设备的工作温度,延长设备的使用寿命。天然酯绝缘油(纯化植物油)具有高闪点的优点,而脂肪酸甲酯绝缘油(植物油甲酯)具有低黏度的优点。为了平衡两者的性能优势,通过对部分酯交换反应进行研究,以控制反应转化率,来制备目标转化率的部分甲酯化植物油产品(混酯)。通过响应面设计实验,建立了转化率和醇油摩尔比、碱量、温度、时间之间的二次数学模型。方差分析和验证试验证实了模型的准确性。通过该模型可以针对指定的转化率设计出工艺条件以合成特定性能的部分甲酯化植物油产品。性能的可选性和可控性保证了部分甲酯化植物油可以应用于多种不同的性能需求的场合,有利于植物基绝缘油的推广。针对植物基绝缘油的油中溶解气体分析技术(DGA)尚未建立的情况,研究了 H2、CH4、CO等七种特征气体在纯化植物油和植物油甲酯中的溶解特性,为植物基绝缘油中溶解气体含量测定以及DGA方法的建立提供了基础数据。溶解特性的研究发现,H2和CO在两种植物基绝缘油中的溶解度随温度的升高而升高,烃类气体的溶解度大小顺序为:C2H6>C2H4≈C2H2>CH4,非烃类气体的溶解度大小顺序为:C02>CO>H2。通过填隙理论和溶剂溶质间分子的匹配情况,对以上的规律进行了合理的讨论。对纯化大豆油和菜籽油甲酯进行了 200℃～700℃下的热故障模拟试验,测定了油中溶解的各特征气体的相对含量,研究了植物基绝缘油的产气规律。结果表明,植物基绝缘油在热故障下的主要特征气体为CO、CO2和C2H6、次要特征气体为H2、CH4和C2H4,700℃时有微量C2H2产生。而作为对比的传统矿物绝缘油中,主要特征气体为CH4和C2H6,次要特征气体为H2、C2H4,试验中没有C2H2产生。植物基绝缘油热故障产气规律的研究,为其DGA技术构建提供了前期工作和数据基础,也在诊断技术缺失的现阶段,对填充植物基绝缘油的变压器的运行维护也有着一定的参考和指导价值。针对现有矿物绝缘油的DGA诊断方法判断失准的一种异常现象:单氢超标,进行了研究。通过理论分析和模拟试验相结合的方法,探明了该现象的原因——活泼金属和水分的腐蚀反应,并建立了线性的产氢动力学模型。研究结果表明单氢超标异常和绝缘故障无关,现有的矿物油DGA诊断标准里应该放宽对油中溶解氢气含量的限制。