Middenspannings- en hoogspanningstransformatoren zijn kernapparatuur in het transmissie- en distributiesysteem van elektriciteit, en hun veilige en stabiele werking beïnvloedt direct de betrouwbaarheid van het elektriciteitsnet en de continuïteit van de energievoorziening. Isolatieolie, als een kerncomponent van transformatoren, speelt een cruciale rol bij isolatie, warmteafvoer en boogdoving. Lange tijd heeft minerale isolatieolie de markt voor middenspannings- en hoogspanningstransformatoren gedomineerd vanwege het volwassen bereidingsproces en de stabiele diëlektrische eigenschappen. Met het toenemende mondiale milieubewustzijn en de vooruitgang van de "dual carbon"-doelstelling zijn de gebreken van minerale isolatieolie, zoals de niet-hernieuwbare aard, de lage biologische afbreekbaarheid en het lage ontstekingspunt dat gemakkelijk tot veiligheidsongevallen leidt, echter steeds prominenter geworden, waardoor de toepassing ervan in gevoelige scenario's zoals stedelijke kerngebieden, hoogbouw, nieuwe energiecentrales en chemische industrieparken ernstig wordt beperkt.

Plantaardige esterisolatieolie, gemaakt van hernieuwbare plantaardige oliën, heeft natuurlijke voordelen zoals een hoog ontstekingspunt, gemakkelijke biologische afbreekbaarheid en milieuvriendelijkheid, waardoor het een belangrijk alternatief is voor middenspannings- en hoogspanningstransformatoren. De afgelopen jaren hebben binnenlandse en internationale academische en industriële kringen uitgebreid onderzoek en praktijk uitgevoerd naar de modificatietechnologie, compatibiliteitsoptimalisatie en technische toepassingen van plantaardige esterisolatieolie. Dit whitepaper geeft een systematisch overzicht van de huidige technologische ontwikkelingsstatus, de belangrijkste prestatiekenmerken, de toepassingspraktijken in middenspannings- en hoogspanningstransformatoren, bestaande knelpunten en toekomstige trends van plantaardige esterisolatieolie. Het is bedoeld om gezaghebbende referentie te bieden voor de energiesector, productiebedrijven, onderzoeksinstellingen en beleidsbepalende afdelingen, en de grootschalige en gestandaardiseerde toepassing van plantaardige esterisolatieolie op het gebied van middenspannings- en hoogspanningstransformatoren te bevorderen.

I. Industrieoverzicht en ontwikkelingsachtergrond

1.1 Huidige status van de markt voor middenspannings- en hoogspanningstransformatoren

Momenteel wordt de wereldwijde markt voor middenspannings- en hoogspanningstransformatoren nog steeds gedomineerd door minerale isolatieolie, die meer dan 85% van de markt vertegenwoordigt. Minerale isolatieolie is afgeleid van aardolieraffinage, met volwassen technologie en lage kosten, maar het heeft aanzienlijke tekortkomingen op het gebied van ecologie en veiligheid. Volgens statistieken over ongevallen in de energiesector zijn er de afgelopen vijf jaar wereldwijd elk jaar meer dan 100 incidenten van bodem- en waterverontreiniging veroorzaakt door olielekkage van transformatoren, waarbij de kosten voor sanering van één enkele verontreiniging oplopen tot miljoenen yuan. Tegelijkertijd heeft minerale isolatieolie een vlampunt van slechts 160-180℃, waardoor deze gevoelig is voor oververhitting en brand bij overbelasting of veroudering van de apparatuur, wat aanzienlijke economische verliezen veroorzaakt.

Met de snelle ontwikkeling van nieuwe energieopwekking bevinden windenergie, fotovoltaïsche en andere energiecentrales zich meestal in ecologisch gevoelige gebieden, en de stedelijke elektriciteitsdistributienetwerken ontwikkelen zich in de richting van hoge dichtheid en compactheid, waardoor de eisen voor de milieubescherming en veiligheid van transformatorisolatieolie continu worden opgewaardeerd. Tegen deze achtergrond is de marktvraag naar milieuvriendelijke isolatieoliën zoals plantaardige esterisolatieoliën en synthetische esterisolatieoliën jaar na jaar toegenomen. Van hen hebben plantaardige esterisolatieoliën een bijzonder significante groei doorgemaakt vanwege hun hernieuwbare grondstoffen en relatief controleerbare productiekosten, met een gemiddelde jaarlijkse groei van meer dan 15% in de wereldwijde marktomvang van 2020 tot 2024.

1.2 Beleids- en technologiedrivers

Op beleidsniveau hebben veel landen milieuvoorschriften ingevoerd om de upgrading van isolatieoliën te bevorderen. De EU-richtlijn betreffende afgedankte elektrische en elektronische apparatuur en de verordening betreffende de registratie, evaluatie, autorisatie en beperking van chemische stoffen beperken expliciet het gebruik van sterk vervuilende isolatieoliën en vereisen dat elektrische apparatuur prioriteit geeft aan het gebruik van biologisch afbreekbare isolatiematerialen. China's "14e vijfjarenplan voor energiebesparing en emissiereductie" en "Groen en koolstofarm actieplan voor de energiesector" moedigen ook de bevordering van milieuvriendelijke elektrische apparatuur en ondersteunende materialen aan, en bieden beleidsondersteuning voor de toepassing van plantaardige esterisolatieoliën.

Op technologisch niveau hebben doorbraken in de raffinage- en modificatietechnologieën van plantaardige olie de basis gelegd voor de industriële toepassing van plantaardige esterisolatieoliën. Vroege plantaardige esterisolatieoliën waren moeilijk aan te passen aan middenspannings- en hoogspanningstransformatoren vanwege hun hoge viscositeit en slechte lage-temperatuurvloeibaarheid. Na modificatiebehandelingen zoals ontgomming, ontzuring, hydrogenering en transverestering zijn hun belangrijkste eigenschappen echter aanzienlijk verbeterd, waardoor geleidelijk wordt voldaan aan de vereisten voor langdurige werking van middenspannings- en hoogspanningstransformatoren. Tegelijkertijd heeft de optimalisatie van de productieprocessen van transformatoren ook de apparatuurvoorwaarden gecreëerd voor het aanpassen van plantaardige esterisolatieoliën.

II. Bereiding en kerneigenschappen van plantaardige esterisolatieoliën

2.1 Grondstoffen en bereidingsproces

2.1.1 Kern grondstoffen
De grondstoffen voor plantaardige esterisolatieoliën zijn voornamelijk hernieuwbare plantaardige oliën, met mainstream variëteiten zoals sojaolie, koolzaadolie, palmolie en zonnebloemolie. Verschillende grondstoffen hebben verschillende eigenschappen en toepassingsscenario's. Koolzaadolie heeft een breed scala aan bronnen, een stabiele aanvoer in het noordwesten en zuidwesten van mijn land en relatief lage kosten. Palmolie heeft een hoog gehalte aan verzadigde vetzuren en een uitstekende thermische stabiliteit, maar een zwakke lage-temperatuurprestatie, waardoor het geschikt is voor tropische en subtropische regio's. Sojaolie heeft evenwichtige diëlektrische eigenschappen en is een van de meest gebruikte grondstoffen in commerciële toepassingen. Daarnaast komen niet-eetbare plantaardige oliën zoals jatropha-olie en tungolie geleidelijk in het onderzoeks- en ontwikkelingsveld, wat kan voorkomen dat er wordt geconcurreerd met voedselgewassen om land en de duurzaamheid van grondstoffen verder te verbeteren.

2.1.2 Bereidings- en modificatieprocessen Het basisbereidingsproces van plantaardige esterisolatieolie omvat voorbehandeling van grondstoffen, raffinage, modificatie en het mengen van eindproducten. Voorbehandeling van grondstoffen verwijdert voornamelijk onzuiverheden, vocht en colloïden uit de olie; het raffinageproces vermindert het gehalte aan vrije vetzuren en schadelijke stoffen in de olie door stappen zoals ontzuring, ontkleuring en ontgeuring; het kernmodificatieproces optimaliseert de prestaties van plantaardige oliën door hun inherente defecten aan te pakken. Gangbare technologieën zijn onder meer:

Hydrogeneringsmodificatie: Het verhogen van de verzadiging van vetzuurketens door middel van hydrogeneringsreacties verbetert de oxidatiestabiliteit, maar de mate van hydrogenering moet worden gecontroleerd om te voorkomen dat overmatige hydrogenering leidt tot een verhoogde viscositeit;

Transveresteringsmodificatie: Het gebruik van alcoholen zoals methanol en ethanol om transveresteringsreacties te ondergaan met plantaardige oliën past de moleculaire structuur aan, vermindert de viscositeit en verbetert de lage-temperatuurvloeibaarheid;

Composietmodificatie: Het combineren van hydrogenerings- en transveresteringstechnologieën om tegelijkertijd de oxidatiestabiliteit en de lage-temperatuurprestaties te optimaliseren, is momenteel de gangbare industriële modificatieoplossing.

III. Toepassingspraktijk van plantaardige esterisolatieolie in middenspannings- en hoogspanningstransformatoren

3.1 Analyse van de aanpasbaarheid van toepassingsscenario's
De verschillende toepassingsscenario's van middenspannings- en hoogspanningstransformatoren stellen verschillende prestatie-eisen aan isolatieoliën. Plantaardige esterisolatieolie, met zijn veiligheids- en milieubeschermingsvoordelen, toont een aanzienlijke aanpasbaarheid in de volgende kernscenario's:
Stedelijke kerngebieden en hoogbouw: Deze scenario's worden gekenmerkt door dichte populaties, geconcentreerde apparatuur en hoge risico's en kosten in verband met brand en vervuiling. Het hoge vlampunt van plantaardige esterisolatieolie elimineert de noodzaak van complexe brandwerende en isolatiefaciliteiten in transformatoren, waardoor de vloeroppervlakte wordt verminderd en wordt aangepast aan de compacte lay-out van stedelijke elektriciteitsdistributienetwerken.

Nieuwe energiecentrales: Wind- en fotovoltaïsche centrales bevinden zich vaak in ecologisch gevoelige gebieden zoals graslanden en bergen. De hoge biologische afbreekbaarheid van plantaardige esterisolatieolie voorkomt dat olielekkage het ecologische milieu beschadigt en is geschikt voor het frequente starten en stoppen en de grote belastingsschommelingen van nieuwe energiecentrales.

Chemische industrieparken en mijnen: Chemische industrieparken bevatten brandbare en explosieve media en mijnbouwomgevingen zijn complex. De hoge veiligheid van plantaardige esterisolatieolie vermindert de risico's van de werking van de apparatuur en de sterke weerstand tegen vervuiling maakt het geschikt voor zware werkomgevingen.

Transmissie in onderzeese en afgelegen gebieden: Transformatoren in onderzeese gebieden en distributietransformatoren in afgelegen gebieden zijn moeilijk te onderhouden. De stabiliteit en milieuvriendelijkheid van plantaardige esterisolatieolie kunnen de onderhoudskosten na lekkage verlagen en de efficiëntie van de werking en het onderhoud van de apparatuur verbeteren.

3.2 Typische toepassingsgevallen in binnen- en buitenland

3.2.1 Binnenlands geval
Een 220 kV slim substation in een provinciale elektriciteitsnet: Twee transformatoren met soja-gebaseerde plantaardige esterisolatieolie werden in 2022 in gebruik genomen en werken al meer dan twee jaar stabiel. Uit monitoringgegevens blijkt dat de transformatorolietemperatuur gemiddeld 3-5℃ lager was dan die van minerale olietransformatoren met dezelfde capaciteit, de verouderingssnelheid van het isolatiepapier werd vertraagd en er werden geen afwijkingen zoals gedeeltelijke ontlading waargenomen, waardoor deze geschikt is voor de hoge belastingseisen van substations. Een 35 kV box-type transformator in een grote fotovoltaïsche centrale: Deze centrale bevindt zich in een ecologisch beschermingsgebied van grasland. In 2023 werd een partij transformatoren met palm-gebaseerde gemodificeerde plantaardige esterisolatieolie vervangen. Gedurende deze periode deed zich één kleine olielekkage voor. Na natuurlijke degradatie werden er geen ecologische afwijkingen waargenomen in de bodem van het gelekte gebied, wat de milieuvoordelen ervan bevestigt.

3.2.2 Internationale gevallen

Een 110 kV distributienetwerk in een Duitse stad: Vanaf 2020 werden transformatoren in het kerngebied van de stad geleidelijk vervangen door koolzaadolie-gebaseerde isolatieolie. In 2024 waren er meer dan 50 eenheden in gebruik genomen. Het brandrisicopercentage daalde met 80% in vergelijking met minerale olietransformatoren en de onderhoudskosten werden met 15% verlaagd.

Een 66 kV transformator in een Amerikaans offshore windenergieproject: Met behulp van composiet gemodificeerde plantaardige esterisolatieolie, geschikt voor de hoge vochtigheid en hoge zoutsproeimgeving op zee, bleven de diëlektrische prestaties stabiel gedurende drie jaar van werking, zonder dat er problemen met isolatieverslechtering werden waargenomen.

3.3 Apparatuuraanpassing en -aanpassing in de toepassing

Plantaardige esterisolatieolie heeft een hogere viscositeit dan minerale isolatieolie. Bij gebruik in middenspannings- en hoogspanningstransformatoren zijn gerichte aanpassing en aanpassing van de apparatuur vereist om de operationele efficiëntie te waarborgen:

Optimalisatie van het warmteafvoersysteem: Vergroot het radiatoroppervlak of upgrade het geforceerde luchtkoelapparaat om de warmteafvoerefficiëntie te verbeteren en slechte warmteafvoer als gevolg van hoge viscositeit te voorkomen;

Aanpassing van afdichtingsmateriaal: Plantaardige esters kunnen zwelling van sommige rubberen afdichtingsmaterialen veroorzaken, waardoor deze moeten worden vervangen door esterbestendige materialen zoals fluorrubber en siliconenrubber om olielekkage te voorkomen;

Aanpassing van de isolatiestructuur: Optimaliseer het ontwerp van de wikkelisolatiespeling, waarbij gebruik wordt gemaakt van de betere match tussen de diëlektrische constante van plantaardige esters en isolatiepapier, om de betrouwbaarheid van het isolatiesysteem verder te verbeteren.

IV. Bestaande technische knelpunten en uitdagingen

4.1 Tekortkomingen in kerntechnologieën

Onvoldoende lage-temperatuurprestaties: De meeste plantaardige esterisolatieoliën kristalliseren of ervaren een sterke toename van de viscositeit onder -20℃, wat de lage-temperatuurstart en -werking van transformatoren beïnvloedt. Dit beperkt hun promotie in hooggelegen, koude regio's.

Oxidatieve stabiliteit moet worden verbeterd: Onverzadigde vetzuren in plantaardige esters zijn gevoelig voor oxidatie, waardoor zuren, colloïden en andere producten ontstaan die de veroudering van isolatiepapier versnellen en de levensduur van de transformator verkorten. Hoewel additieven dit kunnen verzachten, moet de stabiliteit op lange termijn nog worden geverifieerd.

Grootschalig productieproces moet worden verbeterd: Consistentiecontrole in het modificatieproces is moeilijk, wat resulteert in aanzienlijke prestatieschommelingen tussen verschillende batches in vergelijking met minerale oliën. Bovendien wordt de levering van hoogzuivere grondstoffen beïnvloed door landbouwproductiecycli, wat leidt tot onvoldoende stabiliteit.

4.2 Markt- en kostenbeperkingen

Momenteel zijn de productiekosten van plantaardige esterisolatieolie ongeveer 2-3 keer zo hoog als die van minerale isolatieolie. Deze hogere kosten vertragen de penetratiegraad op de markt voor middenspannings- en hoogspanningstransformatoren. Bovendien, terwijl de toeleveringsketen voor minerale isolatieolie volwassen is, zijn de toeleveringsketens voor plantaardige esterisolatieolie, inclusief de inkoop van grondstoffen, de verwerking van modificaties, de opslag en het transport, nog niet volledig volwassen, wat de grootschalige promotie ervan verder belemmert. 4.3 Achterblijvende normen en specificaties
De normen voor plantaardige esterisolatieoliën, zowel nationaal als internationaal, zijn nog steeds onvolledig. De huidige Chinese normen verwijzen grotendeels naar minerale olie-normen, waardoor de kenmerken van plantaardige esters niet volledig worden weerspiegeld. Hoewel internationale normen specifieke specificaties bevatten, leiden aanzienlijke regionale verschillen tot onvoldoende productcompatibiliteit en wederzijdse erkenning, wat grensoverschrijdende toepassingen en technische uitwisselingen belemmert. Bovendien bevinden de operationele en onderhoudsnormen en verouderingsbeoordelingsmethoden voor plantaardige esterisolatieolietransformatoren zich nog in de verkennende fase, waarbij een uniforme begeleiding ontbreekt.

V. Technologische optimalisatierichtingen en -oplossingen

5.1 Ontwikkeling van technologie voor prestatie-optimalisatie

Doorbraken in nieuwe modificatietechnologieën: Ontwikkel nieuwe technologieën zoals katalytische isomerisatie en genetische modificatie om de moleculaire structuur van plantaardige esters aan te passen, waardoor zowel de oxidatieve stabiliteit als de lage-temperatuurprestaties worden verbeterd. Isomerisatiereacties kunnen bijvoorbeeld onverzadigde vetzuren omzetten in vertakte structuren, waardoor het vriespunt daalt tot onder -30℃.

Ontwikkeling van zeer efficiënte additieven: Ontwikkel gespecialiseerde composietantioxidanten en vloeipuntverlagers die oxidatiereacties kunnen remmen en negatieve effecten op isolatiepapier kunnen verminderen. Momenteel hebben stikstofhoudende heterocyclische antioxidanten uitstekende synergetische antioxidanteffecten aangetoond.
Ontwikkeling van niet-eetbare grondstoffen: Verhoog de R&D-inspanningen in niet-eetbare plantaardige oliën zoals hennepzaadolie en Chinese pistache-olie om de afhankelijkheid van eetbare oliën te verminderen. Tegelijkertijd cultiveer je gewassen met een hoge opbrengst en hoge zuiverheid door middel van gentechnologie.

5.2 Pad voor kostenbeheersing
Proceskostenreductie: Optimaliseer en wijzig processen, vereenvoudig productiestromen, bijvoorbeeld door continue transveresteringsapparatuur te gebruiken om de productie-efficiëntie te verbeteren; recycle bijproducten uit het productieproces om het verlies van grondstoffen te verminderen.
Integratie van de toeleveringsketen: Richt een geïntegreerde toeleveringsketen op die de aanplant, verwerking en productie van grondstoffen omvat; sluit langdurige samenwerkingsovereenkomsten met landbouwbasissen om de grondstofprijzen te stabiliseren; bevorder regionale productie om de transportkosten van grondstoffen te verlagen.
Vrijgave van grootschalige effecten: Naarmate de marktpenetratie toeneemt, breid je de productieschaal uit om de R&D- en afschrijvingskosten van apparatuur af te schrijven, waardoor de prijsverschillen met minerale isolatieolie geleidelijk worden verkleind.

5.3 Aanbevelingen voor het verbeteren van het standaardsysteem

Ontwikkel gespecialiseerde normen: Op basis van de kenmerken van plantaardige esterisolatieoliën, ontwikkel gespecialiseerde nationale normen die betrekking hebben op grondstoffen, modificatieprocessen, kernprestaties en testmethoden, waarbij belangrijke indicatoren zoals oxidatiestabiliteit en lage-temperatuurprestaties duidelijk worden gedefinieerd.

Uniforme operationele en onderhoudsnormen: Stel operationele en onderhoudsnormen op voor plantaardige esterisolatieolietransformatoren, inclusief bewaking van de werking, verouderingsbeoordeling en olieverversingscycli, om gestandaardiseerde werking en onderhoud in de industrie te begeleiden.

Bevorder internationale standaarderkenning: Versterk de samenwerking met organisaties zoals de International Electrotechnical Commission (IEC) om de coördinatie van nationale en internationale normen te bevorderen en het internationale concurrentievermogen van de plantaardige esterisolatieolieproducten van mijn land te vergroten.

VI. Toekomstige ontwikkelingsvooruitzichten

6.1 Technologische ontwikkelingstrends
In de toekomst zullen plantaardige esterisolatieoliën zich ontwikkelen in de richting van hoge prestaties, multifunctionaliteit en lage kosten. Enerzijds zullen de integratie van genetische manipulatie en nieuwe modificatietechnologieën baanbrekende verbeteringen opleveren in de lage-temperatuurprestaties en oxidatiestabiliteit van plantaardige esters, waardoor ze geschikt zijn voor alle regio's en werkomstandigheden. Anderzijds zullen multifunctionele composiet plantaardige esterisolatieoliën een onderzoekshotspot worden, zoals producten met isolatie-, thermische geleidbaarheid- en antibacteriële functies, waardoor de toepassingsscenario's verder worden uitgebreid. Bovendien wordt verwacht dat de combinatie van plantaardige esters en nanomaterialen een synergetische optimalisatie van diëlektrische en warmteafvoerprestaties zal bereiken.

6.2 Marktpromotievooruitzichten

Met de aanhoudende aanscherping van milieubeleid en de snelle ontwikkeling van nieuwe energie wordt verwacht dat de marktpenetratiegraad van plantaardige esterisolatieolie in middenspannings- en hoogspanningstransformatoren in 2030 meer dan 30% zal bedragen. De subsectoren zoals lage-temperatuurproducten voor hooggelegen regio's en op maat gemaakte producten voor nieuwe energiecentrales zullen een snelle groei doormaken. Tegelijkertijd, naarmate de kosten dalen, zal de toepassing ervan geleidelijk worden uitgebreid van high-end scenario's naar gewone elektriciteitsdistributienetwerken, waardoor een grootschalige promotietrend ontstaat.

6.3 Aanbevelingen voor samenwerking in de industrie

Diepe samenwerking tussen industrie, universiteit en onderzoek: Moedig universiteiten, onderzoeksinstellingen en bedrijven aan om gezamenlijk kerntechnologieën aan te pakken, pilot-productiebasissen op te zetten en de transformatie van technologische prestaties te versnellen;

Nauwkeurige beleidsondersteuning: Beveel de invoering van subsidiebeleid aan om de onderzoek en ontwikkeling en demonstratietoepassing van plantaardige esterisolatieolie te ondersteunen, terwijl deze wordt opgenomen in de groene inkooplijst voor energieapparatuur om de marktvraag te sturen;

Industriële uitwisseling en popularisering: Versterk de technische uitwisseling en promotie door middel van industriële tentoonstellingen, technische seminars en andere vormen om het begrip van de industrie van plantaardige esterisolatieolie te vergroten en de gezamenlijke ontwikkeling van de hele industrieketen te bevorderen.

Kortom, plantaardige esterisolatieolie, als een milieuvriendelijk en veilig nieuw type isolatiemateriaal, sluit aan bij de groene en koolstofarme transformatie van de energiesector en heeft een enorme toepassingspotentie in middenspannings- en hoogspanningstransformatoren. Hoewel het momenteel wordt geconfronteerd met meerdere uitdagingen op het gebied van technologie, kosten en normen, zal plantaardige esterisolatieolie met doorbraken in modificatietechnologieën, verbeteringen in de toeleveringsketen en een solide beleidskader onvermijdelijk geleidelijk minerale isolatieolie vervangen en de belangrijkste keuze worden voor isolatieolie in middenspannings- en hoogspanningstransformatoren. De hele industrie moet samenwerken om technische moeilijkheden te overwinnen, het industriële ecosysteem te verbeteren en de energiesector gezamenlijk te bevorderen in de richting van een veiligere, milieuvriendelijkere en duurzamere ontwikkeling.