Les transformateurs moyenne et haute tension sont des équipements essentiels dans le système de transport et de distribution d'électricité, et leur fonctionnement sûr et stable affecte directement la fiabilité du réseau électrique et la continuité de l'approvisionnement en énergie. L'huile isolante, en tant que composant essentiel des transformateurs, joue un rôle crucial dans l'isolation, la dissipation thermique et l'extinction des arcs. Pendant longtemps, l'huile isolante minérale a dominé le marché de l'huile isolante pour transformateurs moyenne et haute tension en raison de son processus de préparation mature et de ses propriétés diélectriques stables. Cependant, avec la prise de conscience environnementale mondiale croissante et l'avancement de l'objectif "double carbone", les défauts de l'huile isolante minérale, tels que sa nature non renouvelable, sa faible biodégradabilité et son faible point d'inflammation qui entraînent facilement des accidents de sécurité, sont devenus de plus en plus importants, limitant sévèrement son application dans des scénarios sensibles tels que les zones urbaines centrales, les immeubles de grande hauteur, les centrales électriques à énergies nouvelles et les parcs industriels chimiques.
L'huile isolante à base d'esters végétaux, fabriquée à partir d'huiles végétales renouvelables, possède des avantages naturels tels qu'un point d'inflammation élevé, une biodégradabilité facile et le respect de l'environnement, ce qui en fait une alternative importante à l'huile isolante pour transformateurs moyenne et haute tension. Ces dernières années, les milieux universitaires et industriels nationaux et internationaux ont mené des recherches et des pratiques approfondies sur la technologie de modification, l'optimisation de la compatibilité et les applications d'ingénierie de l'huile isolante à base d'esters végétaux. Ce livre blanc examine systématiquement l'état actuel du développement technologique, les principales caractéristiques de performance, les pratiques d'application dans les transformateurs moyenne et haute tension, les goulets d'étranglement existants et les tendances futures de l'huile isolante à base d'esters végétaux. Il vise à fournir une référence faisant autorité pour l'industrie de l'énergie, les entreprises manufacturières, les institutions de recherche et les départements de prise de décision, et à promouvoir l'application à grande échelle et normalisée de l'huile isolante à base d'esters végétaux dans le domaine des transformateurs moyenne et haute tension.
I. Aperçu de l'industrie et contexte de développement
1.1 Statut actuel du marché de l'huile isolante pour transformateurs moyenne et haute tension
Actuellement, le marché mondial de l'huile isolante pour transformateurs moyenne et haute tension est toujours dominé par l'huile isolante minérale, qui représente plus de 85 % du marché. L'huile isolante minérale est issue du raffinage du pétrole, avec une technologie mature et un faible coût, mais elle présente des lacunes importantes en termes d'écologie et de sécurité. Selon les statistiques sur les accidents de l'industrie de l'énergie, au cours des cinq dernières années, il y a eu plus de 100 incidents de pollution des sols et de l'eau causés par des fuites d'huile de transformateur dans le monde chaque année, avec des coûts de dépollution uniques atteignant des millions de yuans. Dans le même temps, l'huile isolante minérale a un point d'éclair de seulement 160-180℃, ce qui la rend sujette à la surchauffe et aux incendies en cas de fonctionnement en surcharge ou de vieillissement de l'équipement, entraînant des pertes économiques importantes.
Avec le développement rapide de la production d'énergie nouvelle, les centrales éoliennes, photovoltaïques et autres sont pour la plupart situées dans des zones écologiquement sensibles, et les réseaux de distribution d'électricité urbains se développent vers une densité et une compacité élevées, ce qui améliore continuellement les exigences en matière de protection de l'environnement et de sécurité de l'huile isolante pour transformateurs. Dans ce contexte, la demande du marché pour les huiles isolantes respectueuses de l'environnement telles que les huiles isolantes à base d'esters végétaux et les huiles isolantes à base d'esters synthétiques a augmenté d'année en année. Parmi elles, les huiles isolantes à base d'esters végétaux ont connu une croissance particulièrement importante en raison de leurs matières premières renouvelables et de leurs coûts de production relativement contrôlables, avec un taux de croissance annuel moyen dépassant 15 % de 2020 à 2024.
1.2 Moteurs politiques et technologiques
Au niveau politique, de nombreux pays ont introduit des réglementations environnementales pour promouvoir la modernisation des huiles isolantes. La directive européenne sur les déchets d'équipements électriques et électroniques et le règlement sur l'enregistrement, l'évaluation, l'autorisation et la restriction des substances chimiques restreignent explicitement l'utilisation des huiles isolantes à forte pollution et exigent que les équipements électriques privilégient l'utilisation de matériaux isolants biodégradables. Le "14e plan quinquennal de la Chine pour la conservation de l'énergie et la réduction des émissions" et le "Plan d'action vert et à faible émission de carbone pour l'industrie de l'énergie" encouragent également la promotion d'équipements électriques et de matériaux de soutien respectueux de l'environnement, fournissant un soutien politique à l'application des huiles isolantes à base d'esters végétaux.
Au niveau technologique, les percées dans le raffinage des huiles végétales et les technologies de modification ont jeté les bases de l'application industrielle des huiles isolantes à base d'esters végétaux. Les premières huiles isolantes à base d'esters végétaux étaient difficiles à adapter aux transformateurs moyenne et haute tension en raison de leur viscosité élevée et de leur faible fluidité à basse température. Cependant, après des traitements de modification tels que le dégommage, la désacidification, l'hydrogénation et la transestérification, leurs propriétés clés ont été considérablement améliorées, répondant progressivement aux exigences de fonctionnement à long terme des transformateurs moyenne et haute tension. Simultanément, l'optimisation des processus de fabrication des transformateurs a également fourni les conditions d'équipement pour l'adaptation des huiles isolantes à base d'esters végétaux.
II. Préparation et caractéristiques principales des huiles isolantes à base d'esters végétaux
2.1 Matières premières et processus de préparation
2.1.1 Matières premières principales
Les matières premières des huiles isolantes à base d'esters végétaux sont principalement des huiles végétales renouvelables, les variétés courantes étant l'huile de soja, l'huile de colza, l'huile de palme et l'huile de tournesol. Différentes matières premières ont des propriétés et des scénarios d'application différents. L'huile de colza a un large éventail de sources, un approvisionnement stable dans le nord-ouest et le sud-ouest de notre pays, et un coût relativement faible. L'huile de palme a une teneur élevée en acides gras saturés et une stabilité thermique exceptionnelle, mais de faibles performances à basse température, ce qui la rend adaptée aux régions tropicales et subtropicales. L'huile de soja a des propriétés diélectriques équilibrées et est l'une des matières premières les plus largement utilisées dans les applications commerciales. En outre, les huiles végétales non comestibles telles que l'huile de jatropha et l'huile de tung entrent progressivement dans le domaine de la recherche et du développement, ce qui peut éviter de concurrencer les cultures vivrières pour les terres et améliorer encore la durabilité des matières premières.
2.1.2 Processus de préparation et de modification Le processus de préparation de base de l'huile isolante à base d'esters végétaux comprend le prétraitement des matières premières, le raffinage, la modification et le mélange du produit fini. Le prétraitement des matières premières élimine principalement les impuretés, l'humidité et les colloïdes de l'huile ; le processus de raffinage réduit la teneur en acides gras libres et en substances nocives dans l'huile grâce à des étapes telles que la désacidification, la décoloration et la désodorisation ; le processus de modification principal optimise les performances des huiles végétales en s'attaquant à leurs défauts inhérents. Les technologies courantes comprennent :
Modification par hydrogénation : L'augmentation de la saturation des chaînes d'acides gras par des réactions d'hydrogénation améliore la stabilité à l'oxydation, mais le degré d'hydrogénation doit être contrôlé pour éviter une hydrogénation excessive entraînant une augmentation de la viscosité ;
Modification par transestérification : L'utilisation d'alcools tels que le méthanol et l'éthanol pour subir des réactions de transestérification avec des huiles végétales ajuste la structure moléculaire, réduit la viscosité et améliore la fluidité à basse température ;
Modification composite : La combinaison des technologies d'hydrogénation et de transestérification pour optimiser simultanément la stabilité à l'oxydation et les performances à basse température est actuellement la solution de modification industrielle la plus courante.
III. Pratique d'application de l'huile isolante à base d'esters végétaux dans les transformateurs moyenne et haute tension
3.1 Analyse de l'adaptabilité aux scénarios d'application
Les différents scénarios d'application des transformateurs moyenne et haute tension imposent des exigences de performance différentes aux huiles isolantes. L'huile isolante à base d'esters végétaux, avec ses avantages en matière de sécurité et de protection de l'environnement, démontre une adaptabilité significative dans les scénarios principaux suivants :
Zones urbaines centrales et immeubles de grande hauteur : Ces scénarios se caractérisent par des populations denses, des équipements concentrés et des risques et coûts élevés associés aux incendies et à la pollution. Le point d'éclair élevé de l'huile isolante à base d'esters végétaux élimine le besoin d'installations complexes de protection contre l'incendie et d'isolement dans les transformateurs, réduisant l'encombrement au sol et s'adaptant à la disposition compacte des réseaux de distribution d'électricité urbains.
Centrales électriques à énergies nouvelles : Les centrales éoliennes et photovoltaïques sont souvent situées dans des zones écologiquement sensibles telles que les prairies et les montagnes. La biodégradabilité élevée de l'huile isolante à base d'esters végétaux empêche les fuites d'huile d'endommager l'environnement écologique et convient aux démarrages-arrêts fréquents et aux fortes fluctuations de charge des centrales électriques à énergies nouvelles.
Parcs industriels chimiques et mines : Les parcs industriels chimiques contiennent des milieux inflammables et explosifs, et les environnements miniers sont complexes. La sécurité élevée de l'huile isolante à base d'esters végétaux réduit les risques de fonctionnement des équipements et sa forte résistance à la pollution la rend adaptée aux environnements d'exploitation difficiles.
Transmission dans les zones sous-marines et reculées : Les transformateurs dans les zones sous-marines et les transformateurs de distribution dans les zones reculées sont difficiles à entretenir. La stabilité et le respect de l'environnement de l'huile isolante à base d'esters végétaux peuvent réduire les coûts de maintenance après les fuites et améliorer l'efficacité du fonctionnement et de la maintenance des équipements.
3.2 Cas d'application typiques au pays et à l'étranger
3.2.1 Cas nationaux
Un poste de transformation intelligent de 220 kV dans un réseau électrique provincial : Deux transformateurs utilisant de l'huile isolante à base d'esters végétaux à base de soja ont été mis en service en 2022 et fonctionnent de manière stable depuis plus de deux ans. Les données de surveillance montrent que la température de l'huile du transformateur était en moyenne de 3 à 5℃ inférieure à celle des transformateurs à huile minérale de même capacité, le taux de vieillissement du papier isolant a été ralenti et aucune anomalie telle que des décharges partielles n'a été observée, ce qui le rend adapté aux exigences de fonctionnement à forte charge des postes de transformation. Un transformateur de type boîte de 35 kV dans une grande centrale électrique photovoltaïque : Cette centrale électrique est située dans une zone de protection écologique des prairies. En 2023, un lot de transformateurs avec de l'huile isolante à base d'esters végétaux modifiés à base de palme a été remplacé. Au cours de cette période, une fuite d'huile mineure s'est produite. Après dégradation naturelle, aucune anomalie écologique n'a été observée dans le sol de la zone de fuite, ce qui a permis de vérifier ses avantages environnementaux.
3.2.2 Cas internationaux
Un réseau de distribution de 110 kV dans une ville allemande : À partir de 2020, les transformateurs de la zone centrale de la ville ont été progressivement remplacés par de l'huile isolante à base d'huile de colza. En 2024, plus de 50 unités avaient été mises en service. Le taux de risque d'incendie a diminué de 80 % par rapport aux transformateurs à huile minérale, et les coûts de maintenance ont été réduits de 15 %.
Un transformateur de 66 kV dans un projet éolien offshore américain : Utilisant de l'huile isolante à base d'esters végétaux modifiés composites, adaptée à l'environnement à forte humidité et à forte pulvérisation saline en mer, ses performances diélectriques sont restées stables pendant plus de trois ans de fonctionnement, sans problèmes de dégradation de l'isolation observés.
3.3 Adaptation et ajustement des équipements en application
L'huile isolante à base d'esters végétaux a une viscosité plus élevée que l'huile isolante minérale. Lorsqu'elle est utilisée dans les transformateurs moyenne et haute tension, une adaptation et un ajustement ciblés de l'équipement sont nécessaires pour garantir l'efficacité opérationnelle :
Optimisation du système de dissipation thermique : Augmenter la surface du radiateur ou améliorer le dispositif de refroidissement à air forcé pour améliorer l'efficacité de la dissipation thermique et éviter une mauvaise dissipation thermique due à une viscosité élevée ;
Adaptation des matériaux d'étanchéité : Les esters végétaux peuvent provoquer le gonflement de certains matériaux d'étanchéité en caoutchouc, ce qui nécessite un remplacement par des matériaux résistants aux esters tels que le caoutchouc fluoré et le caoutchouc de silicone pour éviter les fuites d'huile ;
Ajustement de la structure d'isolation : Optimiser la conception de l'espacement de l'isolation des enroulements, en tirant parti de la meilleure correspondance entre la constante diélectrique des esters végétaux et du papier isolant, afin d'améliorer encore la fiabilité du système d'isolation.
IV. Goulets d'étranglement et défis techniques existants
4.1 Lacunes dans les technologies de base
Performances insuffisantes à basse température : La plupart des huiles isolantes à base d'esters végétaux cristallisent ou subissent une forte augmentation de la viscosité en dessous de -20℃, ce qui affecte le démarrage et le fonctionnement à basse température des transformateurs. Cela limite leur promotion dans les régions froides à haute latitude.
La stabilité à l'oxydation doit être améliorée : Les acides gras insaturés contenus dans les esters végétaux sont sujets à l'oxydation, générant des acides, des colloïdes et d'autres produits qui accélèrent le vieillissement du papier isolant et raccourcissent la durée de vie du transformateur. Bien que les additifs puissent atténuer cela, la stabilité à long terme doit encore être vérifiée.
Le processus de production à grande échelle doit être amélioré : Le contrôle de la cohérence dans le processus de modification est difficile, ce qui entraîne d'importantes fluctuations de performance entre les différents lots par rapport aux huiles minérales. En outre, l'approvisionnement en matières premières de haute pureté est affecté par les cycles de production agricole, ce qui entraîne une stabilité insuffisante.
4.2 Contraintes du marché et des coûts
Actuellement, le coût de production de l'huile isolante à base d'esters végétaux est d'environ 2 à 3 fois celui de l'huile isolante minérale. Ce coût plus élevé ralentit son taux de pénétration sur le marché des transformateurs moyenne et haute tension. En outre, alors que la chaîne d'approvisionnement de l'huile isolante minérale est mature, les systèmes de chaîne d'approvisionnement de l'huile isolante à base d'esters végétaux, y compris l'approvisionnement en matières premières, le traitement de modification, l'entreposage et le transport, ne sont pas encore pleinement matures, ce qui entrave davantage sa promotion à grande échelle. 4.3 Normes et spécifications obsolètes
Les normes relatives aux huiles isolantes à base d'esters végétaux, tant au niveau national qu'international, restent incomplètes. Les normes chinoises actuelles font largement référence aux normes relatives aux huiles minérales, sans refléter pleinement les caractéristiques des esters végétaux. Bien que les normes internationales incluent des spécifications spécifiques, d'importantes différences régionales entraînent une compatibilité insuffisante des produits et une reconnaissance mutuelle, ce qui entrave les applications transfrontalières et les échanges techniques. En outre, les normes d'exploitation et de maintenance et les méthodes d'évaluation du vieillissement des transformateurs à huile isolante à base d'esters végétaux en sont encore au stade de l'exploration, manquant de directives unifiées.
V. Orientations et solutions d'optimisation technologique
5.1 Développement de la technologie d'optimisation des performances
Percées dans les nouvelles technologies de modification : Développer de nouvelles technologies telles que l'isomérisation catalytique et la modification génétique pour ajuster la structure moléculaire des esters végétaux, améliorant à la fois la stabilité à l'oxydation et les performances à basse température. Par exemple, les réactions d'isomérisation peuvent convertir les acides gras insaturés en structures ramifiées, abaissant le point de congélation en dessous de -30℃.
Développement d'additifs à haut rendement : Développer des antioxydants composites spécialisés et des dépresseurs du point d'écoulement qui peuvent inhiber les réactions d'oxydation et réduire les impacts négatifs sur le papier isolant. Actuellement, les antioxydants hétérocycliques contenant de l'azote ont démontré d'excellents effets antioxydants synergiques.
Développement de matières premières non comestibles : Accroître les efforts de R&D sur les huiles végétales non comestibles telles que l'huile de graines de chanvre et l'huile de pistache chinoise afin de réduire la dépendance à l'égard des huiles comestibles. Simultanément, cultiver des cultures de matières premières spécialisées à haut rendement et de haute pureté grâce à la technologie de sélection génétique.
5.2 Voie de contrôle des coûts
Réduction des coûts de processus : Optimiser et modifier les processus, simplifier les flux de production, par exemple en adoptant des équipements de transestérification en continu pour améliorer l'efficacité de la production ; recycler les sous-produits du processus de production pour réduire les pertes de matières premières.
Intégration de la chaîne d'approvisionnement : Établir une chaîne d'approvisionnement intégrée englobant la plantation, la transformation et la production des matières premières ; signer des accords de coopération à long terme avec des bases agricoles pour stabiliser les prix des matières premières ; promouvoir la production régionalisée pour réduire les coûts de transport des matières premières.
Libération des effets à grande échelle : À mesure que la pénétration du marché augmente, développer l'échelle de production pour amortir les coûts de R&D et d'amortissement des équipements, réduisant progressivement l'écart de prix avec l'huile isolante minérale.
5.3 Recommandations pour l'amélioration du système de normes
Développer des normes spécialisées : Sur la base des caractéristiques des huiles isolantes à base d'esters végétaux, développer des normes nationales spécialisées couvrant les matières premières, les processus de modification, les performances de base et les méthodes d'essai, définissant clairement les indicateurs clés tels que la stabilité à l'oxydation et les performances à basse température.
Unifier les normes d'exploitation et de maintenance : Établir des normes d'exploitation et de maintenance pour les transformateurs à huile isolante à base d'esters végétaux, y compris la surveillance du fonctionnement, l'évaluation du vieillissement et les cycles de changement d'huile, afin de guider l'exploitation et la maintenance normalisées dans l'industrie.
Promouvoir la reconnaissance des normes internationales : Renforcer la coopération avec des organisations telles que la Commission électrotechnique internationale (CEI) pour promouvoir la coordination des normes nationales et internationales et améliorer la compétitivité internationale des produits d'huile isolante à base d'esters végétaux de mon pays.
VI. Perspectives de développement futur
6.1 Tendances du développement technologique
À l'avenir, les huiles isolantes à base d'esters végétaux évolueront vers des performances élevées, la multifonctionnalité et un faible coût. D'une part, l'intégration du génie génétique et des nouvelles technologies de modification permettra d'améliorer de manière décisive les performances à basse température et la stabilité à l'oxydation des esters végétaux, ce qui les rendra adaptés à toutes les régions et à toutes les conditions de fonctionnement. D'autre part, les huiles isolantes à base d'esters végétaux composites multifonctionnels deviendront un sujet de recherche brûlant, tels que les produits avec des fonctions d'isolation, de conductivité thermique et antibactériennes, élargissant encore les scénarios d'application. En outre, la combinaison des esters végétaux et des nanomatériaux devrait permettre une optimisation synergique des performances diélectriques et de dissipation thermique.
6.2 Perspectives de promotion du marché
Avec le resserrement continu des politiques environnementales et le développement rapide de l'énergie nouvelle, le taux de pénétration du marché de l'huile isolante à base d'esters végétaux dans les transformateurs moyenne et haute tension devrait dépasser 30 % d'ici 2030. Les sous-secteurs tels que les produits à basse température pour les régions à haute latitude et les produits personnalisés pour les centrales électriques à énergies nouvelles connaîtront une croissance rapide. Simultanément, à mesure que les coûts diminuent, son application s'étendra progressivement des scénarios haut de gamme aux réseaux de distribution d'électricité ordinaires, formant une tendance de promotion à grande échelle.
6.3 Recommandations pour le développement collaboratif de l'industrie
Collaboration approfondie entre l'industrie, les universités et la recherche : Encourager les universités, les institutions de recherche et les entreprises à s'attaquer conjointement aux technologies de base, à établir des bases de production à l'échelle pilote et à accélérer la transformation des réalisations technologiques ;
Soutien politique précis : Recommander l'introduction de politiques de subvention pour soutenir la recherche et le développement et l'application de démonstration de l'huile isolante à base d'esters végétaux, tout en l'incluant dans la liste des achats d'équipements d'énergie verte pour guider la demande du marché ;
Échange et vulgarisation de l'industrie : Renforcer les échanges techniques et la promotion par le biais d'expositions industrielles, de séminaires techniques et d'autres formes pour améliorer la compréhension de l'industrie de l'huile isolante à base d'esters végétaux et promouvoir le développement collaboratif de l'ensemble de la chaîne industrielle.
En conclusion, l'huile isolante à base d'esters végétaux, en tant que nouveau type de matériau isolant respectueux de l'environnement et sûr, s'aligne sur la transformation verte et à faible émission de carbone de l'industrie de l'énergie et possède un énorme potentiel d'application dans les transformateurs moyenne et haute tension. Actuellement, bien qu'elle soit confrontée à de multiples défis en matière de technologie, de coûts et de normes, avec des percées dans les technologies de modification, des améliorations de la chaîne d'approvisionnement et un cadre politique sain, l'huile isolante à base d'esters végétaux remplacera inévitablement progressivement l'huile isolante minérale et deviendra le choix dominant pour l'huile isolante dans les transformateurs moyenne et haute tension. L'ensemble de l'industrie doit travailler ensemble pour surmonter les difficultés techniques, améliorer l'écosystème industriel et promouvoir conjointement le développement de l'industrie de l'énergie vers un développement plus sûr, plus respectueux de l'environnement et plus durable.
