Transformator tegangan menengah dan tinggi adalah peralatan inti dalam sistem transmisi dan distribusi daya, dan pengoperasiannya yang aman dan stabil secara langsung memengaruhi keandalan jaringan listrik dan kesinambungan pasokan energi. Minyak isolasi, sebagai komponen inti transformator, memainkan peran penting dalam isolasi, pembuangan panas, dan pemadaman busur. Untuk waktu yang lama, minyak isolasi mineral telah mendominasi pasar untuk minyak isolasi transformator tegangan menengah dan tinggi karena proses pembuatannya yang matang dan sifat dielektriknya yang stabil. Namun, dengan meningkatnya kesadaran lingkungan global dan kemajuan target "dual carbon", kekurangan minyak isolasi mineral, seperti sifatnya yang tidak dapat diperbarui, biodegradabilitas rendah, dan titik nyala rendah yang mudah menyebabkan kecelakaan keselamatan, menjadi semakin menonjol, sangat membatasi penerapannya dalam skenario sensitif seperti area inti perkotaan, gedung bertingkat tinggi, pembangkit listrik energi baru, dan kawasan industri kimia.

Minyak isolasi berbasis ester tumbuhan, yang dibuat dari minyak nabati terbarukan, memiliki keunggulan alami seperti titik nyala tinggi, biodegradabilitas mudah, dan ramah lingkungan, menjadikannya alternatif penting untuk minyak isolasi transformator tegangan menengah dan tinggi. Dalam beberapa tahun terakhir, kalangan akademisi dan industri dalam dan luar negeri telah melakukan penelitian dan praktik ekstensif tentang teknologi modifikasi, optimasi kompatibilitas, dan aplikasi rekayasa minyak isolasi berbasis ester tumbuhan. Kertas putih ini secara sistematis meninjau status pengembangan teknologi saat ini, karakteristik kinerja inti, praktik aplikasi dalam transformator tegangan menengah dan tinggi, hambatan yang ada, dan tren masa depan minyak ester tumbuhan. Tujuannya adalah untuk memberikan referensi otoritatif bagi industri tenaga listrik, perusahaan manufaktur, lembaga penelitian, dan departemen pembuat kebijakan, serta mempromosikan aplikasi skala besar dan terstandarisasi minyak ester tumbuhan di bidang transformator tegangan menengah dan tinggi.

I. Ikhtisar Industri dan Latar Belakang Pengembangan

1.1 Status Pasar Minyak Isolasi Transformator Tegangan Menengah dan Tinggi Saat Ini

Saat ini, pasar minyak isolasi transformator tegangan menengah dan tinggi global masih didominasi oleh minyak isolasi mineral, yang menyumbang lebih dari 85% pasar. Minyak isolasi mineral berasal dari penyulingan minyak bumi, dengan teknologi yang matang dan biaya rendah, tetapi memiliki kekurangan yang signifikan dalam hal ekologi dan keselamatan. Menurut statistik kecelakaan industri tenaga listrik, dalam lima tahun terakhir, telah terjadi lebih dari 100 insiden pencemaran tanah dan air yang disebabkan oleh kebocoran minyak transformator secara global setiap tahun, dengan biaya pemulihan pencemaran tunggal mencapai jutaan yuan. Pada saat yang sama, minyak isolasi mineral memiliki titik nyala hanya 160-180℃, sehingga rentan terhadap panas berlebih dan kebakaran di bawah operasi kelebihan beban atau kondisi penuaan peralatan, yang menyebabkan kerugian ekonomi yang signifikan.

Dengan pesatnya perkembangan pembangkit listrik energi baru, pembangkit listrik tenaga angin, fotovoltaik, dan pembangkit listrik lainnya sebagian besar berlokasi di area yang sensitif secara ekologis, dan jaringan distribusi daya perkotaan berkembang menuju kepadatan dan kekompakan yang tinggi, terus-menerus meningkatkan persyaratan untuk perlindungan lingkungan dan keselamatan minyak isolasi transformator. Dengan latar belakang ini, permintaan pasar untuk minyak isolasi yang ramah lingkungan seperti minyak isolasi berbasis ester tumbuhan dan minyak isolasi ester sintetis telah meningkat dari tahun ke tahun. Diantaranya, minyak isolasi berbasis ester tumbuhan telah mengalami pertumbuhan yang sangat signifikan karena bahan baku terbarukan dan biaya produksi yang relatif terkendali, dengan tingkat pertumbuhan tahunan rata-rata melebihi 15% dalam ukuran pasar global dari tahun 2020 hingga 2024.

1.2 Pendorong Kebijakan dan Teknologi

Pada tingkat kebijakan, banyak negara telah memperkenalkan peraturan lingkungan untuk mempromosikan peningkatan minyak isolasi. Arahan Limbah Peralatan Listrik dan Elektronik UE dan Peraturan tentang Pendaftaran, Evaluasi, Otorisasi, dan Pembatasan Bahan Kimia secara eksplisit membatasi penggunaan minyak isolasi yang sangat mencemari dan mengharuskan peralatan listrik memprioritaskan penggunaan bahan isolasi yang dapat terurai secara hayati. "Rencana Lima Tahun ke-14 China untuk Konservasi Energi dan Pengurangan Emisi" dan "Rencana Aksi Hijau dan Rendah Karbon untuk Industri Tenaga Listrik" juga mendorong promosi peralatan listrik yang ramah lingkungan dan bahan pendukung, memberikan dukungan kebijakan untuk penerapan minyak isolasi berbasis ester tumbuhan.

Pada tingkat teknologi, terobosan dalam teknologi penyulingan dan modifikasi minyak nabati telah meletakkan dasar bagi aplikasi industri minyak isolasi berbasis ester tumbuhan. Minyak isolasi ester tumbuhan awal sulit beradaptasi dengan transformator tegangan menengah dan tinggi karena viskositasnya yang tinggi dan fluiditas suhu rendah yang buruk. Namun, setelah perawatan modifikasi seperti penghilangan getah, deasidifikasi, hidrogenasi, dan transesterifikasi, sifat-sifat utamanya telah ditingkatkan secara signifikan, secara bertahap memenuhi persyaratan pengoperasian jangka panjang transformator tegangan menengah dan tinggi. Secara bersamaan, optimalisasi proses manufaktur transformator juga telah menyediakan kondisi peralatan untuk mengadaptasi minyak isolasi ester tumbuhan.

II. Persiapan dan Karakteristik Inti Minyak Isolasi Ester Tumbuhan

2.1 Bahan Baku dan Proses Persiapan

2.1.1 Bahan Baku Inti
Bahan baku untuk minyak isolasi ester tumbuhan terutama adalah minyak nabati terbarukan, dengan varietas utama termasuk minyak kedelai, minyak lobak, minyak kelapa sawit, dan minyak bunga matahari. Bahan baku yang berbeda memiliki sifat dan skenario yang berbeda. Minyak lobak memiliki berbagai sumber, pasokan yang stabil di Barat Laut dan Barat Daya negara saya, dan biaya yang relatif rendah. Minyak kelapa sawit memiliki kandungan asam lemak jenuh yang tinggi dan stabilitas termal yang luar biasa, tetapi kinerja suhu rendah yang lemah, sehingga cocok untuk wilayah tropis dan subtropis. Minyak kedelai memiliki sifat dielektrik yang seimbang dan merupakan salah satu bahan baku yang paling banyak digunakan dalam aplikasi komersial. Selain itu, minyak nabati non-pangan seperti minyak jarak dan minyak tung secara bertahap memasuki bidang penelitian dan pengembangan, yang dapat menghindari persaingan dengan tanaman pangan untuk lahan dan lebih meningkatkan keberlanjutan bahan baku.

2.1.2 Proses Persiapan dan Modifikasi Proses persiapan dasar minyak isolasi ester nabati meliputi pra-perlakuan bahan baku, pemurnian, modifikasi, dan pencampuran produk jadi. Pra-perlakuan bahan baku terutama menghilangkan kotoran, kelembaban, dan koloid dari minyak; proses pemurnian mengurangi kandungan asam lemak bebas dan zat berbahaya dalam minyak melalui langkah-langkah seperti deasidifikasi, dekolorisasi, dan deodorisasi; proses modifikasi inti mengoptimalkan kinerja minyak nabati dengan mengatasi cacat inherennya. Teknologi utama meliputi:

Modifikasi hidrogenasi: Meningkatkan kejenuhan rantai asam lemak melalui reaksi hidrogenasi meningkatkan stabilitas oksidasi, tetapi tingkat hidrogenasi harus dikontrol untuk menghindari hidrogenasi berlebihan yang menyebabkan peningkatan viskositas;

Modifikasi transesterifikasi: Memanfaatkan alkohol seperti metanol dan etanol untuk mengalami reaksi transesterifikasi dengan minyak nabati menyesuaikan struktur molekul, mengurangi viskositas, dan meningkatkan fluiditas suhu rendah;

Modifikasi komposit: Menggabungkan teknologi hidrogenasi dan transesterifikasi untuk secara bersamaan mengoptimalkan stabilitas oksidasi dan kinerja suhu rendah saat ini merupakan solusi modifikasi industri utama.

III. Praktik Aplikasi Minyak Isolasi Ester Nabati dalam Transformator Tegangan Menengah dan Tinggi

3.1 Analisis Adaptasi Skenario Aplikasi
Skenario aplikasi transformator tegangan menengah dan tinggi yang berbeda memberikan persyaratan kinerja yang berbeda pada minyak isolasi. Minyak isolasi ester nabati, dengan keunggulan keselamatan dan perlindungan lingkungan, menunjukkan kemampuan beradaptasi yang signifikan dalam skenario inti berikut:
Area inti perkotaan dan gedung bertingkat tinggi: Skenario ini ditandai dengan populasi yang padat, peralatan yang terkonsentrasi, dan risiko serta biaya tinggi yang terkait dengan kebakaran dan polusi. Titik nyala tinggi minyak isolasi ester berbasis tumbuhan menghilangkan kebutuhan akan fasilitas tahan api dan isolasi yang kompleks dalam transformator, mengurangi luas lantai dan beradaptasi dengan tata letak jaringan distribusi daya perkotaan yang ringkas.

Pembangkit Listrik Energi Baru: Pembangkit listrik tenaga angin dan fotovoltaik sering berlokasi di area yang sensitif secara ekologis seperti padang rumput dan pegunungan. Biodegradabilitas tinggi minyak isolasi ester berbasis tumbuhan mencegah kebocoran minyak merusak lingkungan ekologis dan cocok untuk seringnya start-stop dan fluktuasi beban besar dari pembangkit listrik energi baru.

Kawasan Industri Kimia dan Tambang: Kawasan industri kimia berisi media yang mudah terbakar dan meledak, dan lingkungan pertambangan kompleks. Keamanan tinggi minyak isolasi ester berbasis tumbuhan mengurangi risiko pengoperasian peralatan dan ketahanannya yang kuat terhadap polusi membuatnya cocok untuk lingkungan pengoperasian yang keras.

Transmisi di Area Bawah Laut dan Terpencil: Transformator di area bawah laut dan transformator distribusi di area terpencil sulit untuk dirawat. Stabilitas dan keramahan lingkungan minyak isolasi ester berbasis tumbuhan dapat mengurangi biaya perawatan setelah kebocoran dan meningkatkan pengoperasian dan efisiensi pemeliharaan peralatan.

3.2 Kasus Aplikasi Khas di Dalam dan Luar Negeri

3.2.1 Kasus Domestik
Gardu induk pintar 220kV di jaringan listrik provinsi: Dua transformator menggunakan minyak isolasi ester berbasis tumbuhan berbasis kedelai mulai beroperasi pada tahun 2022 dan telah beroperasi secara stabil selama lebih dari dua tahun. Data pemantauan menunjukkan bahwa suhu minyak transformator rata-rata 3-5℃ lebih rendah daripada transformator minyak mineral dengan kapasitas yang sama, laju penuaan kertas isolasi melambat, dan tidak ada kelainan seperti pelepasan sebagian yang diamati, sehingga cocok untuk persyaratan pengoperasian beban tinggi gardu induk. Transformator tipe kotak 35kV di pembangkit listrik tenaga fotovoltaik besar: Pembangkit listrik ini berlokasi di area perlindungan ekologis padang rumput. Pada tahun 2023, sejumlah transformator dengan minyak isolasi ester nabati yang dimodifikasi berbasis kelapa sawit diganti. Selama periode ini, satu kebocoran minyak kecil terjadi. Setelah degradasi alami, tidak ada kelainan ekologis yang diamati di tanah area yang bocor, memverifikasi keunggulan lingkungannya.

3.2.2 Kasus Internasional

Jaringan distribusi 110kV di kota Jerman: Mulai tahun 2020, transformator di area inti kota secara bertahap diganti dengan minyak isolasi berbasis minyak lobak. Pada tahun 2024, lebih dari 50 unit telah dioperasikan. Tingkat risiko kebakaran menurun sebesar 80% dibandingkan dengan transformator minyak mineral, dan biaya perawatan berkurang sebesar 15%.

Transformator 66kV dalam proyek tenaga angin lepas pantai AS: Memanfaatkan minyak isolasi ester nabati yang dimodifikasi komposit, cocok untuk lingkungan kelembaban tinggi dan semprotan garam tinggi di laut, kinerja dielektriknya tetap stabil selama tiga tahun pengoperasian, tanpa masalah degradasi isolasi yang diamati.

3.3 Adaptasi dan Penyesuaian Peralatan dalam Aplikasi

Minyak isolasi ester nabati memiliki viskositas yang lebih tinggi daripada minyak isolasi mineral. Ketika digunakan dalam transformator tegangan menengah dan tinggi, adaptasi dan penyesuaian peralatan yang ditargetkan diperlukan untuk memastikan efisiensi operasional:

Optimalisasi sistem pembuangan panas: Tingkatkan area radiator atau tingkatkan perangkat pendingin udara paksa untuk meningkatkan efisiensi pembuangan panas dan menghindari pembuangan panas yang buruk karena viskositas tinggi;

Adaptasi bahan penyegel: Ester nabati dapat menyebabkan pembengkakan beberapa bahan penyegel karet, yang memerlukan penggantian dengan bahan tahan ester seperti fluororubber dan karet silikon untuk mencegah kebocoran minyak;

Penyesuaian struktur isolasi: Optimalkan desain jarak isolasi lilitan, memanfaatkan kecocokan yang lebih baik antara konstanta dielektrik ester nabati dan kertas isolasi, untuk lebih meningkatkan keandalan sistem isolasi.

IV. Hambatan dan Tantangan Teknis yang Ada

4.1 Kekurangan dalam Teknologi Inti

Kinerja Suhu Rendah yang Tidak Cukup: Sebagian besar minyak isolasi ester berbasis tumbuhan mengkristal atau mengalami peningkatan tajam dalam viskositas di bawah -20℃, yang memengaruhi start-up dan pengoperasian suhu rendah transformator. Hal ini membatasi promosi mereka di wilayah dingin dengan lintang tinggi.

Stabilitas Oksidatif Perlu Peningkatan: Asam lemak tak jenuh dalam ester tumbuhan rentan terhadap oksidasi, menghasilkan asam, koloid, dan produk lain yang mempercepat penuaan kertas isolasi dan memperpendek umur transformator. Meskipun aditif dapat mengurangi hal ini, stabilitas jangka panjang masih perlu diverifikasi.

Proses Produksi Skala Besar Perlu Peningkatan: Kontrol konsistensi dalam proses modifikasi sulit, menghasilkan fluktuasi kinerja yang signifikan antara batch yang berbeda dibandingkan dengan minyak mineral. Selain itu, pasokan bahan baku kemurnian tinggi dipengaruhi oleh siklus produksi pertanian, yang menyebabkan stabilitas yang tidak mencukupi.

4.2 Kendala Pasar dan Biaya

Saat ini, biaya produksi minyak isolasi ester berbasis tumbuhan adalah sekitar 2-3 kali lipat dari minyak isolasi mineral. Biaya yang lebih tinggi ini memperlambat tingkat penetrasinya di pasar transformator tegangan menengah dan tinggi. Selain itu, sementara rantai pasokan untuk minyak isolasi mineral sudah matang, sistem rantai pasokan untuk minyak isolasi ester berbasis tumbuhan, termasuk pengadaan bahan baku, pemrosesan modifikasi, pergudangan, dan transportasi, belum sepenuhnya matang, yang selanjutnya menghambat promosi skala besarnya. 4.3 Standar dan Spesifikasi yang Tertinggal
Standar untuk minyak isolasi ester nabati, baik di dalam maupun di luar negeri, masih belum lengkap. Standar China saat ini sebagian besar mengacu pada standar minyak mineral, gagal sepenuhnya mencerminkan karakteristik ester nabati. Sementara standar internasional mencakup spesifikasi khusus, perbedaan regional yang signifikan menyebabkan kompatibilitas produk yang tidak mencukupi dan pengakuan bersama, menghambat aplikasi lintas batas dan pertukaran teknis. Selain itu, standar pengoperasian dan pemeliharaan serta metode penilaian penuaan untuk transformator minyak isolasi ester nabati masih dalam tahap eksplorasi, kurangnya panduan terpadu.

V. Arah dan Solusi Optimalisasi Teknologi

5.1 Pengembangan Teknologi Optimalisasi Kinerja

Terobosan dalam teknologi modifikasi baru: Kembangkan teknologi baru seperti isomerisasi katalitik dan modifikasi genetik untuk menyesuaikan struktur molekul ester nabati, meningkatkan stabilitas oksidatif dan kinerja suhu rendah. Misalnya, reaksi isomerisasi dapat mengubah asam lemak tak jenuh menjadi struktur bercabang, menurunkan titik beku menjadi di bawah -30℃.

Pengembangan aditif efisiensi tinggi: Kembangkan antioksidan komposit khusus dan penurun titik tuang yang dapat menghambat reaksi oksidasi dan mengurangi dampak negatif pada kertas isolasi. Saat ini, antioksidan heterosiklik yang mengandung nitrogen telah menunjukkan efek antioksidan sinergis yang sangat baik.
Pengembangan bahan baku non-pangan: Tingkatkan upaya R&D dalam minyak tumbuhan non-pangan seperti minyak biji rami dan minyak pistache China untuk mengurangi ketergantungan pada minyak yang dapat dimakan. Secara bersamaan, kembangkan tanaman bahan baku khusus hasil tinggi dan kemurnian tinggi melalui teknologi pemuliaan gen.

5.2 Jalur Pengendalian Biaya
Pengurangan biaya proses: Optimalkan dan modifikasi proses, sederhanakan aliran produksi, misalnya dengan mengadopsi peralatan transesterifikasi berkelanjutan untuk meningkatkan efisiensi produksi; daur ulang produk sampingan dari proses produksi untuk mengurangi kehilangan bahan baku.
Integrasi rantai pasokan: Bangun rantai pasokan terintegrasi yang mencakup penanaman, pemrosesan, dan produksi bahan baku; menandatangani perjanjian kerja sama jangka panjang dengan basis pertanian untuk menstabilkan harga bahan baku; mempromosikan produksi regional untuk mengurangi biaya transportasi bahan baku.
Pelepasan efek skala besar: Seiring dengan peningkatan penetrasi pasar, perluas skala produksi untuk mengamortisasi biaya R&D dan depresiasi peralatan, secara bertahap mempersempit kesenjangan harga dengan minyak isolasi mineral.

5.3 Rekomendasi untuk Meningkatkan Sistem Standar

Kembangkan Standar Khusus: Berdasarkan karakteristik minyak isolasi ester berbasis tumbuhan, kembangkan standar nasional khusus yang mencakup bahan baku, proses modifikasi, kinerja inti, dan metode pengujian, yang secara jelas mendefinisikan indikator utama seperti stabilitas oksidasi dan kinerja suhu rendah.

Satukan Standar Pengoperasian dan Pemeliharaan: Tetapkan standar pengoperasian dan pemeliharaan untuk transformator minyak isolasi ester berbasis tumbuhan, termasuk pemantauan pengoperasian, penilaian penuaan, dan siklus penggantian oli, untuk memandu pengoperasian dan pemeliharaan yang terstandarisasi di industri.

Promosikan Pengakuan Standar Internasional: Perkuat kerja sama dengan organisasi seperti Komisi Elektroteknik Internasional (IEC) untuk mempromosikan koordinasi standar domestik dan internasional dan meningkatkan daya saing internasional produk minyak isolasi ester berbasis tumbuhan negara saya.

VI. Prospek Pengembangan Masa Depan

6.1 Tren Pengembangan Teknologi
Di masa depan, minyak isolasi ester berbasis tumbuhan akan berkembang menuju kinerja tinggi, multifungsi, dan biaya rendah. Di satu sisi, integrasi rekayasa genetika dan teknologi modifikasi baru akan mencapai peningkatan terobosan dalam kinerja suhu rendah dan stabilitas oksidasi ester tumbuhan, membuatnya cocok untuk semua wilayah dan kondisi pengoperasian. Di sisi lain, minyak isolasi ester berbasis tumbuhan komposit multifungsi akan menjadi pusat penelitian, seperti produk dengan fungsi isolasi, konduktivitas termal, dan antibakteri, yang selanjutnya memperluas skenario aplikasi. Selain itu, kombinasi ester tumbuhan dan nanomaterial diharapkan dapat mencapai optimalisasi sinergis dari kinerja dielektrik dan pembuangan panas.

6.2 Prospek Promosi Pasar

Dengan pengetatan kebijakan lingkungan yang berkelanjutan dan pesatnya perkembangan energi baru, tingkat penetrasi pasar minyak isolasi ester berbasis tumbuhan dalam transformator tegangan menengah dan tinggi diharapkan melebihi 30% pada tahun 2030. Sub-sektor seperti produk suhu rendah untuk wilayah lintang tinggi dan produk khusus untuk pembangkit listrik energi baru akan mengalami pertumbuhan yang pesat. Secara bersamaan, seiring dengan penurunan biaya, penerapannya secara bertahap akan meluas dari skenario kelas atas ke jaringan distribusi daya biasa, membentuk tren promosi skala besar.

6.3 Rekomendasi Pengembangan Kolaboratif Industri

Kerja Sama Industri-Universitas-Penelitian yang Mendalam: Dorong universitas, lembaga penelitian, dan perusahaan untuk bersama-sama mengatasi teknologi inti, membangun basis produksi skala percontohan, dan mempercepat transformasi pencapaian teknologi;

Dukungan Kebijakan yang Tepat: Rekomendasikan pengenalan kebijakan subsidi untuk mendukung penelitian dan pengembangan serta aplikasi demonstrasi minyak isolasi ester berbasis tumbuhan, sambil memasukkannya dalam daftar pengadaan peralatan listrik hijau untuk memandu permintaan pasar;

Pertukaran dan Popularisasi Industri: Perkuat pertukaran teknis dan promosi melalui pameran industri, seminar teknis, dan bentuk lainnya untuk meningkatkan pemahaman industri tentang minyak isolasi ester berbasis tumbuhan dan mempromosikan pengembangan kolaboratif dari seluruh rantai industri.

Kesimpulannya, minyak isolasi ester berbasis tumbuhan, sebagai jenis bahan isolasi baru yang ramah lingkungan dan aman, sejalan dengan transformasi hijau dan rendah karbon dari industri tenaga listrik dan memiliki potensi aplikasi yang sangat besar dalam transformator tegangan menengah dan tinggi. Saat ini, meskipun menghadapi banyak tantangan dalam teknologi, biaya, dan standar, dengan terobosan dalam teknologi modifikasi, peningkatan dalam rantai pasokan, dan kerangka kebijakan yang baik, minyak isolasi ester berbasis tumbuhan pasti akan secara bertahap menggantikan minyak isolasi mineral dan menjadi pilihan utama untuk minyak isolasi dalam transformator tegangan menengah dan tinggi. Seluruh industri perlu bekerja sama untuk mengatasi kesulitan teknis, meningkatkan ekosistem industri, dan bersama-sama mempromosikan industri tenaga listrik menuju pengembangan yang lebih aman, lebih ramah lingkungan, dan lebih berkelanjutan.