I trasformatori di media e alta tensione sono apparecchiature fondamentali nel sistema di trasmissione e distribuzione dell'energia, e il loro funzionamento sicuro e stabile influisce direttamente sull'affidabilità della rete elettrica e sulla continuità dell'approvvigionamento energetico. L'olio isolante, in quanto componente fondamentale dei trasformatori, svolge un ruolo cruciale nell'isolamento, nella dissipazione del calore e nell'estinzione dell'arco. Per lungo tempo, l'olio isolante minerale ha dominato il mercato dell'olio isolante per trasformatori di media e alta tensione grazie al suo processo di preparazione maturo e alle proprietà dielettriche stabili. Tuttavia, con la crescente consapevolezza ambientale globale e il progresso dell'obiettivo "doppio carbonio", i difetti dell'olio isolante minerale, come la sua natura non rinnovabile, la bassa biodegradabilità e il basso punto di infiammabilità che portano facilmente a incidenti di sicurezza, sono diventati sempre più evidenti, limitando gravemente la sua applicazione in scenari sensibili come le aree urbane centrali, gli edifici alti, le centrali elettriche a nuova energia e i parchi industriali chimici.

L'olio isolante a base di esteri vegetali, prodotto da oli vegetali rinnovabili, possiede vantaggi naturali come l'alto punto di infiammabilità, la facile biodegradabilità e l'ecocompatibilità, rendendolo un'importante alternativa all'olio isolante per trasformatori di media e alta tensione. Negli ultimi anni, i circoli accademici e industriali nazionali e internazionali hanno condotto ampie ricerche e pratiche sulla tecnologia di modifica, l'ottimizzazione della compatibilità e le applicazioni ingegneristiche dell'olio isolante a base di esteri vegetali. Questo libro bianco esamina sistematicamente lo stato attuale dello sviluppo tecnologico, le caratteristiche prestazionali fondamentali, le pratiche applicative nei trasformatori di media e alta tensione, i colli di bottiglia esistenti e le tendenze future dell'olio isolante a base di esteri vegetali. Mira a fornire un riferimento autorevole per l'industria energetica, le imprese manifatturiere, gli istituti di ricerca e i dipartimenti decisionali, e a promuovere l'applicazione su larga scala e standardizzata dell'olio isolante a base di esteri vegetali nel campo dei trasformatori di media e alta tensione.

I. Panoramica del settore e contesto di sviluppo

1.1 Stato attuale del mercato dell'olio isolante per trasformatori di media e alta tensione

Attualmente, il mercato globale dell'olio isolante per trasformatori di media e alta tensione è ancora dominato dall'olio isolante minerale, che rappresenta oltre l'85% del mercato. L'olio isolante minerale deriva dalla raffinazione del petrolio, con tecnologia matura e basso costo, ma presenta notevoli svantaggi in termini di ecologia e sicurezza. Secondo le statistiche sugli incidenti dell'industria energetica, negli ultimi cinque anni, ci sono stati oltre 100 incidenti di inquinamento del suolo e dell'acqua causati da perdite di olio per trasformatori a livello globale ogni anno, con costi di bonifica dell'inquinamento singoli che raggiungono milioni di yuan. Allo stesso tempo, l'olio isolante minerale ha un punto di infiammabilità di soli 160-180℃, che lo rende soggetto a surriscaldamento e incendi in condizioni di sovraccarico o invecchiamento delle apparecchiature, causando notevoli perdite economiche.

Con il rapido sviluppo della generazione di energia da nuove fonti, le centrali eoliche, fotovoltaiche e altre sono per lo più situate in aree ecologicamente sensibili, e le reti di distribuzione urbana si stanno sviluppando verso un'alta densità e compattezza, aggiornando continuamente i requisiti per la protezione ambientale e la sicurezza dell'olio isolante per trasformatori. In questo contesto, la domanda di oli isolanti ecologici come gli oli isolanti a base di esteri vegetali e gli oli isolanti sintetici è aumentata di anno in anno. Tra questi, gli oli isolanti a base di esteri vegetali hanno registrato una crescita particolarmente significativa grazie alle loro materie prime rinnovabili e ai costi di produzione relativamente controllabili, con un tasso di crescita annuale medio superiore al 15% nelle dimensioni del mercato globale dal 2020 al 2024.

1.2 Driver politici e tecnologici

A livello politico, molti paesi hanno introdotto normative ambientali per promuovere l'aggiornamento degli oli isolanti. La direttiva europea sui rifiuti di apparecchiature elettriche ed elettroniche e il regolamento sulla registrazione, valutazione, autorizzazione e restrizione delle sostanze chimiche limitano esplicitamente l'uso di oli isolanti altamente inquinanti e richiedono che le apparecchiature elettriche privilegino l'uso di materiali isolanti biodegradabili. Il "14° Piano quinquennale per la conservazione dell'energia e la riduzione delle emissioni" e il "Piano d'azione verde e a basse emissioni di carbonio per l'industria energetica" della Cina incoraggiano anche la promozione di apparecchiature elettriche e materiali di supporto ecologici, fornendo supporto politico per l'applicazione degli oli isolanti a base di esteri vegetali.

A livello tecnologico, le scoperte nella raffinazione degli oli vegetali e nelle tecnologie di modifica hanno gettato le basi per l'applicazione industriale degli oli isolanti a base di esteri vegetali. I primi oli isolanti a base di esteri vegetali erano difficili da adattare ai trasformatori di media e alta tensione a causa della loro elevata viscosità e della scarsa fluidità a bassa temperatura. Tuttavia, dopo trattamenti di modifica come la degommatura, la deacidificazione, l'idrogenazione e la transesterificazione, le loro proprietà chiave sono state significativamente migliorate, soddisfacendo gradualmente i requisiti di funzionamento a lungo termine dei trasformatori di media e alta tensione. Allo stesso tempo, l'ottimizzazione dei processi di produzione dei trasformatori ha fornito anche le condizioni delle apparecchiature per l'adattamento degli oli isolanti a base di esteri vegetali.

II. Preparazione e caratteristiche fondamentali degli oli isolanti a base di esteri vegetali

2.1 Materie prime e processo di preparazione

2.1.1 Materie prime fondamentali
Le materie prime per gli oli isolanti a base di esteri vegetali sono principalmente oli vegetali rinnovabili, con varietà principali tra cui olio di soia, olio di colza, olio di palma e olio di girasole. Diverse materie prime hanno proprietà e scenari applicativi diversi. L'olio di colza ha un'ampia gamma di fonti, un approvvigionamento stabile nel nord-ovest e nel sud-ovest del mio paese e un costo relativamente basso. L'olio di palma ha un alto contenuto di acidi grassi saturi e un'eccezionale stabilità termica, ma scarse prestazioni a bassa temperatura, rendendolo adatto alle regioni tropicali e subtropicali. L'olio di soia ha proprietà dielettriche equilibrate ed è una delle materie prime più utilizzate nelle applicazioni commerciali. Inoltre, gli oli vegetali non commestibili come l'olio di jatropha e l'olio di tung stanno gradualmente entrando nel campo della ricerca e dello sviluppo, il che può evitare di competere con le colture alimentari per la terra e migliorare ulteriormente la sostenibilità delle materie prime.

2.1.2 Processi di preparazione e modifica Il processo di preparazione di base dell'olio isolante a base di esteri vegetali comprende il pretrattamento delle materie prime, la raffinazione, la modifica e la miscelazione del prodotto finito. Il pretrattamento delle materie prime rimuove principalmente impurità, umidità e colloidi dall'olio; il processo di raffinazione riduce il contenuto di acidi grassi liberi e sostanze nocive nell'olio attraverso passaggi come la deacidificazione, la decolorazione e la deodorazione; il processo di modifica principale ottimizza le prestazioni degli oli vegetali affrontando i loro difetti intrinseci. Le tecnologie principali includono:

Modifica per idrogenazione: l'aumento della saturazione delle catene di acidi grassi attraverso reazioni di idrogenazione migliora la stabilità all'ossidazione, ma il grado di idrogenazione deve essere controllato per evitare un'idrogenazione eccessiva che porta ad un aumento della viscosità;

Modifica per transesterificazione: l'utilizzo di alcoli come metanolo ed etanolo per subire reazioni di transesterificazione con oli vegetali regola la struttura molecolare, riduce la viscosità e migliora la fluidità a bassa temperatura;

Modifica composita: la combinazione di tecnologie di idrogenazione e transesterificazione per ottimizzare simultaneamente la stabilità all'ossidazione e le prestazioni a bassa temperatura è attualmente la soluzione di modifica industriale principale.

III. Pratica applicativa dell'olio isolante a base di esteri vegetali nei trasformatori di media e alta tensione

3.1 Analisi dell'adattabilità dello scenario applicativo
I diversi scenari applicativi dei trasformatori di media e alta tensione impongono diversi requisiti di prestazione agli oli isolanti. L'olio isolante a base di esteri vegetali, con i suoi vantaggi in termini di sicurezza e protezione ambientale, dimostra una significativa adattabilità nei seguenti scenari principali:
Aree urbane centrali ed edifici alti: questi scenari sono caratterizzati da una densa popolazione, apparecchiature concentrate e alti rischi e costi associati a incendi e inquinamento. L'alto punto di infiammabilità dell'olio isolante a base di esteri vegetali elimina la necessità di complesse strutture antincendio e di isolamento nei trasformatori, riducendo lo spazio occupato e adattandosi alla disposizione compatta delle reti di distribuzione urbana.

Centrali elettriche a nuova energia: le centrali eoliche e fotovoltaiche sono spesso situate in aree ecologicamente sensibili come prati e montagne. L'elevata biodegradabilità dell'olio isolante a base di esteri vegetali impedisce alle perdite di olio di danneggiare l'ambiente ecologico ed è adatta per i frequenti avviamenti e arresti e le grandi fluttuazioni di carico delle centrali elettriche a nuova energia.

Parchi industriali chimici e miniere: i parchi industriali chimici contengono mezzi infiammabili ed esplosivi e gli ambienti minerari sono complessi. L'elevata sicurezza dell'olio isolante a base di esteri vegetali riduce i rischi di funzionamento delle apparecchiature e la sua forte resistenza all'inquinamento lo rende adatto ad ambienti operativi difficili.

Trasmissione in aree sottomarine e remote: i trasformatori nelle aree sottomarine e i trasformatori di distribuzione nelle aree remote sono difficili da manutenere. La stabilità e l'ecocompatibilità dell'olio isolante a base di esteri vegetali possono ridurre i costi di manutenzione dopo le perdite e migliorare l'efficienza di funzionamento e manutenzione delle apparecchiature.

3.2 Casi applicativi tipici in patria e all'estero

3.2.1 Caso nazionale
Una sottostazione intelligente da 220 kV in una rete elettrica provinciale: due trasformatori che utilizzano olio isolante a base di esteri vegetali a base di soia sono stati messi in funzione nel 2022 e sono stati in funzione stabilmente per oltre due anni. I dati di monitoraggio mostrano che la temperatura dell'olio del trasformatore era in media di 3-5℃ inferiore a quella dei trasformatori ad olio minerale della stessa capacità, il tasso di invecchiamento della carta isolante è stato rallentato e non sono state osservate anomalie come scariche parziali, rendendolo adatto ai requisiti di funzionamento ad alto carico delle sottostazioni. Un trasformatore di tipo box da 35 kV presso una grande centrale elettrica fotovoltaica: questa centrale elettrica si trova in un'area di protezione ecologica dei prati. Nel 2023, è stata sostituita una partita di trasformatori con olio isolante a base di esteri vegetali modificato a base di palma. Durante questo periodo, si è verificata una piccola perdita di olio. Dopo la degradazione naturale, non sono state osservate anomalie ecologiche nel suolo dell'area interessata dalla perdita, verificando i suoi vantaggi ambientali.

3.2.2 Casi internazionali

Una rete di distribuzione da 110 kV in una città tedesca: a partire dal 2020, i trasformatori nell'area centrale della città sono stati gradualmente sostituiti con olio isolante a base di olio di colza. Entro il 2024, oltre 50 unità erano state messe in funzione. Il tasso di rischio di incendio è diminuito dell'80% rispetto ai trasformatori ad olio minerale e i costi di manutenzione sono stati ridotti del 15%.

Un trasformatore da 66 kV in un progetto eolico offshore statunitense: utilizzando olio isolante a base di esteri vegetali modificato composito, adatto all'elevata umidità e all'ambiente di spruzzo salino elevato in mare, le sue prestazioni dielettriche sono rimaste stabili per oltre tre anni di funzionamento, senza problemi di degrado dell'isolamento osservati.

3.3 Adattamento e regolazione delle apparecchiature in applicazione

L'olio isolante a base di esteri vegetali ha una viscosità maggiore rispetto all'olio isolante minerale. Quando viene utilizzato nei trasformatori di media e alta tensione, sono necessari adattamenti e regolazioni mirate delle apparecchiature per garantire l'efficienza operativa:

Ottimizzazione del sistema di dissipazione del calore: aumentare l'area del radiatore o aggiornare il dispositivo di raffreddamento ad aria forzata per migliorare l'efficienza di dissipazione del calore ed evitare una scarsa dissipazione del calore dovuta all'elevata viscosità;

Adattamento del materiale di tenuta: gli esteri vegetali possono causare il rigonfiamento di alcuni materiali di tenuta in gomma, richiedendo la sostituzione con materiali resistenti agli esteri come gomma fluorurata e gomma siliconica per prevenire perdite di olio;

Regolazione della struttura di isolamento: ottimizzare la progettazione della spaziatura dell'isolamento dell'avvolgimento, sfruttando la migliore corrispondenza tra la costante dielettrica degli esteri vegetali e della carta isolante, per migliorare ulteriormente l'affidabilità del sistema di isolamento.

IV. Colli di bottiglia e sfide tecniche esistenti

4.1 Carenze nelle tecnologie fondamentali

Prestazioni a bassa temperatura insufficienti: la maggior parte degli oli isolanti a base di esteri vegetali cristallizza o subisce un forte aumento della viscosità al di sotto di -20℃, influenzando l'avviamento e il funzionamento a bassa temperatura dei trasformatori. Ciò limita la loro promozione nelle regioni fredde ad alta latitudine.

La stabilità all'ossidazione deve essere migliorata: gli acidi grassi insaturi negli esteri vegetali sono soggetti all'ossidazione, generando acidi, colloidi e altri prodotti che accelerano l'invecchiamento della carta isolante e riducono la durata del trasformatore. Sebbene gli additivi possano mitigare questo problema, la stabilità a lungo termine necessita ancora di verifica.

Il processo di produzione su larga scala deve essere migliorato: il controllo della consistenza nel processo di modifica è difficile, con conseguenti significative fluttuazioni delle prestazioni tra diversi lotti rispetto agli oli minerali. Inoltre, l'approvvigionamento di materie prime ad alta purezza è influenzato dai cicli di produzione agricola, portando a un'instabilità insufficiente.

4.2 Vincoli di mercato e di costo

Attualmente, il costo di produzione dell'olio isolante a base di esteri vegetali è di circa 2-3 volte superiore a quello dell'olio isolante minerale. Questo costo più elevato rallenta il suo tasso di penetrazione nel mercato dei trasformatori di media e alta tensione. Inoltre, mentre la catena di approvvigionamento per l'olio isolante minerale è matura, i sistemi della catena di approvvigionamento per l'olio isolante a base di esteri vegetali, tra cui l'approvvigionamento di materie prime, la lavorazione della modifica, lo stoccaggio e il trasporto, non sono ancora completamente maturi, ostacolando ulteriormente la sua promozione su larga scala. 4.3 Standard e specifiche in ritardo
Gli standard per gli oli isolanti a base di esteri vegetali, sia a livello nazionale che internazionale, rimangono incompleti. Gli attuali standard cinesi fanno ampiamente riferimento agli standard sugli oli minerali, non riuscendo a riflettere appieno le caratteristiche degli esteri vegetali. Mentre gli standard internazionali includono specifiche specifiche, significative differenze regionali portano a un'insufficiente compatibilità dei prodotti e al riconoscimento reciproco, ostacolando le applicazioni transfrontaliere e gli scambi tecnici. Inoltre, gli standard di funzionamento e manutenzione e i metodi di valutazione dell'invecchiamento per i trasformatori ad olio isolante a base di esteri vegetali sono ancora in fase di esplorazione, mancando una guida unificata.

V. Direzioni e soluzioni di ottimizzazione tecnologica

5.1 Sviluppo della tecnologia di ottimizzazione delle prestazioni

Scoperte nelle nuove tecnologie di modifica: sviluppare nuove tecnologie come l'isomerizzazione catalitica e la modifica genetica per regolare la struttura molecolare degli esteri vegetali, migliorando sia la stabilità all'ossidazione che le prestazioni a bassa temperatura. Ad esempio, le reazioni di isomerizzazione possono convertire gli acidi grassi insaturi in strutture ramificate, abbassando il punto di congelamento al di sotto di -30℃.

Sviluppo di additivi ad alta efficienza: sviluppare antiossidanti compositi specializzati e abbassatori del punto di scorrimento che possono inibire le reazioni di ossidazione e ridurre gli impatti negativi sulla carta isolante. Attualmente, gli antiossidanti eterociclici contenenti azoto hanno dimostrato eccellenti effetti antiossidanti sinergici.
Sviluppo di materie prime non commestibili: aumentare gli sforzi di ricerca e sviluppo sugli oli vegetali non commestibili come l'olio di semi di canapa e l'olio di pistacchio cinese per ridurre la dipendenza dagli oli commestibili. Allo stesso tempo, coltivare colture di materie prime speciali ad alto rendimento e ad alta purezza attraverso la tecnologia di miglioramento genetico.

5.2 Percorso di controllo dei costi
Riduzione dei costi di processo: ottimizzare e modificare i processi, semplificare i flussi di produzione, ad esempio adottando apparecchiature di transesterificazione continua per migliorare l'efficienza produttiva; riciclare i sottoprodotti dal processo di produzione per ridurre la perdita di materie prime.
Integrazione della catena di approvvigionamento: istituire una catena di approvvigionamento integrata che comprenda la coltivazione, la lavorazione e la produzione di materie prime; firmare accordi di cooperazione a lungo termine con le basi agricole per stabilizzare i prezzi delle materie prime; promuovere la produzione regionalizzata per ridurre i costi di trasporto delle materie prime.
Rilascio dell'effetto su larga scala: man mano che la penetrazione del mercato aumenta, espandere la scala di produzione per ammortizzare i costi di ricerca e sviluppo e di ammortamento delle apparecchiature, riducendo gradualmente il divario di prezzo con l'olio isolante minerale.

5.3 Raccomandazioni per il miglioramento del sistema di standard

Sviluppare standard specializzati: sulla base delle caratteristiche degli oli isolanti a base di esteri vegetali, sviluppare standard nazionali specializzati che coprano materie prime, processi di modifica, prestazioni fondamentali e metodi di prova, definendo chiaramente indicatori chiave come la stabilità all'ossidazione e le prestazioni a bassa temperatura.

Unificare gli standard di funzionamento e manutenzione: istituire standard di funzionamento e manutenzione per i trasformatori ad olio isolante a base di esteri vegetali, tra cui il monitoraggio del funzionamento, la valutazione dell'invecchiamento e i cicli di cambio dell'olio, per guidare il funzionamento e la manutenzione standardizzati nel settore.

Promuovere il riconoscimento degli standard internazionali: rafforzare la cooperazione con organizzazioni come la Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) per promuovere il coordinamento degli standard nazionali e internazionali e migliorare la competitività internazionale dei prodotti di olio isolante a base di esteri vegetali del mio paese.

VI. Prospettive di sviluppo futuro

6.1 Tendenze di sviluppo tecnologico
In futuro, gli oli isolanti a base di esteri vegetali si svilupperanno verso alte prestazioni, multifunzionalità e basso costo. Da un lato, l'integrazione dell'ingegneria genetica e delle nuove tecnologie di modifica consentirà miglioramenti rivoluzionari nelle prestazioni a bassa temperatura e nella stabilità all'ossidazione degli esteri vegetali, rendendoli adatti a tutte le regioni e condizioni operative. D'altra parte, gli oli isolanti a base di esteri vegetali compositi multifunzionali diventeranno un punto caldo di ricerca, come prodotti con funzioni di isolamento, conducibilità termica e antibatteriche, espandendo ulteriormente gli scenari applicativi. Inoltre, si prevede che la combinazione di esteri vegetali e nanomateriali consenta l'ottimizzazione sinergica delle prestazioni dielettriche e di dissipazione del calore.

6.2 Prospettive di promozione del mercato

Con il continuo inasprimento delle politiche ambientali e il rapido sviluppo della nuova energia, si prevede che il tasso di penetrazione nel mercato dell'olio isolante a base di esteri vegetali nei trasformatori di media e alta tensione supererà il 30% entro il 2030. I sottosettori come i prodotti a bassa temperatura per le regioni ad alta latitudine e i prodotti personalizzati per le centrali elettriche a nuova energia registreranno una rapida crescita. Allo stesso tempo, con la diminuzione dei costi, la sua applicazione si espanderà gradualmente dagli scenari di fascia alta alle normali reti di distribuzione dell'energia, formando una tendenza di promozione su larga scala.

6.3 Raccomandazioni per lo sviluppo collaborativo del settore

Profonda collaborazione industria-università-ricerca: incoraggiare università, istituti di ricerca e imprese a collaborare per affrontare le tecnologie fondamentali, istituire basi di produzione su scala pilota e accelerare la trasformazione dei risultati tecnologici;

Supporto politico preciso: raccomandare l'introduzione di politiche di sussidio per sostenere la ricerca e lo sviluppo e l'applicazione dimostrativa dell'olio isolante a base di esteri vegetali, includendolo nell'elenco degli acquisti di apparecchiature di energia verde per guidare la domanda del mercato;

Scambio e divulgazione del settore: rafforzare lo scambio tecnico e la promozione attraverso mostre del settore, seminari tecnici e altre forme per migliorare la comprensione del settore dell'olio isolante a base di esteri vegetali e promuovere lo sviluppo collaborativo dell'intera catena del settore.

In conclusione, l'olio isolante a base di esteri vegetali, in quanto nuovo tipo di materiale isolante ecologico e sicuro, si allinea alla trasformazione verde e a basse emissioni di carbonio dell'industria energetica e ha un enorme potenziale applicativo nei trasformatori di media e alta tensione. Attualmente, sebbene si trovi ad affrontare molteplici sfide in termini di tecnologia, costi e standard, con scoperte nelle tecnologie di modifica, miglioramenti nella catena di approvvigionamento e un solido quadro politico, l'olio isolante a base di esteri vegetali sostituirà inevitabilmente gradualmente l'olio isolante minerale e diventerà la scelta principale per l'olio isolante nei trasformatori di media e alta tensione. L'intero settore deve collaborare per superare le difficoltà tecniche, migliorare l'ecosistema industriale e promuovere congiuntamente l'industria energetica verso uno sviluppo più sicuro, più ecologico e più sostenibile.