中高圧変圧器は送配電システムの中核となる機器であり、その安全で安定した動作は電力網の信頼性とエネルギー供給の継続に直接影響します。絶縁油は変圧器の中核部品であり、絶縁、放熱、消弧に重要な役割を果たしています。鉱物絶縁油は、その成熟した製造プロセスと安定した誘電特性により、長い間、中電圧および高電圧変圧器絶縁油の市場を独占してきました。しかし、世界的な環境意識の高まりと「デュアルカーボン」目標の推進に伴い、鉱物絶縁油の再生不可能な性質、生分解性の低さ、安全事故につながりやすい発火点の低さなどの欠点がますます顕著になり、都市中心部、高層ビル、新エネルギー発電所、化学工業団地などのデリケートなシナリオでの用途が大幅に制限されています。
再生可能な植物油から作られた植物ベースのエステル絶縁油は、高い発火点、容易な生分解性、環境に優しいなどの自然な利点を備えており、中電圧および高圧変圧器絶縁油の重要な代替品となっています。近年、国内外の学界や産業界において、植物由来のエステル絶縁油の改質技術、相溶性の最適化、工学的応用などについて広範な研究と実践が行われています。このホワイトペーパーでは、植物エステル絶縁油の現在の技術開発状況、コア性能特性、中電圧および高電圧変圧器における応用慣行、既存のボトルネック、および将来の傾向を系統的にレビューしています。この規格は、電力業界、製造企業、研究機関、政策立案部門に権威ある参考資料を提供し、中高圧変圧器分野における植物エステル絶縁油の大規模かつ標準化された適用を促進することを目的としています。
I. 業界概要と開発背景
1.1 中高圧変圧器絶縁油市場の現状
現在、世界の中高電圧変圧器絶縁油市場は依然として鉱物絶縁油が独占しており、市場の85%以上を占めています。鉱物絶縁油は石油精製から得られ、技術が成熟しており低コストですが、環境や安全性の点で大きな欠点があります。電力産業の事故に関する統計によると、過去5年間、世界で毎年100件以上の変圧器油漏れによる土壌・水質汚染事故が発生しており、1件の汚染修復費用は数百万元に達している。同時に、鉱物絶縁油の引火点は 160 ～ 180℃ しかないため、過負荷運転や機器の老朽化により過熱や火災が発生しやすくなり、多大な経済的損失を引き起こします。
新エネルギー発電の急速な発展に伴い、風力発電、太陽光発電、その他の発電所は主に生態学的に敏感な地域に設置されており、都市の配電ネットワークは高密度化とコンパクト化を目指して発展しており、環境保護と変圧器絶縁油の安全性の要件が継続的に向上しています。このような状況を背景に、植物系エステル絶縁油や合成エステル絶縁油など、環境に配慮した絶縁油の市場需要は年々高まっています。中でも植物由来のエステル絶縁油は、再生可能な原料と比較的制御可能な生産コストにより特に大きな成長を遂げており、2020年から2024年の世界市場規模の年平均成長率は15％を超えています。
1.2 政策とテクノロジーの推進力
政策レベルでは、多くの国が絶縁油のアップグレードを促進するための環境規制を導入しています。 EU の廃電気電子機器指令と化学物質の登録、評価、認可および制限に関する規制では、高汚染絶縁油の使用を明確に制限し、電気機器には生分解性絶縁材料の使用を優先することが求められています。中国の「第 14 次省エネ・排出削減 5 か年計画」と「電力産業のグリーン・低炭素行動計画」でも、環境に優しい電気機器や支持材料の促進が奨励されており、植物由来のエステル絶縁油の使用に対する政策支援が提供されています。
技術レベルでは、植物油の精製および改質技術における画期的な進歩により、植物ベースのエステル絶縁油の産業応用の基礎が築かれました。初期のプラントエステル絶縁油は、粘度が高く、低温流動性が低いため、中電圧および高圧変圧器に適応するのが困難でした。しかし、脱ガム、脱酸、水素化、エステル交換などの改質処理を経た後、その重要な特性は大幅に改善され、中電圧および高電圧変圧器の長期動作要件を徐々に満たしています。同時に、変圧器製造プロセスの最適化により、植物エステル絶縁油を適応させるための設備条件も提供されました。
II.植物エステル絶縁油の調製と主要な特性
2.1 原材料と製造工程
2.1.1 コア原材料
植物エステル絶縁油の原料は再生可能な植物油が主で、大豆油、菜種油、パーム油、ひまわり油などが主流です。原材料が異なれば、特性も異なり、適用可能なシナリオも異なります。菜種油は供給源が幅広く、私の国の北西部と南西部では安定した供給があり、比較的低コストです。パーム油は飽和脂肪酸が多く熱安定性に優れていますが、低温性能が弱いため、熱帯・亜熱帯地域に適しています。大豆油はバランスの取れた誘電特性を備えており、商業用途で最も広く使用されている原料の 1 つです。さらに、ジャトロファ油や桐油などの非食用植物油も徐々に研究開発分野に参入しており、食用作物との土地争奪を回避し、原材料の持続可能性をさらに向上させることができます。
2.1.2 調製および改質プロセス 植物性エステル絶縁油の基本的な調製プロセスには、原料の前処理、精製、改質、および最終製品の配合が含まれます。原料の前処理では主に油から不純物、水分、コロイドを除去します。精製プロセスでは、脱酸、脱色、脱臭などの手順を通じて、油中の遊離脂肪酸や有害物質の含有量を減らします。コア改質プロセスは、植物油の固有の欠陥に対処することで植物油の性能を最適化します。主流のテクノロジーには次のようなものがあります。
水素添加修飾：水素添加反応により脂肪酸鎖の飽和度を高めると酸化安定性が向上しますが、粘度の増加につながる過剰な水素添加を避けるために水素添加の程度を制御する必要があります。
エステル交換変性：メタノールやエタノールなどのアルコールを用いて植物油とエステル交換反応を行うことにより、分子構造を調整し、粘度を下げ、低温流動性を向上させます。
複合改質: 水素化技術とエステル交換技術を組み合わせて、酸化安定性と低温性能を同時に最適化することが、現在主流の工業用改質ソリューションです。
Ⅲ．中高圧変圧器における植物性エステル絶縁油の使用実践
3.1 アプリケーションシナリオの適応性分析
中電圧および高電圧変圧器のさまざまな用途シナリオにより、絶縁油にはさまざまな性能要件が課されます。植物性エステル絶縁油は、安全性と環境保護の利点を備えており、次の主要なシナリオで優れた適応性を示します。
都市中心部と高層ビル: これらのシナリオは、人口密度、設備の集中、火災と汚染に関連する高いリスクとコストが特徴です。植物由来のエステル絶縁油は引火点が高いため、変圧器の複雑な耐火設備や絶縁設備が不要となり、床面積が削減され、都市配電網のコンパクトなレイアウトに適応します。
新エネルギー発電所: 風力発電所や太陽光発電所は、草原や山などの生態学的に敏感な地域に設置されることがよくあります。植物由来のエステル系絶縁油は生分解性が高く、油漏れによる生態環境への悪影響を防止し、新エネルギー発電所の頻繁な発停や大きな負荷変動に適しています。
化学工業団地と鉱山: 化学工業団地には可燃性および爆発性の媒体が含まれており、採掘環境は複雑です。植物由来のエステル系絶縁油は安全性が高く、機器の稼働リスクを軽減し、耐汚染性に優れているため過酷な使用環境にも適しています。
海中および遠隔地での送電: 海底地域の変圧器と遠隔地にある配電変圧器の保守は困難です。植物由来のエステル絶縁油は安定性と環境に優しいため、漏洩後のメンテナンスコストを削減し、機器の運用とメンテナンスの効率を向上させることができます。
3.2 国内外の典型的な応用例
3.2.1 国内の場合
地方送電網内の 220kV スマート変電所：大豆由来の植物由来エステル絶縁油を使用した変圧器 2 台が 2022 年に稼働し、2 年以上安定して稼働しています。モニタリングデータによると、同容量の鉱油変圧器に比べて変圧器油温が平均3～5℃低く、絶縁紙の劣化速度が遅く、部分放電などの異常も見られず、変電所の高負荷運転に適しています。大型太陽光発電所の35kVボックス型変圧器：この発電所は草原生態保護区に位置しています。 2023 年に、パームベースの変性植物性エステル絶縁油を使用した変圧器のバッチが交換されました。この間に軽度のオイル漏れが1回発生した。自然劣化後、漏洩地域の土壌には生態学的異常は観察されず、環境上の利点が証明されました。
3.2.2 国際的な事例
ドイツの都市の 110kV 配電網: 2020 年から、都市の中核地域の変圧器は段階的に菜種油ベースの絶縁油に置き換えられました。 2024 年までに 50 台以上が稼働しました。鉱油変圧器に比べて火災危険率が80％減少し、メンテナンスコストも15％削減されました。
米国の洋上風力発電プロジェクトの 66kV 変圧器: 海洋の高湿度および高塩水噴霧環境に適した複合変性植物エステル絶縁油を使用しており、その誘電性能は 3 年間の運転期間にわたって安定しており、絶縁劣化の問題は観察されませんでした。
3.3 アプリケーションにおける機器の適応と調整
植物性エステル絶縁油は鉱物性絶縁油に比べて粘度が高くなります。中電圧および高電圧の変圧器で使用する場合は、動作効率を確保するために、機器の的を絞った適応と調整が必要です。
放熱システムの最適化: ラジエーター面積を増やすか、強制空冷装置をアップグレードして、放熱効率を向上させ、高粘度による放熱不良を回避します。
シール材の適応: 植物性エステルは一部のゴム製シール材の膨潤を引き起こす可能性があるため、油漏れを防ぐためにフッ素ゴムやシリコーンゴムなどの耐エステル性材料に交換する必要があります。
絶縁構造の調整：植物性エステルと絶縁紙の誘電率の適合性を利用して、巻線の絶縁間隔設計を最適化し、絶縁システムの信頼性をさらに向上させます。
IV.既存の技術的なボトルネックと課題
4.1 コア技術の欠点
不十分な低温性能: ほとんどの植物ベースのエステル絶縁油は、-20℃以下で結晶化したり、粘度が急激に上昇したりして、変圧器の低温での起動や動作に影響を与えます。このため、高緯度の寒冷地域での普及は制限されています。
酸化安定性には改善の必要性: 植物エステル中の不飽和脂肪酸は酸化しやすく、酸、コロイド、その他の生成物を生成し、絶縁紙の劣化を促進し、変圧器の寿命を縮めます。添加剤によってこれを軽減することはできますが、長期的な安定性についてはまだ検証が必要です。
大規模な生産プロセスには改善が必要: 改質プロセスでの濃度制御が難しく、鉱物油と比較して異なるバッチ間の性能の大きな変動が生じます。さらに、高純度の原料供給は農業の生産サイクルに影響され、安定性が十分ではありません。
4.2 市場とコストの制約
現在、植物由来のエステル系絶縁油の製造コストは鉱物系絶縁油の約２～３倍となっている。このコスト高により、中電圧および高圧変圧器市場での普及率が低下します。また、鉱物性絶縁油のサプライチェーンは成熟している一方、植物性エステル系絶縁油については、原料調達、改質加工、保管、輸送などのサプライチェーン体制がまだ十分に成熟しておらず、大規模な推進の妨げとなっている。 4.3 遅れている規格と仕様
植物性エステル絶縁油の規格は、国内でも海外でも不完全なままです。現在の中国の基準は主に鉱物油基準を参照しており、植物性エステルの特性を完全に反映していません。国際規格には特定の仕様が含まれていますが、地域ごとの大きな違いにより、製品の互換性や相互認識が不十分になり、国境を越えたアプリケーションや技術交流が妨げられます。さらに、植物性エステル絶縁油変圧器の運転保守基準や経年劣化評価方法はまだ検討段階にあり、統一的な指針がありません。
V. 技術最適化の方向性と解決策
5.1 性能最適化技術の開発
新規修飾技術のブレークスルー: 植物エステルの分子構造を調整し、酸化安定性と低温性能の両方を改善するための触媒異性化や遺伝子組み換えなどの新技術を開発します。たとえば、異性化反応により不飽和脂肪酸を分岐構造に変換し、凝固点を-30℃以下に下げることができます。
高効率添加剤の開発: 酸化反応を抑制し、絶縁紙への悪影響を軽減できる特殊な複合酸化防止剤と流動点降下剤を開発します。現在、含窒素複素環酸化防止剤は優れた相乗的抗酸化効果を実証しています。
非食用原料の開発: 食用油への依存を減らすために、麻の実油や中国産ピスターシュ油などの非食用植物油の研究開発努力を強化します。同時に、遺伝子育種技術により多収・高純度の特殊原料作物を栽培します。
5.2 コスト管理パス
プロセスコストの削減: プロセスを最適化および変更し、生産効率を向上させるために連続エステル交換装置を導入するなどして生産フローを簡素化します。製造プロセスからの副産物をリサイクルして、原材料のロスを削減します。
サプライチェーンの統合: 原材料の植え付け、加工、生産を含む統合されたサプライチェーンを確立します。原材料価格を安定させるために農業基地と長期協力協定を締結する。原材料の輸送コストを削減するために地域化された生産を促進します。
大規模な効果放出：市場浸透率の向上に伴い、研究開発費や設備の減価償却費を償却するために生産規模を拡大し、鉱物絶縁油との価格差を徐々に縮めます。
5.3 標準システムを改善するための推奨事項
特化した規格の開発：植物由来のエステル絶縁油の特性に基づいて、原材料、改質プロセス、コア性能、試験方法をカバーする特化した国家規格を開発し、酸化安定性や低温性能などの重要な指標を明確に定義します。
運用および保守基準の統一: プラントベースのエステル絶縁油変圧器の運用および保守基準を確立します。これには、動作監視、経年劣化評価、オイル交換サイクルが含まれ、業界での標準化された運用および保守の指針となります。
国際規格の認知促進：国際電気標準会議（IEC）などの機関との協力を強化し、国内規格と国際規格の調整を促進し、我が国の植物由来エステル絶縁油製品の国際競争力を強化する。
VI.今後の展開の見通し
6.1 技術開発動向
今後、植物性エステル系絶縁油は高性能化、多機能化、低コスト化を目指して発展していきます。一方で、遺伝子工学と新しい修飾技術の統合により、植物エステルの低温性能と酸化安定性が画期的に向上し、あらゆる地域や使用条件に適したものになります。一方、植物由来の多機能複合エステル系絶縁油は、絶縁性、熱伝導性、抗菌性などの機能を備えた製品など、研究のホットスポットとなり、応用シーンはさらに拡大すると考えられます。さらに、植物エステルとナノマテリアルの組み合わせにより、誘電性能と熱放散性能の相乗的な最適化が達成されることが期待されます。
6.2 市場促進の見通し
環境政策の継続的な強化と新エネルギー電力の急速な開発により、中高圧変圧器における植物由来エステル絶縁油の市場普及率は2030年までに30%を超えると予想されています。高緯度地域向けの低温製品や新エネルギー発電所向けのカスタマイズ製品などのサブセクターは急速な成長を遂げると予想されます。同時に、コストが低下するにつれて、その用途はハイエンドのシナリオから通常の配電ネットワークまで徐々に拡大し、大規模な普及傾向が形成されます。
6.3 業界共同開発に関する推奨事項
産学研究の緊密な連携：大学、研究機関、企業が共同でコア技術に取り組み、試験規模の生産拠点を確立し、技術成果の変革を加速することを奨励する。
的確な政策支援：植物由来エステル絶縁油の研究開発と実証応用を支援する補助金政策の導入を推奨するとともに、市場需要を誘導するグリーン電力機器調達リストに植物由来エステル絶縁油を含める。
業界交流と普及：植物由来エステル絶縁油に対する業界の理解を高め、業界チェーン全体の共同発展を促進するため、業界展示会、技術セミナー、その他の形式を通じて技術交流と宣伝を強化する。
結論として、植物ベースのエステル絶縁油は、環境に優しく安全な新しいタイプの絶縁材料として、電力業界のグリーン化と低炭素化に適合しており、中電圧および高圧変圧器に大きな応用の可能性を秘めています。現在、技術、コスト、規格の面で複数の課題に直面しているものの、改質技術の進歩、サプライチェーンの改善、健全な政策枠組みにより、植物由来のエステル絶縁油が徐々に鉱物絶縁油に取って代わり、中高圧変圧器の絶縁油の主流の選択肢となることは避けられません。業界全体が協力して技術的困難を克服し、産業エコシステムを改善し、より安全で、より環境に優しく、より持続可能な発展に向けて電力産業を共同で促進する必要があります。
