중·고압 변압기는 전력 전송 및 배전 시스템의 핵심 장비이며, 안전하고 안정적인 작동은 전력망의 신뢰성과 에너지 공급의 연속성에 직접적인 영향을 미칩니다. 절연유는 변압기의 핵심 구성 요소로서 절연, 방열 및 아크 소화에 중요한 역할을 합니다. 오랫동안 광물성 절연유는 성숙된 제조 공정과 안정적인 유전 특성으로 인해 중·고압 변압기 절연유 시장을 지배해 왔습니다. 그러나 전 세계적인 환경 의식 증가와 '탄소 중립' 목표의 진전에 따라, 광물성 절연유는 재생 불가능성, 낮은 생분해성, 낮은 인화점 등 안전 사고를 유발하기 쉬운 결함이 점점 더 두드러지면서 도시 핵심 지역, 고층 건물, 신재생 에너지 발전소, 화학 공업 단지 등 민감한 시나리오에서의 적용을 심각하게 제한하고 있습니다.
재생 가능한 식물성 오일로 만들어진 식물성 에스테르 절연유는 높은 인화점, 용이한 생분해성, 환경 친화성 등 자연적인 장점을 가지고 있어 중·고압 변압기 절연유의 중요한 대안이 되고 있습니다. 최근 몇 년 동안 국내외 학계 및 산업계는 식물성 에스테르 절연유의 개질 기술, 호환성 최적화 및 엔지니어링 적용에 대한 광범위한 연구와 실천을 수행해 왔습니다. 본 백서는 식물성 에스테르 절연유의 현재 기술 개발 현황, 핵심 성능 특성, 중·고압 변압기에서의 적용 사례, 기존 병목 현상 및 미래 동향을 체계적으로 검토합니다. 이는 전력 산업, 제조 기업, 연구 기관 및 정책 결정 부서에 권위 있는 참고 자료를 제공하고, 중·고압 변압기 분야에서 식물성 에스테르 절연유의 대규모 및 표준화된 적용을 촉진하는 것을 목표로 합니다.
I. 산업 개요 및 개발 배경
1.1 중·고압 변압기 절연유 시장 현황
현재 전 세계 중·고압 변압기 절연유 시장은 여전히 광물성 절연유가 지배하고 있으며, 시장의 85% 이상을 차지합니다. 광물성 절연유는 석유 정제에서 파생되며, 성숙된 기술과 저렴한 비용을 가지고 있지만, 생태 및 안전 측면에서 상당한 단점을 가지고 있습니다. 전력 산업 사고 통계에 따르면, 지난 5년 동안 전 세계적으로 변압기 오일 누출로 인한 토양 및 수질 오염 사고가 매년 100건 이상 발생했으며, 단일 오염 복구 비용은 수백만 위안에 달합니다. 동시에 광물성 절연유는 인화점이 160-180℃에 불과하여 과부하 운전 또는 장비 노후화 조건에서 과열 및 화재가 발생하기 쉬우며, 상당한 경제적 손실을 초래합니다.
신재생 에너지 발전의 급속한 발전과 함께 풍력, 태양광 등 발전소는 대부분 생태적으로 민감한 지역에 위치하고 있으며, 도시 전력 배전망은 고밀도 및 소형화 방향으로 발전하면서 변압기 절연유의 환경 보호 및 안전에 대한 요구 사항을 지속적으로 높이고 있습니다. 이러한 배경 속에서 식물성 에스테르 절연유 및 합성 에스테르 절연유와 같은 친환경 절연유에 대한 시장 수요가 매년 증가하고 있습니다. 그중 식물성 에스테르 절연유는 재생 가능한 원자재와 비교적 통제 가능한 생산 비용으로 인해 특히 뚜렷한 성장을 보였으며, 2020년부터 2024년까지 전 세계 시장 규모에서 연평균 15% 이상 성장했습니다.
1.2 정책 및 기술 동인
정책 측면에서 많은 국가가 절연유 업그레이드를 촉진하기 위해 환경 규제를 도입했습니다. EU의 폐전기전자제품 지침 및 화학 물질 등록, 평가, 허가 및 제한 규정은 고오염 절연유의 사용을 명시적으로 제한하고 전기 장비가 생분해성 절연 재료의 사용을 우선시하도록 요구합니다. 중국의 '제14차 5개년 계획 에너지 절약 및 배출 감소' 및 '전력 산업 녹색 저탄소 행동 계획' 또한 친환경 전기 장비 및 지원 재료의 보급을 장려하여 식물성 에스테르 절연유의 적용에 대한 정책적 지원을 제공합니다.
기술적 측면에서 식물성 오일 정제 및 개질 기술의 돌파구는 식물성 에스테르 절연유의 산업적 적용을 위한 기반을 마련했습니다. 초기 식물성 에스테르 절연유는 높은 점도와 낮은 저온 유동성으로 인해 중·고압 변압기에 적응하기 어려웠습니다. 그러나 탈검, 탈산, 수소화 및 에스테르 교환과 같은 개질 처리를 거친 후, 주요 특성이 크게 개선되어 중·고압 변압기의 장기 운전 요구 사항을 점차 충족하고 있습니다. 동시에 변압기 제조 공정의 최적화는 식물성 에스테르 절연유에 적응하기 위한 장비 조건을 제공했습니다.
II. 식물성 에스테르 절연유의 제조 및 핵심 특성
2.1 원자재 및 제조 공정
2.1.1 핵심 원자재
식물성 에스테르 절연유의 원자재는 주로 재생 가능한 식물성 오일이며, 주류 품종에는 대두유, 유채유, 팜유 및 해바라기씨유가 포함됩니다. 서로 다른 원자재는 서로 다른 특성과 적용 시나리오를 가지고 있습니다. 유채유는 광범위한 공급원, 중국 서북 및 서남 지역의 안정적인 공급, 비교적 저렴한 비용을 가지고 있습니다. 팜유는 포화 지방산 함량이 높고 열적 안정성이 뛰어나지만 저온 성능이 약하여 열대 및 아열대 지역에 적합합니다. 대두유는 균형 잡힌 유전 특성을 가지고 있으며 상업적 응용 분야에서 가장 널리 사용되는 원자재 중 하나입니다. 또한, 땅과 식량 작물의 경쟁을 피하고 원자재의 지속 가능성을 더욱 향상시킬 수 있는 자트로파 오일 및 동유와 같은 비식용 식물성 오일이 점차 연구 개발 분야에 진입하고 있습니다.
2.1.2 제조 및 개질 공정 식물성 에스테르 절연유의 기본 제조 공정은 원자재 전처리, 정제, 개질 및 완제품 혼합을 포함합니다. 원자재 전처리는 주로 오일에서 불순물, 수분 및 콜로이드를 제거합니다. 정제 공정은 탈산, 탈색 및 탈취와 같은 단계를 통해 오일의 유리 지방산 및 유해 물질 함량을 줄입니다. 핵심 개질 공정은 고유한 결함을 해결하여 식물성 오일의 성능을 최적화합니다. 주류 기술은 다음과 같습니다.
수소화 개질: 수소화 반응을 통해 지방산 사슬의 포화도를 높여 산화 안정성을 향상시키지만, 과도한 수소화로 인해 점도가 증가하는 것을 방지하기 위해 수소화 정도를 제어해야 합니다.
에스테르 교환 개질: 메탄올 및 에탄올과 같은 알코올을 사용하여 식물성 오일과 에스테르 교환 반응을 거쳐 분자 구조를 조절하고 점도를 줄이며 저온 유동성을 향상시킵니다.
복합 개질: 수소화 및 에스테르 교환 기술을 결합하여 산화 안정성과 저온 성능을 동시에 최적화하는 것이 현재 주류 산업 개질 솔루션입니다.
III. 중·고압 변압기에서 식물성 에스테르 절연유의 적용 사례
3.1 적용 시나리오 적응성 분석
중·고압 변압기의 서로 다른 적용 시나리오는 절연유에 서로 다른 성능 요구 사항을 부과합니다. 식물성 에스테르 절연유는 안전 및 환경 보호의 장점을 통해 다음과 같은 핵심 시나리오에서 상당한 적응성을 보여줍니다.
도시 핵심 지역 및 고층 건물: 이러한 시나리오는 인구 밀집, 장비 집중, 화재 및 오염과 관련된 높은 위험과 비용이 특징입니다. 식물성 에스테르 절연유의 높은 인화점은 변압기에서 복잡한 방화 및 격리 시설의 필요성을 없애고, 바닥 공간을 줄이며, 도시 전력 배전망의 소형 레이아웃에 적응합니다.
신재생 에너지 발전소: 풍력 및 태양광 발전소는 종종 초원 및 산과 같은 생태적으로 민감한 지역에 위치합니다. 식물성 에스테르 절연유의 높은 생분해성은 오일 누출로 인한 생태 환경 손상을 방지하며, 신재생 에너지 발전소의 빈번한 시동-정지 및 큰 부하 변동에 적합합니다.
화학 공업 단지 및 광산: 화학 공업 단지에는 가연성 및 폭발성 매체가 포함되어 있으며, 광산 환경은 복잡합니다. 식물성 에스테르 절연유의 높은 안전성은 장비 작동 위험을 줄이고, 오염에 대한 강한 저항성은 가혹한 작동 환경에 적합합니다.
해저 및 원격 지역 전송: 해저 지역의 변압기 및 원격 지역의 배전 변압기는 유지 보수가 어렵습니다. 식물성 에스테르 절연유의 안정성과 환경 친화성은 누출 후 유지 보수 비용을 줄이고 장비 작동 및 유지 보수 효율성을 향상시킬 수 있습니다.
3.2 국내외 전형적인 적용 사례
3.2.1 국내 사례
지방 전력망의 220kV 스마트 변전소: 2022년에 대두 기반 식물성 에스테르 절연유를 사용하는 두 대의 변압기가 가동되었으며 2년 이상 안정적으로 작동하고 있습니다. 모니터링 데이터에 따르면 변압기 오일 온도는 동일 용량의 광물유 변압기보다 평균 3-5℃ 낮았고, 절연지 노후화 속도가 늦어졌으며, 부분 방전과 같은 이상 현상이 관찰되지 않아 변전소의 고부하 운전 요구 사항에 적합합니다. 대형 태양광 발전소의 35kV 박스형 변압기: 이 발전소는 초원 생태 보호 구역에 위치하고 있습니다. 2023년에는 팜 기반 개질 식물성 에스테르 절연유를 사용하는 변압기 배치가 교체되었습니다. 이 기간 동안 사소한 오일 누출이 한 번 발생했습니다. 자연 분해 후 누출 지역의 토양에서 생태적 이상 현상이 관찰되지 않아 환경적 장점을 입증했습니다.
3.2.2 국제 사례
독일 도시의 110kV 배전망: 2020년부터 도시 핵심 지역의 변압기가 유채유 기반 절연유로 점차 교체되었습니다. 2024년까지 50대 이상이 가동되었습니다. 화재 위험률은 광물유 변압기에 비해 80% 감소했으며, 유지 보수 비용은 15% 감소했습니다.
미국 해상 풍력 발전 프로젝트의 66kV 변압기: 복합 개질 식물성 에스테르 절연유를 사용하여 해상의 높은 습도 및 높은 염분 환경에 적합하며, 3년 이상 작동하는 동안 유전 특성이 안정적으로 유지되었으며, 절연 열화 문제는 관찰되지 않았습니다.
3.3 적용 시 장비 적응 및 조정
식물성 에스테르 절연유는 광물성 절연유보다 점도가 높습니다. 중·고압 변압기에 사용할 경우, 작동 효율성을 보장하기 위해 장비의 목표 적응 및 조정이 필요합니다.
방열 시스템 최적화: 방열 효율을 향상시키고 높은 점도로 인한 열악한 방열을 방지하기 위해 라디에이터 면적을 늘리거나 강제 공기 냉각 장치를 업그레이드합니다.
밀봉 재료 적응: 식물성 에스테르는 일부 고무 밀봉 재료의 팽창을 유발할 수 있으므로, 오일 누출을 방지하기 위해 불소 고무 및 실리콘 고무와 같은 에스테르 내성 재료로 교체해야 합니다.
절연 구조 조정: 식물성 에스테르와 절연지의 유전율 간의 더 나은 일치를 활용하여 권선 절연 간격 설계를 최적화하여 절연 시스템의 신뢰성을 더욱 향상시킵니다.
IV. 기존 기술적 병목 현상 및 과제
4.1 핵심 기술의 단점
저온 성능 부족: 대부분의 식물성 에스테르 절연유는 -20℃ 이하에서 결정화되거나 점도가 급격히 증가하여 변압기의 저온 시동 및 작동에 영향을 미칩니다. 이는 고위도, 추운 지역에서의 보급을 제한합니다.
산화 안정성 개선 필요: 식물성 에스테르의 불포화 지방산은 산화되기 쉬워 절연지 노후화를 가속화하고 변압기 수명을 단축시키는 산, 콜로이드 및 기타 생성물을 생성합니다. 첨가제가 이를 완화할 수 있지만, 장기적인 안정성은 여전히 검증이 필요합니다.
대규모 생산 공정 개선 필요: 개질 공정의 일관성 제어가 어려워 광물유에 비해 서로 다른 배치 간에 상당한 성능 변동이 발생합니다. 또한, 고순도 원자재의 공급은 농업 생산 주기의 영향을 받아 안정성이 부족합니다.
4.2 시장 및 비용 제약
현재 식물성 에스테르 절연유의 생산 비용은 광물성 절연유의 약 2-3배입니다. 이러한 높은 비용은 중·고압 변압기 시장에서의 침투 속도를 늦춥니다. 또한, 광물성 절연유의 공급망은 성숙되어 있지만, 원자재 조달, 개질 가공, 창고 보관 및 운송을 포함한 식물성 에스테르 절연유의 공급망 시스템은 아직 완전히 성숙되지 않아 대규모 보급을 더욱 방해합니다. 4.3 표준 및 사양의 지연
국내외 식물성 에스테르 절연유에 대한 표준은 여전히 불완전합니다. 현재 중국 표준은 광물유 표준을 크게 참조하여 식물성 에스테르의 특성을 완전히 반영하지 못하고 있습니다. 국제 표준은 특정 사양을 포함하지만, 상당한 지역적 차이로 인해 제품 호환성 및 상호 인식이 부족하여 국경 간 적용 및 기술 교류를 방해합니다. 또한, 식물성 에스테르 절연유 변압기의 작동 및 유지 보수 표준 및 노후화 평가 방법은 여전히 탐색 단계에 있으며, 통일된 지침이 부족합니다.
V. 기술 최적화 방향 및 솔루션
5.1 성능 최적화 기술 개발
새로운 개질 기술의 돌파구: 촉매 이성화 및 유전자 변형과 같은 새로운 기술을 개발하여 식물성 에스테르의 분자 구조를 조절하여 산화 안정성과 저온 성능을 모두 향상시킵니다. 예를 들어, 이성화 반응은 불포화 지방산을 분지 구조로 변환하여 어는점을 -30℃ 이하로 낮출 수 있습니다.
고효율 첨가제 개발: 산화 반응을 억제하고 절연지에 대한 부정적인 영향을 줄 수 있는 특수 복합 산화 방지제 및 유동점 강하제를 개발합니다. 현재 질소를 함유한 헤테로고리 산화 방지제가 우수한 상승적 산화 방지 효과를 나타냈습니다.
비식용 원자재 개발: 식용유에 대한 의존도를 줄이기 위해 삼씨유 및 피스타치오 오일과 같은 비식용 식물성 오일에 대한 연구 개발 노력을 늘립니다. 동시에 유전자 육종 기술을 통해 고수율, 고순도 특수 원자재 작물을 재배합니다.
5.2 비용 관리 경로
공정 비용 절감: 공정을 최적화하고 수정하며, 생산 흐름을 단순화합니다. 예를 들어, 연속 에스테르 교환 장치를 채택하여 생산 효율성을 향상시키고, 생산 공정에서 부산물을 재활용하여 원자재 손실을 줄입니다.
공급망 통합: 원자재 재배, 가공 및 생산을 포괄하는 통합 공급망을 구축합니다. 원자재 가격을 안정시키기 위해 농업 기지와 장기 협력 계약을 체결합니다. 원자재 운송 비용을 줄이기 위해 지역화된 생산을 촉진합니다.
대규모 효과 발휘: 시장 침투가 증가함에 따라 생산 규모를 확대하여 연구 개발 및 장비 감가상각 비용을 분산시키고, 광물성 절연유와의 가격 격차를 점차 좁힙니다.
5.3 표준 시스템 개선을 위한 권장 사항
특수 표준 개발: 식물성 에스테르 절연유의 특성을 기반으로 원자재, 개질 공정, 핵심 성능 및 테스트 방법을 포함하는 특수 국가 표준을 개발하여 산화 안정성 및 저온 성능과 같은 주요 지표를 명확하게 정의합니다.
작동 및 유지 보수 표준 통일: 식물성 에스테르 절연유 변압기에 대한 작동 및 유지 보수 표준을 설정하여 작동 모니터링, 노후화 평가 및 오일 교환 주기를 포함하여 업계의 표준화된 작동 및 유지 보수를 안내합니다.
국제 표준 인식 촉진: 국제전기기술위원회(IEC)와 같은 기관과의 협력을 강화하여 국내외 표준의 조정을 촉진하고 중국의 식물성 에스테르 절연유 제품의 국제 경쟁력을 강화합니다.
VI. 미래 개발 전망
6.1 기술 개발 동향
미래에는 식물성 에스테르 절연유가 고성능, 다기능성 및 저비용 방향으로 발전할 것입니다. 한편, 유전 공학 및 새로운 개질 기술의 통합은 식물성 에스테르의 저온 성능 및 산화 안정성에서 획기적인 개선을 달성하여 모든 지역 및 작동 조건에 적합하게 만들 것입니다. 다른 한편, 절연, 열전도성 및 항균 기능을 갖춘 제품과 같은 다기능 복합 식물성 에스테르 절연유가 연구 핫스팟이 되어 적용 시나리오를 더욱 확장할 것입니다. 또한, 식물성 에스테르와 나노 물질의 조합은 유전 및 방열 성능의 시너지 효과를 달성할 것으로 예상됩니다.
6.2 시장 촉진 전망
환경 정책의 지속적인 강화와 신재생 에너지 전력의 급속한 발전에 따라, 중·고압 변압기에서 식물성 에스테르 절연유의 시장 침투율은 2030년까지 30%를 초과할 것으로 예상됩니다. 고위도 지역을 위한 저온 제품 및 신재생 에너지 발전소를 위한 맞춤형 제품과 같은 하위 부문은 급속한 성장을 경험할 것입니다. 동시에, 비용이 감소함에 따라, 그 적용은 고급 시나리오에서 일반 전력 배전망으로 점차 확대되어 대규모 보급 추세를 형성할 것입니다.
6.3 산업 협력 개발 권장 사항
심층적인 산학연 협력: 대학, 연구 기관 및 기업이 핵심 기술을 공동으로 해결하고, 파일럿 규모의 생산 기지를 구축하며, 기술 성과의 전환을 가속화하도록 장려합니다.
정확한 정책 지원: 식물성 에스테르 절연유의 연구 개발 및 시범 적용을 지원하기 위한 보조금 정책의 도입을 권장하는 동시에, 시장 수요를 유도하기 위해 녹색 전력 장비 조달 목록에 포함합니다.
산업 교류 및 대중화: 산업 전시회, 기술 세미나 및 기타 형태를 통해 기술 교류 및 홍보를 강화하여 식물성 에스테르 절연유에 대한 업계의 이해를 높이고 전체 산업 체인의 협력 개발을 촉진합니다.
결론적으로, 식물성 에스테르 절연유는 친환경적이고 안전한 새로운 유형의 절연 재료로서 전력 산업의 녹색 및 저탄소 전환에 부합하며 중·고압 변압기에서 엄청난 적용 잠재력을 가지고 있습니다. 현재 기술, 비용 및 표준에서 여러 과제에 직면하고 있지만, 개질 기술의 돌파구, 공급망 개선 및 건전한 정책 프레임워크를 통해 식물성 에스테르 절연유는 필연적으로 광물성 절연유를 점차 대체하고 중·고압 변압기에서 절연유의 주류 선택이 될 것입니다. 전체 산업은 기술적 어려움을 극복하고, 산업 생태계를 개선하며, 전력 산업을 더욱 안전하고, 환경 친화적이며, 지속 가능한 개발로 함께 추진해야 합니다.
