Transformatory średniego i wysokiego napięcia są kluczowym wyposażeniem w systemie przesyłu i dystrybucji energii, a ich bezpieczna i stabilna praca bezpośrednio wpływa na niezawodność sieci energetycznej i ciągłość dostaw energii. Olej izolacyjny, jako kluczowy składnik transformatorów, odgrywa zasadniczą rolę w izolacji, rozpraszaniu ciepła i gaszeniu łuku elektrycznego. Przez długi czas olej mineralny dominował na rynku olejów izolacyjnych do transformatorów średniego i wysokiego napięcia ze względu na dojrzały proces produkcji i stabilne właściwości dielektryczne. Jednak wraz ze wzrostem globalnej świadomości ekologicznej i postępem w realizacji celu „podwójnego węgla”, wady oleju mineralnego, takie jak jego niemożliwość odnowienia, niska biodegradowalność i niski punkt zapłonu, który łatwo prowadzi do wypadków, stają się coraz bardziej widoczne, poważnie ograniczając jego zastosowanie w wrażliwych scenariuszach, takich jak centra miast, wysokie budynki, elektrownie odnawialnych źródeł energii i parki przemysłu chemicznego.
Roślinny olej estrowy, wytwarzany z odnawialnych olejów roślinnych, posiada naturalne zalety, takie jak wysoki punkt zapłonu, łatwa biodegradowalność i przyjazność dla środowiska, co czyni go ważną alternatywą dla oleju izolacyjnego do transformatorów średniego i wysokiego napięcia. W ostatnich latach krajowe i międzynarodowe środowiska akademickie i przemysłowe prowadzą szeroko zakrojone badania i praktyki nad technologią modyfikacji, optymalizacją kompatybilności i zastosowaniami inżynieryjnymi roślinnego oleju estrowego. Niniejsza biała księga systematycznie omawia aktualny stan rozwoju technologicznego, kluczowe cechy wydajności, praktyki zastosowań w transformatorach średniego i wysokiego napięcia, istniejące wąskie gardła i przyszłe trendy roślinnego oleju estrowego. Ma na celu dostarczenie autorytatywnego odniesienia dla branży energetycznej, przedsiębiorstw produkcyjnych, instytucji badawczych i działów decyzyjnych oraz promowanie szerokiego i ustandaryzowanego zastosowania roślinnego oleju estrowego w dziedzinie transformatorów średniego i wysokiego napięcia.
I. Przegląd branży i tło rozwoju
1.1 Aktualny stan rynku olejów izolacyjnych do transformatorów średniego i wysokiego napięcia
Obecnie globalny rynek olejów izolacyjnych do transformatorów średniego i wysokiego napięcia jest nadal zdominowany przez olej mineralny, stanowiący ponad 85% rynku. Olej mineralny pochodzi z rafinacji ropy naftowej, charakteryzuje się dojrzałą technologią i niskim kosztem, ale ma znaczne wady pod względem ekologii i bezpieczeństwa. Według statystyk dotyczących wypadków w branży energetycznej, w ciągu ostatnich pięciu lat każdego roku na świecie dochodziło do ponad 100 incydentów zanieczyszczenia gleby i wody spowodowanych wyciekami oleju z transformatorów, a pojedyncze koszty rekultywacji zanieczyszczeń sięgały milionów juanów. Jednocześnie olej mineralny ma temperaturę zapłonu wynoszącą zaledwie 160-180°C, co sprawia, że jest podatny na przegrzanie i pożary w warunkach przeciążenia lub starzenia się sprzętu, powodując znaczne straty ekonomiczne.
Wraz z szybkim rozwojem wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych, elektrownie wiatrowe, fotowoltaiczne i inne są w większości zlokalizowane w obszarach wrażliwych ekologicznie, a miejskie sieci dystrybucji energii rozwijają się w kierunku dużej gęstości i zwartości, stale podnosząc wymagania dotyczące ochrony środowiska i bezpieczeństwa olejów izolacyjnych do transformatorów. W tym kontekście z roku na rok rośnie zapotrzebowanie rynkowe na przyjazne dla środowiska oleje izolacyjne, takie jak roślinne oleje estrowe i syntetyczne oleje estrowe. Wśród nich roślinne oleje estrowe odnotowały szczególnie znaczny wzrost ze względu na odnawialne surowce i stosunkowo kontrolowane koszty produkcji, ze średnim rocznym wskaźnikiem wzrostu przekraczającym 15% w globalnej wielkości rynku w latach 2020-2024.
1.2 Czynniki polityczne i technologiczne
Na poziomie politycznym wiele krajów wprowadziło regulacje środowiskowe w celu promowania modernizacji olejów izolacyjnych. Dyrektywa UE w sprawie zużytego sprzętu elektrycznego i elektronicznego oraz Rozporządzenie w sprawie rejestracji, oceny, udzielania zezwoleń i ograniczeń w zakresie chemikaliów wyraźnie ograniczają stosowanie wysoce zanieczyszczających olejów izolacyjnych i wymagają, aby urządzenia elektryczne priorytetowo wykorzystywały biodegradowalne materiały izolacyjne. Chiński „14. Plan Pięcioletni dotyczący oszczędności energii i redukcji emisji” oraz „Zielony i niskoemisyjny plan działania dla branży energetycznej” również zachęcają do promowania przyjaznego dla środowiska sprzętu elektrycznego i materiałów pomocniczych, zapewniając wsparcie polityczne dla stosowania roślinnych olejów estrowych.
Na poziomie technologicznym przełomy w technologiach rafinacji i modyfikacji olejów roślinnych położyły podwaliny pod przemysłowe zastosowanie roślinnych olejów estrowych. Wczesne roślinne oleje estrowe były trudne do dostosowania do transformatorów średniego i wysokiego napięcia ze względu na ich wysoką lepkość i słabą płynność w niskich temperaturach. Jednak po obróbkach modyfikacyjnych, takich jak odgumowanie, odkwaszanie, uwodornienie i transestryfikacja, ich kluczowe właściwości zostały znacznie poprawione, stopniowo spełniając wymagania długotrwałego działania transformatorów średniego i wysokiego napięcia. Jednocześnie optymalizacja procesów produkcji transformatorów zapewniła również warunki sprzętowe do adaptacji roślinnych olejów estrowych.
II. Przygotowanie i kluczowe cechy roślinnych olejów estrowych
2.1 Surowce i proces przygotowania
2.1.1 Kluczowe surowce
Surowcami do roślinnych olejów estrowych są głównie odnawialne oleje roślinne, a do najpopularniejszych odmian należą olej sojowy, olej rzepakowy, olej palmowy i olej słonecznikowy. Różne surowce mają różne właściwości i scenariusze zastosowań. Olej rzepakowy ma szeroki zakres źródeł, stabilne zaopatrzenie w północno-zachodniej i południowo-zachodniej części mojego kraju oraz stosunkowo niski koszt. Olej palmowy ma wysoką zawartość nasyconych kwasów tłuszczowych i wyjątkową stabilność termiczną, ale słabą wydajność w niskich temperaturach, co czyni go odpowiednim dla regionów tropikalnych i subtropikalnych. Olej sojowy ma zrównoważone właściwości dielektryczne i jest jednym z najczęściej stosowanych surowców w zastosowaniach komercyjnych. Ponadto niejadalne oleje roślinne, takie jak olej z jatrofy i olej tungowy, stopniowo wchodzą w obszar badań i rozwoju, co może uniknąć konkurowania z uprawami spożywczymi o ziemię i dodatkowo poprawić zrównoważony rozwój surowców.
2.1.2 Procesy przygotowania i modyfikacji Podstawowy proces przygotowania roślinnego oleju estrowego obejmuje wstępną obróbkę surowców, rafinację, modyfikację i mieszanie gotowego produktu. Wstępna obróbka surowców polega głównie na usuwaniu z oleju zanieczyszczeń, wilgoci i koloidów; proces rafinacji zmniejsza zawartość wolnych kwasów tłuszczowych i szkodliwych substancji w oleju poprzez takie etapy, jak odkwaszanie, odbarwianie i dezodoryzacja; kluczowy proces modyfikacji optymalizuje wydajność olejów roślinnych poprzez rozwiązanie ich inherentnych wad. Główne technologie obejmują:
Modyfikacja uwodornieniem: Zwiększenie nasycenia łańcuchów kwasów tłuszczowych poprzez reakcje uwodornienia poprawia stabilność oksydacyjną, ale stopień uwodornienia musi być kontrolowany, aby uniknąć nadmiernego uwodornienia prowadzącego do zwiększenia lepkości;
Modyfikacja transestryfikacją: Wykorzystanie alkoholi, takich jak metanol i etanol, do reakcji transestryfikacji z olejami roślinnymi dostosowuje strukturę molekularną, zmniejsza lepkość i poprawia płynność w niskich temperaturach;
Modyfikacja kompozytowa: Połączenie technologii uwodornienia i transestryfikacji w celu jednoczesnej optymalizacji stabilności oksydacyjnej i wydajności w niskich temperaturach jest obecnie głównym przemysłowym rozwiązaniem modyfikacyjnym.
III. Praktyka stosowania roślinnego oleju estrowego w transformatorach średniego i wysokiego napięcia
3.1 Analiza adaptacji do scenariuszy zastosowań
Różne scenariusze zastosowań transformatorów średniego i wysokiego napięcia nakładają różne wymagania dotyczące wydajności olejów izolacyjnych. Roślinny olej estrowy, dzięki swoim zaletom w zakresie bezpieczeństwa i ochrony środowiska, wykazuje znaczną adaptację w następujących kluczowych scenariuszach:
Centra miast i wysokie budynki: Scenariusze te charakteryzują się dużą gęstością zaludnienia, skoncentrowanym sprzętem oraz wysokim ryzykiem i kosztami związanymi z pożarem i zanieczyszczeniem. Wysoki punkt zapłonu roślinnego oleju estrowego eliminuje potrzebę stosowania złożonych urządzeń przeciwpożarowych i izolacyjnych w transformatorach, zmniejszając powierzchnię zabudowy i dostosowując się do zwartego układu miejskich sieci dystrybucji energii.
Nowe elektrownie energetyczne: Elektrownie wiatrowe i fotowoltaiczne często znajdują się w obszarach wrażliwych ekologicznie, takich jak łąki i góry. Wysoka biodegradowalność roślinnego oleju estrowego zapobiega uszkodzeniu środowiska ekologicznego przez wycieki oleju i jest odpowiednia dla częstych uruchomień i zatrzymań oraz dużych wahań obciążenia nowych elektrowni energetycznych.
Parki przemysłu chemicznego i kopalnie: Parki przemysłu chemicznego zawierają łatwopalne i wybuchowe media, a środowiska górnicze są złożone. Wysokie bezpieczeństwo roślinnego oleju estrowego zmniejsza ryzyko eksploatacji sprzętu, a jego duża odporność na zanieczyszczenia sprawia, że nadaje się do trudnych warunków eksploatacji.
Przesyłanie w obszarach podmorskich i odległych: Transformatory w obszarach podmorskich i transformatory dystrybucyjne w odległych obszarach są trudne do utrzymania. Stabilność i przyjazność dla środowiska roślinnego oleju estrowego mogą zmniejszyć koszty konserwacji po wyciekach i poprawić efektywność eksploatacji i konserwacji sprzętu.
3.2 Typowe przypadki zastosowań w kraju i za granicą
3.2.1 Przypadek krajowy
Inteligentna podstacja 220 kV w prowincjonalnej sieci energetycznej: Dwa transformatory wykorzystujące roślinny olej estrowy na bazie soi zostały uruchomione w 2022 r. i działają stabilnie od ponad dwóch lat. Dane monitorowania pokazują, że temperatura oleju w transformatorze była średnio o 3-5°C niższa niż w transformatorach olejowych o tej samej pojemności, spowolniło się starzenie papieru izolacyjnego i nie zaobserwowano żadnych nieprawidłowości, takich jak wyładowania częściowe, co sprawia, że nadaje się do wymagań eksploatacyjnych podstacji przy dużym obciążeniu. Transformator skrzynkowy 35 kV w dużej elektrowni fotowoltaicznej: Ta elektrownia znajduje się w obszarze ochrony ekologicznej łąk. W 2023 r. wymieniono partię transformatorów z modyfikowanym roślinnym olejem estrowym na bazie palmowej. W tym okresie doszło do niewielkiego wycieku oleju. Po naturalnej degradacji nie zaobserwowano żadnych nieprawidłowości ekologicznych w glebie na obszarze wycieku, co potwierdza jego zalety dla środowiska.
3.2.2 Przypadki międzynarodowe
Sieć dystrybucyjna 110 kV w niemieckim mieście: Począwszy od 2020 r., transformatory w centrum miasta były stopniowo zastępowane olejem izolacyjnym na bazie oleju rzepakowego. Do 2024 r. uruchomiono ponad 50 jednostek. Wskaźnik ryzyka pożaru zmniejszył się o 80% w porównaniu z transformatorami olejowymi, a koszty konserwacji zostały obniżone o 15%.
Transformator 66 kV w amerykańskim projekcie morskiej energetyki wiatrowej: Wykorzystując kompozytowy modyfikowany roślinny olej estrowy, odpowiedni do środowiska o wysokiej wilgotności i wysokim natężeniu mgły solnej na morzu, jego właściwości dielektryczne pozostały stabilne przez trzy lata eksploatacji, bez problemów z degradacją izolacji.
3.3 Adaptacja i regulacja sprzętu w zastosowaniu
Roślinny olej estrowy ma wyższą lepkość niż olej mineralny. W przypadku stosowania w transformatorach średniego i wysokiego napięcia wymagana jest ukierunkowana adaptacja i regulacja sprzętu w celu zapewnienia efektywności operacyjnej:
Optymalizacja systemu rozpraszania ciepła: Zwiększenie powierzchni chłodnicy lub modernizacja urządzenia chłodzenia wymuszonego powietrzem w celu poprawy efektywności rozpraszania ciepła i uniknięcia słabego rozpraszania ciepła z powodu wysokiej lepkości;
Adaptacja materiału uszczelniającego: Estry roślinne mogą powodować pęcznienie niektórych gumowych materiałów uszczelniających, wymagając wymiany na materiały odporne na estry, takie jak fluoroguma i guma silikonowa, aby zapobiec wyciekom oleju;
Regulacja konstrukcji izolacji: Zoptymalizuj konstrukcję odstępów izolacji uzwojenia, wykorzystując lepsze dopasowanie między stałą dielektryczną estrów roślinnych a papierem izolacyjnym, aby dodatkowo poprawić niezawodność systemu izolacji.
IV. Istniejące wąskie gardła i wyzwania techniczne
4.1 Niedociągnięcia w kluczowych technologiach
Niewystarczająca wydajność w niskich temperaturach: Większość roślinnych olejów estrowych krystalizuje lub doświadcza gwałtownego wzrostu lepkości poniżej -20°C, co wpływa na uruchamianie i działanie transformatorów w niskich temperaturach. Ogranicza to ich promocję w regionach o wysokich szerokościach geograficznych i zimnych.
Stabilność oksydacyjna wymaga poprawy: Nienasycone kwasy tłuszczowe w estrach roślinnych są podatne na utlenianie, generując kwasy, koloidy i inne produkty, które przyspieszają starzenie się papieru izolacyjnego i skracają żywotność transformatora. Chociaż dodatki mogą to złagodzić, długoterminowa stabilność nadal wymaga weryfikacji.
Proces produkcji na dużą skalę wymaga poprawy: Kontrola spójności w procesie modyfikacji jest trudna, co skutkuje znacznymi wahaniami wydajności między różnymi partiami w porównaniu z olejami mineralnymi. Ponadto na zaopatrzenie w surowce o wysokiej czystości wpływają cykle produkcji rolnej, co prowadzi do niewystarczającej stabilności.
4.2 Ograniczenia rynkowe i kosztowe
Obecnie koszt produkcji roślinnego oleju estrowego jest około 2-3 razy wyższy niż oleju mineralnego. Ten wyższy koszt spowalnia jego wskaźnik penetracji na rynku transformatorów średniego i wysokiego napięcia. Ponadto, podczas gdy łańcuch dostaw oleju mineralnego jest dojrzały, systemy łańcucha dostaw roślinnego oleju estrowego, w tym zaopatrzenie w surowce, przetwarzanie modyfikacyjne, magazynowanie i transport, nie są jeszcze w pełni dojrzałe, co dodatkowo utrudnia jego promocję na dużą skalę. 4.3 Zalegające normy i specyfikacje
Normy dla roślinnych olejów estrowych, zarówno krajowe, jak i międzynarodowe, pozostają niekompletne. Obecne chińskie normy w dużej mierze odwołują się do norm dla olejów mineralnych, nie odzwierciedlając w pełni charakterystyki estrów roślinnych. Chociaż normy międzynarodowe obejmują szczegółowe specyfikacje, znaczne różnice regionalne prowadzą do niewystarczającej kompatybilności produktów i wzajemnego uznawania, utrudniając transgraniczne zastosowania i wymianę techniczną. Ponadto normy eksploatacji i konserwacji oraz metody oceny starzenia się transformatorów z roślinnym olejem estrowym są nadal na etapie badań, brakuje im ujednoliconych wytycznych.
V. Kierunki optymalizacji technologicznej i rozwiązania
5.1 Rozwój technologii optymalizacji wydajności
Przełomy w nowych technologiach modyfikacji: Opracowanie nowych technologii, takich jak izomeryzacja katalityczna i modyfikacja genetyczna, w celu dostosowania struktury molekularnej estrów roślinnych, poprawiając zarówno stabilność oksydacyjną, jak i wydajność w niskich temperaturach. Na przykład reakcje izomeryzacji mogą przekształcać nienasycone kwasy tłuszczowe w rozgałęzione struktury, obniżając temperaturę zamarzania poniżej -30°C.
Rozwój wysoce wydajnych dodatków: Opracowanie specjalistycznych kompozytowych przeciwutleniaczy i obniżaczy temperatury krzepnięcia, które mogą hamować reakcje utleniania i zmniejszać negatywny wpływ na papier izolacyjny. Obecnie przeciwutleniacze heterocykliczne zawierające azot wykazały doskonałe synergistyczne działanie przeciwutleniające.
Rozwój niejadalnych surowców: Zwiększenie wysiłków badawczo-rozwojowych w zakresie niejadalnych olejów roślinnych, takich jak olej z nasion konopi i olej z pistacji chińskiej, w celu zmniejszenia zależności od jadalnych olejów. Jednocześnie uprawa wysokowydajnych, wysokiej czystości specjalnych upraw surowcowych za pomocą technologii hodowli genetycznej.
5.2 Ścieżka kontroli kosztów
Redukcja kosztów procesowych: Optymalizacja i modyfikacja procesów, uproszczenie przepływów produkcyjnych, na przykład poprzez zastosowanie ciągłego sprzętu do transestryfikacji w celu poprawy wydajności produkcji; recykling produktów ubocznych z procesu produkcyjnego w celu zmniejszenia strat surowców.
Integracja łańcucha dostaw: Ustanowienie zintegrowanego łańcucha dostaw obejmującego sadzenie surowców, przetwarzanie i produkcję; podpisanie długoterminowych umów o współpracy z bazami rolniczymi w celu ustabilizowania cen surowców; promowanie produkcji regionalnej w celu obniżenia kosztów transportu surowców.
Uwolnienie efektu skali: Wraz ze wzrostem penetracji rynku, zwiększenie skali produkcji w celu amortyzacji kosztów badań i rozwoju oraz amortyzacji sprzętu, stopniowo zmniejszając lukę cenową w stosunku do oleju mineralnego.
5.3 Zalecenia dotyczące ulepszenia systemu norm
Opracowanie specjalistycznych norm: W oparciu o charakterystykę roślinnych olejów estrowych, opracowanie specjalistycznych norm krajowych obejmujących surowce, procesy modyfikacji, kluczowe parametry wydajności i metody badań, wyraźnie definiujących kluczowe wskaźniki, takie jak stabilność oksydacyjna i wydajność w niskich temperaturach.
Ujednolicenie norm eksploatacji i konserwacji: Ustanowienie norm eksploatacji i konserwacji dla transformatorów z roślinnym olejem estrowym, w tym monitorowanie eksploatacji, ocena starzenia i cykle wymiany oleju, w celu ukierunkowania ustandaryzowanej eksploatacji i konserwacji w branży.
Promowanie uznawania norm międzynarodowych: Wzmocnienie współpracy z organizacjami takimi jak Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC) w celu promowania koordynacji norm krajowych i międzynarodowych oraz zwiększenia międzynarodowej konkurencyjności produktów z roślinnym olejem estrowym mojego kraju.
VI. Perspektywy rozwoju na przyszłość
6.1 Trendy w rozwoju technologicznym
W przyszłości roślinne oleje estrowe będą rozwijać się w kierunku wysokiej wydajności, wielofunkcyjności i niskich kosztów. Z jednej strony integracja inżynierii genetycznej i nowych technologii modyfikacji przyniesie przełomowe ulepszenia wydajności w niskich temperaturach i stabilności oksydacyjnej estrów roślinnych, dzięki czemu będą one odpowiednie dla wszystkich regionów i warunków eksploatacji. Z drugiej strony, wielofunkcyjne kompozytowe roślinne oleje estrowe staną się gorącym tematem badawczym, takim jak produkty o funkcjach izolacyjnych, przewodnictwa cieplnego i antybakteryjnych, dodatkowo rozszerzając scenariusze zastosowań. Ponadto połączenie estrów roślinnych i nanomateriałów ma przynieść synergistyczną optymalizację właściwości dielektrycznych i rozpraszania ciepła.
6.2 Perspektywy promocji rynkowej
Wraz z ciągłym zaostrzaniem polityki ochrony środowiska i szybkim rozwojem nowej energii, oczekuje się, że wskaźnik penetracji rynku roślinnego oleju estrowego w transformatorach średniego i wysokiego napięcia przekroczy 30% do 2030 r. Podsektory, takie jak produkty niskotemperaturowe dla regionów o wysokich szerokościach geograficznych i produkty dostosowane do potrzeb elektrowni odnawialnych źródeł energii, odnotują szybki wzrost. Jednocześnie, w miarę jak koszty będą spadać, jego zastosowanie będzie stopniowo rozszerzane z wysokiej klasy scenariuszy na zwykłe sieci dystrybucji energii, tworząc trend promocji na dużą skalę.
6.3 Zalecenia dotyczące współpracy w zakresie rozwoju branży
Głęboka współpraca przemysłowo-uniwersytecko-badawcza: Zachęcanie uniwersytetów, instytucji badawczych i przedsiębiorstw do wspólnego rozwiązywania kluczowych technologii, tworzenia baz produkcyjnych na skalę pilotażową i przyspieszania transformacji osiągnięć technologicznych;
Precyzyjne wsparcie polityczne: Zalecenie wprowadzenia polityki dotacyjnej w celu wsparcia badań i rozwoju oraz demonstracyjnego zastosowania roślinnego oleju estrowego, a także włączenia go do listy zamówień na zielony sprzęt energetyczny w celu ukierunkowania popytu rynkowego;
Wymiana branżowa i popularyzacja: Wzmocnienie wymiany technicznej i promocji poprzez wystawy branżowe, seminaria techniczne i inne formy w celu zwiększenia zrozumienia przez branżę roślinnego oleju estrowego i promowania współpracy w zakresie rozwoju całego łańcucha branżowego.
Podsumowując, roślinny olej estrowy, jako przyjazny dla środowiska i bezpieczny nowy rodzaj materiału izolacyjnego, jest zgodny z zieloną i niskoemisyjną transformacją branży energetycznej i ma ogromny potencjał zastosowania w transformatorach średniego i wysokiego napięcia. Obecnie, mimo że stoi w obliczu wielu wyzwań w zakresie technologii, kosztów i norm, dzięki przełomom w technologiach modyfikacji, ulepszeniom w łańcuchu dostaw i solidnym ramach politycznych, roślinny olej estrowy nieuchronnie stopniowo zastąpi olej mineralny i stanie się głównym wyborem oleju izolacyjnego w transformatorach średniego i wysokiego napięcia. Cała branża musi współpracować, aby pokonać trudności techniczne, ulepszyć ekosystem przemysłowy i wspólnie promować branżę energetyczną w kierunku bezpieczniejszego, bardziej przyjaznego dla środowiska i bardziej zrównoważonego rozwoju.
