Transformadores de média e alta tensão são equipamentos essenciais no sistema de transmissão e distribuição de energia, e sua operação segura e estável afeta diretamente a confiabilidade da rede elétrica e a continuidade do fornecimento de energia. O óleo isolante, como um componente central dos transformadores, desempenha um papel crucial no isolamento, dissipação de calor e extinção de arcos. Por muito tempo, o óleo isolante mineral dominou o mercado de óleo isolante para transformadores de média e alta tensão devido ao seu processo de preparação maduro e propriedades dielétricas estáveis. No entanto, com a crescente conscientização ambiental global e o avanço da meta de "dupla carbono", os defeitos do óleo isolante mineral, como sua natureza não renovável, baixa biodegradabilidade e baixo ponto de ignição, que facilmente levam a acidentes de segurança, tornaram-se cada vez mais proeminentes, limitando severamente sua aplicação em cenários sensíveis, como áreas centrais urbanas, edifícios altos, usinas de energia de novas energias e parques industriais químicos.
O óleo isolante à base de ésteres vegetais, feito de óleos vegetais renováveis, possui vantagens naturais como alto ponto de ignição, fácil biodegradabilidade e respeito ao meio ambiente, tornando-o uma importante alternativa ao óleo isolante para transformadores de média e alta tensão. Nos últimos anos, círculos acadêmicos e industriais nacionais e internacionais conduziram extensas pesquisas e práticas sobre a tecnologia de modificação, otimização de compatibilidade e aplicações de engenharia de óleo isolante à base de ésteres vegetais. Este white paper revisa sistematicamente o status atual do desenvolvimento tecnológico, as principais características de desempenho, as práticas de aplicação em transformadores de média e alta tensão, os gargalos existentes e as tendências futuras do óleo isolante de ésteres vegetais. Ele visa fornecer referência autorizada para a indústria de energia, empresas de manufatura, instituições de pesquisa e departamentos de formulação de políticas, e promover a aplicação em larga escala e padronizada de óleo isolante de ésteres vegetais no campo de transformadores de média e alta tensão.
I. Visão geral da indústria e histórico de desenvolvimento
1.1 Situação atual do mercado de óleo isolante para transformadores de média e alta tensão
Atualmente, o mercado global de óleo isolante para transformadores de média e alta tensão ainda é dominado por óleo isolante mineral, representando mais de 85% do mercado. O óleo isolante mineral é derivado do refino de petróleo, com tecnologia madura e baixo custo, mas tem deficiências significativas em termos de ecologia e segurança. De acordo com estatísticas sobre acidentes na indústria de energia, nos últimos cinco anos, houve mais de 100 incidentes de poluição do solo e da água causados por vazamentos de óleo de transformadores globalmente a cada ano, com custos únicos de remediação de poluição atingindo milhões de yuans. Ao mesmo tempo, o óleo isolante mineral tem um ponto de fulgor de apenas 160-180℃, tornando-o propenso a superaquecimento e incêndios sob condições de operação de sobrecarga ou envelhecimento do equipamento, causando perdas econômicas significativas.
Com o rápido desenvolvimento da geração de energia de novas energias, usinas eólicas, fotovoltaicas e outras usinas estão localizadas principalmente em áreas ecologicamente sensíveis, e as redes de distribuição de energia urbana estão se desenvolvendo em direção à alta densidade e compacidade, atualizando continuamente os requisitos para a proteção ambiental e segurança do óleo isolante do transformador. Nesse contexto, a demanda do mercado por óleos isolantes ecologicamente corretos, como óleos isolantes à base de ésteres vegetais e óleos isolantes de ésteres sintéticos, tem aumentado ano após ano. Entre eles, os óleos isolantes à base de ésteres vegetais têm apresentado um crescimento particularmente significativo devido às suas matérias-primas renováveis e custos de produção relativamente controláveis, com uma taxa média de crescimento anual superior a 15% no tamanho do mercado global de 2020 a 2024.
1.2 Impulsionadores de políticas e tecnologia
No nível da política, muitos países introduziram regulamentos ambientais para promover a atualização dos óleos isolantes. A Diretiva de Resíduos de Equipamentos Elétricos e Eletrônicos da UE e o Regulamento sobre Registro, Avaliação, Autorização e Restrição de Produtos Químicos restringem explicitamente o uso de óleos isolantes altamente poluentes e exigem que os equipamentos elétricos priorizem o uso de materiais isolantes biodegradáveis. O "14º Plano Quinquenal para Conservação de Energia e Redução de Emissões" e o "Plano de Ação Verde e de Baixo Carbono para a Indústria de Energia" da China também incentivam a promoção de equipamentos elétricos e materiais de suporte ecologicamente corretos, fornecendo apoio político para a aplicação de óleos isolantes à base de ésteres vegetais.
No nível tecnológico, avanços nas tecnologias de refino e modificação de óleos vegetais lançaram as bases para a aplicação industrial de óleos isolantes à base de ésteres vegetais. Os primeiros óleos isolantes de ésteres vegetais eram difíceis de adaptar a transformadores de média e alta tensão devido à sua alta viscosidade e baixa fluidez em baixas temperaturas. No entanto, após tratamentos de modificação como desgomagem, desacidificação, hidrogenação e transesterificação, suas principais propriedades foram significativamente aprimoradas, atendendo gradualmente aos requisitos de operação de longo prazo de transformadores de média e alta tensão. Simultaneamente, a otimização dos processos de fabricação de transformadores também forneceu as condições de equipamento para adaptar óleos isolantes de ésteres vegetais.
II. Preparação e características principais de óleos isolantes de ésteres vegetais
2.1 Matérias-primas e processo de preparação
2.1.1 Principais matérias-primas
As matérias-primas para óleos isolantes de ésteres vegetais são principalmente óleos vegetais renováveis, com variedades principais incluindo óleo de soja, óleo de colza, óleo de palma e óleo de girassol. Diferentes matérias-primas têm propriedades e cenários de aplicação diferentes. O óleo de colza tem uma ampla gama de fontes, um fornecimento estável no noroeste e sudoeste do meu país e um custo relativamente baixo. O óleo de palma tem um alto teor de ácidos graxos saturados e excelente estabilidade térmica, mas fraco desempenho em baixas temperaturas, tornando-o adequado para regiões tropicais e subtropicais. O óleo de soja tem propriedades dielétricas equilibradas e é uma das matérias-primas mais amplamente utilizadas em aplicações comerciais. Além disso, óleos vegetais não comestíveis, como óleo de pinhão manso e óleo de tungue, estão gradualmente entrando no campo de pesquisa e desenvolvimento, o que pode evitar a competição com culturas alimentares por terra e melhorar ainda mais a sustentabilidade das matérias-primas.
2.1.2 Processos de preparação e modificação O processo básico de preparação de óleo isolante de ésteres vegetais inclui pré-tratamento da matéria-prima, refino, modificação e mistura do produto acabado. O pré-tratamento da matéria-prima remove principalmente impurezas, umidade e colóides do óleo; o processo de refino reduz o teor de ácidos graxos livres e substâncias nocivas no óleo por meio de etapas como desacidificação, descoloração e desodorização; o processo de modificação principal otimiza o desempenho dos óleos vegetais, abordando seus defeitos inerentes. As principais tecnologias incluem:
Modificação por hidrogenação: Aumentar a saturação das cadeias de ácidos graxos por meio de reações de hidrogenação melhora a estabilidade à oxidação, mas o grau de hidrogenação deve ser controlado para evitar a hidrogenação excessiva, levando ao aumento da viscosidade;
Modificação por transesterificação: Utilizar álcoois como metanol e etanol para sofrer reações de transesterificação com óleos vegetais ajusta a estrutura molecular, reduz a viscosidade e melhora a fluidez em baixas temperaturas;
Modificação composta: Combinar tecnologias de hidrogenação e transesterificação para otimizar simultaneamente a estabilidade à oxidação e o desempenho em baixas temperaturas é atualmente a principal solução de modificação industrial.
III. Prática de aplicação de óleo isolante de ésteres vegetais em transformadores de média e alta tensão
3.1 Análise de adaptabilidade de cenários de aplicação
Os diferentes cenários de aplicação de transformadores de média e alta tensão impõem diferentes requisitos de desempenho aos óleos isolantes. O óleo isolante de ésteres vegetais, com suas vantagens de segurança e proteção ambiental, demonstra adaptabilidade significativa nos seguintes cenários principais:
Áreas centrais urbanas e edifícios altos: Esses cenários são caracterizados por populações densas, equipamentos concentrados e altos riscos e custos associados a incêndios e poluição. O alto ponto de fulgor do óleo isolante de ésteres vegetais elimina a necessidade de instalações complexas de proteção contra incêndios e isolamento em transformadores, reduzindo o espaço no chão e adaptando-se ao layout compacto das redes de distribuição de energia urbana.
Usinas de energia de novas energias: Usinas eólicas e fotovoltaicas são frequentemente localizadas em áreas ecologicamente sensíveis, como pastagens e montanhas. A alta biodegradabilidade do óleo isolante de ésteres vegetais impede que vazamentos de óleo danifiquem o meio ambiente ecológico e é adequado para as frequentes partidas e paradas e grandes flutuações de carga de usinas de energia de novas energias.
Parques industriais químicos e minas: Parques industriais químicos contêm meios inflamáveis e explosivos, e os ambientes de mineração são complexos. A alta segurança do óleo isolante de ésteres vegetais reduz os riscos de operação do equipamento e sua forte resistência à poluição o torna adequado para ambientes operacionais adversos.
Transmissão em áreas submarinas e remotas: Transformadores em áreas submarinas e transformadores de distribuição em áreas remotas são difíceis de manter. A estabilidade e o respeito ao meio ambiente do óleo isolante de ésteres vegetais podem reduzir os custos de manutenção após vazamentos e melhorar a operação e a eficiência de manutenção do equipamento.
3.2 Casos típicos de aplicação em casa e no exterior
3.2.1 Caso doméstico
Uma subestação inteligente de 220kV em uma rede de energia provincial: Dois transformadores usando óleo isolante de ésteres vegetais à base de soja foram colocados em operação em 2022 e estão operando de forma estável há mais de dois anos. Os dados de monitoramento mostram que a temperatura do óleo do transformador foi em média 3-5℃ menor do que a dos transformadores de óleo mineral da mesma capacidade, a taxa de envelhecimento do papel isolante foi retardada e nenhuma anomalia, como descarga parcial, foi observada, tornando-o adequado para os requisitos de operação de alta carga das subestações. Um transformador tipo caixa de 35kV em uma grande usina de energia fotovoltaica: Esta usina está localizada em uma área de proteção ecológica de pastagens. Em 2023, um lote de transformadores com óleo isolante de ésteres vegetais modificado à base de palma foi substituído. Durante este período, ocorreu um pequeno vazamento de óleo. Após a degradação natural, nenhuma anomalia ecológica foi observada no solo da área vazada, verificando suas vantagens ambientais.
3.2.2 Casos internacionais
Uma rede de distribuição de 110kV em uma cidade alemã: A partir de 2020, os transformadores na área central da cidade foram gradualmente substituídos por óleo isolante à base de óleo de colza. Em 2024, mais de 50 unidades foram colocadas em operação. A taxa de risco de incêndio diminuiu em 80% em comparação com os transformadores de óleo mineral, e os custos de manutenção foram reduzidos em 15%.
Um transformador de 66kV em um projeto de energia eólica offshore dos EUA: Utilizando óleo isolante de ésteres vegetais modificado composto, adequado para o ambiente de alta umidade e alta névoa salina no mar, seu desempenho dielétrico permaneceu estável por mais de três anos de operação, sem problemas de degradação do isolamento observados.
3.3 Adaptação e ajuste do equipamento na aplicação
O óleo isolante de ésteres vegetais tem uma viscosidade maior do que o óleo isolante mineral. Quando usado em transformadores de média e alta tensão, adaptação e ajuste direcionados do equipamento são necessários para garantir a eficiência operacional:
Otimização do sistema de dissipação de calor: Aumentar a área do radiador ou atualizar o dispositivo de resfriamento a ar forçado para melhorar a eficiência da dissipação de calor e evitar a má dissipação de calor devido à alta viscosidade;
Adaptação do material de vedação: Ésteres vegetais podem causar o inchaço de alguns materiais de vedação de borracha, exigindo a substituição por materiais resistentes a ésteres, como borracha fluorada e borracha de silicone, para evitar vazamentos de óleo;
Ajuste da estrutura de isolamento: Otimizar o projeto de espaçamento de isolamento da bobina, aproveitando a melhor correspondência entre a constante dielétrica dos ésteres vegetais e o papel isolante, para melhorar ainda mais a confiabilidade do sistema de isolamento.
IV. Gargalos técnicos e desafios existentes
4.1 Deficiências nas principais tecnologias
Desempenho insuficiente em baixas temperaturas: A maioria dos óleos isolantes de ésteres vegetais cristaliza ou experimenta um aumento acentuado na viscosidade abaixo de -20℃, afetando a partida e operação em baixas temperaturas dos transformadores. Isso limita sua promoção em regiões frias de alta latitude.
Estabilidade oxidativa precisa de melhoria: Ácidos graxos insaturados em ésteres vegetais são propensos à oxidação, gerando ácidos, colóides e outros produtos que aceleram o envelhecimento do papel isolante e encurtam a vida útil do transformador. Embora os aditivos possam mitigar isso, a estabilidade a longo prazo ainda precisa de verificação.
Processo de produção em larga escala precisa de melhoria: O controle de consistência no processo de modificação é difícil, resultando em flutuações significativas de desempenho entre diferentes lotes em comparação com os óleos minerais. Além disso, o fornecimento de matérias-primas de alta pureza é afetado pelos ciclos de produção agrícola, levando à instabilidade insuficiente.
4.2 Restrições de mercado e custos
Atualmente, o custo de produção do óleo isolante de ésteres vegetais é aproximadamente 2-3 vezes maior do que o do óleo isolante mineral. Esse custo mais alto retarda sua taxa de penetração no mercado de transformadores de média e alta tensão. Além disso, embora a cadeia de suprimentos para óleo isolante mineral seja madura, os sistemas de cadeia de suprimentos para óleo isolante de ésteres vegetais, incluindo aquisição de matérias-primas, processamento de modificação, armazenamento e transporte, ainda não estão totalmente maduros, dificultando ainda mais sua promoção em larga escala. 4.3 Padrões e especificações atrasados
Os padrões para óleos isolantes de ésteres vegetais, tanto nacional quanto internacionalmente, permanecem incompletos. Os padrões chineses atuais referenciam em grande parte os padrões de óleo mineral, deixando de refletir totalmente as características dos ésteres vegetais. Embora os padrões internacionais incluam especificações específicas, diferenças regionais significativas levam à compatibilidade insuficiente do produto e ao reconhecimento mútuo, dificultando as aplicações transfronteiriças e as trocas técnicas. Além disso, os padrões de operação e manutenção e os métodos de avaliação de envelhecimento para transformadores de óleo isolante de ésteres vegetais ainda estão em fase exploratória, carecendo de orientação unificada.
V. Direções e soluções de otimização tecnológica
5.1 Desenvolvimento de tecnologia de otimização de desempenho
Avanços em novas tecnologias de modificação: Desenvolver novas tecnologias, como isomerização catalítica e modificação genética, para ajustar a estrutura molecular dos ésteres vegetais, melhorando a estabilidade oxidativa e o desempenho em baixas temperaturas. Por exemplo, as reações de isomerização podem converter ácidos graxos insaturados em estruturas ramificadas, diminuindo o ponto de congelamento para abaixo de -30℃.
Desenvolvimento de aditivos de alta eficiência: Desenvolver antioxidantes compostos especializados e depressores do ponto de fluidez que podem inibir as reações de oxidação e reduzir os impactos negativos no papel isolante. Atualmente, antioxidantes heterocíclicos contendo nitrogênio demonstraram excelentes efeitos antioxidantes sinérgicos.
Desenvolvimento de matérias-primas não comestíveis: Aumentar os esforços de P&D em óleos vegetais não comestíveis, como óleo de semente de cânhamo e óleo de pistache chinês, para reduzir a dependência de óleos comestíveis. Simultaneamente, cultivar culturas de matérias-primas especiais de alto rendimento e alta pureza por meio da tecnologia de melhoramento genético.
5.2 Caminho de controle de custos
Redução de custos de processo: Otimizar e modificar processos, simplificar os fluxos de produção, por exemplo, adotando equipamentos de transesterificação contínua para melhorar a eficiência da produção; reciclar subprodutos do processo de produção para reduzir a perda de matéria-prima.
Integração da cadeia de suprimentos: Estabelecer uma cadeia de suprimentos integrada, abrangendo o plantio, processamento e produção de matérias-primas; assinar acordos de cooperação de longo prazo com bases agrícolas para estabilizar os preços das matérias-primas; promover a produção regionalizada para reduzir os custos de transporte de matérias-primas.
Liberação de efeito em larga escala: À medida que a penetração no mercado aumenta, expandir a escala de produção para amortizar os custos de P&D e depreciação de equipamentos, reduzindo gradualmente a diferença de preço com o óleo isolante mineral.
5.3 Recomendações para melhorar o sistema de padrões
Desenvolver padrões especializados: Com base nas características dos óleos isolantes de ésteres vegetais, desenvolver padrões nacionais especializados que cubram matérias-primas, processos de modificação, desempenho principal e métodos de teste, definindo claramente indicadores-chave, como estabilidade à oxidação e desempenho em baixas temperaturas.
Unificar os padrões de operação e manutenção: Estabelecer padrões de operação e manutenção para transformadores de óleo isolante de ésteres vegetais, incluindo monitoramento de operação, avaliação de envelhecimento e ciclos de troca de óleo, para orientar a operação e manutenção padronizadas na indústria.
Promover o reconhecimento de padrões internacionais: Fortalecer a cooperação com organizações como a Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) para promover a coordenação de padrões nacionais e internacionais e aprimorar a competitividade internacional dos produtos de óleo isolante de ésteres vegetais do meu país.
VI. Perspectivas de desenvolvimento futuro
6.1 Tendências de desenvolvimento tecnológico
No futuro, os óleos isolantes de ésteres vegetais se desenvolverão em direção a alto desempenho, multifuncionalidade e baixo custo. Por um lado, a integração da engenharia genética e novas tecnologias de modificação alcançará melhorias inovadoras no desempenho em baixas temperaturas e na estabilidade à oxidação dos ésteres vegetais, tornando-os adequados para todas as regiões e condições de operação. Por outro lado, óleos isolantes de ésteres vegetais compostos multifuncionais se tornarão um ponto quente de pesquisa, como produtos com funções de isolamento, condutividade térmica e antibacterianas, expandindo ainda mais os cenários de aplicação. Além disso, a combinação de ésteres vegetais e nanomateriais deve alcançar a otimização sinérgica do desempenho dielétrico e de dissipação de calor.
6.2 Perspectivas de promoção de mercado
Com o contínuo endurecimento das políticas ambientais e o rápido desenvolvimento da energia de novas energias, a taxa de penetração no mercado de óleo isolante de ésteres vegetais em transformadores de média e alta tensão deve exceder 30% até 2030. Subsetores como produtos de baixa temperatura para regiões de alta latitude e produtos personalizados para usinas de energia de novas energias experimentarão um rápido crescimento. Simultaneamente, à medida que os custos diminuem, sua aplicação se expandirá gradualmente de cenários de ponta para redes de distribuição de energia comuns, formando uma tendência de promoção em larga escala.
6.3 Recomendações de desenvolvimento colaborativo da indústria
Colaboração profunda indústria-universidade-pesquisa: Incentivar universidades, instituições de pesquisa e empresas a enfrentar conjuntamente as principais tecnologias, estabelecer bases de produção em escala piloto e acelerar a transformação das conquistas tecnológicas;
Apoio político preciso: Recomendar a introdução de políticas de subsídio para apoiar a pesquisa e o desenvolvimento e a aplicação de demonstração de óleo isolante de ésteres vegetais, incluindo-o na lista de aquisição de equipamentos de energia verde para orientar a demanda do mercado;
Troca e popularização da indústria: Fortalecer a troca técnica e a promoção por meio de exposições da indústria, seminários técnicos e outras formas para aumentar a compreensão da indústria sobre o óleo isolante de ésteres vegetais e promover o desenvolvimento colaborativo de toda a cadeia da indústria.
Em conclusão, o óleo isolante de ésteres vegetais, como um novo tipo de material isolante ecologicamente correto e seguro, está alinhado com a transformação verde e de baixo carbono da indústria de energia e tem um enorme potencial de aplicação em transformadores de média e alta tensão. Atualmente, embora enfrentando múltiplos desafios em tecnologia, custo e padrões, com avanços nas tecnologias de modificação, melhorias na cadeia de suprimentos e uma estrutura política sólida, o óleo isolante de ésteres vegetais inevitavelmente substituirá gradualmente o óleo isolante mineral e se tornará a escolha principal para óleo isolante em transformadores de média e alta tensão. Toda a indústria precisa trabalhar em conjunto para superar as dificuldades técnicas, melhorar o ecossistema industrial e promover conjuntamente a indústria de energia em direção a um desenvolvimento mais seguro, mais ecologicamente correto e mais sustentável.
