Трансформаторы среднего и высокого напряжения являются ключевым оборудованием в системе передачи и распределения электроэнергии, и их безопасная и стабильная работа напрямую влияет на надежность электросети и непрерывность энергоснабжения. Изоляционное масло, как основной компонент трансформаторов, играет решающую роль в изоляции, отводе тепла и гашении дуги. В течение долгого времени минеральное изоляционное масло доминировало на рынке изоляционных масел для трансформаторов среднего и высокого напряжения благодаря отработанному процессу производства и стабильным диэлектрическим свойствам. Однако с ростом глобальной экологической осведомленности и продвижением цели «двойного углерода» недостатки минерального изоляционного масла, такие как его невозобновляемость, низкая биоразлагаемость и низкая температура вспышки, которая легко приводит к несчастным случаям, становятся все более очевидными, серьезно ограничивая его применение в чувствительных сценариях, таких как городские центральные районы, высотные здания, электростанции на новых источниках энергии и химические промышленные парки.
Растительное эфирное изоляционное масло, изготовленное из возобновляемых растительных масел, обладает естественными преимуществами, такими как высокая температура вспышки, легкая биоразлагаемость и экологичность, что делает его важной альтернативой изоляционному маслу для трансформаторов среднего и высокого напряжения. В последние годы отечественные и международные академические и промышленные круги провели обширные исследования и практику по технологии модификации, оптимизации совместимости и инженерным применениям растительного эфирного изоляционного масла. В этой белой книге систематически рассматриваются текущее состояние технологического развития, основные эксплуатационные характеристики, практика применения в трансформаторах среднего и высокого напряжения, существующие узкие места и будущие тенденции растительного эфирного изоляционного масла. Она направлена на предоставление авторитетных рекомендаций для электроэнергетической отрасли, производственных предприятий, исследовательских институтов и отделов разработки политики, а также на содействие крупномасштабному и стандартизированному применению растительного эфирного изоляционного масла в области трансформаторов среднего и высокого напряжения.
I. Обзор отрасли и предпосылки развития
1.1 Текущее состояние рынка изоляционных масел для трансформаторов среднего и высокого напряжения
В настоящее время мировой рынок изоляционных масел для трансформаторов среднего и высокого напряжения по-прежнему доминирует минеральное изоляционное масло, на которое приходится более 85% рынка. Минеральное изоляционное масло получают путем переработки нефти, оно имеет отработанную технологию и низкую стоимость, но имеет существенные недостатки с точки зрения экологии и безопасности. Согласно статистике аварий в электроэнергетической отрасли, за последние пять лет ежегодно во всем мире происходило более 100 инцидентов загрязнения почвы и воды, вызванных утечками трансформаторного масла, при этом затраты на ликвидацию одного загрязнения достигали миллионов юаней. В то же время минеральное изоляционное масло имеет температуру вспышки всего 160-180 ℃, что делает его склонным к перегреву и возгоранию в условиях перегрузки или старения оборудования, вызывая значительные экономические потери.
С быстрым развитием производства электроэнергии на новых источниках энергии, ветряные, фотоэлектрические и другие электростанции в основном расположены в экологически чувствительных районах, а городские сети распределения электроэнергии развиваются в направлении высокой плотности и компактности, постоянно повышая требования к охране окружающей среды и безопасности изоляционного масла для трансформаторов. На этом фоне спрос на экологически чистые изоляционные масла, такие как растительные эфирные изоляционные масла и синтетические эфирные изоляционные масла, увеличивается из года в год. Среди них растительные эфирные изоляционные масла показали особенно значительный рост благодаря возобновляемому сырью и относительно контролируемым производственным затратам, со среднегодовым темпом роста, превышающим 15% на мировом рынке с 2020 по 2024 год.
1.2 Политические и технологические факторы
На политическом уровне многие страны ввели экологические нормы для содействия модернизации изоляционных масел. Директива ЕС об отходах электрического и электронного оборудования и Регламент о регистрации, оценке, авторизации и ограничении химических веществ прямо ограничивают использование высокозагрязняющих изоляционных масел и требуют, чтобы в электрическом оборудовании приоритет отдавался использованию биоразлагаемых изоляционных материалов. «14-й пятилетний план Китая по энергосбережению и сокращению выбросов» и «План действий по экологически чистому и низкоуглеродному развитию электроэнергетики» также поощряют продвижение экологически чистого электрооборудования и вспомогательных материалов, обеспечивая политическую поддержку применения растительных эфирных изоляционных масел.
На технологическом уровне прорывы в технологиях переработки и модификации растительных масел заложили основу для промышленного применения растительных эфирных изоляционных масел. Ранние растительные эфирные изоляционные масла было трудно адаптировать к трансформаторам среднего и высокого напряжения из-за их высокой вязкости и плохой текучести при низких температурах. Однако после таких модификаций, как дегуммирование, деацидирование, гидрогенизация и переэтерификация, их ключевые свойства были значительно улучшены, постепенно удовлетворяя долгосрочные эксплуатационные требования трансформаторов среднего и высокого напряжения. Одновременно оптимизация процессов производства трансформаторов также обеспечила условия для адаптации растительных эфирных изоляционных масел.
II. Получение и основные характеристики растительных эфирных изоляционных масел
2.1 Сырье и процесс получения
2.1.1 Основное сырье
Сырьем для растительных эфирных изоляционных масел являются в основном возобновляемые растительные масла, основными сортами которых являются соевое масло, рапсовое масло, пальмовое масло и подсолнечное масло. Различное сырье имеет разные свойства и применимые сценарии. Рапсовое масло имеет широкий спектр источников, стабильные поставки на северо-западе и юго-западе нашей страны и относительно низкую стоимость. Пальмовое масло имеет высокое содержание насыщенных жирных кислот и выдающуюся термическую стабильность, но слабую низкотемпературную производительность, что делает его пригодным для тропических и субтропических регионов. Соевое масло имеет сбалансированные диэлектрические свойства и является одним из наиболее широко используемых видов сырья в коммерческих приложениях. Кроме того, несъедобные растительные масла, такие как масло ятрофы и тунговое масло, постепенно входят в сферу исследований и разработок, что позволяет избежать конкуренции с продовольственными культурами за землю и дальнейшего повышения устойчивости сырья.
2.1.2 Процессы получения и модификации Основной процесс получения растительного эфирного изоляционного масла включает предварительную обработку сырья, рафинирование, модификацию и смешивание готового продукта. Предварительная обработка сырья в основном удаляет из масла примеси, влагу и коллоиды; процесс рафинирования снижает содержание свободных жирных кислот и вредных веществ в масле посредством таких этапов, как деацидирование, обесцвечивание и дезодорация; основной процесс модификации оптимизирует свойства растительных масел, устраняя их присущие им дефекты. Основные технологии включают:
Гидрогенизационная модификация: увеличение насыщенности цепей жирных кислот посредством реакций гидрогенизации улучшает стабильность окисления, но степень гидрогенизации должна контролироваться, чтобы избежать чрезмерной гидрогенизации, приводящей к увеличению вязкости;
Модификация переэтерификацией: использование спиртов, таких как метанол и этанол, для проведения реакций переэтерификации с растительными маслами регулирует молекулярную структуру, снижает вязкость и улучшает низкотемпературную текучесть;
Композитная модификация: сочетание технологий гидрогенизации и переэтерификации для одновременной оптимизации стабильности окисления и низкотемпературных характеристик в настоящее время является основным промышленным решением для модификации.
III. Практика применения растительного эфирного изоляционного масла в трансформаторах среднего и высокого напряжения
3.1 Анализ адаптивности к сценариям применения
Различные сценарии применения трансформаторов среднего и высокого напряжения предъявляют разные требования к характеристикам изоляционных масел. Растительное эфирное изоляционное масло, обладающее преимуществами безопасности и защиты окружающей среды, демонстрирует значительную адаптируемость в следующих основных сценариях:
Городские центральные районы и высотные здания: эти сценарии характеризуются высокой плотностью населения, сосредоточенным оборудованием и высокими рисками и затратами, связанными с пожарами и загрязнением. Высокая температура вспышки растительного эфирного изоляционного масла устраняет необходимость в сложных противопожарных и изоляционных сооружениях в трансформаторах, уменьшая занимаемую площадь и адаптируясь к компактной планировке городских сетей распределения электроэнергии.
Электростанции на новых источниках энергии: ветряные и фотоэлектрические электростанции часто расположены в экологически чувствительных районах, таких как луга и горы. Высокая биоразлагаемость растительного эфирного изоляционного масла предотвращает повреждение экологической среды утечками масла и подходит для частых запусков и остановок и больших колебаний нагрузки на электростанциях на новых источниках энергии.
Химические промышленные парки и шахты: химические промышленные парки содержат легковоспламеняющиеся и взрывоопасные среды, а горнодобывающие условия сложны. Высокая безопасность растительного эфирного изоляционного масла снижает риски эксплуатации оборудования, а его высокая устойчивость к загрязнению делает его пригодным для суровых условий эксплуатации.
Передача электроэнергии в подводных и отдаленных районах: трансформаторы в подводных районах и распределительные трансформаторы в отдаленных районах трудно обслуживать. Стабильность и экологичность растительного эфирного изоляционного масла могут снизить затраты на техническое обслуживание после утечек и повысить эффективность эксплуатации и технического обслуживания оборудования.
3.2 Типичные примеры применения в стране и за рубежом
3.2.1 Отечественный пример
Умная подстанция 220 кВ в провинциальной электросети: два трансформатора, использующие соевое растительное эфирное изоляционное масло, были введены в эксплуатацию в 2022 году и стабильно работают уже более двух лет. Данные мониторинга показывают, что температура масла в трансформаторе в среднем была на 3-5 ℃ ниже, чем у трансформаторов с минеральным маслом той же мощности, скорость старения изоляционной бумаги замедлилась, и не наблюдалось никаких отклонений, таких как частичный разряд, что делает его пригодным для требований работы подстанций с высокой нагрузкой. Трансформатор коробчатого типа 35 кВ на большой фотоэлектрической электростанции: эта электростанция расположена в районе охраны окружающей среды лугов. В 2023 году была заменена партия трансформаторов с пальмовым модифицированным растительным эфирным изоляционным маслом. За этот период произошла одна незначительная утечка масла. После естественной деградации в почве в районе утечки не наблюдалось экологических отклонений, что подтверждает его экологические преимущества.
3.2.2 Международные примеры
Сеть распределения 110 кВ в немецком городе: начиная с 2020 года, трансформаторы в центральном районе города постепенно заменялись изоляционным маслом на основе рапсового масла. К 2024 году было введено в эксплуатацию более 50 единиц. Показатель пожарного риска снизился на 80% по сравнению с трансформаторами с минеральным маслом, а затраты на техническое обслуживание снизились на 15%.
Трансформатор 66 кВ в проекте морской ветряной электростанции в США: использование композитного модифицированного растительного эфирного изоляционного масла, подходящего для условий высокой влажности и солевого тумана в море, его диэлектрические характеристики оставались стабильными в течение трех лет эксплуатации, без проблем с деградацией изоляции.
3.3 Адаптация и регулировка оборудования при применении
Растительное эфирное изоляционное масло имеет более высокую вязкость, чем минеральное изоляционное масло. При использовании в трансформаторах среднего и высокого напряжения требуется целевая адаптация и регулировка оборудования для обеспечения эксплуатационной эффективности:
Оптимизация системы отвода тепла: увеличение площади радиатора или модернизация устройства принудительного воздушного охлаждения для повышения эффективности отвода тепла и предотвращения плохого отвода тепла из-за высокой вязкости;
Адаптация уплотнительного материала: растительные эфиры могут вызывать набухание некоторых резиновых уплотнительных материалов, требующих замены на эфиростойкие материалы, такие как фторкаучук и силиконовая резина, для предотвращения утечки масла;
Регулировка изоляционной конструкции: оптимизация конструкции изоляционного зазора обмотки, используя лучшее соответствие между диэлектрической проницаемостью растительных эфиров и изоляционной бумаги, для дальнейшего повышения надежности изоляционной системы.
IV. Существующие технические узкие места и проблемы
4.1 Недостатки в основных технологиях
Недостаточная низкотемпературная производительность: большинство растительных эфирных изоляционных масел кристаллизуются или испытывают резкое увеличение вязкости ниже -20 ℃, что влияет на низкотемпературный запуск и работу трансформаторов. Это ограничивает их продвижение в высоких широтах, холодных регионах.
Необходимость улучшения окислительной стабильности: ненасыщенные жирные кислоты в растительных эфирах склонны к окислению, образуя кислоты, коллоиды и другие продукты, которые ускоряют старение изоляционной бумаги и сокращают срок службы трансформатора. Хотя добавки могут смягчить это, долгосрочная стабильность все еще нуждается в проверке.
Необходимость улучшения процесса крупномасштабного производства: контроль согласованности в процессе модификации затруднен, что приводит к значительным колебаниям производительности между различными партиями по сравнению с минеральными маслами. Кроме того, на поставки сырья высокой чистоты влияют циклы сельскохозяйственного производства, что приводит к недостаточной стабильности.
4.2 Рыночные и стоимостные ограничения
В настоящее время производственная стоимость растительного эфирного изоляционного масла примерно в 2-3 раза выше, чем у минерального изоляционного масла. Эта более высокая стоимость замедляет скорость его проникновения на рынок трансформаторов среднего и высокого напряжения. Кроме того, в то время как цепочка поставок минерального изоляционного масла отлажена, системы цепочки поставок растительного эфирного изоляционного масла, включая закупку сырья, обработку модификации, складирование и транспортировку, еще не полностью отлажены, что еще больше препятствует его крупномасштабному продвижению. 4.3 Отставание стандартов и спецификаций
Стандарты для растительных эфирных изоляционных масел, как отечественные, так и международные, остаются неполными. Текущие китайские стандарты в основном ссылаются на стандарты для минеральных масел, не полностью отражая характеристики растительных эфиров. В то время как международные стандарты включают конкретные спецификации, значительные региональные различия приводят к недостаточной совместимости продуктов и взаимному признанию, препятствуя трансграничному применению и техническому обмену. Кроме того, стандарты эксплуатации и технического обслуживания и методы оценки старения для трансформаторов с растительным эфирным изоляционным маслом все еще находятся на стадии изучения, не имея единого руководства.
V. Направления технологической оптимизации и решения
5.1 Разработка технологии оптимизации производительности
Прорывы в новых технологиях модификации: разработка новых технологий, таких как каталитическая изомеризация и генетическая модификация, для регулирования молекулярной структуры растительных эфиров, улучшения как окислительной стабильности, так и низкотемпературных характеристик. Например, реакции изомеризации могут преобразовывать ненасыщенные жирные кислоты в разветвленные структуры, снижая температуру замерзания до -30 ℃.
Разработка высокоэффективных добавок: разработка специализированных композитных антиоксидантов и депрессантов температуры застывания, которые могут ингибировать реакции окисления и уменьшать негативное воздействие на изоляционную бумагу. В настоящее время азотсодержащие гетероциклические антиоксиданты продемонстрировали отличные синергетические антиоксидантные эффекты.
Разработка несъедобного сырья: увеличение усилий НИОКР в области несъедобных растительных масел, таких как масло семян конопли и масло китайского фисташкового дерева, для снижения зависимости от съедобных масел. Одновременно культивировать высокоурожайные, высокочистые специальные культуры сырья с помощью технологии генной селекции.
5.2 Путь контроля затрат
Снижение затрат на процесс: оптимизация и модификация процессов, упрощение производственных потоков, например, путем внедрения оборудования для непрерывной переэтерификации для повышения эффективности производства; переработка побочных продуктов производственного процесса для снижения потерь сырья.
Интеграция цепочки поставок: создание интегрированной цепочки поставок, охватывающей посадку, переработку и производство сырья; подписание долгосрочных соглашений о сотрудничестве с сельскохозяйственными базами для стабилизации цен на сырье; содействие региональному производству для снижения затрат на транспортировку сырья.
Высвобождение эффекта масштаба: по мере увеличения проникновения на рынок расширять масштабы производства для амортизации затрат на НИОКР и амортизацию оборудования, постепенно сужая разрыв в ценах с минеральным изоляционным маслом.
5.3 Рекомендации по улучшению системы стандартов
Разработка специализированных стандартов: на основе характеристик растительных эфирных изоляционных масел разработать специализированные национальные стандарты, охватывающие сырье, процессы модификации, основные характеристики и методы испытаний, четко определяющие ключевые показатели, такие как стабильность окисления и низкотемпературные характеристики.
Унификация стандартов эксплуатации и технического обслуживания: установить стандарты эксплуатации и технического обслуживания для трансформаторов с растительным эфирным изоляционным маслом, включая мониторинг эксплуатации, оценку старения и циклы замены масла, для руководства стандартизированной эксплуатацией и техническим обслуживанием в отрасли.
Содействие признанию международных стандартов: укрепление сотрудничества с такими организациями, как Международная электротехническая комиссия (МЭК), для содействия координации отечественных и международных стандартов и повышения международной конкурентоспособности продукции нашей страны из растительного эфирного изоляционного масла.
VI. Перспективы будущего развития
6.1 Тенденции технологического развития
В будущем растительные эфирные изоляционные масла будут развиваться в направлении высокой производительности, многофункциональности и низкой стоимости. С одной стороны, интеграция генной инженерии и новых технологий модификации позволит добиться прорывных улучшений низкотемпературных характеристик и стабильности окисления растительных эфиров, что сделает их пригодными для всех регионов и условий эксплуатации. С другой стороны, многофункциональные композитные растительные эфирные изоляционные масла станут горячей точкой исследований, например, продукты с функциями изоляции, теплопроводности и антибактериальными функциями, что еще больше расширит сценарии применения. Кроме того, ожидается, что сочетание растительных эфиров и наноматериалов позволит добиться синергетической оптимизации диэлектрических характеристик и характеристик теплоотвода.
6.2 Перспективы продвижения на рынке
С продолжающимся ужесточением экологической политики и быстрым развитием новой энергетики ожидается, что к 2030 году уровень проникновения растительного эфирного изоляционного масла на рынок трансформаторов среднего и высокого напряжения превысит 30%. Такие подсектора, как низкотемпературные продукты для регионов с высокой широтой и специализированные продукты для электростанций на новых источниках энергии, будут испытывать быстрый рост. Одновременно, по мере снижения затрат, его применение будет постепенно расширяться от высококлассных сценариев к обычным сетям распределения электроэнергии, формируя тенденцию крупномасштабного продвижения.
6.3 Рекомендации по совместному развитию отрасли
Глубокое сотрудничество между промышленностью, университетами и исследованиями: поощрение университетов, исследовательских институтов и предприятий к совместной работе над основными технологиями, созданию пилотных производственных баз и ускорению преобразования технологических достижений;
Точная поддержка политики: рекомендовать введение политики субсидирования для поддержки исследований и разработок и демонстрационного применения растительного эфирного изоляционного масла, а также включить его в список закупок экологически чистого энергетического оборудования для ориентации рыночного спроса;
Обмен опытом и популяризация в отрасли: укрепление технического обмена и продвижения посредством отраслевых выставок, технических семинаров и других форм для повышения понимания растительного эфирного изоляционного масла в отрасли и содействия совместному развитию всей производственной цепочки.
В заключение, растительное эфирное изоляционное масло, как экологически чистый и безопасный новый тип изоляционного материала, соответствует зеленой и низкоуглеродной трансформации электроэнергетической отрасли и имеет огромный потенциал применения в трансформаторах среднего и высокого напряжения. В настоящее время, несмотря на многочисленные проблемы в области технологий, затрат и стандартов, с прорывами в технологиях модификации, улучшениями в цепочке поставок и надежной политической базой, растительное эфирное изоляционное масло неизбежно постепенно заменит минеральное изоляционное масло и станет основным выбором для изоляционного масла в трансформаторах среднего и высокого напряжения. Вся отрасль должна работать вместе, чтобы преодолеть технические трудности, улучшить промышленную экосистему и совместно продвигать электроэнергетическую отрасль к более безопасному, более экологичному и более устойчивому развитию.
