Los transformadores de media y alta tensión son equipos fundamentales en el sistema de transmisión y distribución de energía, y su funcionamiento seguro y estable afecta directamente la fiabilidad de la red eléctrica y la continuidad del suministro de energía. El aceite aislante, como componente central de los transformadores, juega un papel crucial en el aislamiento, la disipación de calor y la extinción de arcos. Durante mucho tiempo, el aceite aislante mineral ha dominado el mercado de aceite aislante para transformadores de media y alta tensión debido a su proceso de preparación maduro y propiedades dieléctricas estables. Sin embargo, con la creciente conciencia ambiental global y el avance del objetivo de "doble carbono", los defectos del aceite aislante mineral, como su naturaleza no renovable, baja biodegradabilidad y bajo punto de inflamación que conduce fácilmente a accidentes de seguridad, se han vuelto cada vez más prominentes, limitando severamente su aplicación en escenarios sensibles como áreas urbanas centrales, edificios de gran altura, plantas de energía de nueva energía y parques industriales químicos.
El aceite aislante a base de ésteres vegetales, elaborado a partir de aceites vegetales renovables, posee ventajas naturales como alto punto de inflamación, fácil biodegradabilidad y respeto al medio ambiente, lo que lo convierte en una importante alternativa al aceite aislante para transformadores de media y alta tensión. En los últimos años, los círculos académicos e industriales nacionales e internacionales han llevado a cabo una extensa investigación y práctica sobre la tecnología de modificación, la optimización de la compatibilidad y las aplicaciones de ingeniería del aceite aislante a base de ésteres vegetales. Este libro blanco revisa sistemáticamente el estado actual del desarrollo tecnológico, las características de rendimiento clave, las prácticas de aplicación en transformadores de media y alta tensión, los cuellos de botella existentes y las tendencias futuras del aceite aislante a base de ésteres vegetales. Su objetivo es proporcionar una referencia autorizada para la industria eléctrica, las empresas manufactureras, las instituciones de investigación y los departamentos de formulación de políticas, y promover la aplicación a gran escala y estandarizada del aceite aislante a base de ésteres vegetales en el campo de los transformadores de media y alta tensión.
I. Visión general de la industria y antecedentes del desarrollo
1.1 Situación actual del mercado de aceite aislante para transformadores de media y alta tensión
Actualmente, el mercado mundial de aceite aislante para transformadores de media y alta tensión sigue dominado por el aceite aislante mineral, que representa más del 85% del mercado. El aceite aislante mineral se deriva del refinado del petróleo, con tecnología madura y bajo costo, pero tiene importantes inconvenientes en términos de ecología y seguridad. Según las estadísticas de accidentes de la industria eléctrica, en los últimos cinco años, ha habido más de 100 incidentes de contaminación del suelo y el agua causados por fugas de aceite de transformadores en todo el mundo cada año, con costos de remediación de contaminación individuales que alcanzan millones de yuanes. Al mismo tiempo, el aceite aislante mineral tiene un punto de inflamación de solo 160-180℃, lo que lo hace propenso al sobrecalentamiento e incendios en condiciones de funcionamiento de sobrecarga o envejecimiento del equipo, causando importantes pérdidas económicas.
Con el rápido desarrollo de la generación de energía de nueva energía, las plantas de energía eólica, fotovoltaica y otras plantas de energía se encuentran principalmente en áreas ecológicamente sensibles, y las redes de distribución de energía urbana se están desarrollando hacia una alta densidad y compacidad, actualizando continuamente los requisitos de protección ambiental y seguridad del aceite aislante para transformadores. En este contexto, la demanda del mercado de aceites aislantes respetuosos con el medio ambiente, como los aceites aislantes a base de ésteres vegetales y los aceites aislantes sintéticos a base de ésteres, ha ido aumentando año tras año. Entre ellos, los aceites aislantes a base de ésteres vegetales han experimentado un crecimiento particularmente significativo debido a sus materias primas renovables y costos de producción relativamente controlables, con una tasa de crecimiento anual promedio que supera el 15% en el tamaño del mercado global de 2020 a 2024.
1.2 Impulsores de políticas y tecnología
A nivel de políticas, muchos países han introducido regulaciones ambientales para promover la mejora de los aceites aislantes. La Directiva de Residuos de Aparatos Eléctricos y Electrónicos de la UE y el Reglamento sobre Registro, Evaluación, Autorización y Restricción de Productos Químicos restringen explícitamente el uso de aceites aislantes altamente contaminantes y exigen que los equipos eléctricos prioricen el uso de materiales aislantes biodegradables. El "14º Plan Quinquenal para la Conservación de la Energía y la Reducción de Emisiones" y el "Plan de Acción Verde y Bajo en Carbono para la Industria Eléctrica" de China también fomentan la promoción de equipos eléctricos y materiales de apoyo respetuosos con el medio ambiente, proporcionando apoyo político para la aplicación de aceites aislantes a base de ésteres vegetales.
A nivel tecnológico, los avances en las tecnologías de refinación y modificación de aceites vegetales han sentado las bases para la aplicación industrial de los aceites aislantes a base de ésteres vegetales. Los primeros aceites aislantes a base de ésteres vegetales eran difíciles de adaptar a los transformadores de media y alta tensión debido a su alta viscosidad y baja fluidez a bajas temperaturas. Sin embargo, después de tratamientos de modificación como desgomado, desacidificación, hidrogenación y transesterificación, sus propiedades clave han mejorado significativamente, cumpliendo gradualmente los requisitos de funcionamiento a largo plazo de los transformadores de media y alta tensión. Simultáneamente, la optimización de los procesos de fabricación de transformadores también ha proporcionado las condiciones de equipo para adaptar los aceites aislantes a base de ésteres vegetales.
II. Preparación y características principales de los aceites aislantes a base de ésteres vegetales
2.1 Materias primas y proceso de preparación
2.1.1 Materias primas principales
Las materias primas para los aceites aislantes a base de ésteres vegetales son principalmente aceites vegetales renovables, con variedades principales que incluyen aceite de soja, aceite de colza, aceite de palma y aceite de girasol. Las diferentes materias primas tienen diferentes propiedades y escenarios aplicables. El aceite de colza tiene una amplia gama de fuentes, un suministro estable en el noroeste y suroeste de mi país y un costo relativamente bajo. El aceite de palma tiene un alto contenido de ácidos grasos saturados y una excelente estabilidad térmica, pero un rendimiento débil a bajas temperaturas, lo que lo hace adecuado para regiones tropicales y subtropicales. El aceite de soja tiene propiedades dieléctricas equilibradas y es una de las materias primas más utilizadas en aplicaciones comerciales. Además, los aceites vegetales no comestibles como el aceite de jatrofa y el aceite de tung están entrando gradualmente en el campo de la investigación y el desarrollo, lo que puede evitar competir con los cultivos alimentarios por la tierra y mejorar aún más la sostenibilidad de las materias primas.
2.1.2 Procesos de preparación y modificación El proceso básico de preparación del aceite aislante a base de ésteres vegetales incluye el pretratamiento de la materia prima, el refinado, la modificación y la mezcla del producto terminado. El pretratamiento de la materia prima elimina principalmente las impurezas, la humedad y los coloides del aceite; el proceso de refinado reduce el contenido de ácidos grasos libres y sustancias nocivas en el aceite a través de pasos como la desacidificación, la decoloración y la desodorización; el proceso de modificación central optimiza el rendimiento de los aceites vegetales abordando sus defectos inherentes. Las tecnologías principales incluyen:
Modificación por hidrogenación: Aumentar la saturación de las cadenas de ácidos grasos a través de reacciones de hidrogenación mejora la estabilidad a la oxidación, pero el grado de hidrogenación debe controlarse para evitar que una hidrogenación excesiva conduzca a un aumento de la viscosidad;
Modificación por transesterificación: Utilizar alcoholes como metanol y etanol para someterse a reacciones de transesterificación con aceites vegetales ajusta la estructura molecular, reduce la viscosidad y mejora la fluidez a bajas temperaturas;
Modificación compuesta: Combinar tecnologías de hidrogenación y transesterificación para optimizar simultáneamente la estabilidad a la oxidación y el rendimiento a bajas temperaturas es actualmente la solución de modificación industrial principal.
III. Práctica de aplicación del aceite aislante a base de ésteres vegetales en transformadores de media y alta tensión
3.1 Análisis de adaptabilidad del escenario de aplicación
Los diferentes escenarios de aplicación de los transformadores de media y alta tensión imponen diferentes requisitos de rendimiento a los aceites aislantes. El aceite aislante a base de ésteres vegetales, con sus ventajas de seguridad y protección ambiental, demuestra una adaptabilidad significativa en los siguientes escenarios principales:
Áreas urbanas centrales y edificios de gran altura: Estos escenarios se caracterizan por una alta densidad de población, equipos concentrados y altos riesgos y costos asociados con incendios y contaminación. El alto punto de inflamación del aceite aislante a base de ésteres vegetales elimina la necesidad de instalaciones complejas de protección contra incendios y aislamiento en los transformadores, reduciendo el espacio en el suelo y adaptándose a la disposición compacta de las redes de distribución de energía urbana.
Centrales de energía de nueva energía: Las centrales de energía eólica y fotovoltaica a menudo se encuentran en áreas ecológicamente sensibles como pastizales y montañas. La alta biodegradabilidad del aceite aislante a base de ésteres vegetales evita que las fugas de aceite dañen el medio ambiente ecológico y es adecuado para los frecuentes arranques y paradas y las grandes fluctuaciones de carga de las centrales de energía de nueva energía.
Parques industriales químicos y minas: Los parques industriales químicos contienen medios inflamables y explosivos, y los entornos mineros son complejos. La alta seguridad del aceite aislante a base de ésteres vegetales reduce los riesgos de funcionamiento del equipo y su fuerte resistencia a la contaminación lo hace adecuado para entornos operativos hostiles.
Transmisión en áreas submarinas y remotas: Los transformadores en áreas submarinas y los transformadores de distribución en áreas remotas son difíciles de mantener. La estabilidad y el respeto al medio ambiente del aceite aislante a base de ésteres vegetales pueden reducir los costos de mantenimiento después de las fugas y mejorar la eficiencia de operación y mantenimiento del equipo.
3.2 Casos de aplicación típicos en el país y en el extranjero
3.2.1 Caso nacional
Una subestación inteligente de 220 kV en una red eléctrica provincial: Dos transformadores que utilizan aceite aislante a base de ésteres vegetales a base de soja se pusieron en funcionamiento en 2022 y han estado funcionando de forma estable durante más de dos años. Los datos de monitoreo muestran que la temperatura del aceite del transformador fue en promedio 3-5℃ más baja que la de los transformadores de aceite mineral de la misma capacidad, la tasa de envejecimiento del papel aislante se ralentizó y no se observaron anomalías como descargas parciales, lo que lo hace adecuado para los requisitos de funcionamiento de alta carga de las subestaciones. Un transformador de tipo caja de 35 kV en una gran central de energía fotovoltaica: Esta central eléctrica está ubicada en un área de protección ecológica de pastizales. En 2023, se reemplazó un lote de transformadores con aceite aislante a base de ésteres vegetales modificado a base de palma. Durante este período, se produjo una pequeña fuga de aceite. Después de la degradación natural, no se observaron anomalías ecológicas en el suelo del área con fugas, lo que verificó sus ventajas ambientales.
3.2.2 Casos internacionales
Una red de distribución de 110 kV en una ciudad alemana: A partir de 2020, los transformadores en el área central de la ciudad se reemplazaron gradualmente con aceite aislante a base de aceite de colza. Para 2024, se habían puesto en funcionamiento más de 50 unidades. La tasa de riesgo de incendio disminuyó en un 80% en comparación con los transformadores de aceite mineral, y los costos de mantenimiento se redujeron en un 15%.
Un transformador de 66 kV en un proyecto eólico marino de EE. UU.: Utilizando aceite aislante a base de ésteres vegetales modificado compuesto, adecuado para el entorno de alta humedad y alta pulverización salina en el mar, su rendimiento dieléctrico se mantuvo estable durante tres años de funcionamiento, sin problemas de degradación del aislamiento observados.
3.3 Adaptación y ajuste del equipo en la aplicación
El aceite aislante a base de ésteres vegetales tiene una viscosidad más alta que el aceite aislante mineral. Cuando se utiliza en transformadores de media y alta tensión, se requiere una adaptación y ajuste específicos del equipo para garantizar la eficiencia operativa:
Optimización del sistema de disipación de calor: Aumentar el área del radiador o actualizar el dispositivo de enfriamiento por aire forzado para mejorar la eficiencia de disipación de calor y evitar una mala disipación de calor debido a la alta viscosidad;
Adaptación del material de sellado: Los ésteres vegetales pueden causar hinchazón de algunos materiales de sellado de caucho, lo que requiere el reemplazo con materiales resistentes a los ésteres como el caucho fluorado y el caucho de silicona para evitar fugas de aceite;
Ajuste de la estructura de aislamiento: Optimizar el diseño del espaciamiento del aislamiento del devanado, aprovechando la mejor coincidencia entre la constante dieléctrica de los ésteres vegetales y el papel aislante, para mejorar aún más la fiabilidad del sistema de aislamiento.
IV. Cuellos de botella técnicos existentes y desafíos
4.1 Deficiencias en las tecnologías principales
Rendimiento insuficiente a bajas temperaturas: La mayoría de los aceites aislantes a base de ésteres vegetales se cristalizan o experimentan un fuerte aumento de la viscosidad por debajo de -20℃, lo que afecta el arranque y el funcionamiento a bajas temperaturas de los transformadores. Esto limita su promoción en regiones frías de alta latitud.
La estabilidad oxidativa necesita mejoras: Los ácidos grasos insaturados en los ésteres vegetales son propensos a la oxidación, generando ácidos, coloides y otros productos que aceleran el envejecimiento del papel aislante y acortan la vida útil del transformador. Si bien los aditivos pueden mitigar esto, la estabilidad a largo plazo aún necesita verificación.
El proceso de producción a gran escala necesita mejoras: El control de la consistencia en el proceso de modificación es difícil, lo que resulta en fluctuaciones significativas en el rendimiento entre diferentes lotes en comparación con los aceites minerales. Además, el suministro de materias primas de alta pureza se ve afectado por los ciclos de producción agrícola, lo que conduce a una estabilidad insuficiente.
4.2 Restricciones del mercado y los costos
Actualmente, el costo de producción del aceite aislante a base de ésteres vegetales es aproximadamente 2-3 veces mayor que el del aceite aislante mineral. Este mayor costo ralentiza su tasa de penetración en el mercado de transformadores de media y alta tensión. Además, si bien la cadena de suministro de aceite aislante mineral es madura, los sistemas de la cadena de suministro de aceite aislante a base de ésteres vegetales, incluida la adquisición de materias primas, el procesamiento de modificación, el almacenamiento y el transporte, aún no están completamente maduros, lo que dificulta aún más su promoción a gran escala. 4.3 Estándares y especificaciones rezagados
Los estándares para los aceites aislantes a base de ésteres vegetales, tanto a nivel nacional como internacional, siguen incompletos. Los estándares chinos actuales hacen referencia en gran medida a los estándares de aceite mineral, sin reflejar completamente las características de los ésteres vegetales. Si bien los estándares internacionales incluyen especificaciones específicas, las diferencias regionales significativas conducen a una compatibilidad insuficiente de los productos y al reconocimiento mutuo, lo que dificulta las aplicaciones transfronterizas y los intercambios técnicos. Además, los estándares de operación y mantenimiento y los métodos de evaluación del envejecimiento para los transformadores de aceite aislante a base de ésteres vegetales aún se encuentran en la etapa exploratoria, careciendo de una guía unificada.
V. Direcciones y soluciones de optimización tecnológica
5.1 Desarrollo de tecnología de optimización del rendimiento
Avances en nuevas tecnologías de modificación: Desarrollar nuevas tecnologías como la isomerización catalítica y la modificación genética para ajustar la estructura molecular de los ésteres vegetales, mejorando tanto la estabilidad a la oxidación como el rendimiento a bajas temperaturas. Por ejemplo, las reacciones de isomerización pueden convertir los ácidos grasos insaturados en estructuras ramificadas, reduciendo el punto de congelación a menos de -30℃.
Desarrollo de aditivos de alta eficiencia: Desarrollar antioxidantes compuestos especializados y depresores del punto de fluidez que puedan inhibir las reacciones de oxidación y reducir los impactos negativos en el papel aislante. Actualmente, los antioxidantes heterocíclicos que contienen nitrógeno han demostrado excelentes efectos antioxidantes sinérgicos.
Desarrollo de materias primas no comestibles: Aumentar los esfuerzos de I+D en aceites vegetales no comestibles como el aceite de semilla de cáñamo y el aceite de pistacho chino para reducir la dependencia de los aceites comestibles. Simultáneamente, cultivar cultivos de materias primas especiales de alto rendimiento y alta pureza a través de la tecnología de mejoramiento genético.
5.2 Ruta de control de costos
Reducción de costos del proceso: Optimizar y modificar los procesos, simplificar los flujos de producción, por ejemplo, mediante la adopción de equipos de transesterificación continua para mejorar la eficiencia de la producción; reciclar los subproductos del proceso de producción para reducir la pérdida de materia prima.
Integración de la cadena de suministro: Establecer una cadena de suministro integrada que abarque la plantación, el procesamiento y la producción de materias primas; firmar acuerdos de cooperación a largo plazo con bases agrícolas para estabilizar los precios de las materias primas; promover la producción regionalizada para reducir los costos de transporte de materias primas.
Liberación del efecto a gran escala: A medida que aumenta la penetración en el mercado, ampliar la escala de producción para amortizar los costos de I+D y depreciación de equipos, reduciendo gradualmente la brecha de precios con el aceite aislante mineral.
5.3 Recomendaciones para mejorar el sistema de estándares
Desarrollar estándares especializados: Basado en las características de los aceites aislantes a base de ésteres vegetales, desarrollar estándares nacionales especializados que cubran las materias primas, los procesos de modificación, el rendimiento principal y los métodos de prueba, definiendo claramente indicadores clave como la estabilidad a la oxidación y el rendimiento a bajas temperaturas.
Unificar los estándares de operación y mantenimiento: Establecer estándares de operación y mantenimiento para los transformadores de aceite aislante a base de ésteres vegetales, incluido el monitoreo de la operación, la evaluación del envejecimiento y los ciclos de cambio de aceite, para guiar la operación y el mantenimiento estandarizados en la industria.
Promover el reconocimiento de estándares internacionales: Fortalecer la cooperación con organizaciones como la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) para promover la coordinación de los estándares nacionales e internacionales y mejorar la competitividad internacional de los productos de aceite aislante a base de ésteres vegetales de mi país.
VI. Perspectivas de desarrollo futuro
6.1 Tendencias de desarrollo tecnológico
En el futuro, los aceites aislantes a base de ésteres vegetales se desarrollarán hacia un alto rendimiento, multifuncionalidad y bajo costo. Por un lado, la integración de la ingeniería genética y las nuevas tecnologías de modificación logrará mejoras revolucionarias en el rendimiento a bajas temperaturas y la estabilidad a la oxidación de los ésteres vegetales, haciéndolos adecuados para todas las regiones y condiciones de funcionamiento. Por otro lado, los aceites aislantes a base de ésteres vegetales compuestos multifuncionales se convertirán en un punto de investigación, como productos con funciones de aislamiento, conductividad térmica y antibacterianas, expandiendo aún más los escenarios de aplicación. Además, se espera que la combinación de ésteres vegetales y nanomateriales logre una optimización sinérgica del rendimiento dieléctrico y de disipación de calor.
6.2 Perspectivas de promoción del mercado
Con el continuo endurecimiento de las políticas ambientales y el rápido desarrollo de la energía de nueva energía, se espera que la tasa de penetración en el mercado del aceite aislante a base de ésteres vegetales en los transformadores de media y alta tensión supere el 30% para 2030. Los subsectores como los productos de baja temperatura para regiones de alta latitud y los productos personalizados para las centrales de energía de nueva energía experimentarán un rápido crecimiento. Simultáneamente, a medida que disminuyen los costos, su aplicación se expandirá gradualmente de escenarios de alta gama a redes de distribución de energía ordinarias, formando una tendencia de promoción a gran escala.
6.3 Recomendaciones de desarrollo colaborativo de la industria
Colaboración profunda entre la industria, la universidad y la investigación: Alentar a las universidades, las instituciones de investigación y las empresas a abordar conjuntamente las tecnologías principales, establecer bases de producción a escala piloto y acelerar la transformación de los logros tecnológicos;
Apoyo político preciso: Recomendar la introducción de políticas de subsidios para apoyar la investigación y el desarrollo y la aplicación de demostración del aceite aislante a base de ésteres vegetales, al tiempo que se incluye en la lista de adquisiciones de equipos de energía verde para guiar la demanda del mercado;
Intercambio y popularización de la industria: Fortalecer el intercambio técnico y la promoción a través de exposiciones de la industria, seminarios técnicos y otras formas para mejorar la comprensión de la industria sobre el aceite aislante a base de ésteres vegetales y promover el desarrollo colaborativo de toda la cadena de la industria.
En conclusión, el aceite aislante a base de ésteres vegetales, como un nuevo tipo de material aislante respetuoso con el medio ambiente y seguro, se alinea con la transformación verde y baja en carbono de la industria eléctrica y tiene un enorme potencial de aplicación en transformadores de media y alta tensión. Actualmente, aunque enfrenta múltiples desafíos en tecnología, costos y estándares, con avances en las tecnologías de modificación, mejoras en la cadena de suministro y un marco de políticas sólido, el aceite aislante a base de ésteres vegetales inevitablemente reemplazará gradualmente al aceite aislante mineral y se convertirá en la opción principal para el aceite aislante en transformadores de media y alta tensión. Toda la industria necesita trabajar en conjunto para superar las dificultades técnicas, mejorar el ecosistema industrial y promover conjuntamente el desarrollo de la industria eléctrica hacia un desarrollo más seguro, más respetuoso con el medio ambiente y más sostenible.
