کاربردهای کنونی و روندهای آینده یکاهای حلقه ای با عایق جامد (RMUs)

1.Статус нынешнего применения твердотельных кольцевых главных устройств в средневольтных распределительных сетях

1.1 Широкое применение в городских жилых районах

Основные компоненты средневольтных кольцевых главных устройств (RMUs) в основном состоят из нагрузочных выключателей и предохранителей. Эти устройства предлагают несколько преимуществ, включая простую структуру, компактный размер и относительно низкую стоимость. Кроме того, они эффективно улучшают качество электроэнергии и повышают надежность и безопасность энергоснабжения. Наблюдается, что максимальный номинальный ток для средневольтных RMUs составляет 1250A, с типичным значением 630A. На основе диэлектрических сред RMUs обычно классифицируются на два типа: воздушно-изолированные и газоизолированные SF₆. Они в основном используются для переключения нагрузочных токов и разрыва короткозамкнутых токов, а также предоставляют определенные функции управления и защиты.

1.2 Вакуумные нагрузочные выключатели RMUs обеспечивают надежные изоляционные зазоры

Нагрузочные выключатели, используемые в воздушно-изолированных RMUs, включают четыре типа: генерирующие газ, сжатый воздух, вакуум и SF₆. Среди них, SF₆ нагрузочные выключатели служат основными выключателями в воздушно-изолированных RMUs. Нагрузочные выключатели в герметичных корпусах обычно имеют три рабочих положения: прерывание нагрузки, надежное заземление и изоляция цепи.

1.3 Усиленный уровень практического применения

В целом, RMUs имеют компактный дизайн. Учитывая эту характеристику, большинство нагрузочных выключателей (обычно высоковольтные выключатели) имеют относительно простую структуру и оснащены высоковольтными предохранителями. Нормальная работа RMUs в основном зависит от нагрузочных выключателей, в то время как короткозамкнутые токи эффективно прерываются предохранителями. Эффективное сочетание этих двух компонентов максимизирует замену выключателей, хотя такая замена ограничивается определенными диапазонами мощности.

2.Тренды развития и технические характеристики твердотельных кольцевых главных устройств

2.1 Эффективное применение технологии закрытых полюсов

Эпоксидная смола обычно используется в качестве основного диэлектрического материала в твердой изоляции, с вакуумом в качестве среды для гашения дуги. Для эффективного выполнения функций, таких как нагрузка и изоляция тока, механизм управления должен быть правильно активирован, чтобы обеспечить эффективное управление системой распределения электроэнергии, дополнительно защищая оборудование и безопасность персонала. Твердая изоляция значительно снижает фазово-земляное расстояние в коммутационном оборудовании, сокращая воздушные изоляционные зазоры с 125 мм до нескольких миллиметров. Без газа SF₆ общий объем уменьшается по сравнению с традиционными C-GIS. Кроме того, использование относительно простого механизма управления эффективно снижает количество компонентов, повышая надежность оборудования.

2.2 Технические характеристики твердотельных RMUs

По сравнению с воздушно-изолированными RMUs с выключателями SF₆ и газоизолированными RMUs, твердотельные RMUs предлагают несколько преимуществ: во-первых, конструкция корпуса проще. Благодаря исключению давления сосудов, манометров, заполнительных клапанов и других компонентов, связанных с газом, надежность RMUs значительно улучшается, снижаются затраты на обслуживание, и улучшается состояние работы выключателя. Во-вторых, основной выключатель оснащен изоляционным компонентом, предоставляющим четко видимый разрыв. Твердая изоляция в основном использует эпоксидные рукава и изоляционные трубы. Эти материалы эффективно снижают ликвидацию SF₆ в холодных регионах и уменьшают неблагоприятные эффекты теплового расширения в областях с высокими температурами, демонстрируя широкую применимость в экстремальных условиях.

3.Проблемы, требующие внимания в твердотельных кольцевых главных устройствах

3.1 Технология изоляции и покрытия поверхности

Согласно механизму образования частичных разрядов, внутренние разряды в твердой изоляции в основном вызваны наличием пустот. Текущие технологии герметизации обычно включают предварительный нагрев металлических форм, размещение предварительно нагретых компонентов в форму, медленное впрыскивание под вакуумом и отверждение. Этот процесс не только неэффективен, но и дорогостоящ. Неполное удаление пузырьков может привести к многочисленным пустотам в твердой изоляции, что потенциально может вызвать частичные разряды при эксплуатации, приводя к долгосрочному растрескиванию изоляционных компонентов и влияя на безопасную и надежную работу оборудования.

Поэтому необходимо внедрять передовые, качественные и эффективные технологии эпоксидной заливки. Кроме того, поскольку поверхностное экранирование напрямую влияет на производительность оборудования, вопрос о поверхностном экранировании — то есть технология поверхностного экранирования — должен быть решен при проектировании и производстве. Цель металлизации поверхности диэлектрических материалов состоит в том, чтобы обеспечить надежное заземление твердых изоляционных компонентов, минимизировать воздействие факторов окружающей среды и повысить производительность продукта. В настоящее время значительная часть твердотельных RMUs на рынке не имеет надлежащей обработки поверхности, что приводит к высокому уровню частичных разрядов в поставляемых продуктах.

3.2 Отсутствие опыта эксплуатации и обслуживания

Твердотельные RMUs — это относительно новая технология. Из-за отсутствия научных и рациональных испытательных операций со стороны электросетей, текущий общий объем эксплуатации невелик, время эксплуатации короткое, и подключения провинциальных сетей неполные. Например, в регионах с высокими температурами, высокой влажностью, побережьями, высокими осадками и большим суточным колебанием температур, необходимо решать практические проблемы. Необходимо накопить всесторонний опыт работы на национальном уровне, чтобы проводить целенаправленные и прогностические улучшения твердотельных RMUs, постоянно повышая безопасность и стабильность продукции.

3.3 Разработка оборудования твердотельных RMUs

В последние годы, с быстрым развитием распределительной сети Китая, технический уровень системы распределения значительно улучшился. Газ SF₆ широко используется в средневольтных RMUs. По текущему состоянию развития Китая, газ SF₆ предлагает лучшие общие характеристики. Однако, с растущим осознанием необходимости защиты окружающей среды и важности сохранения природы, широкое использование газа SF₆ в RMUs представляет определенные экологические опасности и потенциальные риски для здоровья человека. Поэтому, сокращение использования газовых RMUs с SF₆ и продвижение твердотельных RMUs будет основной целью развития высоковольтных коммутационных аппаратов. Домашние производители предвидели этот тренд и постепенно начали разрабатывать и производить продукцию твердотельных RMUs.

3.4 Оптимизация конструктивного дизайна модулей изоляции

Конструктивный дизайн модулей изоляции должен, удовлетворяя требованиям функциональности, проверки и установки, стремиться к снижению потребления материалов и предотвращению остаточных напряжений. Наличие остаточных напряжений может вызвать внутренние и внешние трещины в твердых изоляционных компонентах, что приводит к частичным разрядам при эксплуатации и потенциальному пробою изоляции. Поэтому необходимо глубокое исследование общей структуры, толщины и переходов модулей изоляции, с учетом концепций теплоотвода.

3.5 Исследование и проектирование экранирующих слоев

Основная цель внешнего дизайна — планирование металлического экранирования заземления: во-первых, в случае отказа изоляции, чтобы ограничить короткозамкнутые отказы только между фазой и землей, уменьшая энергию дуги и риск отказа; во-вторых, чтобы поддерживать характеристики изоляции в любом окружении без необходимости очистки внешней поверхности модуля, обеспечивая неизменное распределение электрического поля, даже с металлическими посторонними предметами внутри шкафа.

4.Направления развития технологии твердотельных кольцевых главных устройств

4.1 Разработка новых высокопроизводительных диэлектрических материалов

Хотя эпоксидная смола хорошо работает в качестве твердого диэлектрического материала, процесс заливки в вакуумных керамических камерах гашения дуги может повредить исходные материалы. Поэтому необходимо разработать передовые эпоксидные смолы, которые превзойдут характеристики текущих материалов. В 2014 году журнал Science опубликовал статью о открытии нового перерабатываемого термореактивного полимера, что является значительным шагом вперед в переработке "полисалицилатных" термореактивных пластиков. Этот полимер обладает высокой перерабатываемостью, решая проблему, что термореактивные пластики ранее были неперерабатываемыми. В ближайшие десять лет новые продукты будут все больше использовать перерабатываемые термореактивные материалы.

4.2 Исследование методов соединения внутренних компонентов интерфейса

Поскольку твердотельные RMUs производятся путем заливки основных цепных проводников и монтажных частей в твердую изоляцию, негибкость встроенных компонентов требует стандартизированных соединений между различными отлитыми элементами. Общая конфигурация RMU линейная, и соединительные проводники должны быть залиты эпоксидной смолой, требуя определенной степени свободы при рационализации продукта. Для решения этой проблемы предлагается метод интерфейса, использующий материал силиконового каучука для соединений между шлюзом и проводником. Этот метод позволяет стандартизировать, позволяя компонентам быть взаимосвязанными и рационально сконфигурированными, уменьшая сложность дизайна общего изолированного корпуса.

4.3 Перспективы продвижения твердотельных RMUs на рынке

Твердотельные RMUs имеют простую структуру, компактный размер, нетоксичны, не загрязняют окружающую среду и экологически чисты, что соответствует глобальной концепции зеленого развития. Однако, чтобы продукт был успешным, производители должны получать прибыль от продаж, делая рыночное применение ключевым фокусом. Понимание и удовлетворение потребностей пользователей критически важно для успешного введения новых продуктов. Применение перспектив твердотельных продуктов анализируется на основе требований пользователей.

4.3.1 Продукты, соответствующие потребностям потребителей

Во время использования пользователи в первую очередь требуют, чтобы технические параметры продукта соответствовали соответствующим стандартам (техническим спецификациям, национальным и отраслевым стандартам и т.д.) и получили сертификацию от национальной энергетической промышленности. Поскольку конкретных стандартов для твердотельных продуктов пока не существует, производители должны помочь в установлении национальных или отраслевых стандартов. Сообщается, что к 31 декабря 2002 года было подано около 15 миллионов тонн заявок на твердотельные продукты.

4.3.2 Высокие требования пользователей к продуктам распределительной сети

Средневольтное распределительное оборудование является основным компонентом, широко используемым в энергосетях. С постоянным расширением инфраструктуры сетей, спрос на средневольтное оборудование, как мост между основными сетями и конечными пользователями, растет. Пользователи требуют продуктов с длительным сроком службы, сильной адаптацией к окружающей среде, соответствием экологическим стандартам, компактными размерами, легкой и быстрой установкой, экономической выгодой и надежной историей эксплуатации.

Твердотельные RMUs имеют компактные размеры, с одиночными блоками нагрузочных выключателей, размеры которых составляют 860 мм (глубина) × 420 мм (ширина) × 1200 мм (высота) или 850 мм (глубина) × 500 мм (ширина) × 1600 мм (высота). Их размеры находятся между размерами воздушно-изолированного коммутационного оборудования. На основе вышеупомянутых технических характеристик, твердотельные RMUs обеспечивают улучшенную безопасность персонала. Однако, из-за их относительно короткой истории эксплуатации, в настоящее время только ограниченное количество единиц находится в эксплуатации на нескольких китайских заводах. Учитывая ограниченные данные об эксплуатации, в настоящее время невозможно оценить старение эпоксидной изоляции или определить циклы проверки.

Некоторые отечественные производители оборудования гарантируют срок службы продукта более 20 лет через передовые производственные средства (цеха, формы и автоматическую лазерную сварку). Это представляет собой конкурентное преимущество. Экономически, текущее производство твердотельных корпусов требует значительных инвестиций в специализированное оборудование, формы и материалы, что приводит к более высоким рыночным ценам. Кроме того, поскольку энергетические системы в основном используют тендерное оборудование с акцентом на низкие цены, модули RMU с SF₆ становятся все более конкурентоспособными по стоимости, что делает трудным для твердотельных RMUs занять доминирующее положение на рынке в краткосрочной перспективе.

4.3.3 Экологические требования к продуктам

В большинстве регионов пользователи требуют нормального рабочего окружения, не превышающего 40°C и не ниже -10°C. Однако, с увеличением частоты природных катастроф по всему миру, требования пользователей возрастают. Например, RMUs, установленные в суровых условиях, должны быть полностью герметичными и не требовать обслуживания, обеспечивая полную изоляцию. Коммутационное оборудование должно обладать высокой адаптацией к окружающей среде, устойчивостью к пыли и влаге, защитой от кратковременного погружения и повышенной устойчивостью к вибрациям.

Заливка внутренних компонентов коммутационного оборудования эпоксидной смолой значительно увеличивает диэлектрическую прочность изоляционных материалов, предотвращая деградацию из-за вибраций при транспортировке и эксплуатации. По сравнению с газоизолированными продуктами RMU, некоторые производители провели тесты в провинции Цинхай и влажных прибрежных регионах, а также на высоте около 4000 м, достигнув степени защиты IP68. Таким образом, продукты твердотельных RMUs лучше соответствуют экологическим требованиям.

5.Заключение

На основе текущего состояния развития твердотельных RMUs в Китае, технология изоляции относительно зрелая, эффективно решая недостатки воздушно-изолированных и газоизолированных RMUs, и подходящая для специфических условий, таких как высокогорные районы. Применение твердотельных RMUs может эффективно способствовать развитию энергетической сети Китая и способствовать устойчивому социально-экономическому развитию. С растущим вниманием к охране окружающей среды можно уверенно сказать, что твердотельные RMUs имеют широкие перспективы применения.