Aplicações Atuais e Tendências Futuras de Unidades de Anel Principal com Isolamento Sólido (RMUs)

1.Status Atual da Aplicação de Unidades de Anel Principal com Isolamento Sólido nas Redes de Distribuição de Média Tensão

1.1 Aplicação Generalizada em Áreas Residenciais Urbanas

Os componentes principais das unidades de anel principal (RMUs) de média tensão consistem principalmente em interruptores de carga e fusíveis. Essas unidades oferecem várias vantagens, incluindo estrutura simples, tamanho compacto e custo relativamente baixo. Além disso, elas melhoram efetivamente a qualidade do fornecimento de energia e aumentam a confiabilidade e segurança do fornecimento de energia. Observa-se que a corrente nominal máxima para RMUs de média tensão é de 1250A, com um valor típico de 630A. Com base no meio de isolamento, as RMUs são geralmente classificadas em dois tipos: isoladas a ar e isoladas a gás SF₆. Elas são usadas principalmente para comutação de correntes de carga e interrupção de correntes de curto-circuito, além de fornecer certas funções de controle e proteção.

1.2 RMUs com Interruptor de Carga a Vácuo Proporcionam Lacres de Isolamento Confiáveis

Os interruptores de carga usados em RMUs isoladas a ar incluem quatro tipos: geradores de gás, a ar comprimido, a vácuo e a SF₆. Entre eles, os interruptores de carga a SF₆ servem como os principais interruptores em RMUs isoladas a ar. Os interruptores de carga em invólucros selados geralmente têm três posições operacionais: interrupção de carga, aterramento confiável e isolamento do circuito.

1.3 Nível Prático de Aplicação Aumentado

Geralmente, as RMUs têm um design compacto. Dada essa característica, a maioria dos interruptores de carga (geralmente interruptores de alta tensão) apresenta uma estrutura relativamente simples e está equipada com fusíveis de alta tensão. A operação normal das RMUs depende principalmente dos interruptores de carga, enquanto as correntes de curto-circuito são interrompidas efetivamente pelos fusíveis. A combinação eficaz desses dois componentes maximiza a substituição dos disjuntores, embora tal substituição seja limitada a faixas específicas de capacidade.

2.Tendências de Desenvolvimento e Características Técnicas das Unidades de Anel Principal com Isolamento Sólido

2.1 Aplicação Eficaz da Tecnologia de Pólos Encapsulados

A resina epóxi é comumente usada como o principal material isolante no isolamento sólido, com o vácuo atuando como o meio de extinção de arco. Para alcançar efetivamente funções como isolamento de carga e corrente, o mecanismo de operação deve ser acionado adequadamente para permitir o controle efetivo do sistema de distribuição de energia, protegendo ainda mais a segurança do equipamento e das pessoas. O isolamento sólido reduz significativamente a distância de isolamento fase-terra dentro do quadro de comando, encurtando as lacunas de isolamento a ar de 125mm para apenas alguns milímetros. Sem o gás SF₆, o volume total é reduzido em comparação com o C-GIS tradicional. Além disso, o uso de um mecanismo de operação relativamente simples reduz efetivamente o número de componentes, aumentando a confiabilidade do equipamento.

2.2 Características Técnicas das RMUs com Isolamento Sólido

Comparado às RMUs isoladas a ar com interruptores a SF₆ e RMUs isoladas a gás SF₆, as RMUs com isolamento sólido oferecem várias vantagens: primeiro, a estrutura do invólucro é mais simples. Ao eliminar recipientes sob pressão, manômetros, válvulas de enchimento e outros componentes relacionados ao gás, a confiabilidade das RMUs é muito melhorada, os custos de manutenção são reduzidos e a condição operacional do interruptor é efetivamente aprimorada. Segundo, o interruptor principal está equipado com um componente de isolamento, proporcionando uma interrupção visivelmente clara. O isolamento sólido usa principalmente mangas e tubos de resina epóxi. Esses materiais mitigam efetivamente a liquefação do SF₆ em regiões frias e reduzem os efeitos adversos da expansão térmica em áreas de alta temperatura, demonstrando ampla aplicabilidade em ambientes extremos.

3.Pontos que Requerem Atenção nas Unidades de Anel Principal com Isolamento Sólido

3.1 Tecnologia de Isolamento e Revestimento Superficial

De acordo com o mecanismo de formação de descargas parciais, as descargas internas no isolamento sólido são causadas principalmente pela presença de vazios. As técnicas de vedação atuais geralmente envolvem o pré-aquecimento de moldes metálicos, a colocação de componentes pré-aquecidos no molde, a injeção lenta sob vácuo e a cura. Esse processo não é apenas ineficiente, mas também caro. A remoção incompleta de bolhas pode levar a numerosos vazios no isolamento sólido, potencialmente causando descargas parciais durante a operação, levando a rachaduras de longo prazo nos componentes de isolamento e afetando a operação segura e confiável do equipamento.

Portanto, é necessário introduzir tecnologias avançadas, de alta qualidade e eficientes de encapsulamento com resina epóxi. Além disso, dado que o escudo superficial afeta diretamente o desempenho do equipamento, o problema do escudo superficial - ou seja, a tecnologia de escudo superficial - deve ser abordado durante o projeto e a produção. O objetivo de metalizar a superfície dos materiais de isolamento é fornecer um aterramento confiável para os componentes de isolamento sólido, minimizar o impacto dos fatores ambientais e melhorar o desempenho do produto. Atualmente, uma parte significativa das RMUs com isolamento sólido no mercado carece de tratamento de superfície adequado, resultando em altos níveis de descarga parcial nos produtos fornecidos.

3.2 Falta de Experiência em Operação e Manutenção

As RMUs com isolamento sólido são uma tecnologia relativamente nova. Devido à falta de arranjos de teste operacional científicos e razoáveis pelas redes elétricas, o volume total atual de operações é pequeno, o tempo de operação é curto e as conexões de rede provincial são incompletas. Por exemplo, em regiões de alta temperatura, alta umidade, litorâneas, de alta precipitação e com grande variação diária de temperatura, questões práticas precisam ser abordadas. É necessário acumular experiência de trabalho abrangente em todo o país para realizar melhorias direcionadas e proativas nas RMUs com isolamento sólido, continuamente melhorando a segurança e estabilidade do produto.

3.3 Desenvolvimento de Equipamentos de RMU com Isolamento Sólido

Nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento da rede de distribuição da China, o nível técnico do sistema de distribuição foi significativamente aprimorado. O gás SF₆ tem sido amplamente utilizado em RMUs de média tensão. Considerando o status de desenvolvimento atual da China, o gás SF₆ oferece o melhor desempenho geral. No entanto, com o aumento da consciência sobre a proteção ambiental e a importância da conservação natural, o uso extensivo do gás SF₆ em RMUs apresenta certos riscos ambientais e potenciais riscos à saúde humana. Portanto, reduzir o uso de RMUs com gás SF₆ e promover as RMUs com isolamento sólido será um objetivo principal para o desenvolvimento de dispositivos de comutação de alta tensão. Fabricantes domésticos anteciparam essa tendência e começaram gradualmente a desenvolver e produzir produtos de RMU com isolamento sólido.

3.4 Otimização do Projeto Estrutural do Módulo de Isolamento

O projeto estrutural dos módulos de isolamento deve, ao mesmo tempo em que atende aos requisitos funcionais, de inspeção e instalação, visar a redução do consumo de material e prevenir o estresse residual. A presença de estresse residual pode causar rachaduras internas e externas nos componentes de isolamento sólido, levando a descargas parciais durante a operação e potencial falha de isolamento. Portanto, é necessário pesquisar aprofundadamente a estrutura geral, a espessura e as transições dos módulos de isolamento, considerando conceitos de dissipação de calor.

3.5 Pesquisa e Projeto de Camadas de Escudo

O propósito principal do design externo é planejar o aterramento do escudo metálico: primeiro, em caso de falha de isolamento, para confinar falhas de curto-circuito apenas fase-terra, reduzindo a energia do arco e o risco de falha; segundo, para manter o desempenho do isolamento em qualquer ambiente sem necessidade de limpeza da superfície externa do módulo, garantindo uma distribuição de campo elétrico inalterada, mesmo com objetos metálicos estranhos dentro do armário.

4.Direções de Desenvolvimento para a Tecnologia de Unidades de Anel Principal com Isolamento Sólido

4.1 Desenvolvimento de Novos Materiais de Isolamento de Alto Desempenho

Embora a resina epóxi se saia bem como material de isolamento sólido, o processo de fundição em câmaras de extinção de arco de cerâmica a vácuo pode danificar os materiais brutos. Portanto, é essencial desenvolver resinas epóxi avançadas que superem as características dos materiais atuais. Em 2014, a revista Science publicou um artigo sobre a descoberta de um novo polímero termofixo reciclável, marcando um avanço significativo na reciclagem de plásticos termofixos "polissalicilato". Este polímero exibe alta reciclabilidade, abordando o problema de que os plásticos termofixos eram anteriormente não recicláveis. Na próxima década, novos produtos utilizarão cada vez mais materiais termofixos recicláveis.

4.2 Pesquisa sobre Métodos de Conexão de Interface de Componentes Internos

Como as RMUs com isolamento sólido são fabricadas encapsulando condutores do circuito principal e peças de montagem dentro do isolamento sólido, a inflexibilidade dos componentes incorporados requer conexões padronizadas entre diferentes elementos moldados. A configuração geral da RMU é linear, e os condutores de ligação devem ser moldados com resina epóxi, exigindo certo grau de liberdade durante a racionalização do produto. Para abordar isso, propõe-se uma tecnologia de interface usando material de borracha de silicone para conexões porta-condutor. Este método permite a padronização, permitindo que os componentes sejam interconectados e configurados de maneira razoável, reduzindo a complexidade de design do invólucro isolado geral.

4.3 Perspectivas de Promoção de Mercado para RMUs com Isolamento Sólido

As RMUs com isolamento sólido apresentam estrutura simples, tamanho compacto, não tóxicas, operação sem poluição e amigáveis ao meio ambiente, alinhando-se com o conceito global de desenvolvimento verde. No entanto, para que um produto seja bem-sucedido, os fabricantes devem obter lucro com as vendas, tornando a aplicação de mercado um foco chave. Compreender e atender às necessidades dos usuários é crucial para a introdução bem-sucedida de novos produtos. As perspectivas de aplicação de produtos com isolamento sólido são analisadas com base nas necessidades dos usuários.

4.3.1 Produtos que atendem às Necessidades do Consumidor

Durante o uso, os usuários exigem, em primeiro lugar, que os parâmetros técnicos do produto estejam em conformidade com padrões relevantes (especificações técnicas, padrões nacionais e de indústria, etc.) e obtenham certificação da indústria elétrica nacional. Como não existem padrões específicos atualmente para produtos com isolamento sólido, os fabricantes devem auxiliar na elaboração de padrões nacionais ou de indústria. Relata-se que, até 31 de dezembro de 2002, reivindicações de aproximadamente 15 milhões de toneladas de produtos com isolamento sólido foram registradas.

4.3.2 Altas Exigências dos Usuários para Produtos de Rede de Distribuição

O equipamento de distribuição de média tensão é um componente fundamental amplamente utilizado em redes elétricas. Com a expansão contínua da infraestrutura de rede, a demanda por equipamentos de média tensão como ponte entre as redes principais e os usuários finais está crescendo. Os usuários exigem produtos com longa vida útil, forte adaptabilidade ambiental, conformidade com padrões ambientais, tamanho compacto, instalação fácil e rápida, conveniência econômica e histórico operacional confiável.

As RMUs com isolamento sólido têm dimensões compactas, com unidades de gabinete de interruptor de carga únicas medindo 860mm (profundidade) × 420mm (largura) × 1200mm (altura) ou 850mm (profundidade) × 500mm (largura) × 1600mm (altura). Seu tamanho está entre o de quadros de comando isolados a ar. Com base no desempenho técnico acima, as RMUs com isolamento sólido fornecem maior segurança pessoal. No entanto, devido ao seu histórico operacional relativamente curto, apenas um número limitado de unidades está atualmente em serviço em várias fábricas chinesas. Dado o volume limitado de dados operacionais, é atualmente impossível avaliar o envelhecimento do isolamento de epóxi ou determinar ciclos de inspeção.

Alguns fabricantes de equipamentos domésticos garantem uma vida útil do produto superior a 20 anos através de instalações de produção avançadas (oficinas, moldes e soldagem a laser automatizada). Isso representa uma vantagem competitiva. Economicamente, a produção atual de invólucros com isolamento sólido requer investimentos significativos em equipamentos especializados, moldes e materiais, resultando em preços de mercado mais altos. Além disso, como os sistemas de energia utilizam principalmente licitações de equipamentos com foco em preços baixos, os módulos de RMU a SF₆ tornaram-se cada vez mais competitivos em termos de custo, tornando difícil para as RMUs com isolamento sólido dominarem o mercado a curto prazo.

4.3.3 Requisitos Ambientais do Produto

Em grande parte das regiões, os usuários exigem ambientes de operação normais que não excedam 40°C e não fiquem abaixo de -10°C. No entanto, a frequência crescente de desastres naturais globalmente elevou as demandas dos usuários. Por exemplo, RMUs instaladas em ambientes adversos devem ser totalmente fechadas e isentas de manutenção, garantindo isolamento completo. Os equipamentos de disjuntor devem apresentar forte adaptabilidade ambiental, resistência a poeira e umidade, proteção contra imersão de curta duração e resistência a vibrações aprimorada.

Fundir os componentes internos dos disjuntores com resina epóxi aumenta significativamente a resistência dielétrica dos materiais isolantes, evitando a degradação devido à vibração durante o transporte e o uso. Comparado a produtos de RMU isolados a gás, alguns fabricantes realizaram testes em Qinghai e regiões litorâneas úmidas, bem como em altitudes de cerca de 4000m, atingindo classificações de proteção IP68. Portanto, os produtos de RMU com isolamento sólido atendem melhor aos requisitos ambientais.

5.Conclusão

Com base no status atual de desenvolvimento das RMUs com isolamento sólido na China, a tecnologia de isolamento é relativamente madura, efetivamente abordando as deficiências das RMUs isoladas a ar e a gás, e adequada para ambientes especiais, como regiões de alta altitude. A adoção de RMUs com isolamento sólido pode promover efetivamente o desenvolvimento da rede elétrica da China e contribuir para o desenvolvimento socioeconômico sustentável. Com a crescente atenção à proteção ambiental, pode-se afirmar com confiança que as RMUs com isolamento sólido têm amplas perspectivas de aplicação.