Ứng dụng hiện tại và xu hướng tương lai của các tủ phân phối vòng có cách điện rắn (RMUs)

1.Trạng thái ứng dụng hiện tại của các thiết bị phân phối vòng trung thế có cách điện rắn trong mạng phân phối trung thế

1.1 Ứng dụng rộng rãi ở khu vực dân cư đô thị

Các thành phần chính của thiết bị phân phối vòng trung thế (RMUs) chủ yếu bao gồm công tắc tải và cầu chì. Những đơn vị này mang lại nhiều lợi ích, bao gồm cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ gọn và chi phí tương đối thấp. Ngoài ra, chúng còn cải thiện hiệu quả chất lượng điện và tăng cường độ tin cậy và an toàn của nguồn điện. Quan sát cho thấy dòng định mức tối đa cho RMUs trung thế là 1250A, với giá trị điển hình là 630A. Dựa trên phương tiện cách điện, RMUs thường được phân loại thành hai loại: cách điện bằng không khí và cách điện bằng khí SF₆. Chúng được sử dụng chủ yếu để chuyển mạch dòng tải và ngắt dòng ngắn mạch, đồng thời cũng cung cấp một số chức năng điều khiển và bảo vệ.

1.2 RMUs có công tắc tải chân không cung cấp khoảng cách cách ly đáng tin cậy

Công tắc tải được sử dụng trong RMUs cách điện bằng không khí bao gồm bốn loại: tạo khí, nén khí, chân không và SF₆. Trong số đó, công tắc tải SF₆ đóng vai trò là công tắc chính trong RMUs cách điện bằng không khí. Công tắc tải trong vỏ kín thường có ba vị trí hoạt động: ngắt tải, nối đất đáng tin cậy và cách ly mạch.

1.3 Nâng cao mức độ ứng dụng thực tế

Nói chung, RMUs có thiết kế nhỏ gọn. Với đặc điểm này, hầu hết các công tắc tải (thường là công tắc cao áp) có cấu trúc tương đối đơn giản và được trang bị cầu chì cao áp. Hoạt động bình thường của RMUs chủ yếu dựa vào công tắc tải, trong khi dòng ngắn mạch được ngắt hiệu quả bởi cầu chì. Sự kết hợp hiệu quả giữa hai thành phần này tối đa hóa việc thay thế cầu dao, mặc dù sự thay thế này chỉ giới hạn trong một số dải công suất cụ thể.

2.Xu hướng phát triển và đặc điểm kỹ thuật của các thiết bị phân phối vòng trung thế có cách điện rắn

2.1 Ứng dụng hiệu quả công nghệ cực bọc

Resin epoxy thường được sử dụng làm vật liệu cách điện chính trong cách điện rắn, với chân không làm môi trường dập hồ quang. Để đạt được hiệu quả các chức năng như cách ly tải và dòng điện, cơ chế hoạt động phải được kích hoạt đúng cách để kiểm soát hiệu quả hệ thống phân phối điện, bảo vệ thêm nữa thiết bị và an toàn cá nhân. Cách điện rắn giảm đáng kể khoảng cách cách điện pha-đất trong tủ phân phối, rút ngắn khoảng cách cách điện không khí từ 125mm xuống chỉ vài milimét. Không có khí SF₆, tổng thể tích được giảm so với C-GIS truyền thống. Ngoài ra, việc sử dụng cơ chế hoạt động tương đối đơn giản giúp giảm số lượng bộ phận, nâng cao độ tin cậy của thiết bị.

2.2 Đặc điểm kỹ thuật của RMUs có cách điện rắn

So với RMUs cách điện bằng không khí có công tắc SF₆ và RMUs cách điện bằng khí SF₆, RMUs có cách điện rắn mang lại nhiều ưu điểm: Đầu tiên, cấu trúc vỏ đơn giản hơn. Bằng cách loại bỏ các thành phần liên quan đến khí như bình áp lực, đồng hồ đo áp, van nạp, độ tin cậy của RMUs được cải thiện đáng kể, chi phí bảo trì giảm và tình trạng hoạt động của công tắc được nâng cao hiệu quả. Thứ hai, công tắc chính được trang bị thành phần cách ly, cung cấp một khoảng cách rõ ràng. Cách điện rắn chủ yếu sử dụng ống và ống cách điện bằng resin epoxy. Các vật liệu này hiệu quả trong việc giảm sự lỏng lẻo của SF₆ ở vùng lạnh và giảm tác động bất lợi do giãn nở nhiệt ở vùng nóng, chứng tỏ khả năng ứng dụng rộng rãi trong môi trường khắc nghiệt.

3.Các vấn đề cần chú ý trong các thiết bị phân phối vòng trung thế có cách điện rắn

3.1 Công nghệ cách điện và phủ bề mặt

Theo cơ chế hình thành xả cục bộ, xả bên trong cách điện rắn chủ yếu do sự tồn tại của các hốc rỗng. Các kỹ thuật niêm phong hiện tại thường bao gồm làm nóng trước khuôn kim loại, đặt các thành phần đã làm nóng vào khuôn, tiêm từ từ dưới chân không và làm cứng. Quá trình này không chỉ kém hiệu quả mà còn tốn kém. Việc loại bỏ bọt không hoàn toàn có thể dẫn đến nhiều hốc rỗng trong cách điện rắn, có thể gây ra xả cục bộ trong quá trình vận hành, dẫn đến nứt lâu dài của các thành phần cách điện và ảnh hưởng đến hoạt động an toàn và đáng tin cậy của thiết bị.

Do đó, phải đưa vào công nghệ bọc resin epoxy tiên tiến, chất lượng cao và hiệu quả. Ngoài ra, do che chắn bề mặt trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu suất thiết bị, vấn đề về che chắn bề mặt - tức là công nghệ che chắn bề mặt - phải được giải quyết trong quá trình thiết kế và sản xuất. Mục đích của việc mạ kim loại bề mặt vật liệu cách điện là cung cấp tiếp địa đáng tin cậy cho các thành phần cách điện rắn, giảm thiểu tác động của các yếu tố môi trường và nâng cao hiệu suất sản phẩm. Hiện nay, một phần lớn RMUs có cách điện rắn trên thị trường thiếu xử lý bề mặt thích hợp, dẫn đến mức xả cục bộ cao trong các sản phẩm cung cấp.

3.2 Thiếu kinh nghiệm vận hành và bảo dưỡng

RMUs có cách điện rắn là một công nghệ tương đối mới. Do thiếu sắp xếp thử nghiệm khoa học và hợp lý của lưới điện, tổng khối lượng vận hành hiện tại vẫn còn nhỏ, thời gian vận hành ngắn và kết nối lưới tỉnh chưa hoàn chỉnh. Ví dụ, ở các vùng có nhiệt độ cao, độ ẩm cao, ven biển, mưa lớn và biến đổi nhiệt độ ngày đêm lớn, các vấn đề thực tế cần được giải quyết. Cần tích lũy kinh nghiệm làm việc toàn diện trên toàn quốc để thực hiện các cải tiến có mục tiêu và nhìn xa cho RMUs có cách điện rắn, liên tục nâng cao an toàn và ổn định của sản phẩm.

3.3 Phát triển thiết bị RMU có cách điện rắn

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển nhanh chóng của mạng phân phối Trung Quốc, trình độ kỹ thuật của hệ thống phân phối đã được cải thiện đáng kể. Khí SF₆ đã được sử dụng rộng rãi trong RMUs trung thế. Từ tình hình phát triển hiện tại của Trung Quốc, khí SF₆ mang lại hiệu suất tổng thể tốt nhất. Tuy nhiên, với sự nhận thức ngày càng cao về bảo vệ môi trường và tầm quan trọng của việc bảo tồn tự nhiên, việc sử dụng rộng rãi khí SF₆ trong RMUs gây ra một số mối đe dọa môi trường và rủi ro tiềm ẩn đối với sức khỏe con người. Do đó, giảm sử dụng RMUs khí SF₆ và thúc đẩy RMUs có cách điện rắn sẽ là mục tiêu chính trong phát triển thiết bị cắt điện cao áp. Các nhà sản xuất trong nước đã dự đoán xu hướng này và đã bắt đầu dần phát triển và sản xuất các sản phẩm RMU có cách điện rắn.

3.4 Tối ưu hóa thiết kế cấu trúc mô-đun cách điện

Thiết kế cấu trúc mô-đun cách điện phải, trong khi đáp ứng yêu cầu chức năng, kiểm tra và lắp đặt, nhằm giảm tiêu thụ vật liệu và ngăn ngừa ứng suất dư. Sự tồn tại của ứng suất dư có thể gây ra các vết nứt bên trong và bên ngoài các thành phần cách điện rắn, dẫn đến xả cục bộ trong quá trình vận hành và có thể gây hỏng cách điện. Do đó, cần nghiên cứu sâu về cấu trúc tổng thể, độ dày và chuyển tiếp của mô-đun cách điện, với sự cân nhắc đến khái niệm tản nhiệt.

3.5 Nghiên cứu và thiết kế lớp che chắn

Mục đích chính của thiết kế bên ngoài là lên kế hoạch cho việc che chắn kim loại tiếp đất: đầu tiên, trong trường hợp hỏng cách điện, để giới hạn lỗi ngắn mạch chỉ ở pha-đất, giảm năng lượng hồ quang và rủi ro lỗi; thứ hai, duy trì hiệu suất cách điện trong mọi môi trường mà không cần làm sạch bề mặt bên ngoài của mô-đun, đảm bảo phân bố điện trường không thay đổi ngay cả khi có vật kim loại lạ bên trong tủ.

4.Hướng phát triển công nghệ thiết bị phân phối vòng trung thế có cách điện rắn

4.1 Phát triển vật liệu cách điện mới có hiệu suất cao

Mặc dù resin epoxy có hiệu suất tốt như một vật liệu cách điện rắn, quy trình đổ khuôn trong buồng dập hồ quang bằng gốm chân không có thể làm hỏng nguyên liệu. Do đó, việc phát triển resin epoxy tiên tiến vượt qua các đặc tính của vật liệu hiện tại là rất cần thiết. Năm 2014, tạp chí Science đã đăng một bài báo về việc phát hiện một polyme nhiệt dẻo tái chế được, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc tái chế "polysalicylate" polyme nhiệt dẻo. Polyme này có khả năng tái chế cao, giải quyết vấn đề rằng polyme nhiệt dẻo trước đây không thể tái chế. Trong thập kỷ tới, các sản phẩm mới sẽ ngày càng sử dụng vật liệu nhiệt dẻo tái chế.

4.2 Nghiên cứu phương pháp kết nối giao diện thành phần nội bộ

Vì RMUs có cách điện rắn được sản xuất bằng cách bọc các dây dẫn mạch chính và các bộ phận gắn kết trong cách điện rắn, sự cố định của các thành phần nhúng đòi hỏi các kết nối chuẩn hóa giữa các phần đúc khác nhau. Cấu hình tổng thể của RMU là tuyến tính, và các dây dẫn kết nối phải được đúc với resin epoxy, đòi hỏi một mức độ tự do nhất định trong quá trình hợp lý hóa sản phẩm. Để giải quyết vấn đề này, một công nghệ giao diện sử dụng vật liệu cao su silicone cho kết nối cổng-dây dẫn được đề xuất. Phương pháp này cho phép chuẩn hóa, cho phép các thành phần được kết nối và cấu hình hợp lý, giảm độ phức tạp trong thiết kế tổng thể của vỏ cách điện.

4.3 Triển vọng quảng bá thị trường cho RMUs có cách điện rắn

RMUs có cách điện rắn có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ gọn, không độc hại, không gây ô nhiễm và thân thiện với môi trường, phù hợp với khái niệm phát triển xanh toàn cầu. Tuy nhiên, để một sản phẩm thành công, nhà sản xuất phải kiếm được lợi nhuận từ việc bán hàng, vì vậy việc áp dụng thị trường là một trọng tâm quan trọng. Hiểu và đáp ứng nhu cầu của người dùng là then chốt để giới thiệu thành công các sản phẩm mới. Triển vọng áp dụng của các sản phẩm có cách điện rắn được phân tích dựa trên nhu cầu của người dùng.

4.3.1 Sản phẩm đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng

Trong quá trình sử dụng, người dùng đầu tiên yêu cầu các thông số kỹ thuật của sản phẩm tuân thủ các tiêu chuẩn liên quan (tiêu chuẩn kỹ thuật, tiêu chuẩn quốc gia và ngành, v.v.) và được chứng nhận bởi ngành điện quốc gia. Do hiện nay không có tiêu chuẩn cụ thể nào dành cho các sản phẩm có cách điện rắn, các nhà sản xuất phải hỗ trợ xây dựng các tiêu chuẩn quốc gia hoặc ngành. Theo báo cáo, đến ngày 31 tháng 12 năm 2002, đã có khoảng 15 triệu tấn sản phẩm có cách điện rắn được đăng ký.

4.3.2 Yêu cầu cao của người dùng đối với các sản phẩm mạng phân phối

Thiết bị phân phối trung thế là một thành phần cơ bản được sử dụng rộng rãi trong lưới điện. Với sự mở rộng liên tục của cơ sở hạ tầng lưới điện, nhu cầu về thiết bị trung thế như một cầu nối giữa mạng chính và người dùng cuối đang tăng lên. Người dùng yêu cầu các sản phẩm có tuổi thọ dài, khả năng thích ứng môi trường cao, tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường, kích thước nhỏ gọn, dễ dàng và nhanh chóng lắp đặt, kinh tế thuận tiện và lịch sử hoạt động đáng tin cậy.

RMUs có cách điện rắn có kích thước nhỏ gọn, với đơn vị tủ công tắc tải đơn có kích thước 860mm (chiều sâu) × 420mm (chiều rộng) × 1200mm (chiều cao) hoặc 850mm (chiều sâu) × 500mm (chiều rộng) × 1600mm (chiều cao). Kích thước của chúng nằm giữa kích thước của tủ phân phối cách điện bằng không khí. Dựa trên hiệu suất kỹ thuật trên, RMUs có cách điện rắn cung cấp an toàn cá nhân được cải thiện. Tuy nhiên, do thời gian vận hành tương đối ngắn, hiện chỉ có một số lượng hạn chế các đơn vị đang hoạt động ở một số nhà máy ở Trung Quốc. Do dữ liệu vận hành hạn chế, hiện tại không thể đánh giá sự lão hóa của cách điện epoxy hoặc xác định chu kỳ kiểm tra.

Một số nhà sản xuất thiết bị trong nước đảm bảo tuổi thọ sản phẩm trên 20 năm thông qua các cơ sở sản xuất tiên tiến (xưởng, khuôn và hàn laser tự động). Điều này đại diện cho một lợi thế cạnh tranh. Về mặt kinh tế, việc sản xuất hiện tại của vỏ cách điện rắn đòi hỏi đầu tư lớn vào thiết bị chuyên dụng, khuôn và vật liệu, dẫn đến giá thị trường cao hơn. Ngoài ra, do hệ thống điện chủ yếu sử dụng đấu thầu thiết bị với tập trung vào giá thấp, các mô-đun RMU khí SF₆ đã trở nên cạnh tranh hơn về giá, khiến RMUs có cách điện rắn khó chiếm ưu thế trên thị trường trong ngắn hạn.

4.3.3 Yêu cầu môi trường của sản phẩm

Ở hầu hết các khu vực, người dùng yêu cầu môi trường hoạt động bình thường không vượt quá 40°C và không dưới -10°C. Tuy nhiên, tần suất tăng của thảm họa tự nhiên toàn cầu đã nâng cao yêu cầu của người dùng. Ví dụ, RMUs được lắp đặt trong môi trường khắc nghiệt phải được bọc kín và không cần bảo dưỡng, đảm bảo cách điện hoàn toàn. Thiết bị cắt điện phải có khả năng thích ứng môi trường mạnh mẽ, chống bụi và độ ẩm, bảo vệ ngâm ngắn hạn và tăng cường khả năng chịu rung.

Việc đúc các thành phần bên trong của thiết bị cắt điện bằng resin epoxy tăng đáng kể sức bền điện của vật liệu cách điện, ngăn chặn sự suy giảm do rung trong quá trình vận chuyển và sử dụng. So với các sản phẩm RMU cách điện bằng khí, một số nhà sản xuất đã tiến hành thử nghiệm ở các khu vực khô hạn ở Thanh Hải, các khu vực ẩm ướt ven biển và ở độ cao khoảng 4000m, đạt được xếp hạng bảo vệ IP68. Do đó, các sản phẩm RMU có cách điện rắn đáp ứng tốt hơn yêu cầu môi trường.

5.Kết luận

Dựa trên tình hình phát triển hiện tại của RMUs có cách điện rắn ở Trung Quốc, công nghệ cách điện tương đối chín muồi, hiệu quả giải quyết các hạn chế của RMUs cách điện bằng không khí và khí, và phù hợp với các môi trường đặc biệt như vùng cao. Việc áp dụng RMUs có cách điện rắn có thể thúc đẩy hiệu quả sự phát triển của lưới điện Trung Quốc và góp phần vào sự phát triển kinh tế-xã hội bền vững. Với sự quan tâm ngày càng tăng đến bảo vệ môi trường, có thể tự tin nói rằng RMUs có cách điện rắn có triển vọng ứng dụng rộng rãi.