Глобално развитие и ключови технологии на твърдото изолирани кръгови разпределителни уреди (RMUs)

Развитие в държавата и чужбина

Японската корпорация Toshiba разработи високопроизводителни епоксидни смоли и технология за леяне през 1999 г., а след това през 2002 г. представи 24 кВ твърдоизолирано кръгово главно устройство (RMU). Продуктовата линия беше разширена, а компанията сега напредва към по-високи ниво на напрежение от 72 кВ и 84 кВ. Holec, първоначално пионер в Европа с напредъчни дизайнерски концепции и екологични производствени процеси, които не причиняват замърсяване, по-късно беше придобита от Eaton.

Твърдоизолираните RMU на Holec бяха сред първите, въведени в Китай, и много домакински производители, които са разработили собствени твърдоизолирани RMU, показват ясно влияние от дизайна на Holec. Въпреки че Китай започна по-късно в тази област, развитието му е било бързо. Представителни компании като Beijing Shuangjie, Shenyang Haocheng и Beihai Galaxy са разработили продукти, които са преминали типови тестове, достигнали способности за масово производство и все повече се популяризират и разпространяват.

Основни технологии и тенденции в развитието

Пробивът и напредъкът на твърдата изолация са фундаментални за успешното внедряване и приложение на твърдоизолирани комутационни устройства. Много производители по света, включително Toshiba и Hitachi, са инвестирали значителни човешки, материали и финансови ресурси в технологията за твърда изолация, постигайки значителен технически прогрес. На основата на интеграцията на глобалните научни резултати, ключовите технически предизвикателства и тенденции в развитието са следните:

• Разработка на нови високопроизводителни епоксидни смоли. Използването на високопроизводителни епоксидни смоли за пряко обвиване на вакуумни прекъснатели подпомага провеждането на топлина и елиминира необходимостта от буфери от силиконова гума.

• Изолационен дизайн, за да се осигури необходимото напрежение на издръжливост и ниво на частични разряди.

• Изследвания и разработка на процеси за леяне на епоксидни смоли, за да се решат проблеми като частични разряди и трещини в компонентите от твърда изолация.

• Изследвания и разработка на повърхностни защитни слоеве за компонентите от твърда изолация.

• Анализ на стабилността на епоксидните смоли. Използването на ускорени тестове за стареене, за да се изучи нормалния срок на служба на епоксидните смоли и анализ на тенденциите и скоростта на промени в производителността, като частични разряди, по време на срока на служба.

• Интелигентен дизайн. Прилагане на напредъчни технологии за чувствителност и измерване, за да се постигне качествено и количествено онлайн наблюдение на характеристични параметри, като ниво на частични разряди.

Съществуващи проблеми и ограничения

Твърдоизолираните RMU имат по-високи технически и производствени изисквания в сравнение с RMU, изолирани с SF₆ газ. Ако технологията е недоразвита или производствените процеси са недостатъчни, рисковете от изолационни дефекти, эксплоатационни грешки и потенциални опасности са по-големи от тези при RMU, изолирани с SF₆ газ. Следователно, твърдоизолираните RMU изискват по-високи стандарти в технологията, производствените процеси и качеството на суровините. Въпреки нарастващата приемственост от страна на потребителите в последните години, остават няколко проблема от гледна точка на дългосрочното развитие на индустрията и надеждността на оборудването:

(1) Проблеми с частични разряди

В противовес на газовата изолация, при която може да се наблюдава утечка на газ и разрядите могат да се самоизлекуват, твърдата изолация, веднъж повредена от разряд, не може да се възстанови. Разрядите имат тенденция да се увеличават по време на срока на служба на продукта, което може да доведе до изолационен срив и междифазно късо свързване.

(2) Трещини в изолационните компоненти

Ранните твърдоизолирани RMU както в държавата, така и в чужбина вече започват да показват трещини в изолационните компоненти поради дългосрочни вибрации на сетьта, експлоатационни вибрации, механични удари, термични цикли и колебания на околната температура, което води до увеличаване на броя на аварии.

(3) Безопасност и надеждност на функцията за изолация

Безопасността и надеждността на функцията за изолация в твърдоизолираните RMU са критични. В момента се използват предимно традиционни трипозиционни разделителни ключове, които са напълно обвивани в твърдата изолация. Изолационната производителност на изолационния прекъснател зависи както от въздушната преграда между движещите се и неподвижните контакти, така и от повърхностното ползоване на изолационния компонент. Повърхностната пробойна пробягва по изолационния компонент увеличава риска от отказ на прекъснателя и потенциални опасности за персонала. Освен това, околните фактори и стареенето на материалите могат да увеличи повърхностните течения, което значително намалява изолационната производителност и заплашва безопасната и надеждна експлоатация.

(4) Избор и развитие на изолационни материали

Качеството и производителността на основните изолационни материали директно влияят върху надеждността и стабилността на цялото устройство. Учитывайки широкото използване на изолационни материали, е важно да се вземат предвид въпроси, свързани с рециклиране, отделяне, обработка и повторно използване на отпадъци и компоненти, за да се минимизира използването на ресурси.

(5) Проблеми с процеса на обвиване

Дизайнът на продукта трябва да облекчи производството и сборката, докато производствените и сборковите процеси трябва да се стремят към минимално или никакво замърсяване на околната среда и оптимално използване на енергия и ресурси. За обвитите продукти, формулирането на процеса на обвиване и изборът на обвивочно оборудване са особено критични.

Анализ на ключовите технологии

(1) Висококачествена и ефективна технология за обвиване

На базата на механизма на частичните разряди, вътрешните разряди в компонентите от твърда изолация са предимно причинени от празни пространства (буболечки) в материалите. Конвенционалното обвиване включва поставянето на предварително загрети компоненти в предварително загрета метална форма, евакуиране на формата, бавно вкарване на нагрета, хардувалища епоксидна смола и хардуване. Този метод е неефективен, скъп и често не успява напълно да елиминира буболечките, водейки до множество празни пространства. Тези празни пространства могат да причинят частични разряди след пускане, което в крайна сметка води до изолационен срив и компрометиране на безопасната и надеждна експлоатация. Следователно, е необходимо да се приеме напредъчна, висококачествена и ефективна технология за обвиване с епоксидни смоли.

(2) Оптимизация на конструкцията на изолационните модули

Дизайнът на изолационните модули трябва да отговаря на функционалните, проверките и монтажните изисквания, като същевременно осигурява эстетика, намалено потребление на материали и избягване на остатъчни напрежения. Остатъчните напрежения могат да причинят вътрешни и външни трещини в изолационните компоненти, които могат да доведат до частични разряди и в крайна сметка до изолационен срив по време на експлоатация. Следователно, е необходимо дълбоко изследване на общата компоновка, дебелината и преходите на изолационните модули, както и разглеждане на дизайна за отвеждане на топлината.

(3) Оптимизация на дизайна на електрическото поле

Коронният разряд се случва, когато силата на електрическото поле близо до повърхността на проводника достигне силата на пробив на обкръжаващия газ, обикновено в много нехомогенни полета. Острите ръбове или точки на високонапреговите електроди могат да концентрират електрическото поле, причинявайки коронен разряд. Както форма на частичен разряд, коронният разряд може да напредва до изолационен срив с времето, влияйки на безопасната и надеждна експлоатация. Следователно, проектирането на проводящи компоненти, за да се осигури достатъчно слабо и хомогенно електрическо поле, е ключова технология. Ефективни методи включват използването на симулационно софтуер за изчисления на електрическото поле, оптимизиране на разпределението на електрическото поле и усъвършенстване на формата на изолацията и електродите. Може да се наложи да се използват защитни пръстени или подобни мерки, за да се намали силата на електрическото поле.

(4) Изследвания и проектиране на защитни слоеве

Основните цели на прилагането на заземен метален защитен слой върху външната повърхност на изолационните модули са: първо, да се ограничат късите свързания само до фаза-земя в случай на изолационен отказ, намалявайки вътрешната дъга и риска от дефект; второ, да се поддържа изолационната производителност във всяка среда без необходимост от повърхностно чистене, постигайки безподдръжна експлоатация, и гарантиране, че разпределението на електрическото поле остава непроменено дори ако метални чужди предмети влязат в обвивката.

(5) Изследвания и анализ на стабилността на епоксидните смоли

Епоксидните смоли като полимерни материали могат да се деградират (стареят) по време на обработката, приложението и съхранението, влияйки на производителността и срока на служба. Най-честите фактори за стареене са топлината и ултравиолетовата радиация. В комутационните устройства, непрекъснатото генериране на топлина по време на експлоатация неизбежно ускорява стареенето на епоксидните смоли. Следователно, е необходимо да се използват симулиращи тестове за стареене, за да се направи статистически анализ на производителността на твърдоизолираните компоненти, направени от различни материали и на различни етапи на стареене, за да се установят критични отношения.

Заключение

Технологията за твърда изолация е получила признание от потребителите и пазара и все повече се популяризира и разпространява. Това изисква производителите на оборудване да произвеждат продукти, които отговарят на изискванията за надеждност и стабилност на електропитанието. Значителни изследвания са проведени върху процесите за обвиване и дизайна на повърхностните защитни слоеве за твърдоизолираните RMU, които са дали конкретни резултати. Въпреки това, тези усилия все още са недостатъчни. Необходимо е да се обърне по-голямо внимание на изследванията на нови материали за обвиване, предотвратяване на трещини в изолационните компоненти и иновативни конструктивни дизайни на компонентите. В заключение, са необходими допълнителни технически изследвания, натрупване и прориви за твърдоизолираните RMU.