Desenvolupament Global i Tecnologies Clau de les Unitats de Distribució en Anell amb Aïllament Sòlid (RMUs)
Estat de Desenvolupament a Nivell Nacional i Internacional
La Corporació Toshiba del Japó va desenvolupar materials d'epòxi d'alta prestació i tecnologia de fondua en 1999, i posteriorment va llançar una unitat de distribució en anell (RMU) amb aïllament sòlid de 24 kV el 2002. La gamma de productes s'ha ampliat des de llavors, i la companyia està avançant cap a nivells de tensió més alts de 72 kV i 84 kV. Holec, originalment un pioner europeu amb conceptes de disseny avançats i processos de fabricació ecològics que no produeixen contaminació, va ser posteriorment adquirit per Eaton.
Les RMUs amb aïllament sòlid de Holec van ser entre les primeres introduïdes a la Xina, i moltes de les RMUs amb aïllament sòlid autodesenvolupades per fabricants locals mostren clares influències dels dissenys de Holec. Encara que la Xina va començar més tard en aquest camp, el seu desenvolupament ha estat ràpid. Empreses representatives com Beijing Shuangjie, Shenyang Haocheng i Beihai Galaxy han desenvolupat productes que han superat els ensayos tipus, han assolit capacitats de producció en massa i es promouen i implementen cada vegada més.
Tecnologies Clau i Tendències de Desenvolupament
El trencaclosques i l'avanç de la tecnologia d'aïllament sòlid són fonamentals per al èxit de la promoció i aplicació de l'equips de commutació amb aïllament sòlid. Molts fabricants arreu del món, incloent Toshiba i Hitachi, han invertit recursos humans, materials i financers significatius en la tecnologia d'aïllament sòlid, assolint progrès tècnics notables. Basant-se en la integració dels resultats de recerca globals, els reptes tècnics clau i les tendències de desenvolupament són els següents:
Desenvolupament de nous epoxis d'alta prestació. L'ús d'epoxis d'alta prestació per encapsular directament els interruptors de buit facilita la conducció de calor i elimina la necessitat de bufers de caucau de silicona.
Disseny d'aïllament per assegurar la tensió de resistència requerida i els nivells de descàrrega parcial.
Recerca i desenvolupament de processos de fondua d'epoxi per abordar problemes com la descàrrega parcial i la fractura en components d'aïllament sòlid.
Recerca i desenvolupament de capes de blindatge superficial per a components d'aïllament sòlid.
Anàlisi de la estabilitat dels epoxis. Utilitzant proves d'envelleiment accelerat per estudiar la vida útil normal dels epoxis i analitzar les tendències i velocitats de canvi en el rendiment, com la descàrrega parcial, durant la vida útil.
Disseny intel·ligent. Emprant tecnologies de sensorització i mesurament avançades per aconseguir un monitoratge en línia qualitatiu i quantitatiu de paràmetres característics com els nivells de descàrrega parcial.
Problemes Existents i Limitacions
Les RMUs amb aïllament sòlid tenen requisits tècnics i de procés més alts que les RMUs amb aïllament de gas SF₆. Si la tecnologia és immatura o els processos són inadequats, els riscos de fallides d'aïllament, errors operatius i possibles peril·los són més grans que amb les unitats amb aïllament de gas SF₆. Per tant, les RMUs amb aïllament sòlid requereixen estàndards més alts en tecnologia, processos de fabricació i qualitat dels materials bruts. Malgrat la creixent acceptació dels usuaris en els últims anys, diversos problemes encara persisteixen des del punt de vista del desenvolupament industrial a llarg termini i la fiabilitat de l'equipament:
(1) Problemes de Descàrrega Parcial
A diferència de l'aïllament de gas, on la fuga de gas pot ser monitoritzada i les descàrregues poden recuperar-se, l'aïllament sòlid, una vegada danificat per descàrregues, no es pot recuperar. Les descàrregues tendeixen a augmentar durant la vida útil del producte, posant en risc la ruptura de l'aïllament i les curto-circuïts entre fases.
(2) Fractura de Components d'Aïllament
Les RMUs amb aïllament sòlid inicials, tant a nivell nacional com internacional, han començat a mostrar fractures en components d'aïllament degut a la vibració de freqüència de xarxa a llarg termini, la vibració operativa, els impactes mecànics, el cicle térmic i les fluctuacions de temperatura ambiental, augmentant les taxes d'accidents.
(3) Seguretat i Fiabilitat de la Funció d'Isolació
La seguretat i fiabilitat de la funció d'isolació en les RMUs amb aïllament sòlid són crítiques. Actualment, es fan servir principalment interrumptors de tres posicions tradicionals, completament encapsulats dins l'aïllament sòlid. El rendiment d'aïllament de la ruptura d'isolació depèn tant de l'espai d'aire entre els contactes mòbils i estacionaris com de la distància de creuament superficial del component d'aïllament. La flashover superficial a través del component d'aïllament augmenta el risc de fallida de la ruptura i peril·los potencials per al personal. A més, els factors ambientals i l'envelleiment del material poden augmentar les corrents de fuga superficial, reduint significativament el rendiment d'aïllament i amenaçant la operació segura i fiable.
(4) Selecció i Desenvolupament de Materials d'Aïllament
La qualitat i el rendiment dels materials d'aïllament primari afecten directament la fiabilitat i estabilitat de l'unitat completa. Donat l'ús extensiu de materials d'aïllament, consideracions per al reciclatge, separació, tractament i reutilització de materials i components residus són essencials per minimitzar el despilfarro de recursos.
(5) Problemes de Processos d'Encapsulació
El disseny del producte hauria de facilitar la fabricació i l'ensamblatge, mentre que els processos de fabricació i ensamblatge haurien de buscar una contaminació ambiental mínima o nul·la i l'ús òptim d'energia i recursos. Per als productes encapsulats, la formulació del procés d'encapsulació i la selecció de l'equip d'encapsulació són particularment crítics.
Anàlisi de Tecnologies Clau
(1) Tecnologia d'Encapsulació d'Alta Qualitat i Eficiència
Basant-se en el mecanisme de la descàrrega parcial, les descàrregues internes en components d'aïllament sòlid són principalment causades per vides (bombolles) dins el material. L'encapsulació convencional implica col·locar components preescalfats en un molda metàl·lic preescalfat, evacuar la cavetat del molda, injectar lentament resina d'epoxi escalfada i curable, i curar. Aquest mètode és ineficient, costós i sovint no aconsegueix eliminar completament les bombolles, conduint a nombroses vides. Aquestes vides poden causar descàrregues parcials després de la puesta en marcha, eventualment resultant en la ruptura de l'aïllament i comprometent la operació segura i fiable. Per tant, és essencial adoptar una tecnologia d'encapsulació d'epoxi avançada, d'alta qualitat i eficiència.
(2) Optimització del Disseny Estructural del Mòdul d'Aïllament
El disseny del mòdul d'aïllament ha de complir amb els requisits funcionals, d'inspecció i d'instal·lació, així com assegurar un aspecte estètic, una reducció del consum de materials i evitar la tensió residual. La tensió residual pot causar fractures internes i externes en components d'aïllament, que poden portar a descàrregues parcials i eventualment a la ruptura de l'aïllament durant la operació. Per tant, és necessari un estudi profund sobre la disposició general, l'espessor i les transicions dels mòduls d'aïllament, juntament amb la consideració del disseny de dissipació de calor.
(3) Optimització del Disseny del Camp Elèctric
La descàrrega coronal ocorre quan la intensitat del camp elèctric prop de la superfície d'un conductor arriba a la tensió de ruptura del gas envoltant, típicament en camps molt no uniformes. Les vores o puntes agudes en els electrodes d'alta tensió poden concentrar el camp elèctric, causant descàrrega coronal. Com una forma de descàrrega parcial, la descàrrega coronal pot evolucionar a la ruptura de l'aïllament a llarg termini, afectant la operació segura i fiable. Per tant, dissenyar components conductors per assegurar un camp elèctric suficientment feble i uniforme és una tecnologia clau. Mètodes efectius inclouen l'ús de programari de simulació per calcular el camp elèctric, optimitzar la distribució del camp elèctric i refinament de formes d'aïllament i electrodes. Poden ser necessàries anelles de blindatge o mesures similars per reduir la intensitat del camp elèctric.
(4) Recerca i Disseny de Capes de Blindatge
Els objectius principals d'aplicar una capa de blindatge metàl·lica a terra a la superfície exterior dels mòduls d'aïllament són: primer, confinar les falles de curto-circuit només a fase-a-terra en cas de fallida de l'aïllament, reduint l'energia d'arc interna i el risc de fallida; segon, mantenir el rendiment d'aïllament en qualsevol entorn sense necessitat de neteja de la superfície, aconseguint una operació sense manteniment, i assegurant una distribució del camp elèctric invariable fins i tot si objectes metàl·lics estranys entren a la carcassa.
(5) Recerca i Anàlisi de la Estabilitat dels Epoxis
Com a material polimèric, l'epoxi pot degradar-se (envelleir) durant el processament, l'aplicació i l'emmagatzematge, afectant el seu rendiment i la seva vida útil. Els factors d'envelleiment més comuns són el calor i la radiació ultravioleta. En l'equip de commutació, la generació contínua de calor durant la operació inevitadament acelera l'envelleiment de l'epoxi. Per tant, utilitzar proves d'envelleiment simulat per analitzar estadísticament el rendiment de components d'aïllament sòlid fabricats amb diferents materials i en diverses etapes d'envelleiment és essencial per establir relacions crítiques.
Conclusió
La tecnologia d'aïllament sòlid ha guanyat reconeixement per part dels usuaris i el mercat i es promou i implementa cada vegada més. Això requereix que els fabricants d'equips produïsquen productes que compleixin amb les demandes de fiabilitat i estabilitat del subministrament d'energia. S'han realitzat investigacions significatives en processos d'encapsulació i disseny de capes de blindatge superficial per a les RMUs amb aïllament sòlid, arribant a resultats tangibles. No obstant això, aquests esforços encara són insuficients. Cal posar més èmfasi en la recerca de nous materials d'encapsulació, la prevenció de la fractura de components d'aïllament i dissenys estructurals innovadors de components. En resum, calen més recerques tècniques, acumulació i trencaclosques per a les RMUs amb aïllament sòlid.
