Globální vývoj a klíčové technologie pevně izolovaných kruhových distribučních skříní (RMUs)

Vývojový stav v zahraničí i doma

Japonská společnost Toshiba Corporation vyvinula v roce 1999 vysokovýkonné epoxidové hmoty a lití technologii a následně v roce 2002 uvedla na trh pevně izolovanou kruhovou distribuční jednotku (RMU) s napětím 24 kV. Produkční řada byla postupně rozšířena a společnost se nyní ubírá směrem k vyšším napětím 72 kV a 84 kV. Holec, původně evropský inovátor s pokročilými konstrukčními koncepty a ekologickými výrobními procesy, které nezpůsobují znečištění, byl později převzat společností Eaton.

Holecovy pevně izolované RMU byly mezi prvními, které byly zavedeny do Číny, a mnoho čínských výrobců, kteří sami vyvinuli pevně izolované RMU, bylo ovlivněno Holecovým designem. Ačkoli Čína ve svém vývoji začala později, její rozvoj byl rychlý. Reprezentativní společnosti jako Beijing Shuangjie, Shenyang Haocheng a Beihai Galaxy vyvinuly produkty, které prošly typovými zkouškami, dosáhly schopnosti masové výroby a jsou stále více propagovány a nasazovány.

Klíčové technologie a vývojové trendy

Průlom a pokrok v technologii pevné izolace jsou klíčové pro úspěšné uplatnění a použití pevně izolovaného rozvodu. Mnoho výrobců po celém světě, včetně Toshiby a Hitachi, investovalo značné lidské, materiální a finanční zdroje do technologie pevné izolace, což vedlo k významným technickým pokrokům. Na základě integrace globálních výzkumných výsledků jsou klíčové technologické výzvy a vývojové trendy následující:

• Vývoj nových vysokovýkonných epoxidových hmot. Použití vysokovýkonných epoxidových hmot pro přímé obalování vakuumových přerušovačů usnadňuje tepelnou vodivost a eliminuje potřebu silikónových gumových podložek.

• Návrh izolace, který zajistí požadovanou odolnost proti napětí a úroveň částečných výbojků.

• Výzkum a vývoj procesů lití epoxidových hmot, které řeší problémy jako částečné výbojky a trhliny v komponentech pevné izolace.

• Výzkum a vývoj povrchových štítivých vrstev pro komponenty pevné izolace.

• Analýza stability epoxidových hmot. Použití zrychlených stárnutí testů k studiu normální životnosti epoxidových hmot a analýze trendů a tempa změn výkonu, jako jsou částečné výbojky, během životnosti.

• Inteligentní návrh. Využití pokročilých senzorových a měřicích technologií pro dosažení kvalitativního a kvantitativního online monitoringu charakteristických parametrů, jako jsou úrovně částečných výbojků.

Stávající problémy a omezení

Pevně izolované RMU mají vyšší technické a výrobní požadavky než SF₆ plynově izolované RMU. Pokud je technologie nedospělá nebo jsou výrobní procesy nedostatečné, rizika selhání izolace, provozních poruch a možných nebezpečí jsou větší než u SF₆ plynově izolovaných jednotek. Proto pevně izolované RMU vyžadují vyšší standardy v technologii, výrobních procesech a kvalitě surovin. I přes rostoucí akceptaci uživatelů v posledních letech zůstávají několik problémů z hlediska dlouhodobého průmyslového rozvoje a spolehlivosti zařízení:

(1) Problémy s částečnými výbojkami

Na rozdíl od plynové izolace, kde lze sledovat únik plynu a výbojky se mohou samoobnovit, pevná izolace, která je poškozena výbojkou, se nemůže obnovit. Výbojky se během životnosti produktu mohou zvětšovat, což může vést k selhání izolace a fázovým krátkým spojením.

(2) Trhliny v izolačních komponentech

Rané pevně izolované RMU, jak domácí, tak zahraniční, začínají ukazovat trhliny v izolačních komponentách v důsledku dlouhodobé síťové vibrace, operační vibrace, mechanických dopadů, termických cyklů a kolísání teploty prostředí, což vede ke zvýšenému počtu havárií.

(3) Bezpečnost a spolehlivost funkce izolace

Bezpečnost a spolehlivost funkce izolace v pevně izolovaných RMU jsou klíčové. V současné době se primárně používají tradiční třípolohové odpojovací přepínače, plně zabalené do pevné izolace. Izolační vlastnosti odpojovacího přestupu závisí na vzdušném prostoru mezi pohyblivými a stacionárními styčnými body a povrchové kroužkové vzdálenosti izolační komponenty. Povrchové výbojky podél izolační komponenty zvyšují riziko selhání přestupu a potenciální nebezpečí pro osobní bezpečnost. Kromě toho mohou environmentální faktory a stárnutí materiálů zvýšit povrchové utékací proudy, což výrazně snižuje izolační vlastnosti a ohrožuje bezpečné a spolehlivé fungování.

(4) Výběr a vývoj izolačních materiálů

Kvalita a výkon hlavních izolačních materiálů přímo ovlivňuje spolehlivost a stabilitu celé jednotky. S ohledem na rozsáhlé použití izolačních materiálů jsou zásadní zvážit možnosti recyklace, separace, zpracování a znovu použití odpadu a komponent, aby bylo minimalizováno marnění zdrojů.

(5) Problémy s procesem obalování

Návrh produktu by měl usnadnit jeho výrobu a montáž, zatímco výrobní a montážní procesy by měly směřovat k minimálnímu nebo žádnému znečištění prostředí a optimálnímu využití energie a zdrojů. Pro obalené produkty je zejména kritické formulovat proces obalování a vybrat vhodné obalovací zařízení.

Analýza klíčových technologií

(1) Vysoce kvalitní a efektivní technologie obalování

Na základě mechanismu částečných výbojků jsou vnitřní výbojky v komponentech pevné izolace způsobeny především dutinami (bublinami) v materiálu. Tradiční obalování zahrnuje umístění předehřátých komponent do předehřátého kovového formy, evakuaci dutiny formy, pomalé injekce předehřáté, uhlovatelné epoxidové hmoty a tvrdnutí. Tento postup je neefektivní, nákladný a často není schopen úplně eliminovat bubliny, což vede k mnoha dutinám. Tyto dutiny mohou způsobit částečné výbojky po uvedení do provozu, což nakonec může vést k selhání izolace a kompromitovat bezpečné a spolehlivé fungování. Proto je nezbytné použít pokročilé, vysoce kvalitní a efektivní technologie obalování epoxidovými hmotami.

(2) Optimalizace návrhu struktury izolačního modulu

Návrh izolačního modulu musí splňovat funkční, kontrolní a instalace požadavky, zároveň zajistit estetickou hodnotu, snížit spotřebu materiálů a vyhnout se reziduálnímu napětí. Reziduální napětí může způsobit vnitřní a vnější trhliny v izolačních komponentách, což může vést k částečným výbojkám a konečnému selhání izolace během provozu. Je proto nutné provést hluboký výzkum celkového rozvržení, tloušťky a přechodů izolačních modulů, spolu s ohledem na návrh odvody tepla.

(3) Optimalizace návrhu elektrického pole

Koronový výboj nastává, když síla elektrického pole poblíž povrchu vodiče dosáhne přelomové síly okolního plynu, obvykle v velmi nerovnoměrných polích. Ostré hrany nebo špičky na vysokonapěťových elektrodách mohou soustředit elektrické pole, což může způsobit koronový výboj. Jako forma částečných výbojků může korona postupně přerůst v selhání izolace, což ovlivňuje bezpečné a spolehlivé fungování. Proto je klíčovou technologií navrhovat vodičové komponenty, které zajišťují dostatečně slabé a rovnoměrné elektrické pole. Efektivní metody zahrnují použití simulačního softwaru pro výpočty elektrického pole, optimalizaci rozdělení elektrického pole a zdokonalení tvaru izolace a elektrod. Mohou být také nutné štítivé kroužky nebo podobné opatření pro snížení síly elektrického pole.

(4) Výzkum a návrh štítivých vrstev

Hlavními účely aplikace zemně spojené kovové štítivé vrstvy na vnější povrch izolačních modulů jsou: první, omezit krátké spojení pouze na fázi-zem v případě selhání izolace, což snižuje vnitřní obloukovou energii a riziko poruchy; druhé, udržovat izolační vlastnosti v libovolném prostředí bez nutnosti čištění povrchu, dosahovat bezzdržového provozu a zajistit nezměněné rozdělení elektrického pole, i když do skříně proniknou kovové cizí předměty.

(5) Výzkum a analýza stability epoxidových hmot

Jako polymerový materiál se epoxidové hmoty mohou degradovat (stárnout) během zpracování, použití a skladování, což ovlivňuje jejich výkon a životnost. Nejčastější faktory stárnutí jsou teplo a ultrafialové záření. V rozvodu dochází během provozu k neustálému vytváření tepla, což nevyhnutelně zrychluje stárnutí epoxidových hmot. Proto je nezbytné použít simulované stárnutí testy k statistické analýze výkonu pevně izolačních komponent zhotovených z různých materiálů a v různých stádiích stárnutí, aby byly stanoveny klíčové vztahy.

Závěr

Technologie pevné izolace získala uznání u uživatelů a na trhu a je stále více propagována a nasazována. To vyžaduje, aby výrobci zařízení vyráběli produkty, které splňují požadavky na spolehlivost a stabilitu dodávky energie. Bylo provedeno významné množství výzkumu v oblasti procesů obalování a návrhu povrchových štítivých vrstev pro pevně izolované RMU, což vedlo k konkrétním výsledkům. Nicméně tyto úsilí jsou stále nedostatečná. Je třeba věnovat větší důraz výzkumu nových obalovacích materiálů, prevenci trhlin v izolačních komponentách a inovativním návrhům struktur komponent. Zhruba řečeno, pro pevně izolované RMU je potřeba dalšího technického výzkumu, shromažďování a průlomů.