Global Udvikling og Nøgleteknologier for Fastisolerede Ringhovedenheder (RMUs)

Udviklingsstatus hjemme og ude

Toshiba Corporation i Japan udviklede højtydende epoxyharsmaterialer og formningsteknologi i 1999, og lancerede derefter en 24 kV fast isoleret ringhovedenhed (RMU) i 2002. Produktlinjen er siden blevet udvidet, og virksomheden arbejder nu på at nå højere spændingsniveauer på 72 kV og 84 kV. Holec, oprindeligt en europæisk pioner med avancerede designkoncepter og miljøvenlige produktionsprocesser, der ikke producerer forurening, blev senere overtaget af Eaton.

Holecs fast isolerede RMUs var blandt de første, der blev introduceret i Kina, og mange lokale producenters selvudviklede fast isolerede RMUs viser klare indflydelser fra Holecs design. Selvom Kina startede sent på dette område, har dets udvikling været hurtig. Repræsentative virksomheder som Beijing Shuangjie, Shenyang Haocheng, og Beihai Galaxy har udviklet produkter, der har bestået typeprøver, opnået masseproduktionskapacitet, og bliver mere og mere fremmet og installeret.

Kernetechnologier og udviklingstendenser

Gennembruddet og fremskridtet i teknologi for fast isolation er grundlæggende for den succesfulde fremme og anvendelse af fast isoleret switchgear. Mange producenter verden over, herunder Toshiba og Hitachi, har investeret betydelige menneskelige, materielle, og finansielle ressourcer i teknologi for fast isolation, og opnået mærkbare tekniske fremskridt. Baseret på integrationen af globale forskningsresultater, er de vigtigste tekniske udfordringer og udviklingstendenser følgende:

• Udvikling af nye højtydende epoxyharsmaterialer. Brug af højtydende epoxyhars til direkte omslutning af vakuumafbrydere gør det muligt at lede varme og eliminerer behovet for silikonkautschuk buffer.

• Isolationsdesign for at sikre det påkrævede spændingsudholdenhed og partielle udladningsniveauer.

• Forskning og udvikling af epoxyhars formningsteknologi for at løse problemer som partielle udladninger og sprækker i fast isoleringskomponenter.

• Forskning og udvikling af overflade skjoldlag for fast isoleringskomponenter.

• Stabilitetsanalyse af epoxyhars. Brug af accelereret aldringstest for at undersøge den normale serviceperiode for epoxyhars og analysere tendenser og hastigheder for ydeevnesændringer, som partielle udladninger, under serviceperioden.

• Intelligent design. Brug af avancerede sensor- og måleteknologier for at opnå kvalitativ og kvantitativ online overvågning af karakteristiske parametre som partielle udladningsniveauer.

Eksisterende problemer og begrænsninger

Fast isolerede RMUs har højere tekniske og processkrav end SF₆ gas-isolerede RMUs. Hvis teknologien er uklar eller processerne utilstrækkelige, er risikoen for isolationsfejl, driftsfejl, og potentielle farer større end ved SF₆ gas-isolerede enheder. Derfor kræver fast isolerede RMUs højere standarder i teknologi, produktionsprocesser, og råmaterialekvalitet. Trods stigende brugeraccept i de seneste år, findes der stadig flere problemer fra et perspektiv af langsigtede industriudvikling og udstyrssikkerhed:

(1) Partielle udladningsproblemer

Imod gasisolation, hvor gaslekkage kan overvåges, og udladninger kan selvheles, kan fast isolation, når den er skadet af udladninger, ikke heles. Udladninger har tendens til at øges over produktets levetid, hvilket potentielt kan føre til isolationsnedbrydning og fasesammenlukninger.

(2) Sprækker i isolationskomponenter

Tidligere fast isolerede RMUs, både hjemme og ude, begynder at vise sprækker i isolationskomponenter på grund af langvarig netfrekvensvibration, driftsvibration, mekaniske påvirkninger, termiske cyklusser, og miljøtemperaturvariationer, hvilket fører til øget uheldsfrekvens.

(3) Sikkerhed og pålidelighed af isoleringfunktionen

Sikkerhed og pålidelighed af isoleringfunktionen i fast isolerede RMUs er afgørende. I øjeblikket anvendes primært traditionelle trepositionskontaktskifter, fuldt omsluttet af fast isolation. Isoleringsegenskaberne af isoleringsskæringen afhænger af både luftmellemrummet mellem bevægelige og statiske kontakter og overflade krybsporet af isoleringskomponenten. Overfladespark langs isoleringskomponenten øger risikoen for skæringssammenbrud og potentielle personlige farer. Desuden kan miljøfaktorer og materialealdring øge overfladelækstrømmer, hvilket betydeligt nedsætter isoleringsegenskaber og truer sikker og pålidelig drift.

(4) Vælgning og udvikling af isoleringsmaterialer

Kvaliteten og ydeevnen af de primære isoleringsmaterialer påvirker direkte pålideligheden og stabiliteten af hele enheden. Givet det omfattende brug af isoleringsmaterialer, er overvejelser for genanvendelse, adskillelse, behandling, og genbrug af affaldsmaterialer og komponenter nødvendige for at minimere ressourceforbrug.

(5) Omslutningsprocesproblemer

Produkt design skal lette produktion og montering, mens produktion og montering bør stræbe efter minimal eller ingen miljøforurening og optimal energi- og ressourceforbrug. For omsluttede produkter er formuleringen af omslutningsprocessen og valg af omslutningsudstyr særdeles kritisk.

Analyse af kernetechnologier

(1) Højkvalitativ, højeffektiv omslutningsteknologi

Baseret på mekanismen for partielle udladninger, skyldes interne udladninger i fast isoleringskomponenter primært huller (bobler) indeni materialet. Traditionel omslutning involverer placering af forvarmede komponenter i en forvarmet metalform, evakuering af formhulen, langsom injection af forvarmed, hårdnende epoxyhars, og hårdning. Denne metode er ineffektiv, kostbar, og ofte lykkes det ikke at fuldstændigt eliminere bobler, hvilket fører til mange huller. Disse huller kan give anledning til partielle udladninger efter tjenesten, hvilket til sidst kan føre til isolationsnedbrydning og kompromittere sikker og pålidelig drift. Derfor er det afgørende at anvende avanceret, højkvalitativ, og effektiv epoxyhars omslutningsteknologi.

(2) Optimering af isolationsmodulstrukturdesign

Isolationsmoduldesign skal opfylde funktionelle, inspektions-, og installationskrav, samtidig med at det også sikrer æstetisk tiltagende, reduceret materialeforbrug, og undgår restspænding. Restspænding kan forårsage interne og eksterne sprækker i isolationskomponenter, hvilket kan føre til partielle udladninger og til sidst isolationsnedbrydning under drift. Derfor er dybdegående forskning på det samlede layout, tykkelse, og overgang af isolationsmoduler nødvendig, sammen med overvejelse af varmeafgiftsdesign.

(3) Optimering af elektriske felt design

Koronaudladninger forekommer, når elektriske feltstyrken nær en leders overflade når nedbrydningsstyrken for det omgivende gas, typisk i høj grad ujævne felter. Skarpe kanter eller spidser på højspændingselektroder kan koncentrere elektriske felt, hvilket kan give anledning til koronaudladninger. Som en form for partielle udladninger kan korona over tid forvandle sig til isolationsnedbrydning, hvilket påvirker sikker og pålidelig drift. Derfor er design af ledende komponenter for at sikre et tilstrækkelig svagt og jævnt elektrisk felt en afgørende teknologi. Effektive metoder inkluderer brug af simuleringssoftware til beregning af elektriske felt, optimering af fordelingen af elektriske felt, og raffinering af isolering og elektrodeshape. Skjoldringe eller lignende foranstaltninger for at reducere elektriske feltstyrke kan også være nødvendige.

(4) Forskning og design af skjoldlag

De primære formål med at anvende en jordet metal skjoldlag på den ydre overflade af isolationsmoduler er: for det første, at begrænse kortslutningsfejl til kun fase-til-jord i tilfælde af isolationsfejl, hvilket reducerer intern boogenergi og fejlrisiko; for det andet, at opretholde isoleringsydeevne i ethvert miljø uden behov for overfladerensning, opnå vedligeholdelsesfri drift, og sikre, at elektriske feltfordelingen forbliver uændret, selv hvis metalliske fremmedlegemer kommer ind i kabinetet.

(5) Forskning og analyse af epoxyhars stabilhed

Som et polymermateriale kan epoxyhars degraderes (aldringe) under bearbejdning, anvendelse, og lagring, hvilket påvirker dens ydeevne og serviceliv. De mest almindelige aldringsfaktorer er varme og ultraviolet stråling. I switchgear, ubrudt varmegenerering under drift uundgåeligt forhaster aldringen af epoxyhars. Derfor er brug af simuleret aldringstest til statistisk analyse af ydeevnen af fast isoleringskomponenter lavet af forskellige materialer og i forskellige aldringsstadier afgørende for at etablere kritiske forhold.

Konklusion

Teknologi for fast isolation har opnået anerkendelse fra brugere og markedet og bliver mere og mere fremmet og installeret. Dette kræver, at udstyrproducenter producerer produkter, der opfylder kravene til el-forsyningspålidelighed og -stabilitet. Betragtelig forskning er blevet gennemført på omslutningsprocesser og overflade skjoldlag design for fast isolerede RMUs, hvilket har givet konkrete resultater. Dog er disse bestræbelser stadig utilstrækkelige. Større fokus skal sættes på forskning i nye omslutningsmaterialer, forebyggelse af isolationskomponent sprækker, og innovative komponent strukturdesign. Sammenfattende set er yderligere teknisk forskning, akkumulation, og gennembrud nødvendige for fast isolerede RMUs.