Globale Entwicklung und Schlüsseltechnologien von festschalig isolierten Ringkabelverteileranlagen (RMUs)

Entwicklungslage im In- und Ausland

Die Toshiba Corporation in Japan entwickelte 1999 hochleistungsfähige Epoxidharzmaterialien und Gießtechnologien und brachte 2002 eine 24 kV feste-isolierte Ringklemmverteilung (RMU) auf den Markt. Die Produktlinie wurde seitdem erweitert, und das Unternehmen strebt nun höhere Spannungsebenen von 72 kV und 84 kV an. Holec, ursprünglich ein europäischer Pionier mit fortschrittlichen Designkonzepten und umweltfreundlichen Fertigungsprozessen, die keine Verschmutzung verursachen, wurde später von Eaton übernommen.

Holecs feste-isolierte RMUs waren unter den ersten, die in China eingeführt wurden, und viele selbstentwickelte feste-isolierte RMUs von inländischen Herstellern zeigen klare Einflüsse aus Holecs Designs. Obwohl China in diesem Bereich spät begonnen hat, war seine Entwicklung schnell. Vertreterunternehmen wie Beijing Shuangjie, Shenyang Haocheng und Beihai Galaxy haben Produkte entwickelt, die Typentests bestanden haben, Massenproduktionsfähigkeiten erreicht haben und zunehmend gefördert und eingesetzt werden.

Kerntechnologien und Entwicklungsrichtungen

Der Durchbruch und Fortschritt der Festisolierungstechnologie sind grundlegend für die erfolgreiche Verbreitung und Anwendung von fest isolierten Schaltanlagen. Zahlreiche Hersteller weltweit, darunter Toshiba und Hitachi, haben bedeutende menschliche, materielle und finanzielle Ressourcen in die Festisolierungstechnologie investiert und erzielten bemerkenswerte technische Fortschritte. Basierend auf der Integration globaler Forschungsergebnisse sind die wesentlichen technischen Herausforderungen und Entwicklungsrichtungen wie folgt:

• Entwicklung neuer hochleistungsfähiger Epoxidharze. Die Verwendung von hochleistungsfähigen Epoxidharzen zur direkten Umhüllung von Vakuumschaltern erleichtert die Wärmeleitung und macht Silikonkautschuk-Puffer überflüssig.

• Isolationsdesign, um die erforderliche Spannungsfestigkeit und Teilentladungsniveaus sicherzustellen.

• Forschung und Entwicklung von Epoxidharzgießverfahren, um Probleme wie Teilentladungen und Risse in festen Isolationskomponenten zu lösen.

• Forschung und Entwicklung von Oberflächenabschirmungsschichten für feste Isolationskomponenten.

• Stabilitätsanalyse von Epoxidharzen. Durch beschleunigte Alterungstests wird die normale Lebensdauer von Epoxidharzen untersucht und die Trends und Raten der Leistungsänderungen, wie Teilentladungen, während der Lebensdauer analysiert.

• Intelligentes Design. Die Verwendung fortschrittlicher Sensoren- und Messungstechnologien, um qualitative und quantitative Onlineüberwachung charakteristischer Parameter wie Teilentladungsniveaus zu ermöglichen.

Bestehende Probleme und Einschränkungen

Feste-isolierte RMUs haben höhere technische und prozessuale Anforderungen als SF₆ gasgefüllte RMUs. Wenn die Technologie unzureichend oder die Prozesse mangelhaft sind, sind die Risiken von Isolierfehlern, Betriebsstörungen und potenziellen Gefahren größer als bei SF₆ gasgefüllten Einheiten. Daher fordern feste-isolierte RMUs höhere Standards in Technologie, Fertigungsprozessen und Rohstoffqualität. Trotz wachsender Akzeptanz durch Nutzer in den letzten Jahren bestehen aus Sicht der langfristigen Industrieentwicklung und der Gerätezuverlässigkeit einige Probleme:

(1) Teilentladungsprobleme

Im Gegensatz zur Gasisolierung, bei der Gasleckagen überwacht und Entladungen sich möglicherweise selbst regenerieren können, kann feste Isolation, sobald sie durch Entladungen beschädigt ist, nicht wiederhergestellt werden. Entladungen neigen dazu, im Laufe der Lebensdauer des Produkts zu wachsen, was letztendlich zu Isolierbrüchen und Phasen-zu-Phasen-Kurzschlüssen führen kann.

(2) Risse in Isolationskomponenten

Frühe feste-isolierte RMUs sowohl in- als auch ausländischer Herkunft zeigen aufgrund langfristiger Netzfrequenzvibration, Betriebsvibration, mechanischer Erschütterungen, thermischer Wechselwirkungen und Umgebungstemperaturschwankungen Risse in Isolationskomponenten, was zu erhöhten Unfallraten führt.

(3) Sicherheit und Zuverlässigkeit der Isolationsfunktion

Die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Isolationsfunktion in festen-isolierten RMUs ist entscheidend. Derzeit werden hauptsächlich traditionelle Dreipositionsschalter verwendet, die vollständig in der festen Isolierung eingebettet sind. Die Isolationsleistung der Isolationsunterbrechung hängt sowohl vom Luftspalt zwischen beweglichen und festen Kontakten als auch von der Oberflächenkriechweite der Isolationskomponente ab. Oberflächenentladungen entlang der Isolationskomponente erhöhen das Risiko von Unterbrechungsfehlern und potenziellen Personengefährdungen. Zudem können Umweltfaktoren und Materialalterung die Oberflächenlecksströme erhöhen, was die Isolationsleistung erheblich reduziert und die sichere und zuverlässige Betriebsführung bedroht.

(4) Auswahl und Entwicklung von Isolationsmaterialien

Die Qualität und Leistung der primären Isolationsmaterialien beeinflussen direkt die Zuverlässigkeit und Stabilität der gesamten Einheit. Angesichts der weit verbreiteten Verwendung von Isolationsmaterialien sind Überlegungen zur Recycling, Trennung, Behandlung und Wiederverwendung von Abfallmaterialien und -komponenten notwendig, um die Ressourcenverschwendung zu minimieren.

(5) Probleme mit dem Umhüllungsverfahren

Das Produktdesign sollte die Herstellung und Montage erleichtern, während die Herstellungs- und Montageprozesse darauf abzielen sollten, Umweltverschmutzung so gering wie möglich zu halten und Energie und Ressourcen optimal zu nutzen. Für umhüllte Produkte sind die Formulierung des Umhüllungsverfahrens und die Auswahl der Umhüllungsausrüstung besonders kritisch.

Analyse der Kerntechnologien

(1) Hochwertige, effiziente Umhüllungstechnologie

Basierend auf dem Mechanismus der Teilentladung werden interne Entladungen in festen Isolationskomponenten hauptsächlich durch Blasen (Luftblasen) im Material verursacht. Bei der herkömmlichen Umhüllung werden vorgeheizte Komponenten in einen vorgeheizten Metallformen gelegt, die Formenhöhle evakuiert, heißes, härtbares Epoxidharz langsam eingefügt und gehärtet. Diese Methode ist ineffizient, kostspielig und schafft oft nicht alle Blasen, was zu zahlreichen Hohlräumen führt. Diese Hohlräume können nach der Inbetriebnahme zu Teilentladungen führen, letztendlich zu Isolierbrüchen und einer Beeinträchtigung der sicheren und zuverlässigen Betriebsführung. Daher ist die Verwendung fortschrittlicher, hochwertiger und effizienter Epoxidharz-Umhüllungstechnologien unerlässlich.

(2) Optimierung des Isolationsmodulstrukturdesigns

Das Isolationsmoduldesign muss funktionalen, prüfungs- und montagetechnischen Anforderungen gerecht werden, gleichzeitig ästhetisch ansprechend sein, Materialverbrauch reduzieren und Restspannungen vermeiden. Restspannungen können innere und äußere Risse in Isolationskomponenten verursachen, die während des Betriebs zu Teilentladungen und letztendlich zu Isolierbrüchen führen können. Daher ist eine tiefgehende Forschung zur Gesamtaufbau, Dicke und Übergängen von Isolationsmodulen notwendig, einschließlich der Berücksichtigung des Wärmeabfuhrdesigns.

(3) Optimierung des elektrischen Feldes

Koronaentladungen treten auf, wenn die elektrische Feldstärke in der Nähe der Oberfläche eines Leiters die Zerstörungsspannung des umgebenden Gases erreicht, typischerweise in stark ungleichmäßigen Feldern. Scharfe Kanten oder Spitzen an Hochspannungselektroden können das elektrische Feld konzentrieren und Koronaentladungen verursachen. Als Form der Teilentladung kann Korona mit der Zeit zu Isolierbrüchen führen und die sichere und zuverlässige Betriebsführung beeinträchtigen. Daher ist das Design von leitfähigen Komponenten, um ein ausreichend schwaches und gleichmäßiges elektrisches Feld zu gewährleisten, eine Schlüsseltechnologie. Effektive Methoden beinhalten die Verwendung von Simulationssoftware für elektrische Feldberechnungen, die Optimierung der Verteilung des elektrischen Feldes und die Verbesserung von Isolations- und Elektrodenformen. Abschirmringe oder ähnliche Maßnahmen zur Reduzierung der elektrischen Feldstärke können ebenfalls notwendig sein.

(4) Forschung und Design von Abschirmungsschichten

Die Hauptzwecke der Anwendung einer gepackten metallischen Abschirmungsschicht auf der äußeren Oberfläche von Isolationsmodulen sind: Erstens, im Falle eines Isolierfehlers Kurzschlussfehler nur auf Phase-zu-Erde zu beschränken, um die interne Bogenenergie und das Fehlerrisiko zu reduzieren; zweitens, die Isolationsleistung in jeder Umgebung ohne Oberflächenreinigung aufrechtzuerhalten, um wartungsfreies Arbeiten zu ermöglichen, und die unveränderte elektrische Felddistribution auch bei Eindringen metallischer Fremdkörper in den Gehäuseinneren zu gewährleisten.

(5) Forschung und Analyse der Stabilität von Epoxidharzen

Als Polymermaterial kann Epoxidharz während der Verarbeitung, Anwendung und Lagerung altern (veralten), was seine Leistung und Lebensdauer beeinflusst. Die häufigsten Alterungsgründe sind Wärme und UV-Strahlung. In Schaltanlagen führt die kontinuierliche Wärmeerzeugung während des Betriebs zwangsläufig zu einer Beschleunigung des Alterns von Epoxidharz. Daher ist es unerlässlich, durch simulierte Alterungstests die Leistung von festen Isolationskomponenten aus verschiedenen Materialien und in verschiedenen Altersstadien statistisch zu analysieren, um wichtige Zusammenhänge zu etablieren.

Fazit

Die Festisolierungstechnologie hat Anerkennung von Nutzern und dem Markt gefunden und wird zunehmend gefördert und eingesetzt. Dies erfordert, dass Gerätehersteller Produkte herstellen, die den Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Stabilität der Stromversorgung gerecht werden. Es wurden bedeutende Forschungen zum Umhüllungsverfahren und zum Design der Oberflächenabschirmungsschichten für feste-isolierte RMUs durchgeführt, die greifbare Ergebnisse erbracht haben. Allerdings reichen diese Bemühungen noch nicht aus. Mehr Gewicht muss auf die Forschung zu neuen Umhüllungsmaterialien, der Verhinderung von Rissen in Isolationskomponenten und innovativen Bauteilstrukturen gelegt werden. Zusammenfassend bedarf es weiterer technischer Forschungen, Ansammlungen und Durchbrüche für feste-isolierte RMUs.