Desarrollo Global y Tecnologías Clave de las Células de Distribución con Aislamiento Sólido (RMUs)
Estado de Desarrollo en el País y en el Extranjero
La Corporación Toshiba de Japón desarrolló materiales de resina epoxi de alto rendimiento y tecnología de fundición en 1999, y posteriormente lanzó una unidad principal de anillo (RMU) de aislamiento sólido de 24 kV en 2002. Desde entonces, la línea de productos se ha ampliado, y la empresa está avanzando hacia niveles de voltaje más altos de 72 kV y 84 kV. Holec, originalmente un pionero europeo con conceptos de diseño avanzados y procesos de fabricación ecológicos que no producen contaminación, fue adquirida posteriormente por Eaton.
Las RMUs de aislamiento sólido de Holec fueron entre las primeras introducidas en China, y muchos fabricantes nacionales han desarrollado RMUs de aislamiento sólido autónomas que muestran influencias claras en los diseños de Holec. Aunque China comenzó más tarde en este campo, su desarrollo ha sido rápido. Empresas representativas como Beijing Shuangjie, Shenyang Haocheng y Beihai Galaxy han desarrollado productos que han pasado pruebas de tipo, logrando capacidades de producción en masa y siendo cada vez más promovidos y desplegados.
Tecnologías Clave y Tendencias de Desarrollo
El avance y la mejora de la tecnología de aislamiento sólido son fundamentales para la promoción y aplicación exitosa de los equipos de interruptores de aislamiento sólido. Numerosos fabricantes a nivel mundial, incluyendo Toshiba y Hitachi, han invertido significativamente en recursos humanos, materiales y financieros en la tecnología de aislamiento sólido, logrando un notable progreso técnico. Basándose en la integración de los resultados de investigación globales, los desafíos técnicos clave y las tendencias de desarrollo son los siguientes:
Desarrollo de nuevas resinas epoxi de alto rendimiento. El uso de resinas epoxi de alto rendimiento para encapsular directamente los interrumpidores al vacío facilita la conducción del calor y elimina la necesidad de amortiguadores de caucho de silicona.
Diseño de aislamiento para garantizar el voltaje de resistencia requerido y los niveles de descarga parcial.
Investigación y desarrollo de procesos de fundición de resina epoxi para abordar problemas como la descarga parcial y la fisuración en componentes de aislamiento sólido.
Investigación y desarrollo de capas de blindaje superficial para componentes de aislamiento sólido.
Análisis de estabilidad de las resinas epoxi. Utilizando pruebas de envejecimiento acelerado para estudiar la vida útil normal de las resinas epoxi y analizar las tendencias y tasas de cambio de rendimiento, como la descarga parcial, durante la vida útil.
Diseño inteligente. Empleando tecnologías avanzadas de detección y medición para lograr un monitoreo en línea cualitativo y cuantitativo de parámetros característicos como los niveles de descarga parcial.
Problemas y Limitaciones Existentes
Las RMUs de aislamiento sólido tienen requisitos técnicos y de proceso más altos que las RMUs de aislamiento con gas SF₆. Si la tecnología es inmadura o los procesos son inadecuados, los riesgos de fallos de aislamiento, fallos operativos y peligros potenciales son mayores que con las unidades de aislamiento con gas SF₆. Por lo tanto, las RMUs de aislamiento sólido requieren estándares más altos en tecnología, procesos de fabricación y calidad de materias primas. A pesar de la creciente aceptación por parte de los usuarios en los últimos años, varios problemas persisten desde la perspectiva del desarrollo industrial a largo plazo y la confiabilidad del equipo:
(1) Problemas de Descarga Parcial
A diferencia del aislamiento gaseoso, donde la fuga de gas puede ser monitoreada y las descargas pueden recuperarse por sí mismas, el aislamiento sólido, una vez dañado por la descarga, no puede recuperarse. Las descargas tienden a aumentar a lo largo de la vida útil del producto, lo que puede llevar a la ruptura del aislamiento y a cortocircuitos entre fases.
(2) Fisuración de Componentes de Aislamiento
Las RMUs de aislamiento sólido tempranas, tanto nacionales como internacionales, han comenzado a mostrar fisuras en los componentes de aislamiento debido a la vibración de frecuencia de red a largo plazo, la vibración operativa, los impactos mecánicos, los ciclos térmicos y las fluctuaciones de temperatura ambiental, lo que ha llevado a un aumento en las tasas de accidentes.
(3) Seguridad y Confiabilidad de la Función de Aislamiento
La seguridad y confiabilidad de la función de aislamiento en las RMUs de aislamiento sólido son críticas. Actualmente, se utilizan principalmente interruptores de desconexión de tres posiciones tradicionales, totalmente encapsulados dentro del aislamiento sólido. El rendimiento de aislamiento de la interrupción depende tanto de la brecha de aire entre los contactos móviles y fijos como de la distancia de rastreo superficial del componente aislante. La descarga superficial a lo largo del componente aislante aumenta el riesgo de falla de la interrupción y de peligros para el personal. Además, los factores ambientales y el envejecimiento de los materiales pueden aumentar las corrientes de fuga superficial, reduciendo significativamente el rendimiento de aislamiento y amenazando la operación segura y confiable.
(4) Selección y Desarrollo de Materiales de Aislamiento
La calidad y el rendimiento de los materiales de aislamiento primarios afectan directamente la confiabilidad y estabilidad de toda la unidad. Dado el uso extensivo de materiales de aislamiento, es esencial considerar la reciclabilidad, la separación, el tratamiento y la reutilización de materiales y componentes de desecho para minimizar el desperdicio de recursos.
(5) Problemas de Proceso de Encapsulación
El diseño del producto debe facilitar la fabricación y ensamblaje, mientras que los procesos de fabricación y ensamblaje deben aspirar a causar la menor o ninguna contaminación ambiental y optimizar el uso de energía y recursos. Para productos encapsulados, la formulación del proceso de encapsulación y la selección del equipo de encapsulación son particularmente críticas.
Análisis de Tecnología Clave
(1) Tecnología de Encapsulación de Alta Calidad y Alta Eficiencia
Basándose en el mecanismo de descarga parcial, las descargas internas en componentes de aislamiento sólido se deben principalmente a vacíos (burbujas) dentro del material. La encapsulación convencional implica colocar componentes precalentados en un molde metálico precalentado, evacuar la cavidad del molde, inyectar lentamente resina epoxi curable caliente y curar. Este método es ineficiente, costoso y a menudo no logra eliminar completamente las burbujas, lo que resulta en numerosos vacíos. Estos vacíos pueden causar descargas parciales después de la puesta en marcha, lo que eventualmente resulta en la ruptura del aislamiento y compromete la operación segura y confiable. Por lo tanto, es esencial adoptar una tecnología de encapsulación de resina epoxi avanzada, de alta calidad y eficiente.
(2) Optimización del Diseño Estructural del Módulo de Aislamiento
El diseño del módulo de aislamiento debe cumplir con los requisitos funcionales, de inspección e instalación, así como garantizar un aspecto estético, reducir el consumo de material y evitar el estrés residual. El estrés residual puede causar grietas internas y externas en los componentes de aislamiento, lo que puede llevar a descargas parciales y eventualmente a la ruptura del aislamiento durante la operación. Por lo tanto, es necesario realizar una investigación profunda sobre la disposición general, el grosor y las transiciones de los módulos de aislamiento, junto con la consideración del diseño de disipación de calor.
(3) Optimización del Diseño de Campo Eléctrico
La descarga corona ocurre cuando la intensidad del campo eléctrico cerca de la superficie de un conductor alcanza la fuerza de ruptura del gas circundante, típicamente en campos altamente no uniformes. Los bordes afilados o puntas en electrodos de alta tensión pueden concentrar el campo eléctrico, causando descarga corona. Como forma de descarga parcial, la corona puede progresar a la ruptura del aislamiento con el tiempo, afectando la operación segura y confiable. Por lo tanto, diseñar componentes conductores para asegurar un campo eléctrico suficientemente débil y uniforme es una tecnología clave. Métodos efectivos incluyen el uso de software de simulación para cálculos de campo eléctrico, la optimización de la distribución de campos eléctricos y el refinamiento de formas de aislamiento y electrodos. Puede ser necesario también utilizar anillos de blindaje u otras medidas para reducir la intensidad del campo eléctrico.
(4) Investigación y Diseño de Capas de Blindaje
Los propósitos principales de aplicar una capa de blindaje metálica a tierra en la superficie exterior de los módulos de aislamiento son: primero, confinar los fallos de cortocircuito solo a fase-tierra en caso de fallo del aislamiento, reduciendo la energía de arco interna y el riesgo de fallo; segundo, mantener el rendimiento de aislamiento en cualquier entorno sin requerir limpieza superficial, logrando operación sin mantenimiento, y asegurando una distribución de campo eléctrico invariable incluso si objetos metálicos extraños ingresan a la carcasa.
(5) Investigación y Análisis de la Estabilidad de la Resina Epoxi
Como material polimérico, la resina epoxi puede degradarse (envejecer) durante el procesamiento, la aplicación y el almacenamiento, afectando su rendimiento y vida útil. Los factores de envejecimiento más comunes son el calor y la radiación ultravioleta. En los equipos de interruptores, la generación continua de calor durante la operación inevitablemente acelera el envejecimiento de la resina epoxi. Por lo tanto, es esencial usar pruebas de envejecimiento simulado para analizar estadísticamente el rendimiento de los componentes de aislamiento sólido hechos de diferentes materiales y en varias etapas de envejecimiento, para establecer relaciones críticas.
Conclusión
La tecnología de aislamiento sólido ha ganado reconocimiento de los usuarios y el mercado y se está promoviendo y desplegando cada vez más. Esto requiere que los fabricantes de equipos produzcan productos que cumplan con las demandas de confiabilidad y estabilidad del suministro de electricidad. Se ha realizado una investigación significativa en los procesos de encapsulación y el diseño de capas de blindaje superficial para las RMUs de aislamiento sólido, obteniendo resultados tangibles. Sin embargo, estos esfuerzos aún son insuficientes. Se debe poner mayor énfasis en la investigación de nuevos materiales de encapsulación, la prevención de la fisuración de componentes de aislamiento y diseños estructurales innovadores de componentes. En resumen, se necesitan más investigaciones técnicas, acumulación y avances para las RMUs de aislamiento sólido.
