توسعه جهانی و فناوری‌های کلیدی واحد‌های حلقه‌ای با عایق جامد (RMUs)

وضع التطور في الداخل والخارج

طورت شركة توشيبا اليابانية مواد راتنج الإيبوكسي عالية الأداء والتكنولوجيا الصب في عام 1999، وأطلقت وحدة حلقة رئيسية معزولة بشكل صلب بجهد 24 كيلوفولت (RMU) في عام 2002. تم توسيع خط المنتجات منذ ذلك الحين، والشركة الآن تتقدم نحو مستويات جهد أعلى من 72 كيلوفولت و84 كيلوفولت. Holec، التي كانت في الأصل رائدة أوروبية ذات مفاهيم تصميم متقدمة وإجراءات تصنيع صديقة للبيئة لا تنتج أي تلوث، تم الاستحواذ عليها لاحقاً بواسطة Eaton.

كانت وحدات RMU المعزولة بشكل صلب من Holec من بين أولى الوحدات المقدمة إلى الصين، وتظهر تأثيرات واضحة من تصاميم Holec على العديد من وحدات RMU المعزولة بشكل صلب التي طورتها الشركات المحلية. رغم أن الصين بدأت في هذا المجال في وقت لاحق، إلا أن تطورها كان سريعًا. شركات مثل Beijing Shuangjie وShenyang Haocheng وBeihai Galaxy طورت منتجات قد اجتازت اختبارات النوع، وحققت قدرات الإنتاج الضخم، ويتم ترويجها ونشرها بشكل متزايد.

التكنولوجيات الرئيسية واتجاهات التطوير

تعتبر الاختراقات والتقدم في تقنية العزل الصلب أساسية لنجاح الترويج والتطبيق لمعدات التوزيع المعزولة بشكل صلب. استثمر العديد من المصنعين حول العالم، بما في ذلك توشيبا وهيتاشي، موارد كبيرة من البشر والمواد والماليات في تقنية العزل الصلب، مما أدى إلى تحقيق تقدم فني ملحوظ. بناءً على تكامل النتائج البحثية العالمية، فإن التحديات الفنية الرئيسية واتجاهات التطوير هي كما يلي:

• تطوير راتنجات الإيبوكسي عالية الأداء الجديدة. استخدام راتنجات الإيبوكسي عالية الأداء لتغليف المقاطع الفراغية مباشرة يسهل نقل الحرارة ويستغني عن الحاجة إلى الوسادات من السيليكون المطاطي.

• تصميم العزل لضمان الجهد المطلوب والمستوى الجزئي للتفريغ.

• بحث وتطوير عمليات صب راتنج الإيبوكسي لمعالجة مشاكل مثل التفريغ الجزئي والتصدع في مكونات العزل الصلب.

• بحث وتطوير طبقات الدرع السطحي لمكونات العزل الصلب.

• تحليل استقرار راتنجات الإيبوكسي. استخدام اختبارات الشيخوخة المتسارعة لدراسة العمر الخدمي الطبيعي لراتنجات الإيبوكسي وتحليل اتجاهات ومعدلات تغيير الأداء مثل التفريغ الجزئي خلال العمر الخدمي.

• التصميم الذكي. استخدام تكنولوجيات الاستشعار والقياس المتقدمة لتحقيق الرصد عبر الإنترنت النوعي والكمي لمعلمات خصائص مثل مستوى التفريغ الجزئي.

المشاكل القائمة والقيود

تحتاج وحدات RMU المعزولة بشكل صلب إلى متطلبات تقنية وعمليات أعلى من وحدات RMU المعزولة بالغاز SF₆. إذا كانت التكنولوجيا غير ناضجة أو العمليات غير كافية، فإن مخاطر فشل العزل والأخطاء التشغيلية والمخاطر المحتملة تكون أكبر من تلك الموجودة في الوحدات المعزولة بالغاز SF₆. لذلك، تتطلب وحدات RMU المعزولة بشكل صلب معايير أعلى في التكنولوجيا والعمليات التصنيعية وجودة المواد الخام. رغم زيادة قبول المستخدمين في السنوات الأخيرة، لا تزال هناك عدة مشاكل من منظور التنمية الصناعية طويلة الأمد ومعايير موثوقية المعدات:

(1) مشاكل التفريغ الجزئي

على عكس العزل الغازي حيث يمكن مراقبة تسرب الغاز وقد يكون التفريغ قادراً على التعافي ذاتياً، فإن العزل الصلب لا يستطيع التعافي بمجرد تعرضه للتلف بسبب التفريغ. تميل التفريغات إلى النمو على مدى عمر المنتج، مما قد يؤدي إلى انهيار العزل وقصيرة الدائرة بين الأطوار.

(2) تشقق مكونات العزل

بدأت وحدات RMU المعزولة بشكل صلب المبكرة، سواء محلياً أو دولياً، في إظهار تشققات في مكونات العزل بسبب الاهتزازات الكهربائية الطويلة الأمد والاهتزازات التشغيلية والصدمات الميكانيكية والتغيرات الحرارية والتقلبات البيئية في درجات الحرارة، مما يؤدي إلى زيادة معدلات الحوادث.

(3) السلامة والموثوقية لوظيفة العزل

تعتبر السلامة والموثوقية لوظيفة العزل في وحدات RMU المعزولة بشكل صلب أمرًا حاسمًا. حالياً، يتم استخدام مقاطع الفصل التقليدية ثلاثية المواقع بشكل أساسي، وهي مغلفة بالكامل داخل العزل الصلب. تعتمد أداء العزل للمقطع الفاصل على الفجوة الهوائية بين الأقطاب المتحركة والسكونية وبُعد الزحف السطحي للمكون العازل. زيادة التفريغ السطحي على المكون العازل تزيد من مخاطر فشل المقطع الفاصل والمخاطر المحتملة للأفراد. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تزيد العوامل البيئية وتقادم المادة من التسريبات السطحية، مما يقلل بشكل كبير من أداء العزل ويهدد التشغيل الآمن والموثوق به.

(4) اختيار وتطوير مواد العزل

تأثر موثوقية واستقرار الوحدة بأكملها بشكل مباشر بجودة وأداء المواد العازلة الأساسية. نظرًا لاستخدام مواد العزل على نطاق واسع، فمن الضروري مراعاة إعادة التدوير والفصل والمعالجة وإعادة استخدام المخلفات والمركبات لتجنب هدر الموارد.

(5) مشاكل عملية التغليف

يجب أن يتم تصميم المنتج ليسمح بسهولة التصنيع والتجميع، بينما يجب أن تهدف عمليات التصنيع والتجميع إلى عدم التسبب في تلوث بيئي أو تقليله واستخدام الطاقة والموارد بأفضل طريقة ممكنة. بالنسبة للمنتجات المغلفة، تعتبر صياغة عملية التغليف واختيار معدات التغليف أمورًا حاسمة خاصة.

تحليل التكنولوجيات الرئيسية

(1) تكنولوجيا التغليف عالية الجودة والكفاءة

بناءً على آلية التفريغ الجزئي، يعود السبب الرئيسي للتفريغات الداخلية في مكونات العزل الصلب إلى التجاويف (الفقاعات) داخل المادة. تتضمن العملية التقليدية وضع المكونات المحمصة في قالب معدني محمص، وإخلاء تجويف القالب، وحقن راتنج الإيبوكسي القابل للصلب ببطء، ثم صبه. هذه الطريقة غير فعالة ومكلفة غالبًا ما تفشل في إزالة الفقاعات تمامًا، مما يؤدي إلى ظهور العديد من التجاويف. يمكن لهذه التجاويف أن تسبب تفريغاً جزئياً بعد التشغيل، مما يؤدي في النهاية إلى انهيار العزل ويؤثر على التشغيل الآمن والموثوق به. لذلك، فإن اعتماد تكنولوجيا تغليف راتنج الإيبوكسي عالية الجودة والكفاءة ضروري.

(2) تحسين تصميم هيكل الوحدة العازلة

يجب أن يلبي تصميم الوحدة العازلة المتطلبات الوظيفية والفحص والتركيب، وكذلك ضمان الجاذبية البصرية وتقليل استهلاك المواد وتجنب الإجهاد المتبقي. يمكن أن يسبب الإجهاد المتبقي تشققات داخلية وخارجية في مكونات العزل، والتي قد تؤدي إلى تفريغ جزئي وفي النهاية إلى انهيار العزل أثناء التشغيل. وبالتالي، فإن البحث المعمق في التخطيط الشامل والسمك والانتقالات للوحدات العازلة ضروري، بالإضافة إلى مراعاة تصميم التبريد.

(3) تحسين تصميم المجال الكهربائي

يحدث التفريغ الكرووني عندما يصل قوة المجال الكهربائي بالقرب من سطح الموصل إلى قوة الانهيار للغاز المحيط، عادة في المجالات غير الموحدة للغاية. يمكن أن تركز حواف أو نقاط حادة على الأقطاب ذات الجهد العالي المجال الكهربائي، مما يسبب التفريغ الكرووني. كشكل من أشكال التفريغ الجزئي، يمكن أن يتقدم التفريغ الكرووني إلى انهيار العزل بمرور الوقت، مما يؤثر على التشغيل الآمن والموثوق به. لذلك، يعتبر تصميم المكونات الموصلة لضمان مجال كهربائي كافٍ ضعيف ومتساوي هو تقنية رئيسية. تشمل الأساليب الفعالة استخدام برامج المحاكاة لحساب المجال الكهربائي، وتحسين توزيع المجال الكهربائي، وتحسين أشكال العزل والأقطاب. قد تكون الحلقات الدرعية أو إجراءات مماثلة لخفض قوة المجال الكهربائي ضرورية أيضًا.

(4) البحث والتصميم للطبقات الدرعية

الأغراض الرئيسية لتطبيق طبقة درعية معدنية مثبتة على السطح الخارجي للوحدات العازلة هي: أولاً، تحديد أعطال الدائرة القصيرة فقط بين الطور والأرض في حالة فشل العزل، مما يقلل من طاقة القوس الداخلي وخطر العطل؛ ثانياً، الحفاظ على أداء العزل في أي بيئة دون الحاجة إلى تنظيف السطح، مما يحقق التشغيل بدون صيانة، ويضمن توزيع المجال الكهربائي الثابت حتى في حالة دخول الأجسام المعدنية الأجنبية إلى المغلق.

(5) البحث والتحليل لاستقرار راتنج الإيبوكسي

كما هو الحال مع المواد البوليمرية، يمكن أن يتدهور (يترهل) راتنج الإيبوكسي أثناء المعالجة والاستخدام والتخزين، مما يؤثر على أدائه وعمره الخدمي. أكثر عوامل الترهل شيوعًا هي الحرارة والإشعاع فوق البنفسجي. في معدات التوزيع، يولد الحرارة باستمرار أثناء التشغيل مما يسرع من ترهل راتنج الإيبوكسي. لذلك، يعتبر استخدام اختبارات الترهل المحاكاة لتحليل إحصائي لأداء مكونات العزل الصلب المصنوعة من مواد مختلفة وفي مراحل ترهل مختلفة ضروريًا لتأسيس العلاقات الحرجة.

الخاتمة

حصلت تقنية العزل الصلب على الاعتراف من قبل المستخدمين والسوق، ويجري ترويجها ونشرها بشكل متزايد. يتطلب هذا من الشركات المصنعة لإنتاج منتجات تلبي متطلبات موثوقية وثبات التزويد بالكهرباء. تم إجراء بحث كبير على عمليات التغليف وتصميم طبقات الدرع السطحي لوحدات RMU المعزولة بشكل صلب، مما أدى إلى نتائج ملموسة. ومع ذلك، فإن هذه الجهود لا تزال غير كافية. يجب التركيز بشكل أكبر على البحث في مواد التغليف الجديدة ومنع تشقق مكونات العزل والتصميمات الهيكلية المكونات المبتكرة. مجمل القول، يحتاج وحدات RMU المعزولة بشكل صلب إلى المزيد من البحث والتراكم والاختراقات التقنية.