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

وضعیت توسعه در داخل و خارج کشور

شرکت توشیبا از ژاپن در سال 1999 مواد رزین اپوکسی با عملکرد بالا و فناوری ریخته‌گری را توسعه داد و در سال 2002 واحد حلقه اصلی (RMU) با عایق جامد 24 kV را به بازار عرضه کرد. از آن زمان خط محصولات گسترش یافته و شرکت حالا به سمت ولتاژهای بالاتر 72 kV و 84 kV پیش می‌رود. هولک، که ابتدا یک پیشگام اروپایی با مفاهیم طراحی پیشرفته و فرآیندهای تولید بدون آلودگی بود، بعداً توسط ایتون خریداری شد.

واحدهای RMU با عایق جامد هولک از اولین محصولاتی بودند که به چین معرفی شدند و بسیاری از تولیدکنندگان داخلی تحت تأثیر طراحی‌های هولک محصولات خود را توسعه داده‌اند. اگرچه چین در این زمینه آغاز کرد با تأخیر، اما توسعه آن سریع بوده است. شرکت‌های نماینده مانند پکن شوانگ‌جیه، شن‌یانگ هائوچنگ و بی‌های گالکسی محصولاتی را توسعه داده‌اند که تست‌های نوع را پشت سر گذاشته، قابلیت تولید انبوه را دارا می‌باشند و به تدریج ترویج و نصب می‌شوند.

فناوری‌های کلیدی و روندهای توسعه

شکست و پیشرفت فناوری عایق جامد برای ترویج و کاربرد موفقیت‌آمیز دستگاه‌های عایق‌بندی جامد اساسی است. بسیاری از تولیدکنندگان در سراسر جهان از جمله توشیبا و هیتاشی منابع انسانی، مادی و مالی قابل توجهی را در فناوری عایق جامد سرمایه‌گذاری کرده‌اند و پیشرفت‌های فنی قابل توجهی داشته‌اند. براساس تلفیق نتایج تحقیقات جهانی، چالش‌های فنی کلیدی و روندهای توسعه به شرح زیر است:

• توسعه رزین‌های اپوکسی با عملکرد بالا. استفاده از رزین‌های اپوکسی با عملکرد بالا برای ریخته‌گری مستقیم مدار قطع کننده خلاء تسهیل می‌کند و نیاز به بافرهای رزین سیلیکونی را حذف می‌کند.

• طراحی عایق‌بندی برای تضمین ولتاژ تحمل لازم و سطح تخلیه محلی.

• تحقیق و توسعه فرآیندهای ریخته‌گری رزین اپوکسی برای حل مشکلات مانند تخلیه محلی و ترک خوردگی در قطعات عایق جامد.

• تحقیق و توسعه لایه‌های محافظ سطحی برای قطعات عایق جامد.

• تحلیل پایداری رزین‌های اپوکسی. استفاده از آزمایش‌های سنبلد شدن تسریع شده برای مطالعه عمر معمولی رزین‌های اپوکسی و تحلیل روندها و نرخ‌های تغییر عملکرد، مانند تخلیه محلی، در طول عمر مفید.

• طراحی هوشمند. استفاده از فناوری‌های حسگر و اندازه‌گیری پیشرفته برای دستیابی به نظارت آنلاین کیفی و کمی بر پارامترهای مشخصه مانند سطح تخلیه محلی.

مشکلات موجود و محدودیت‌ها

واحدهای RMU با عایق جامد نیاز به مهارت‌ها و فرآیندهای فنی بالاتری نسبت به واحدهای RMU با عایق SF₆ دارند. اگر فناوری نابالغ یا فرآیندها کافی نباشد، ریسک‌های شکست عایق، خطا در عملیات و خطرات بالاتر از واحدهای با عایق SF₆ خواهد بود. بنابراین، واحدهای RMU با عایق جامد نیاز به استانداردهای بالاتری در فناوری، فرآیندهای تولید و کیفیت مواد اولیه دارند. با وجود پذیرش کاربران در سال‌های اخیر، چندین مشکل از دیدگاه توسعه صنعتی بلندمدت و قابلیت اطمینان دستگاه‌ها وجود دارد:

(1) مشکلات تخلیه محلی

متفاوت از عایق گازی که در آن نشت گاز قابل نظارت است و تخلیه‌ها ممکن است خود به خود بازیابی کنند، عایق جامد یکباره که توسط تخلیه آسیب دیده است، نمی‌تواند بازیابی شود. تخلیه‌ها می‌توانند در طول عمر محصول رشد کنند و ممکن است به شکست عایق و کوتاه شدن فاز به فاز منجر شوند.

(2) ترک خوردگی قطعات عایق

واحدهای RMU با عایق جامد اولیه، هم در داخل و هم در خارج کشور، به دلیل ارتعاشات فرکانس تغذیه‌ای بلندمدت، ارتعاشات عملیاتی، ضربه‌های مکانیکی، چرخه‌های حرارتی و تغییرات دمایی محیطی، شروع به نمایان شدن ترک خوردگی در قطعات عایق کرده‌اند که منجر به افزایش نرخ حوادث شده است.

(3) ایمنی و قابلیت اطمینان عملکرد جدا کننده

ایمنی و قابلیت اطمینان عملکرد جدا کننده در واحدهای RMU با عایق جامد بسیار مهم است. در حال حاضر، عموماً از جدا کننده‌های سه وضعیتی سنتی استفاده می‌شود که به طور کامل در عایق جامد ریخته شده‌اند. عملکرد عایق‌بندی جدا کننده به هم‌زدن فاصله هوایی بین تماس‌های متحرک و ثابت و فاصله خزش روی سطح قطعه عایق‌بندی بستگی دارد. خزش سطحی روی قطعه عایق‌بندی ریسک شکست جدا کننده و خطرات بالقوه برای افراد را افزایش می‌دهد. علاوه بر این، عوامل محیطی و ت Alterations in the environment and material aging can increase surface leakage currents, significantly reducing insulation performance and threatening safe and reliable operation.

(4) انتخاب و توسعه مواد عایق‌بندی

کیفیت و عملکرد مواد عایق‌بندی اصلی مستقیماً بر قابلیت اطمینان و پایداری کل واحد تأثیر می‌گذارد. با توجه به استفاده گسترده از مواد عایق‌بندی، در نظر گرفتن مسائل بازیافت، جدا کردن، پردازش و استفاده مجدد از مواد و قطعات فرسوده برای کاهش تلفات منابع ضروری است.

(5) مشکلات فرآیند ریخته‌گری

طراحی محصول باید تسهیل تولید و مونتاژ را فراهم کند، در حالی که فرآیندهای تولید و مونتاژ باید به حداقل یا عدم آلودگی محیطی و بهینه‌سازی استفاده از انرژی و منابع بپردازند. برای محصولات ریخته‌گری شده، فرمولاسیون فرآیند ریخته‌گری و انتخاب تجهیزات ریخته‌گری بسیار حیاتی است.

تجزیه و تحلیل فناوری‌های کلیدی

(1) فناوری ریخته‌گری با کیفیت و کارایی بالا

بر اساس مکانیسم تخلیه محلی، تخلیه‌های داخلی در قطعات عایق جامد عمدتاً به دلیل حفره‌های (حباب‌های) درون ماده ایجاد می‌شوند. ریخته‌گری سنتی شامل قرار دادن قطعات پیش‌گرم شده در قالب فلزی پیش‌گرم شده، خلاء کردن حفره قالب، تزریق آرام آهسته رزین اپوکسی گرم شده و قابل ریخته‌گری و سخت شدن است. این روش کارایی کم و هزینه بالایی دارد و اغلب نمی‌تواند حباب‌ها را به طور کامل حذف کند، که منجر به ایجاد حفره‌های زیاد می‌شود. این حفره‌ها می‌توانند پس از راه‌اندازی تخلیه محلی ایجاد کنند و در نهایت به شکست عایق و تهدید عملکرد ایمن و قابل اعتماد منجر شوند. بنابراین، استفاده از فناوری ریخته‌گری رزین اپوکسی پیشرفته با کیفیت و کارایی بالا ضروری است.

(2) بهینه‌سازی طراحی ساختار مدول عایق‌بندی

طراحی مدول عایق‌بندی باید الزامات عملکردی، بازرسی و نصب را برآورده کند و همچنین جنبه‌های ظاهری، کاهش مصرف ماده و جلوگیری از تنش‌های باقی‌مانده را در نظر بگیرد. تنش‌های باقی‌مانده می‌توانند ترک خوردگی داخلی و خارجی در قطعات عایق‌بندی ایجاد کنند که می‌تواند در طول عملیات به تخلیه محلی و در نهایت شکست عایق منجر شود. بنابراین، تحقیقات عمیق در مورد طرح کلی، ضخامت و انتقال‌های مدول‌های عایق‌بندی ضروری است، همراه با در نظر گرفتن طراحی تخلیه حرارتی.

(3) بهینه‌سازی طراحی میدان الکتریکی

تخلیه کرونا زمانی اتفاق می‌افتد که قدرت میدان الکتریکی نزدیک سطح رسانا به قدرت شکست محیط گاز اطراف برسد، معمولاً در میدان‌های بسیار ناهمگن. لبه‌های تیز یا نقاط بر روی الکترودهای ولتاژ بالا می‌توانند میدان الکتریکی را متمرکز کنند و تخلیه کرونا را ایجاد کنند. به عنوان یک نوع تخلیه محلی، کرونا می‌تواند در طول زمان به شکست عایق منجر شود و عملکرد ایمن و قابل اعتماد را تحت تأثیر قرار دهد. بنابراین، طراحی اجزای رسانا برای تضمین میدان الکتریکی کافی ضعیف و یکنواخت یکی از فناوری‌های کلیدی است. روش‌های مؤثر شامل استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی برای محاسبات میدان الکتریکی، بهینه‌سازی توزیع میدان الکتریکی و تصفیه شکل‌های عایق و الکترود است. ممکن است نیاز به استفاده از حلقه‌های محافظ یا روش‌های مشابه برای کاهش قدرت میدان الکتریکی نیز باشد.

(4) تحقیق و طراحی لایه‌های محافظ

هدف اصلی اعمال لایه محافظ فلزی زمین‌دار بر روی سطح خارجی مدول‌های عایق‌بندی عبارت است از: اولاً، محدود کردن خطا به فقط فاز به زمین در صورت شکست عایق، کاهش انرژی کوتاه شدن داخلی و خطر خطا؛ ثانیاً، حفظ عملکرد عایق‌بندی در هر محیط بدون نیاز به تمیز کردن سطح، عملکرد بدون نگهداری و تضمین توزیع ثابت میدان الکتریکی حتی اگر اجسام خارجی فلزی وارد جعبه شوند.

(5) تحقیق و تحلیل پایداری رزین اپوکسی

رزین اپوکسی به عنوان یک ماده پلیمری می‌تواند در طی پردازش، استفاده و ذخیره‌سازی تخریب (سنبلد شدن) شود که تأثیر منفی بر عملکرد و عمر مفید آن می‌گذارد. عوامل سنبلد شدن رایج حرارت و تابش فرابنفش هستند. در دستگاه‌های تغییر دهنده، تولید حرارت مداوم در طول عملیات به طور غیرقابل اجتنابی سنبلد شدن رزین اپوکسی را تسریع می‌کند. بنابراین، استفاده از آزمایش‌های سنبلد شدن تسریع شده برای تحلیل آماری عملکرد اجزای عایق جامد ساخته شده از مواد مختلف و در مراحل سنبلد شدن مختلف برای برقراری روابط کلیدی ضروری است.

نتیجه‌گیری

فناوری عایق جامد از سوی کاربران و بازار شناخته شده و به تدریج ترویج و نصب می‌شود. این نیازمند تولید محصولات توسط تولیدکنندگان دستگاه‌ها است که نیازهای قابلیت اطمینان و پایداری تأمین برق را برآورده کنند. تحقیقات قابل توجهی در زمینه فرآیندهای ریخته‌گری و طراحی لایه‌های محافظ سطحی برای واحدهای RMU با عایق جامد انجام شده و نتایج ملموسی به دست آمده است. با این حال، این تلاش‌ها هنوز کافی نیستند. باید تأکید بیشتری بر تحقیق در مورد مواد ریخته‌گری جدید، پیشگیری از ترک خوردگی اجزای عایق‌بندی و طراحی‌های ساختاری نوآورانه اجزا شود. به طور خلاصه، نیاز به تحقیقات فنی بیشتر، تجمع و شکست‌های فنی برای واحدهای RMU با عایق جامد وجود دارد.