Développement mondial et technologies clés des postes de répartition à isolation solide (RMUs)
État d'avancement au niveau national et international
La société Toshiba Corporation du Japon a développé des matériaux en résine époxyde à haute performance et une technologie de moulage par injection en 1999, lançant ensuite un disjoncteur-répartiteur à isolation solide (RMU) de 24 kV en 2002. La gamme de produits a depuis été étendue, et l'entreprise avance maintenant vers des tensions plus élevées de 72 kV et 84 kV. Holec, initialement un pionnier européen avec des concepts de conception avancés et des processus de fabrication respectueux de l'environnement qui ne produisent aucune pollution, a ensuite été racheté par Eaton.
Les RMU à isolation solide de Holec ont été parmi les premiers introduits en Chine, et de nombreux fabricants nationaux ont développé des RMU à isolation solide autoconçus qui montrent clairement l'influence des conceptions de Holec. Bien que la Chine ait commencé plus tard dans ce domaine, son développement a été rapide. Des entreprises représentatives comme Beijing Shuangjie, Shenyang Haocheng et Beihai Galaxy ont développé des produits qui ont passé les essais de type, atteint des capacités de production en série et sont de plus en plus promus et déployés.
Technologies clés et tendances de développement
La percée et l'avancement de la technologie d'isolation solide sont fondamentaux pour la promotion et l'application réussies des appareillages à isolation solide. De nombreux fabricants à travers le monde, y compris Toshiba et Hitachi, ont investi des ressources humaines, matérielles et financières considérables dans la technologie d'isolation solide, réalisant des progrès techniques notables. Sur la base de l'intégration des résultats de recherche mondiaux, les défis techniques clés et les tendances de développement sont les suivants :
Développement de nouvelles résines époxydes à haute performance. L'utilisation de résines époxydes à haute performance pour encapsuler directement les interrupteurs à vide facilite la conduction thermique et élimine la nécessité de tampons en caoutchouc silicone.
Conception d'isolation pour assurer la tension de tenue requise et les niveaux de décharge partielle.
Recherche et développement des processus de moulage par injection de résine époxyde pour résoudre les problèmes tels que la décharge partielle et les fissures dans les composants d'isolation solide.
Recherche et développement des couches de blindage de surface pour les composants d'isolation solide.
Analyse de la stabilité des résines époxydes. Utilisation de tests de vieillissement accéléré pour étudier la durée de vie normale des résines époxydes et analyser les tendances et les taux de changement de performance, tels que la décharge partielle, pendant la durée de vie.
Conception intelligente. Utilisation de technologies de capteurs et de mesures avancées pour réaliser une surveillance en ligne qualitative et quantitative des paramètres caractéristiques tels que les niveaux de décharge partielle.
Problèmes existants et limitations
Les RMU à isolation solide ont des exigences techniques et de processus plus élevées que les RMU à isolation gazeuse SF₆. Si la technologie est immature ou les processus inadéquats, les risques de défaillance d'isolation, de dysfonctionnement opérationnel et de dangers potentiels sont plus grands que pour les unités à isolation gazeuse SF₆. Par conséquent, les RMU à isolation solide exigent des normes plus élevées en termes de technologie, de processus de fabrication et de qualité des matières premières. Malgré une acceptation croissante des utilisateurs ces dernières années, plusieurs problèmes persistent du point de vue du développement industriel à long terme et de la fiabilité des équipements :
(1) Problèmes de décharge partielle
Contrairement à l'isolation gazeuse, où les fuites de gaz peuvent être surveillées et les décharges peuvent se rétablir d'elles-mêmes, l'isolation solide, une fois endommagée par une décharge, ne peut pas se rétablir. Les décharges ont tendance à s'aggraver au cours de la durée de vie du produit, pouvant conduire à une rupture d'isolation et à des courts-circuits entre phases.
(2) Fissuration des composants d'isolation
Les RMU à isolation solide anciens, tant nationaux qu'internationaux, commencent à présenter des fissures dans les composants d'isolation en raison de vibrations de fréquence industrielle prolongées, de vibrations opérationnelles, d'impacts mécaniques, de cycles thermiques et de fluctuations de température environnementale, entraînant une augmentation des taux d'accidents.
(3) Sécurité et fiabilité de la fonction d'isolement
La sécurité et la fiabilité de la fonction d'isolement dans les RMU à isolation solide sont cruciales. Actuellement, des disjoncteurs à trois positions traditionnels sont principalement utilisés, entièrement encapsulés dans l'isolation solide. La performance d'isolation de l'interruption d'isolement dépend à la fois de l'écart entre les contacts mobiles et fixes et de la distance de rampement de surface du composant isolant. Le flashover de surface le long du composant isolant augmente le risque de défaillance de l'interruption et de dangers potentiels pour le personnel. De plus, les facteurs environnementaux et le vieillissement des matériaux peuvent augmenter les courants de fuite de surface, réduisant considérablement la performance d'isolation et menaçant la sécurité et la fiabilité de l'exploitation.
(4) Sélection et développement des matériaux d'isolation
La qualité et les performances des principaux matériaux d'isolation affectent directement la fiabilité et la stabilité de l'ensemble de l'unité. Étant donné l'utilisation extensive des matériaux d'isolation, il est essentiel de prendre en compte la recyclabilité, la séparation, le traitement et la réutilisation des déchets de matériaux et de composants pour minimiser le gaspillage de ressources.
(5) Problèmes de processus de moulage par injection
La conception du produit doit faciliter la fabrication et l'assemblage, tandis que les processus de fabrication et d'assemblage doivent viser une pollution environnementale minimale ou nulle et une utilisation optimale de l'énergie et des ressources. Pour les produits encapsulés, la formulation du processus de moulage par injection et la sélection des équipements de moulage par injection sont particulièrement critiques.
Analyse des technologies clés
(1) Technologie de moulage par injection de haute qualité et à haute efficacité
Sur la base du mécanisme de la décharge partielle, les décharges internes dans les composants d'isolation solide sont principalement causées par des vides (bulles) à l'intérieur du matériau. Le moulage par injection conventionnel consiste à placer des composants préchauffés dans un moule métallique préchauffé, à évacuer la cavité du moule, à injecter lentement une résine époxyde chauffée et curable, puis à la cuire. Cette méthode est inefficace, coûteuse et souvent incapable d'éliminer complètement les bulles, entraînant de nombreuses vides. Ces vides peuvent provoquer des décharges partielles après la mise en service, aboutissant finalement à une rupture d'isolation et compromettant la sécurité et la fiabilité de l'exploitation. Il est donc essentiel d'adopter une technologie de moulage par injection de résine époxyde avancée, de haute qualité et efficace.
(2) Optimisation de la conception de la structure du module d'isolation
La conception du module d'isolation doit répondre aux exigences fonctionnelles, d'inspection et d'installation tout en assurant un aspect esthétique, une consommation réduite de matériaux et l'évitement de contraintes résiduelles. Les contraintes résiduelles peuvent causer des fissures internes et externes dans les composants d'isolation, qui peuvent entraîner des décharges partielles et finalement une rupture d'isolation pendant l'exploitation. Ainsi, une recherche approfondie sur la disposition globale, l'épaisseur et les transitions des modules d'isolation est nécessaire, ainsi que la prise en compte de la conception de dissipation thermique.
(3) Optimisation de la conception du champ électrique
Le décharge corona se produit lorsque l'intensité du champ électrique près de la surface d'un conducteur atteint la tension de claquage du gaz environnant, généralement dans des champs fortement non uniformes. Les bords ou points aigus sur les électrodes à haute tension peuvent concentrer le champ électrique, provoquant une décharge corona. En tant que forme de décharge partielle, la corona peut progressivement conduire à une rupture d'isolation au fil du temps, affectant la sécurité et la fiabilité de l'exploitation. Par conséquent, la conception des composants conducteurs pour assurer un champ électrique suffisamment faible et uniforme est une technologie clé. Des méthodes efficaces incluent l'utilisation de logiciels de simulation pour les calculs de champ électrique, l'optimisation de la distribution du champ électrique et l'affinement des formes d'isolation et d'électrodes. Des anneaux de blindage ou des mesures similaires pour réduire l'intensité du champ électrique peuvent également être nécessaires.
(4) Recherche et conception des couches de blindage
Les principales raisons d'appliquer une couche de blindage métallique mise à la terre sur la surface extérieure des modules d'isolation sont : premièrement, confiner les défauts de court-circuit uniquement phase-terre en cas de défaillance de l'isolation, réduisant l'énergie d'arc interne et le risque de défaut ; deuxièmement, maintenir la performance d'isolation dans n'importe quel environnement sans nécessiter de nettoyage de surface, permettant une exploitation sans maintenance, et assurant une distribution du champ électrique inchangée même si des objets métalliques étrangers pénètrent dans l'enveloppe.
(5) Recherche et analyse de la stabilité de la résine époxyde
En tant que matériau polymère, la résine époxyde peut se dégrader (vieillir) pendant le traitement, l'application et le stockage, affectant ses performances et sa durée de vie. Les facteurs de vieillissement les plus courants sont la chaleur et le rayonnement ultraviolet. Dans les appareillages, la génération continue de chaleur pendant l'exploitation accélère inévitablement le vieillissement de la résine époxyde. Par conséquent, l'utilisation de tests de vieillissement simulés pour analyser statistiquement les performances des composants d'isolation solide fabriqués à partir de différents matériaux et à divers stades de vieillissement est essentielle pour établir des relations critiques.
Conclusion
La technologie d'isolation solide a reçu la reconnaissance des utilisateurs et du marché et est de plus en plus promue et déployée. Cela exige des fabricants d'équipements de produire des produits qui répondent aux exigences de fiabilité et de stabilité de l'alimentation électrique. Des recherches importantes ont été menées sur les processus de moulage par injection et la conception des couches de blindage de surface pour les RMU à isolation solide, donnant des résultats tangibles. Cependant, ces efforts restent insuffisants. Une plus grande importance doit être accordée à la recherche sur de nouveaux matériaux de moulage par injection, la prévention de la fissuration des composants d'isolation et les designs innovants des structures de composants. En résumé, des recherches techniques, des accumulations et des percées supplémentaires sont nécessaires pour les RMU à isolation solide.
