Desenvolvemento global e tecnoloxías clave das unidades de anel principal con aislamento sólido (RMUs)

Estado do Desenvolvemento no País e no Estranxeiro

A Corporación Toshiba de Xapón desenvolveu materiais de resina epoxi de alto rendemento e tecnoloxía de fundición en 1999, e posteriormente lanzou unha unidade de anel principal (RMU) de aislamento sólido de 24 kV en 2002. A liña de produtos foi expandida desde entón, e a empresa está avanzando cara a niveis de tensión máis altos de 72 kV e 84 kV. Holec, orixinalmente un pionero europeo con conceptos de deseño avanzados e procesos de fabricación ecolóxicos que non producen contaminación, foi adquirida posteriormente por Eaton.

As RMUs de aislamento sólido de Holec foron entre as primeiras introducidas en China, e moitos fabricantes nacionais autodesenvolveron RMUs de aislamento sólido coas influencias claras nos deseños de Holec. Aínda que China comezou máis tarde neste campo, o seu desenvolvemento foi rápido. Empresas representativas como Beijing Shuangjie, Shenyang Haocheng e Beihai Galaxy desenvolveron produtos que pasaron probas de tipo, lograron capacidades de produción en masa e están sendo cada vez máis promovidos e implementados.

Tecnoloxías Clave e Tendencias de Desenvolvemento

O avance e progreso da tecnoloxía de aislamento sólido son fundamentais para a promoción e aplicación exitosa de equipos de maniobra con aislamento sólido. Numerosos fabricantes ao redor do mundo, incluíndo Toshiba e Hitachi, investiron significativamente en recursos humanos, materiais e financeiros na tecnoloxía de aislamento sólido, logrando un notable progreso técnico. Basándose na integración dos resultados de investigación globais, os desafíos técnicos clave e as tendencias de desenvolvemento son os seguintes:

• Desenvolvemento de novas resinas epoxi de alto rendemento. O uso de resinas epoxi de alto rendemento para encapsular directamente os interruptores de vacío facilita a conducción de calor e elimina a necesidade de amortiguadores de caucho de silicón.

• Deseño de aislamento para asegurar a tensión de resistencia requirexida e os niveis de descargas parciais.

• Investigación e desenvolvemento de procesos de fundición de resina epoxi para abordar problemas como descargas parciais e fisuración en compoñentes de aislamento sólido.

• Investigación e desenvolvemento de capas de escudo de superficie para compoñentes de aislamento sólido.

• Análise de estabilidade das resinas epoxi. Usando ensaios de envellecemento acelerado para estudar a vida útil normal das resinas epoxi e analizar as tendencias e taxas de cambio de rendemento, como descargas parciais, durante a vida útil.

• Deseño inteligente. Empregando tecnoloxías de sensado e medida avanzadas para lograr un monitoreanza en liña cualitativa e cuantitativa de parámetros característicos como os niveis de descargas parciais.

Problemas Existentes e Limitacións

As RMUs de aislamento sólido teñen requisitos técnicos e de proceso superiores ás RMUs de aislamento con gas SF₆. Se a tecnoloxía é inmadura ou os procesos son insuficientes, os riscos de fallos de aislamento, fallos operativos e potenciais perigos son maiores que cos unidades de aislamento con gas SF₆. Polo tanto, as RMUs de aislamento sólido requiren estándares máis altos en tecnoloxía, procesos de fabricación e calidade de materias primas. A pesar da crecente aceptación dos usuarios nos últimos anos, varios problemas permanecen desde a perspectiva do desenvolvemento industrial a longo prazo e a fiabilidade do equipo:

(1) Problemas de Descargas Parciais

Ao contrario do aislamento con gas, onde a fuga de gas pode ser monitorizada e as descargas poden auto-repararse, o aislamento sólido, unha vez danado por descargas, non pode recuperarse. As descargas tenden a aumentar a lo largo da vida útil do produto, podendo levar a un fallo de aislamento e cortocircuitos entre fases.

(2) Fisuración de Compoñentes de Aislamento

As RMUs de aislamento sólido iniciais, tanto nacionais como internacionais, comezaron a mostrar fisuras en compoñentes de aislamento debido á vibración de frecuencia de rede a longo prazo, vibración operativa, impactos mecánicos, ciclos térmicos e fluctuacións de temperatura ambiental, levando a un aumento nas taxas de accidentes.

(3) Seguridade e Fiabilidade da Función de Aislamento

A seguridade e fiabilidade da función de aislamento en RMUs de aislamento sólido son cruciais. Actualmente, utilizanse principalmente interruptores de conexión de tres posicións tradicionais, totalmente encapsulados dentro do aislamento sólido. O rendemento de aislamento da ruptura de aislamento depende tanto da brecha de aire entre os contactos móveis e fixos como da distancia de rasteo superficial do compoñente de aislamento. O flashover superficial ao longo do compoñente de aislamento aumenta o risco de fallo de ruptura e potenciais perigos para o persoal. Ademais, os factores ambientais e o envellecemento do material poden aumentar as correntes de fuga superficial, reducindo significativamente o rendemento de aislamento e ameazando a operación segura e fiable.

(4) Selección e Desenvolvemento de Materiais de Aislamento

A calidade e rendemento dos materiais de aislamento primarios afectan directamente a fiabilidade e estabilidade da unidade completa. Dada a amplia utilización de materiais de aislamento, as consideracións para a reciclaxe, separación, tratamento e reutilización de materiais e compoñentes residuais son esenciais para minimizar o desperdicio de recursos.

(5) Problemas de Proceso de Encapsulado

O deseño do produto debe facilitar a fabricación e montaxe, mentres que os procesos de fabricación e montaxe deben buscar unha polución ambiental mínima ou nula e un uso óptimo de enerxía e recursos. Para produtos encapsulados, a formulación do proceso de encapsulado e a selección de equipos de encapsulado son particularmente críticas.

Análise de Tecnoloxías Clave

(1) Tecnoloxía de Encapsulado de Alta Calidade e Eficiencia

Basándose no mecanismo de descargas parciais, as descargas internas en compoñentes de aislamento sólido son principalmente causadas por bollas (burbullas) dentro do material. O encapsulado convencional implica colocar compoñentes precalentados nun molde metálico precalentado, evacuar a cavidade do molde, inxectar lentamente resina epoxi curable caliente e curar. Este método é ineficiente, costoso e a miúdo non elimina completamente as bollas, levando a numerosas burbullas. Estas burbullas poden causar descargas parciais despois da comisión, eventualmente resultando en un fallo de aislamento e comprometendo a operación segura e fiable. Polo tanto, adoptar tecnoloxía de encapsulado de resina epoxi de alta calidade e eficiencia é esencial.

(2) Optimización do Deseño Estructural do Módulo de Aislamento

O deseño do módulo de aislamento debe cumprir os requisitos funcionais, de inspección e de instalación, así como asegurar a atracción visual, a redución do consumo de material e evitar o estrés residual. O estrés residual pode causar fisuras internas e externas en compoñentes de aislamento, que poden levar a descargas parciais e eventualmente a un fallo de aislamento durante a operación. Polo tanto, é necesario realizar unha investigación en profundidade sobre a disposición xeral, espesor e transicións dos módulos de aislamento, así como considerar o deseño de dissipación de calor.

(3) Optimización do Deseño de Campo Eléctrico

A descarga coronal ocorre cando a intensidade do campo eléctrico cerca da superficie dun conductor alcanza a forza de rotura do gas circundante, xeralmente en campos altamente non uniformes. Os bordos afiados ou puntas nos electrodos de alta tensión poden concentrar o campo eléctrico, causando descargas coronales. Como forma de descarga parcial, a corona pode progresar a un fallo de aislamento ao longo do tempo, afectando a operación segura e fiable. Polo tanto, deseñar compoñentes conductivos para asegurar un campo eléctrico suficientemente débil e uniforme é unha tecnoloxía clave. Métodos efectivos inclúen o uso de software de simulación para cálculos de campo eléctrico, optimización da distribución de campos eléctricos e refinamento de formas de aislamento e electrodos. Poden ser necesarias tamén medidas como aneis de escudo ou similares para reducir a intensidade do campo eléctrico.

(4) Investigación e Deseño de Capas de Escudo

Os propósitos principais de aplicar unha capa de escudo metálica aterrada na superficie exterior dos módulos de aislamento son: primeiro, confinar fallos de cortocircuito só a terra-fase no caso de fallo de aislamento, reducindo a enerxía de arco interna e o risco de fallo; segundo, manter o rendemento de aislamento en calquera ambiente sen necesidade de limpeza da superficie, logrando unha operación sen mantemento, e asegurando unha distribución de campo eléctrico inalterada incluso se obxectos metálicos estranhos entran no encerramento.

(5) Investigación e Análise da Estabilidade da Resina Epoxi

Como material polimérico, a resina epoxi pode degradarse (envellecer) durante o procesamiento, aplicación e almacenamento, afectando o seu rendemento e vida útil. Os factores de envellecemento máis comúns son o calor e a radiación ultravioleta. No equipo de maniobra, a xeración continua de calor durante a operación inevitavelmente acelera o envellecemento da resina epoxi. Polo tanto, usar ensaios de envellecemento simulado para analizar estatisticamente o rendemento de compoñentes de aislamento sólido feitos de diferentes materiais e en varias etapas de envellecemento é esencial para establecer relacións críticas.

Conclusión

A tecnoloxía de aislamento sólido gañou recoñecemento dos usuarios e o mercado e está sendo cada vez máis promovida e implementada. Isto require que os fabricantes de equipos produzan produtos que cumpran as demandas de fiabilidade e estabilidade do suministro de enerxía. Unha significativa investigación foi realizada en procesos de encapsulado e deseño de capas de escudo de superficie para RMUs de aislamento sólido, obtendo resultados tangibles. No entanto, estes esforzos aínda son insuficientes. Debe dar máis importancia á investigación en novos materiais de encapsulado, prevención de fisuración de compoñentes de aislamento e deseños estructurais innovadores de compoñentes. En resumo, son necesarios máis investigaciones, acumulación e avances técnicos para RMUs de aislamento sólido.