Sviluppo Globale e Tecnologie Chiave degli Unità Principal Ring Isolate Solidamente (RMUs)

Situazione dello Sviluppo in Cina e all'Estero

Nel 1999, la Toshiba Corporation del Giappone ha sviluppato materiali di resina epoxidica ad alte prestazioni e tecnologie di colata, lanciando successivamente un anello principale isolato solidamente (RMU) da 24 kV nel 2002. La linea di prodotti è stata poi espansa, e l'azienda sta ora avanzando verso livelli di tensione superiori di 72 kV e 84 kV. Holec, originariamente un pioniere europeo con concetti di progettazione avanzati e processi di produzione rispettosi dell'ambiente che non generano inquinamento, è stato successivamente acquisito da Eaton.

Gli RMU isolati solidamente di Holec sono stati tra i primi introdotti in Cina, e molti produttori nazionali hanno sviluppato RMU isolati solidamente con influenze chiare dai disegni di Holec. Anche se la Cina è partita più tardi in questo campo, lo sviluppo è stato rapido. Aziende rappresentative come Beijing Shuangjie, Shenyang Haocheng e Beihai Galaxy hanno sviluppato prodotti che hanno superato i test di tipo, raggiungendo capacità di produzione su larga scala e che stanno essendo sempre più promossi e distribuiti.

Tecnologie Chiave e Tendenze di Sviluppo

Il break-through e il progresso della tecnologia dell'isolamento solido sono fondamentali per la promozione e l'applicazione riuscite degli apparati di commutazione isolati solidamente. Numerosi produttori in tutto il mondo, inclusi Toshiba e Hitachi, hanno investito notevoli risorse umane, materiali e finanziarie nella tecnologia dell'isolamento solido, ottenendo significativi progressi tecnici. Basandosi sull'integrazione dei risultati di ricerca globali, le sfide tecniche chiave e le tendenze di sviluppo sono le seguenti:

• Sviluppo di nuove resine epoxidiche ad alte prestazioni. L'uso di resine epoxidiche ad alte prestazioni per l'incapsulamento diretto degli interruttori a vuoto facilita la conduzione del calore ed elimina la necessità di cuscinetti in silicone.

• Progettazione dell'isolamento per garantire la tensione di resistenza richiesta e i livelli di scariche parziali.

• Ricerca e sviluppo dei processi di colata delle resine epoxidiche per affrontare problemi come le scariche parziali e le crepe nei componenti di isolamento solido.

• Ricerca e sviluppo di strati di schermatura superficiali per i componenti di isolamento solido.

• Analisi della stabilità delle resine epoxidiche. Utilizzando prove di invecchiamento accelerato per studiare la vita utile normale delle resine epoxidiche e analizzare le tendenze e i tassi di cambiamento delle prestazioni, come le scariche parziali, durante la vita utile.

• Progettazione intelligente. Utilizzo di tecnologie avanzate di sensori e misurazione per realizzare un monitoraggio online qualitativo e quantitativo dei parametri caratteristici, come i livelli di scariche parziali.

Problemi Esistenti e Limiti

Gli RMU isolati solidamente richiedono requisiti tecnici e di processo superiori rispetto agli RMU isolati con gas SF₆. Se la tecnologia è immatura o i processi sono inadeguati, i rischi di guasti di isolamento, malfunzionamenti operativi e potenziali pericoli sono maggiori rispetto agli unità isolate con gas SF₆. Pertanto, gli RMU isolati solidamente richiedono standard più elevati in termini di tecnologia, processi di fabbricazione e qualità dei materiali grezzi. Nonostante l'accettazione crescente da parte degli utenti negli ultimi anni, rimangono alcuni problemi dal punto di vista dello sviluppo industriale a lungo termine e della affidabilità degli apparecchi:

(1) Problemi di Scariche Parziali

A differenza dell'isolamento a gas, dove le perdite di gas possono essere monitorate e le scariche possono autoricuperarsi, l'isolamento solido, una volta danneggiato dalle scariche, non può recuperare. Le scariche tendono a crescere nel corso della vita del prodotto, potenzialmente portando al cedimento dell'isolamento e alle cortocircuiti tra fasi.

(2) Crepe nei Componenti di Isolamento

Gli RMU isolati solidamente, sia in Cina che all'estero, hanno iniziato a mostrare crepe nei componenti di isolamento a causa di vibrazioni a frequenza di rete a lungo termine, vibrazioni operative, impatti meccanici, cicli termici e fluttuazioni di temperatura ambientale, portando a un aumento dei tassi di incidenti.

(3) Sicurezza e Affidabilità della Funzione di Isolamento

La sicurezza e l'affidabilità della funzione di isolamento negli RMU isolati solidamente sono critiche. Attualmente, vengono principalmente utilizzati interruttori di separazione a tre posizioni, completamente incapsulati nell'isolamento solido. Le prestazioni di isolamento della rottura dipendono sia dallo spazio d'aria tra i contatti mobili e fissi che dalla distanza di strisciamento superficiale del componente isolante. Lo strisciamento superficiale lungo il componente isolante aumenta il rischio di fallimento della rottura e potenziali pericoli per il personale. Inoltre, i fattori ambientali e l'invecchiamento dei materiali possono aumentare le correnti di fuga superficiale, riducendo significativamente le prestazioni di isolamento e minacciando l'operazione sicura e affidabile.

(4) Selezione e Sviluppo dei Materiali di Isolamento

La qualità e le prestazioni dei materiali di isolamento primario influiscono direttamente sulla affidabilità e stabilità dell'intero dispositivo. Data l'estesa utilizzazione dei materiali di isolamento, considerazioni per il riciclo, la separazione, il trattamento e il riutilizzo dei materiali e componenti scartati sono essenziali per minimizzare lo spreco di risorse.

(5) Problemi di Processo di Incapsulamento

Il design del prodotto dovrebbe facilitare la facilità di fabbricazione e assemblaggio, mentre i processi di fabbricazione e assemblaggio dovrebbero mirare a un inquinamento ambientale minimo o nullo e all'ottimale utilizzo di energia e risorse. Per i prodotti incapsulati, la formulazione del processo di incapsulamento e la selezione delle attrezzature di incapsulamento sono particolarmente critici.

Analisi delle Tecnologie Chiave

(1) Tecnologia di Incapsulamento di Alta Qualità ed Efficacia

Basandosi sul meccanismo delle scariche parziali, le scariche interne nei componenti di isolamento solido sono principalmente causate da vuoti (bolle) all'interno del materiale. L'incapsulamento convenzionale prevede la collocazione di componenti preriscaldati in uno stampo metallico preriscaldato, l'evacuazione della cavità dello stampo, l'iniezione lenta di resina epoxidica riscaldata e curabile, e la cura. Questo metodo è inefficiente, costoso e spesso non riesce a eliminare completamente le bolle, portando a numerosi vuoti. Questi vuoti possono causare scariche parziali dopo la messa in servizio, portando eventualmente al cedimento dell'isolamento e compromettendo l'operazione sicura e affidabile. Pertanto, l'adozione di tecnologie avanzate, di alta qualità ed efficaci di incapsulamento delle resine epoxidiche è essenziale.

(2) Ottimizzazione del Design Strutturale del Modulo di Isolamento

Il design del modulo di isolamento deve soddisfare i requisiti funzionali, di ispezione e di installazione, assicurando anche un aspetto estetico, un consumo ridotto di materiali e l'evitare stress residui. Gli stress residui possono causare crepe interne ed esterne nei componenti di isolamento, che possono portare a scariche parziali e al cedimento dell'isolamento durante l'operazione. Pertanto, è necessario condurre ricerche approfondite sull'impostazione complessiva, lo spessore e le transizioni dei moduli di isolamento, nonché considerare il design di dissipazione del calore.

(3) Ottimizzazione del Design del Campo Elettrico

Le scariche coronarie si verificano quando l'intensità del campo elettrico vicino alla superficie di un conduttore raggiunge la tensione di rottura del gas circostante, tipicamente in campi altamente non uniformi. I bordi o le punte aguzzi degli elettrodi ad alta tensione possono concentrare il campo elettrico, causando scariche coronarie. Come forma di scarica parziale, la corona può progredire al cedimento dell'isolamento nel tempo, influendo sull'operazione sicura e affidabile. Pertanto, progettare i componenti conduttori per garantire un campo elettrico sufficientemente debole e uniforme è una tecnologia chiave. Metodi efficaci includono l'uso di software di simulazione per i calcoli del campo elettrico, l'ottimizzazione della distribuzione del campo elettrico e il raffinamento delle forme di isolamento e degli elettrodi. Potrebbero essere necessarie anche misure come anelli di schermatura o simili per ridurre l'intensità del campo elettrico.

(4) Ricerca e Progettazione degli Strati di Schermatura

Gli scopi principali dell'applicazione di uno strato di schermatura metallica a terra sulla superficie esterna dei moduli di isolamento sono: primo, confinare i guasti a cortocircuito solo tra fase e terra in caso di guasto dell'isolamento, riducendo l'energia dell'arco interno e il rischio di guasto; secondo, mantenere le prestazioni di isolamento in qualsiasi ambiente senza richiedere pulizia superficiale, raggiungendo l'operazione senza manutenzione, e assicurando una distribuzione del campo elettrico invariata anche se oggetti metallici estranei entrano nell'incastellatura.

(5) Ricerca e Analisi della Stabilità delle Resine Epoxidiche

Come materiale polimerico, la resina epoxidica può degradarsi (invecchiare) durante il processo, l'applicazione e lo stoccaggio, influendo sulle sue prestazioni e sulla sua durata. I fattori di invecchiamento più comuni sono il calore e la radiazione ultravioletta. Negli apparati di commutazione, la generazione continua di calore durante l'operazione inevitabilmente accelera l'invecchiamento della resina epoxidica. Pertanto, l'uso di prove di invecchiamento simulate per analizzare statisticamente le prestazioni dei componenti di isolamento solido realizzati con diversi materiali e in varie fasi di invecchiamento è essenziale per stabilire relazioni critiche.

Conclusione

La tecnologia dell'isolamento solido ha ottenuto il riconoscimento degli utenti e del mercato e sta venendo sempre più promossa e distribuita. Ciò richiede ai produttori di apparecchiature di produrre prodotti che soddisfino le esigenze di affidabilità e stabilità dell'approvvigionamento elettrico. Sono state condotte ricerche significative sui processi di incapsulamento e sul design degli strati di schermatura superficiale per gli RMU isolati solidamente, ottenendo risultati tangibili. Tuttavia, questi sforzi sono ancora insufficienti. È necessario dare maggiore enfasi alla ricerca su nuovi materiali di incapsulamento, alla prevenzione delle crepe nei componenti di isolamento e ai progetti strutturali innovativi dei componenti. In sintesi, sono necessarie ulteriori ricerche tecniche, accumuli e break-through per gli RMU isolati solidamente.