固体絶縁リングメインユニット（RMU）の世界展開と主要技術

国内外の開発状況

日本の東芝は1999年に高性能エポキシ樹脂材料とキャスティング技術を開発し、2002年には24 kV固体絶縁リングメインユニット（RMU）を発売しました。製品ラインナップはその後拡大され、現在では72 kVおよび84 kVというより高い電圧レベルへ向けて進展しています。ヨーロッパの先駆者で先進的な設計概念と環境に優しい製造プロセスを持つHolecは、後にイートンに買収されました。

Holecの固体絶縁RMUは中国に導入された最初のものであり、多くの国内メーカーが自社開発した固体絶縁RMUはHolecのデザインに明確な影響を受けている。中国はこの分野での開始が遅かったものの、その発展は急速である。北京双杰、瀋陽浩成、北海銀河などの代表的な企業は、型式試験を通過し、量産能力を達成し、ますます普及と展開が進められている。

主要技術と発展トレンド

固体絶縁技術の突破と進歩は、固体絶縁スイッチギアの成功した普及と応用の基礎となる。世界中の多くのメーカー、特に東芝や日立などは、固体絶縁技術に対して多大な人的、物的、財政的資源を投資し、顕著な技術的進歩を遂げた。世界中の研究結果を統合すると、主な技術的な課題と発展トレンドは以下の通りである：

• 新規高性能エポキシ樹脂の開発。高性能エポキシ樹脂を使用して真空遮断器を直接封止することで、熱伝導性が向上し、シリコーンゴムバッファの必要性がなくなる。

• 必要な耐電圧と局所放電レベルを確保するための絶縁設計。

• 固体絶縁部品における局所放電や亀裂問題に対処するためのエポキシ樹脂キャスティングプロセスの研究開発。

• 固体絶縁部品の表面シールド層の研究開発。

• エポキシ樹脂の安定性分析。加速老化試験を使用してエポキシ樹脂の通常使用寿命を調査し、サービスライフ中の性能変化の傾向と速度、例えば局所放電などを分析する。

• 知能化設計。高度なセンシングおよび測定技術を使用して、局所放電レベルなどの特性パラメータの質的および量的なオンライン監視を実現する。

既存の問題と制限

固体絶縁RMUはSF₆ガス絶縁RMUよりも高い技術的およびプロセス要件を有する。技術が未熟またはプロセスが不十分な場合、絶縁故障、動作障害、潜在的な危険性のリスクはSF₆ガス絶縁装置よりも大きい。そのため、固体絶縁RMUは技術、製造プロセス、原材料品質において高い基準を要求される。近年、ユーザーからの受け入れが増加しているものの、長期的な産業発展と機器の信頼性の観点からはいくつかの問題が残っている：

(1) 局所放電問題

ガス絶縁とは異なり、ガス漏れを監視し、放電が自己回復する可能性があるのに対し、固体絶縁は一度放電によって損傷すると回復しない。放電は製品の寿命を通じて成長し、最終的には絶縁破壊や相間短絡につながる可能性がある。

(2) 絶縁部品の亀裂

国内外の初期の固体絶縁RMUは、長期間の商用周波数振動、運転時の振動、機械的衝撃、熱サイクル、環境温度変動により、絶縁部品に亀裂が生じ始め、事故率が上昇している。

(3) 隔離機能の安全性と信頼性

固体絶縁RMUの隔離機能の安全性と信頼性は重要である。現在、主に従来の三位置切替スイッチが使用されており、固体絶縁内に完全に封止されている。隔離ブレークの絶縁性能は、可動接点と固定接点間の空気ギャップと絶縁部品の表面這い距離に依存する。絶縁部品沿いの表面フラッシュオーバーは、ブレーク故障のリスクと潜在的な人員への危害を高める。また、環境要因や材料の劣化により表面リーク電流が増加し、絶縁性能が大幅に低下し、安全かつ信頼性のある動作を脅かす。

(4) 絶縁材料の選択と開発

一次絶縁材料の品質と性能は、全体的なユニットの信頼性と安定性に直接影響を与える。絶縁材料の広範な使用を考えると、廃棄材料や部品のリサイクル、分離、処理、再利用に関する考慮が必要であり、資源の浪費を最小限に抑えることが求められる。

(5) 封止プロセスの問題

製品設計は製造と組み立ての容易さを考慮すべきであり、製造と組み立てプロセスは環境汚染を最小限に抑え、エネルギーと資源の最適利用を目指すべきである。封止製品の場合、封止プロセスの策定と封止設備の選択は特に重要である。

主要技術解析

(1) 高品質・高効率の封止技術

局所放電のメカニズムに基づくと、固体絶縁部品内の内部放電は主に材料内の空洞（気泡）によって引き起こされる。従来の封止方法は、予熱された部品を予熱された金属型に入れ、型腔を脱気し、加熱された硬化性エポキシ樹脂をゆっくり注入し、硬化させるというものである。この方法は非効率的でコストが高く、しばしば気泡を完全に排除できず、多数の空洞が生じる。これらの空洞は起動後局所放電を引き起こし、最終的に絶縁破壊につながり、安全かつ信頼性のある動作を損なう。したがって、先進的な高品質かつ高効率のエポキシ樹脂封止技術の採用が不可欠である。

(2) 絶縁モジュール構造設計の最適化

絶縁モジュール設計は機能、検査、設置の要件を満たすとともに、美観性、材料消費量の削減、残留ストレスの回避も考慮する必要がある。残留ストレスは絶縁部品の内部および外部の亀裂を引き起こし、運用中に局所放電と最終的な絶縁破壊につながる可能性がある。したがって、絶縁モジュールの全体的なレイアウト、厚さ、移行部について深く研究し、熱散逸設計も考慮する必要がある。

(3) 電界設計の最適化

コロナ放電は、導体表面付近の電界強度が周囲のガスの崩壊強度に達したときに発生し、通常は非常に非均一な電界で見られる。高電圧電極の鋭角部分や尖端は電界を集中させ、コロナ放電を引き起こす。局所放電の一種であるコロナは時間とともに絶縁破壊に進行し、安全かつ信頼性のある動作に影響を与える。したがって、十分に弱く均一な電界を確保するための導体部品の設計は重要な技術である。効果的な手法には、シミュレーションソフトウェアを使用した電界計算、電界分布の最適化、絶縁および電極形状の改良がある。電界強度を低減するためにシールドリングや類似の措置も必要となる場合がある。

(4) シールド層の研究と設計

絶縁モジュールの外表面に接地された金属シールド層を適用する主な目的は、絶縁故障時に相対地のみに短絡故障を限定し、内部アークエネルギーと故障リスクを低減すること、そして表面清掃なしでも任意の環境下で絶縁性能を維持し、メンテナンスフリーの操作を実現し、金属異物がエンクロージャ内に入った場合でも電界分布が変わらないようにすることである。

(5) エポキシ樹脂の安定性の研究と分析

エポキシ樹脂は高分子材料であり、加工、使用、保管中に劣化（老化）する可能性があり、その性能と寿命に影響を与える。最も一般的な老化要因は熱と紫外線である。スイッチギアでは、運転中に連続的に発生する熱により、エポキシ樹脂の老化が必然的に加速される。したがって、異なる材料と様々な老化段階での固体絶縁部品の性能をシミュレートされた老化試験によって統計的に分析し、重要な関係を確立することが必要である。

結論

固体絶縁技術はユーザーと市場から認知され、ますます普及と展開が進められている。これは、設備メーカーが供給の信頼性と安定性の要求を満たす製品を生産することを必要とする。固体絶縁RMUの封止プロセスと表面シールド層設計については、多くの研究が行われ、具体的な成果が出ている。しかし、これらの取り組みはまだ十分ではない。新たな封止材料の研究、絶縁部品の亀裂防止、革新的な部品構造設計にさらに重点を置く必要がある。要するに、固体絶縁RMUについては、さらなる技術的研究、蓄積、および突破が必要である。