Global utvikling og nøkkelteknologier for fast isolerte ringhovedenheter (RMUs)

Utviklingsstatus hjemme og i utlandet

Toshiba Corporation i Japan utviklet høypresterende epoksyresinmaterialer og gjettingsteknologi i 1999, og la deretter til grunn for en 24 kV fastisolert ringhovedenhet (RMU) i 2002. Produktlinjen har siden blitt utvidet, og selskapet arbeider nå mot høyere spenningsnivåer på 72 kV og 84 kV. Holec, som opprinnelig var en europeisk pioner med avanserte designkonsepter og miljøvennlige produksjonsprosesser som ikke forårsaker forurensning, ble senere overkjøpt av Eaton.

Holecs fastisolerte RMUs var blant de første introdusert i Kina, og mange nasjonale produsenters selvutviklede fastisolerte RMUs viser klare innflytninger fra Holecs design. Selv om Kina startet senere i dette feltet, har utviklingen vært rask. Representativt selskaper som Beijing Shuangjie, Shenyang Haocheng, og Beihai Galaxy har utviklet produkter som har bestått typeprøver, oppnådd masseproduksjonskapasitet, og blir stadig mer fremmet og distribuert.

Nøkkleteknologier og utviklingstrender

Gjennombrudd og fremskritt i fastisolasjonsteknologi er grunnleggende for den vellykkede fremming og anvendelse av fastisolerte brytere. Mange produsenter verden over, inkludert Toshiba og Hitachi, har investert store menneskelige, materielle og finansielle ressurser i fastisolasjonsteknologi, og har oppnådd betydelig teknisk fremskritt. Basert på integrering av globale forskningsresultater, er de nøkkeltekniske utfordringene og utviklingstrendene som følger:

• Utvikling av nye høypresterende epoksyresiner. Bruk av høypresterende epoksyresiner til direkte omslutning av vakuumavbrytere forenkler varmeføring og eliminerer behovet for silikonkautsjuk buffer.

• Isoleringdesign for å sikre det nødvendige utbytte mot spenning og delvis utslipp.

• Forskning og utvikling av epoksyresingjettingsprosesser for å løse problemer som delvis utslipp og revner i fastisolerte komponenter.

• Forskning og utvikling av overflate-skjoldlag for fastisolerte komponenter.

• Stabilitetsanalyse av epoksyresiner. Bruk av akselererte aldringstester for å studere normal tjenestetid for epoksyresiner og analysere trender og hastigheter i ytelsesendringer, som delvis utslipp, under tjenestetiden.

• Intelligent design. Bruk av avanserte sensor- og måleteknologier for å oppnå kvalitativ og kvantitativ onlineovervåking av karakteristiske parametre som nivået av delvis utslipp.

Eksisterende problemer og begrensninger

Fastisolerte RMUs har høyere tekniske og prosesskrav enn SF₆-gasisolerte RMUs. Hvis teknologien er utilstrekkelig eller prosessene ufullstendige, er risikoen for isoleringsfeil, driftsfeil og potensielle farer større enn for SF₆-gasisolerte enheter. Derfor krever fastisolerte RMUs høyere standarder i teknologi, produksjonsprosesser og råvarekvalitet. Selv om brukertilfredshet har økt i de siste årene, gjelder flere problemer fortsatt med tanke på langsiktig industriell utvikling og utstyrssikkerhet:

(1) Problemer med delvis utslipp

I motsetning til gasisolering, hvor gasslek kan overvåkes og utslipp kan selvhelbrede, kan fastisolering ikke gjenopprettes etter skade av utslipp. Utslipp tenderer til å øke over produktets levetid, og kan potensielt føre til isoleringsnedbrytning og fasesammenfall.

(2) Revner i isoleringskomponenter

Tidlige fastisolerte RMUs, både innenlands og internasjonalt, har begynt å vise revner i isoleringskomponenter på grunn av langvarig strømfrekvensvibrasjon, driftsvibrasjon, mekanisk påvirkning, termisk syklisering og miljøtemperaturvariasjoner, noe som fører til økte uhellstall.

(3) Sikkerhet og pålitelighet av isoleringsfunksjon

Sikkerheten og påliteligheten av isoleringsfunksjonen i fastisolerte RMUs er avgjørende. For tiden brukes hovedsakelig tradisjonelle treposisjonsslår, fullstendig omsluttede i fastisolering. Isoleringsytelsen av isoleringsbryteren avhenger av både luftgappen mellom bevegelige og stasjonære kontakter og overflatekrypingen av isoleringskomponenten. Overflatespark langs isoleringskomponenten øker risikoen for bryterfeil og potensielle personfarer. I tillegg kan miljøfaktorer og materialaldring øke overflatelekkasjonsstrømmene, noe som betydelig reduserer isoleringsytelsen og truer sikker og pålitelig drift.

(4) Valg og utvikling av isoleringsmaterialer

Kvaliteten og ytelsen til de primære isoleringsmaterialene påvirker direkte påliteligheten og stabiliteten til hele enheten. Gitt den omfattende bruken av isoleringsmaterialer, er overveielser om gjenbruk, separasjon, behandling og gjenbruk av skrapmaterialer og -komponenter nødvendige for å minimere ressursspill.

(5) Problemer med omslutningsprosesser

Produktet skal være designet for å forenkle produksjon og montering, mens produksjons- og monteringsprosesser skal stræbe etter minimal eller ingen miljøforurensning og optimal energi- og ressursbruk. For omsluttede produkter er formuleringen av omslutningsprosessen og valg av omslutningsutstyr spesielt kritisk.

Analyse av nøkkleteknologier

(1) Høykvalitativ, høyeffektiv omslutningsteknologi

Basert på mekanismen for delvis utslipp, skyldes interne utslipp i fastisolerte komponenter hovedsakelig hull (bobler) i materialet. Konvensjonell omslutning innebærer at forhåndsoppvarmede komponenter plasseres i en forhåndsoppvarmet metallform, formhulen evakueres, og deretter injiseres varmet, hardbar epoksyresin forsiktig, og hardes. Denne metoden er ineffektiv, kostnadskrevende, og ofte klarer den ikke å eliminere bobler fullstendig, noe som fører til mange hull. Disse hullene kan føre til delvis utslipp etter installasjon, og eventuelt til isoleringsnedbrytning og svekket sikker og pålitelig drift. Derfor er det essensielt å vedta avansert, høykvalitativ og effektiv epoksyresinomslutningsteknologi.

(2) Optimalisering av isoleringsmodulstrukturdesign

Isoleringsmoduldesign må oppfylle funksjonelle, inspeksjons- og installasjonskrav, samtidig som det også må sikre estetisk attraktivitet, redusert materialforbruk og unngå restress. Restress kan føre til interne og eksterne revner i isoleringskomponenter, som kan føre til delvis utslipp og eventuell isoleringsnedbrytning under drift. Derfor er dypgående forskning på overordnet layout, tykkelse og overganger i isoleringsmoduler nødvendig, sammen med hensyn til varmeavledningsdesign.

(3) Optimalisering av elektrisk felt design

Korona-utslipp forekommer når elektrisk feltstyrke nær en leders overflate når nedbrytningsstyrken til omgivende gass, typisk i sterkt uregelmessige felt. Skarpe kanter eller spisser på høyvolts-elektroder kan koncentrere elektrisk felt, hvilket kan føre til korona-utslipp. Som en form for delvis utslipp, kan korona over tid utvikle seg til isoleringsnedbrytning, som påvirker sikker og pålitelig drift. Derfor er det en nøkkleteknologi å designe ledende komponenter for å sikre et tilstrekkelig svakt og jevnt elektrisk felt. Effektive metoder inkluderer bruk av simuleringsprogramvare for beregning av elektrisk felt, optimalisering av fordelingen av elektrisk felt, og forfining av isolering og elektrodeshape. Skjoldring eller lignende tiltak for å redusere elektrisk feltstyrke kan også være nødvendig.

(4) Forskning og design av skjoldlag

De primære formål med å legge til en jordet metallskjoldlag på ytre overflate av isoleringsmoduler er: først, å begrense kortslutningsfeil til kun fase-til-jord i tilfelle isoleringsnedbrytning, for å redusere intern bueenergi og feilrisiko; andre, for å opprettholde isoleringsytelsen i ethvert miljø uten å kreve overflateskiving, for å oppnå drift uten vedlikehold, og for å sikre ubrukt elektrisk feltfordeling selv om metalliske fremmedlegemer kommer inn i omslutningen.

(5) Forskning og analyse av epoksyresinstabilitet

Som et polymermateriale kan epoksyresin degradere (aldring) under bearbeiding, bruk og lagring, noe som påvirker dens ytelse og tjenestetid. De mest vanlige aldringsfaktorene er varme og ultralydsstråling. I brytere, vil kontinuerlig varmeproduksjon under drift uunngåelig akselerere aldringen av epoksyresin. Derfor er det essensielt å bruke simulerte aldringstester for å statistisk analysere ytelsen til fastisolerte komponenter laget av ulike materialer og i ulike aldringsfasers for å etablere kritiske forhold.

Konklusjon

Fastisolasjonsteknologi har fått anerkjennelse fra brukere og markedet, og blir stadig mer fremmet og distribuert. Dette krever at utstyrsprodusenter lager produkter som møter kravene til strømforsyningens pålitelighet og stabilitet. Betydelig forskning har blitt gjort på omslutningsprosesser og overflate-skjoldlagdesign for fastisolerte RMUs, med synlige resultater. Imidlertid er disse innsatsene fremdeles utilstrekkelige. Det må legges større vekt på forskning i nye omslutningsmaterialer, forebygging av revner i isoleringskomponenter, og innovativ komponentstrukturdesign. Sammenfattende sett, er det nødvendig med videre teknisk forskning, akkumulering og gjennombrudd for fastisolerte RMUs.