Globalne Rozwój i Kluczowe Technologie Jednostek Pierścieniowych z Twardym Izolantem (RMUs)

Stan Rozwoju W Kraju i na Świecie

Japońska firma Toshiba Corporation w 1999 roku opracowała wysokowydajne materiały epoksydowe oraz technologię odlewniczą, a następnie w 2002 roku wprowadziła do rynku 24-kilowoltową jednostkę pierścieniową z izolacją stałą (RMU). Od tego czasu asortyment produktów został poszerzony, a firma dąży teraz do wyższych poziomów napięcia 72 kV i 84 kV. Holec, początkowo europejski pionier z zaawansowanymi koncepcjami projektowymi i ekologicznymi procesami produkcji, które nie powodują zanieczyszczeń, został później przejęty przez Eaton.

Solid-insulated RMUs firmy Holec były jednymi z pierwszych wprowadzonych do Chin, a wiele krajowych producentów samodzielnie opracowało solid-insulated RMUs, które wyraźnie nawiązują do projektów Holec. Mimo że Chiny rozpoczęły działania w tym obszarze później, rozwój był szybki. Reprezentatywne firmy, takie jak Beijing Shuangjie, Shenyang Haocheng i Beihai Galaxy, opracowały produkty, które przeszły testy typowe, osiągnęły zdolność do masowej produkcji i są coraz częściej promowane i wdrażane.

Kluczowe Technologie i Tendencje Rozwojowe

Przełom i postęp w technologii izolacji stałej są fundamentalne dla pomyślnego wprowadzania i stosowania sprzętu elektrycznego z izolacją stałą. Wiele producentów na całym świecie, w tym Toshiba i Hitachi, zainwestowało znaczne środki ludzkie, materiałowe i finansowe w technologię izolacji stałej, osiągając istotny postęp techniczny. Na podstawie integracji globalnych wyników badań kluczowe wyzwania techniczne i tendencje rozwojowe są następujące:

• Rozwój nowych wysokowydajnych żywic epoksydowych. Użycie wysokowydajnych żywic epoksydowych do bezpośredniego obudowywania przerzutników próżniowych ułatwia odprowadzanie ciepła i eliminuje potrzebę używania buforów z silikonowego kauczuku.

• Projekt izolacyjny zapewniający wymagany poziom napięcia przetrwałościowego i poziom rozpraszania częściowego.

• Badania i rozwój procesów odlewniczych żywic epoksydowych, aby rozwiązać problemy związane z rozpraszaniem częściowym i pękaniami w komponentach izolacji stałej.

• Badania i rozwój warstw ekranujących powierzchni komponentów izolacji stałej.

• Analiza stabilności żywic epoksydowych. Użycie przyspieszonych testów starzenia do badania normalnego okresu użytkowania żywic epoksydowych i analizy trendów i tempa zmian wydajności, takich jak rozpraszanie częściowe, w trakcie okresu użytkowania.

• Inteligentny projekt. Zastosowanie zaawansowanych technologii czujników i pomiarów do osiągnięcia jakościowego i ilościowego monitorowania online charakterystycznych parametrów, takich jak poziom rozpraszania częściowego.

Istniejące Problemy i Ograniczenia

Solid-insulated RMUs mają wyższe wymagania techniczne i procesowe niż RMU z izolacją gazową SF₆. Jeśli technologia jest niedojrzała lub procesy są niewystarczające, ryzyko awarii izolacji, błędów operacyjnych i potencjalnych zagrożeń jest większe niż w przypadku jednostek z izolacją gazową SF₆. Dlatego solid-insulated RMUs wymagają wyższych standardów w zakresie technologii, procesów produkcyjnych i jakości surowców. Pomimo rosnącej akceptacji użytkowników w ostatnich latach, pozostaje kilka problemów z perspektywy długoterminowego rozwoju przemysłu i niezawodności sprzętu:

(1) Problemy z Rozpraszaniem Częściowym

W przeciwieństwie do izolacji gazowej, gdzie przeciek gazu może być monitorowany, a rozpraszanie może się samonaprawiać, uszkodzona izolacja stała nie może się samonaprawić. Rozpraszanie ma tendencję do wzrostu w ciągu życia produktu, co może prowadzić do awarii izolacji i przepięć między fazami.

(2) Pękanie Komponentów Izolacyjnych

Wczesne solid-insulated RMUs, zarówno w kraju, jak i na świecie, zaczęły pokazywać pękanie komponentów izolacyjnych w wyniku długotrwałych drgań częstotliwości sieci, drgań operacyjnych, uderzeń mechanicznych, cykli termicznych i fluktuacji temperatury środowiskowej, co prowadzi do wzrostu liczby wypadków.

(3) Bezpieczeństwo i Niezawodność Funkcji Izolacji

Bezpieczeństwo i niezawodność funkcji izolacji w solid-insulated RMUs są kluczowe. Obecnie najczęściej stosowane są tradycyjne trójpołożeniowe przełączniki odłączające, całkowicie obudowane w izolacji stałej. Wydajność izolacyjna przełącznika odłączającego zależy zarówno od luki powietrznej między stykami poruszającymi się i nieruchomymi, jak i od odległości pełzania powierzchni komponentu izolacyjnego. Powierzchniowe przepalenie wzdłuż komponentu izolacyjnego zwiększa ryzyko awarii przełącznika i potencjalne zagrożenia dla personelu. Ponadto czynniki środowiskowe i starzenie materiałów mogą zwiększać prądy przeciekowe na powierzchni, znacząco redukując wydajność izolacji i zagrażając bezpiecznej i niezawodnej pracy.

(4) Dobór i Rozwój Materiałów Izolacyjnych

Jakość i wydajność głównych materiałów izolacyjnych bezpośrednio wpływają na niezawodność i stabilność całego urządzenia. Biorąc pod uwagę szerokie zastosowanie materiałów izolacyjnych, ważne jest, aby rozważyć odtwarzalność, segregację, przetwarzanie i ponowne użycie odpadów i komponentów, aby zminimalizować marnowanie zasobów.

(5) Problemy z Procesem Obudowywania

Projekt produktu powinien ułatwiać łatwą produkcję i montaż, a procesy produkcji i montażu powinny dążyć do minimalnego lub zerowego zanieczyszczenia środowiska i optymalnego wykorzystania energii i zasobów. Dla obudowanych produktów formułowanie procesu obudowywania i dobór sprzętu do obudowywania jest szczególnie krytyczne.

Analiza Kluczowych Technologii

(1) Wysokiej Jakości i Efektywna Technologia Obudowywania

Na podstawie mechanizmu rozpraszania częściowego, wewnętrzne rozpraszanie w komponentach izolacji stałej jest głównie spowodowane pustkami (bańkami) wewnątrz materiału. Tradycyjne obudowywanie polega na umieszczeniu nagrzanego komponentu w nagrzanym metalowym formie, ewakuacji jamy formy, powolnym wtryskiem nagrzanego, twardniejącego żywica epoksydowej i twardnieniu. Ta metoda jest nieefektywna, kosztowna i często nie eliminuje całkowicie bańek, prowadząc do wielu pustek. Te pustki mogą prowadzić do rozpraszania częściowego po wprowadzeniu do eksploatacji, co ostatecznie prowadzi do awarii izolacji i narusza bezpieczne i niezawodne działanie. Dlatego konieczne jest zastosowanie zaawansowanej, wysokiej jakości i efektywnej technologii obudowywania żywicą epoksydową.

(2) Optymalizacja Projektu Modułu Izolacyjnego

Projekt modułu izolacyjnego musi spełniać wymagania funkcjonalne, kontroli i montażu, a także zapewniać estetyczny wygląd, zmniejszanie zużycia materiałów i unikanie napięć residualnych. Napięcia residualne mogą powodować pękania wewnętrzne i zewnętrzne w komponentach izolacyjnych, co może prowadzić do rozpraszania częściowego i ostatecznej awarii izolacji w trakcie eksploatacji. Dlatego niezbędne jest głębokie badanie układu ogólnego, grubości i przejść modułów izolacyjnych, wraz z rozważeniem projektu odprowadzania ciepła.

(3) Optymalizacja Projektu Pola Elektrycznego

Rozpraszanie koronowe występuje, gdy natężenie pola elektrycznego w pobliżu powierzchni przewodnika osiąga wartość przetrwałościową otaczającego gazu, zwykle w silnie nierównomiernych polach. Ostrze lub punkt na elektrodzie wysokiego napięcia może skupić pole elektryczne, powodując rozpraszanie koronowe. Jako forma rozpraszania częściowego, korona może prowadzić do awarii izolacji w czasie, wpływając na bezpieczne i niezawodne działanie. Dlatego projektowanie elementów przewodzących, aby zapewnić wystarczająco słabe i równomierne pole elektryczne, jest kluczową technologią. Skuteczne metody obejmują użycie oprogramowania symulacyjnego do obliczeń pola elektrycznego, optymalizację rozkładu pola elektrycznego i udoskonalanie kształtów izolacji i elektrod. Może być również konieczne zastosowanie pierścieni ekranujących lub podobnych środków, aby zmniejszyć natężenie pola elektrycznego.

(4) Badania i Projektowanie Warstw Ekranujących

Głównymi celami zastosowania ziemskiej metalowej warstwy ekranującej na zewnętrznej powierzchni modułów izolacyjnych są: po pierwsze, ograniczenie awarii krótkiego zwarcia do tylko faza-ziemia w przypadku awarii izolacji, co zmniejsza wewnętrzną energię łuku i ryzyko awarii; po drugie, utrzymanie wydajności izolacyjnej w dowolnym środowisku bez konieczności czyszczenia powierzchni, osiągając eksploatację bez konserwacji, oraz zapewnienie niezmienności rozkładu pola elektrycznego, nawet jeśli obce obiekty metalowe wejdą do obudowy.

(5) Badania i Analiza Stabilności Żywicy Epoksydowej

Jako materiał polimerowy, żywica epoksydowa może ulec degradacji (starzeniu) podczas obróbki, zastosowania i przechowywania, co wpływa na jej wydajność i okres użytkowania. Najczęstsze czynniki starzenia to ciepło i promieniowanie UV. W urządzeniach rozdzielczych ciągłe generowanie ciepła podczas eksploatacji nieuchronnie przyspiesza starzenie żywicy epoksydowej. Dlatego konieczne jest użycie symulowanych testów starzenia do statystycznego analizowania wydajności komponentów izolacji stałej wykonanych z różnych materiałów i w różnych etapach starzenia, aby ustalić kluczowe relacje.

Podsumowanie

Technologia izolacji stałej zdobyła uznanie użytkowników i rynku i jest coraz częściej promowana i wdrażana. To wymaga od producentów sprzętu produkcji produktów, które spełniają wymagania dotyczące niezawodności i stabilności dostawy energii. Przeprowadzono znaczne badania nad procesami obudowywania i projektem warstw ekranujących dla solid-insulated RMUs, uzyskując realne rezultaty. Jednak te wysiłki są nadal niewystarczające. Większy nacisk należy położyć na badania nad nowymi materiałami obudowywania, zapobieganie pękaniu komponentów izolacyjnych i innowacyjne projekty strukturalne komponentów. Podsumowując, potrzebne są dalsze badania techniczne, gromadzenie i przełomy dla solid-insulated RMUs.