Desenvolvimento Global e Tecnologias Chave das Unidades de Anel Principal com Isolamento Sólido (RMUs)

Situação de Desenvolvimento no País e no Exterior

A Corporação Toshiba do Japão desenvolveu materiais de resina epóxi de alto desempenho e tecnologia de moldagem em 1999, e subsequentemente lançou uma unidade de anel principal (RMU) de isolamento sólido de 24 kV em 2002. A linha de produtos foi posteriormente expandida, e a empresa está agora avançando para níveis de tensão mais altos de 72 kV e 84 kV. A Holec, originalmente uma pioneira europeia com conceitos de design avançados e processos de fabricação ambientalmente amigáveis que não produzem poluição, foi posteriormente adquirida pela Eaton.

As RMUs de isolamento sólido da Holec foram entre as primeiras introduzidas na China, e muitas das RMUs de isolamento sólido desenvolvidas por fabricantes domésticos apresentam influências claras nos designs da Holec. Embora a China tenha começado mais tarde neste campo, seu desenvolvimento tem sido rápido. Empresas representativas como Beijing Shuangjie, Shenyang Haocheng e Beihai Galaxy desenvolveram produtos que passaram por testes de tipo, alcançaram capacidades de produção em massa e estão sendo cada vez mais promovidos e implantados.

Tecnologias Chave e Tendências de Desenvolvimento

O avanço e o aprimoramento da tecnologia de isolamento sólido são fundamentais para a promoção e aplicação bem-sucedidas de equipamentos de comutação de isolamento sólido. Muitos fabricantes em todo o mundo, incluindo a Toshiba e a Hitachi, investiram significativamente em recursos humanos, materiais e financeiros na tecnologia de isolamento sólido, alcançando progresso técnico notável. Com base na integração dos resultados de pesquisa globais, os principais desafios técnicos e tendências de desenvolvimento são os seguintes:

• Desenvolvimento de novas resinas epóxi de alto desempenho. O uso de resinas epóxi de alto desempenho para encapsular diretamente interrompedores a vácuo facilita a condução de calor e elimina a necessidade de amortecedores de borracha de silicone.

• Design de isolamento para garantir a tensão de resistência e os níveis de descarga parcial requeridos.

• Pesquisa e desenvolvimento de processos de moldagem de resina epóxi para abordar problemas como descarga parcial e rachaduras em componentes de isolamento sólido.

• Pesquisa e desenvolvimento de camadas de blindagem de superfície para componentes de isolamento sólido.

• Análise de estabilidade de resinas epóxi. Usando testes de envelhecimento acelerado para estudar a vida útil normal de resinas epóxi e analisar as tendências e taxas de mudança de desempenho, como descarga parcial, durante a vida útil.

• Design inteligente. Utilizando tecnologias avançadas de sensores e medição para realizar monitoramento online qualitativo e quantitativo de parâmetros característicos, como níveis de descarga parcial.

Problemas Existentes e Limitações

As RMUs de isolamento sólido têm requisitos técnicos e de processo mais elevados do que as RMUs de isolamento a gás SF₆. Se a tecnologia for imatura ou os processos forem inadequados, os riscos de falhas de isolamento, falhas operacionais e perigos potenciais são maiores do que com as unidades de isolamento a gás SF₆. Portanto, as RMUs de isolamento sólido exigem padrões mais elevados em tecnologia, processos de fabricação e qualidade de matérias-primas. Apesar da crescente aceitação pelos usuários nos últimos anos, vários problemas permanecem do ponto de vista do desenvolvimento industrial a longo prazo e da confiabilidade do equipamento:

(1) Problemas de Descarga Parcial

Diferentemente do isolamento a gás, onde a fuga de gás pode ser monitorada e as descargas podem se recuperar, o isolamento sólido, uma vez danificado por descarga, não pode se recuperar. As descargas tendem a aumentar ao longo da vida útil do produto, potencialmente levando à quebra do isolamento e curto-circuito entre fases.

(2) Rachaduras em Componentes de Isolamento

As RMUs de isolamento sólido iniciais, tanto domésticas quanto internacionais, começaram a exibir rachaduras em componentes de isolamento devido à vibração de frequência de rede a longo prazo, vibração operacional, impactos mecânicos, ciclos térmicos e flutuações de temperatura ambiental, levando a um aumento nas taxas de acidentes.

(3) Segurança e Confiabilidade da Função de Isolamento

A segurança e a confiabilidade da função de isolamento em RMUs de isolamento sólido são cruciais. Atualmente, são usados principalmente disjuntores de três posições tradicionais, totalmente encapsulados dentro do isolamento sólido. O desempenho de isolamento do corte de isolamento depende tanto do intervalo de ar entre os contatos móveis e fixos quanto da distância de rasteamento superficial do componente de isolamento. O flashover superficial ao longo do componente de isolamento aumenta o risco de falha do corte e perigo potencial para o pessoal. Além disso, fatores ambientais e envelhecimento do material podem aumentar as correntes de fuga superficial, reduzindo significativamente o desempenho de isolamento e ameaçando a operação segura e confiável.

(4) Seleção e Desenvolvimento de Materiais de Isolamento

A qualidade e o desempenho dos materiais de isolamento primário afetam diretamente a confiabilidade e a estabilidade de toda a unidade. Dada a ampla utilização de materiais de isolamento, considerações sobre reciclagem, separação, tratamento e reutilização de materiais e componentes de sucata são essenciais para minimizar o desperdício de recursos.

(5) Questões de Processo de Encapsulamento

O design do produto deve facilitar a fabricação e montagem, enquanto os processos de fabricação e montagem devem visar a mínima ou nenhuma poluição ambiental e o uso ótimo de energia e recursos. Para produtos encapsulados, a formulação do processo de encapsulamento e a seleção de equipamentos de encapsulamento são particularmente críticas.

Análise de Tecnologia Chave

(1) Tecnologia de Encapsulamento de Alta Qualidade e Eficiência

Com base no mecanismo de descarga parcial, as descargas internas em componentes de isolamento sólido são principalmente causadas por vazios (bolhas) dentro do material. O encapsulamento convencional envolve colocar componentes pré-aquecidos em um molde metálico pré-aquecido, evacuar a cavidade do molde, injetar lentamente resina epóxi aquecida e curável, e curar. Este método é ineficiente, custoso e frequentemente não consegue eliminar completamente as bolhas, resultando em numerosos vazios. Esses vazios podem causar descarga parcial após a comissionamento, eventualmente resultando em quebra do isolamento e comprometendo a operação segura e confiável. Portanto, é essencial adotar tecnologia de encapsulamento de resina epóxi avançada, de alta qualidade e eficiente.

(2) Otimização do Design Estrutural do Módulo de Isolamento

O design do módulo de isolamento deve atender aos requisitos funcionais, de inspeção e instalação, além de garantir a atratividade estética, redução do consumo de material e evitar tensões residuais. As tensões residuais podem causar rachaduras internas e externas em componentes de isolamento, que podem levar a descargas parciais e, eventualmente, à quebra do isolamento durante a operação. Portanto, é necessário realizar pesquisas aprofundadas sobre o layout geral, espessura e transições dos módulos de isolamento, além de considerar o design de dissipação de calor.

(3) Otimização do Design de Campo Elétrico

A descarga corona ocorre quando a intensidade do campo elétrico perto da superfície de um condutor atinge a tensão de ruptura do gás circundante, geralmente em campos altamente não uniformes. Pontas ou arestas agudas em eletrodos de alta tensão podem concentrar o campo elétrico, causando descarga corona. Como uma forma de descarga parcial, a corona pode evoluir para quebra de isolamento ao longo do tempo, afetando a operação segura e confiável. Portanto, projetar componentes condutores para garantir um campo elétrico suficientemente fraco e uniforme é uma tecnologia-chave. Métodos eficazes incluem o uso de software de simulação para cálculos de campo elétrico, otimização da distribuição de campos elétricos e refinamento de formas de isolamento e eletrodos. Pode ser necessário também o uso de anéis de blindagem ou medidas semelhantes para reduzir a intensidade do campo elétrico.

(4) Pesquisa e Design de Camadas de Blindagem

Os principais propósitos de aplicar uma camada de blindagem metálica aterrada na superfície externa dos módulos de isolamento são: primeiro, confinar falhas de curto-circuito apenas fase-terra em caso de falha de isolamento, reduzindo a energia de arco interno e o risco de falha; segundo, manter o desempenho de isolamento em qualquer ambiente sem a necessidade de limpeza da superfície, alcançando operação livre de manutenção e garantindo a distribuição do campo elétrico inalterada, mesmo se objetos metálicos estranhos entrarem na caixa.

(5) Pesquisa e Análise da Estabilidade da Resina Epóxi

Como material polimérico, a resina epóxi pode degradar-se (envelhecer) durante o processamento, aplicação e armazenamento, afetando seu desempenho e vida útil. Os fatores de envelhecimento mais comuns são o calor e a radiação ultravioleta. No equipamento de comutação, a geração contínua de calor durante a operação inevitavelmente acelera o envelhecimento da resina epóxi. Portanto, usar testes de envelhecimento simulado para analisar estatisticamente o desempenho de componentes de isolamento sólido feitos de diferentes materiais e em várias etapas de envelhecimento é essencial para estabelecer relações críticas.

Conclusão

A tecnologia de isolamento sólido ganhou reconhecimento dos usuários e do mercado e está sendo cada vez mais promovida e implementada. Isso requer que os fabricantes de equipamentos produzam produtos que atendam às demandas de confiabilidade e estabilidade do fornecimento de energia. Pesquisas significativas foram realizadas sobre processos de encapsulamento e design de camadas de blindagem de superfície para RMUs de isolamento sólido, resultando em resultados tangíveis. No entanto, esses esforços ainda são insuficientes. É necessário dar maior ênfase à pesquisa de novos materiais de encapsulamento, prevenção de rachaduras em componentes de isolamento e designs estruturais inovadores de componentes. Em resumo, são necessárias mais pesquisas técnicas, acumulação e avanços para RMUs de isolamento sólido.