การพัฒนาและการใช้เทคโนโลยีหลักของตู้สวิตช์วงจรป้อนแบบฉนวนแข็ง (RMUs)

สถานะการพัฒนาทั้งในและต่างประเทศ

บริษัท Toshiba Corporation ของญี่ปุ่นได้พัฒนาวัสดุเรซินอีพ็อกซี่ประสิทธิภาพสูงและเทคโนโลยีการหล่อในปี 1999 และต่อมาได้นำเสนอหน่วยวงจรหลักแบบฉนวนแข็ง (RMU) แรงดัน 24 kV ในปี 2002 ผลิตภัณฑ์ได้ขยายสายการผลิตและขณะนี้บริษัทกำลังก้าวไปสู่ระดับแรงดันสูงขึ้นคือ 72 kV และ 84 kV Holec ซึ่งเดิมเป็นผู้บุกเบิกจากยุโรปที่มีแนวคิดการออกแบบที่ทันสมัยและกระบวนการผลิตที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมโดยไม่ทำให้เกิดมลภาวะ ภายหลังถูกเข้าซื้อกิจการโดย Eaton

RMU แบบฉนวนแข็งของ Holec เป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์แรกที่ถูกแนะนำเข้าสู่ประเทศจีน และ RMU แบบฉนวนแข็งที่พัฒนาเองโดยผู้ผลิตภายในประเทศหลายแห่งมีความคล้ายคลึงกับการออกแบบของ Holec แม้ว่าจีนจะเริ่มต้นช้ากว่า แต่การพัฒนาก็รวดเร็ว บริษัทตัวแทนเช่น Beijing Shuangjie, Shenyang Haocheng, และ Beihai Galaxy ได้พัฒนาผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการทดสอบประเภท มีความสามารถในการผลิตจำนวนมาก และกำลังได้รับการส่งเสริมและใช้งานเพิ่มขึ้น

เทคโนโลยีสำคัญและการพัฒนาแนวโน้ม

การสร้างสรรค์และการพัฒนาเทคโนโลยีฉนวนแข็งเป็นพื้นฐานสำคัญสำหรับการส่งเสริมและการใช้งานสวิตช์เกียร์แบบฉนวนแข็ง ผู้ผลิตจำนวนมากทั่วโลก รวมถึง Toshiba และ Hitachi ได้ลงทุนทรัพยากรบุคคล วัสดุ และการเงินอย่างมากในเทคโนโลยีฉนวนแข็ง ทำให้เกิดความก้าวหน้าทางเทคนิคอย่างมาก จากการรวมผลการวิจัยทั่วโลก ประเด็นสำคัญและความท้าทายในการพัฒนามีดังนี้:

• การพัฒนาเรซินอีพ็อกซี่ประสิทธิภาพสูงใหม่ การใช้เรซินอีพ็อกซี่ประสิทธิภาพสูงในการห่อหุ้มอินเตอร์รัปเตอร์สุญญากาศโดยตรงช่วยในการนำความร้อนและไม่จำเป็นต้องใช้บัฟเฟอร์ยางซิลิโคน

• การออกแบบฉนวนเพื่อให้แน่ใจว่าสามารถทนแรงดันและระดับการปล่อยประจุบางส่วนตามที่กำหนด

• การวิจัยและพัฒนากระบวนการหล่อเรซินอีพ็อกซี่เพื่อแก้ไขปัญหาการปล่อยประจุบางส่วนและการแตกของชิ้นส่วนฉนวนแข็ง

• การวิจัยและพัฒนาชั้นป้องกันบนพื้นผิวของชิ้นส่วนฉนวนแข็ง

• การวิเคราะห์ความเสถียรของเรซินอีพ็อกซี่ โดยใช้การทดสอบการเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วเพื่อศึกษาอายุการใช้งานปกติของเรซินอีพ็อกซี่และวิเคราะห์แนวโน้มและอัตราการเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพ เช่น การปล่อยประจุบางส่วน ตลอดช่วงเวลาการใช้งาน

• การออกแบบอัจฉริยะ ใช้เทคโนโลยีการตรวจวัดและวัดขั้นสูงเพื่อทำให้การตรวจสอบออนไลน์ของพารามิเตอร์เฉพาะ เช่น ระดับการปล่อยประจุบางส่วน ทั้งคุณภาพและปริมาณ

ปัญหาและข้อจำกัดที่มีอยู่

RMU แบบฉนวนแข็งมีความต้องการทางเทคนิคและกระบวนการที่สูงกว่า RMU แบบฉนวนแก๊ส SF₆ หากเทคโนโลยียังไม่พร้อมหรือกระบวนการไม่เพียงพอ ความเสี่ยงของการล้มเหลวของฉนวน ความผิดพลาดในการทำงาน และอันตรายอาจมากกว่า RMU แบบฉนวนแก๊ส SF₆ ดังนั้น RMU แบบฉนวนแข็งต้องการมาตรฐานที่สูงขึ้นในด้านเทคโนโลยี กระบวนการผลิต และคุณภาพวัสดุดิบ แม้ว่าผู้ใช้จะยอมรับมากขึ้นในระยะหลัง แต่ยังมีปัญหาหลายประการจากมุมมองของการพัฒนาอุตสาหกรรมระยะยาวและการเชื่อถือได้ของอุปกรณ์:

(1) ปัญหาการปล่อยประจุบางส่วน

ต่างจากฉนวนแก๊ส ที่สามารถตรวจสอบการรั่วไหลของแก๊สและปล่อยประจุบางส่วนอาจฟื้นฟูได้ ฉนวนแข็งเมื่อเสียหายจากการปล่อยประจุจะไม่สามารถฟื้นฟูได้ การปล่อยประจุมักจะเพิ่มขึ้นตลอดช่วงเวลาการใช้งาน อาจนำไปสู่การล้มเหลวของฉนวนและการลัดวงจรระหว่างเฟส

(2) ปัญหาการแตกของชิ้นส่วนฉนวน

RMU แบบฉนวนแข็งในช่วงแรกทั้งในและต่างประเทศเริ่มแสดงอาการแตกของชิ้นส่วนฉนวนเนื่องจากการสั่นสะเทือนความถี่ไฟฟ้าในระยะยาว การสั่นสะเทือนในการทำงาน การกระทบทางกล การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิสิ่งแวดล้อม ทำให้อัตราการเกิดอุบัติเหตุเพิ่มขึ้น

(3) ความปลอดภัยและความเชื่อถือได้ของฟังก์ชันการแยก

ความปลอดภัยและความเชื่อถือได้ของฟังก์ชันการแยกใน RMU แบบฉนวนแข็งเป็นสิ่งสำคัญ ปัจจุบัน สวิตช์แยกสามตำแหน่งแบบดั้งเดิมถูกใช้เป็นหลัก ซึ่งถูกห่อหุ้มอย่างเต็มที่ภายในฉนวนแข็ง ประสิทธิภาพฉนวนของการแยกขึ้นอยู่กับช่องว่างระหว่างคอนแทคเคลื่อนที่และคงที่และระยะทางเลื้อยผิวของชิ้นส่วนฉนวน การแฟลชผิวบนชิ้นส่วนฉนวนเพิ่มความเสี่ยงของการล้มเหลวและการบาดเจ็บของบุคลากร นอกจากนี้ ปัจจัยสิ่งแวดล้อมและการเสื่อมสภาพของวัสดุสามารถเพิ่มกระแสรั่วผิว ลดประสิทธิภาพฉนวนอย่างมาก และเป็นอันตรายต่อการดำเนินงานที่ปลอดภัยและเชื่อถือได้

(4) การเลือกและการพัฒนาวัสดุฉนวน

คุณภาพและประสิทธิภาพของวัสดุฉนวนหลักมีผลโดยตรงต่อความเชื่อถือได้และความเสถียรของอุปกรณ์ทั้งหมด เนื่องจากวัสดุฉนวนถูกใช้อย่างกว้างขวาง ดังนั้น การพิจารณาการรีไซเคิล การแยก การบำบัด และการใช้ซ้ำของเศษวัสดุและชิ้นส่วนเป็นสิ่งสำคัญในการลดการสิ้นเปลืองทรัพยากร

(5) ปัญหากระบวนการห่อหุ้ม

การออกแบบผลิตภัณฑ์ควรช่วยให้การผลิตและการประกอบสะดวก ขณะที่กระบวนการผลิตและการประกอบควรพยายามลดหรือไม่สร้างมลภาวะและใช้พลังงานและทรัพยากรอย่างมีประสิทธิภาพ สำหรับผลิตภัณฑ์ที่ถูกห่อหุ้ม การกำหนดกระบวนการห่อหุ้มและการเลือกอุปกรณ์ห่อหุ้มเป็นสิ่งที่สำคัญอย่างยิ่ง

การวิเคราะห์เทคโนโลยีสำคัญ

(1) เทคโนโลยีการห่อหุ้มคุณภาพสูงและประสิทธิภาพสูง

ตามกลไกของการปล่อยประจุบางส่วน การปล่อยประจุภายในชิ้นส่วนฉนวนแข็งส่วนใหญ่เกิดจากช่องว่าง (ฟองอากาศ) ภายในวัสดุ วิธีการห่อหุ้มแบบดั้งเดิมคือการวางชิ้นส่วนที่ถูกอุ่นไว้ในแม่พิมพ์โลหะที่ถูกอุ่นไว้ ทำการสูญญากาศในช่องว่างของแม่พิมพ์ ฉีดเรซินอีพ็อกซี่ที่ถูกอุ่นและสามารถแข็งตัวได้ช้าๆ และทำการแข็งตัว วิธีนี้ไม่มีประสิทธิภาพ ราคาแพง และมักไม่สามารถกำจัดฟองอากาศได้ทั้งหมด ทำให้เกิดช่องว่างมากมาย ช่องว่างเหล่านี้สามารถทำให้เกิดการปล่อยประจุบางส่วนหลังจากเริ่มใช้งาน จนนำไปสู่การล้มเหลวของฉนวนและเป็นอันตรายต่อการดำเนินงานที่ปลอดภัยและเชื่อถือได้ ดังนั้น การใช้เทคโนโลยีการห่อหุ้มเรซินอีพ็อกซี่คุณภาพสูงและประสิทธิภาพสูงเป็นสิ่งจำเป็น

(2) การปรับปรุงการออกแบบโครงสร้างโมดูลฉนวน

การออกแบบโมดูลฉนวนต้องตอบสนองต่อความต้องการด้านการทำงาน การตรวจสอบ และการติดตั้ง ขณะเดียวกันก็ต้องคำนึงถึงความสวยงาม การลดการใช้วัสดุ และการหลีกเลี่ยงความเครียดตกค้าง ความเครียดตกค้างสามารถทำให้เกิดรอยแตกภายในและภายนอกของชิ้นส่วนฉนวน ซึ่งอาจนำไปสู่การปล่อยประจุบางส่วนและการล้มเหลวของฉนวนระหว่างการดำเนินงาน ดังนั้น การวิจัยอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับการจัดวางทั่วไป ความหนา และการเปลี่ยนแปลงของโมดูลฉนวน พร้อมกับการพิจารณาการออกแบบการกระจายความร้อนเป็นสิ่งจำเป็น

(3) การปรับปรุงการออกแบบสนามไฟฟ้า

การปล่อยประจุโคโรนาเกิดขึ้นเมื่อความเข้มของสนามไฟฟ้าใกล้ผิวของคอนดักเตอร์ถึงความเข้มที่ทำให้แก๊สรอบ ๆ แตกตัว ซึ่งมักเกิดขึ้นในสนามไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมออย่างมาก ขอบคมหรือปลายแหลมของคอนดักเตอร์แรงดันสูงอาจทำให้สนามไฟฟ้าเข้มข้น ทำให้เกิดการปล่อยประจุโคโรนา ซึ่งเป็นรูปแบบของการปล่อยประจุบางส่วน สามารถทำให้เกิดการล้มเหลวของฉนวนในระยะยาว ทำให้การดำเนินงานที่ปลอดภัยและเชื่อถือได้เป็นอันตราย ดังนั้น การออกแบบคอนดักเตอร์เพื่อให้แน่ใจว่าสนามไฟฟ้ามีความอ่อนแอและสม่ำเสมอเป็นเทคโนโลยีสำคัญ วิธีการที่มีประสิทธิภาพรวมถึงการใช้ซอฟต์แวร์จำลองเพื่อคำนวณสนามไฟฟ้า การปรับปรุงการกระจายสนามไฟฟ้า และการปรับปรุงรูปร่างของฉนวนและคอนดักเตอร์ อาจจำเป็นต้องใช้วงแหวนป้องกันหรือมาตรการคล้ายคลึงกันเพื่อลดความเข้มของสนามไฟฟ้า

(4) การวิจัยและออกแบบชั้นป้องกัน

วัตถุประสงค์หลักของการใช้ชั้นป้องกันโลหะที่ต่อพื้นบนพื้นผิวของโมดูลฉนวนคือ: ประการแรก เพื่อจำกัดการลัดวงจรให้เป็นระหว่างเฟสกับพื้นในกรณีที่ฉนวนล้มเหลว ลดพลังงานอาร์คภายในและลดความเสี่ยงของข้อผิดพลาด ประการที่สอง เพื่อรักษาประสิทธิภาพฉนวนในสภาพแวดล้อมใด ๆ โดยไม่ต้องทำความสะอาดผิว ทำให้สามารถใช้งานได้โดยไม่ต้องบำรุงรักษา และรักษาการกระจายสนามไฟฟ้าให้ไม่เปลี่ยนแปลงแม้วัตถุโลหะแปลกปลอมจะเข้าไปในตัวอุปกรณ์

(5) การวิจัยและวิเคราะห์ความเสถียรของเรซินอีพ็อกซี่

ในฐานะวัสดุโพลิเมอร์ เรซินอีพ็อกซี่สามารถเสื่อมสภาพ (เสื่อมสภาพ) ระหว่างการผลิต การใช้งาน และการเก็บรักษา ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพและอายุการใช้งาน ปัจจัยการทำลายที่พบบ่อยที่สุดคือความร้อนและรังสีอัลตราไวโอเลต ในสวิตช์เกียร์ การสร้างความร้อนอย่างต่อเนื่องระหว่างการดำเนินงานไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ ซึ่งทำให้เรซินอีพ็อกซี่เสื่อมสภาพเร็วขึ้น ดังนั้น การใช้การทดสอบการทำลายสภาพจำลองเพื่อวิเคราะห์สถิติประสิทธิภาพของชิ้นส่วนฉนวนแข็งที่ทำจากวัสดุต่าง ๆ และในระยะการทำลายสภาพต่าง ๆ เป็นสิ่งจำเป็นในการสร้างความสัมพันธ์สำคัญ

สรุป

เทคโนโลยีฉนวนแข็งได้รับการยอมรับจากผู้ใช้และตลาด และกำลังได้รับการส่งเสริมและใช้งานเพิ่มขึ้น ซึ่งต้องการให้ผู้ผลิตอุปกรณ์ผลิตผลิตภัณฑ์ที่ตอบสนองความต้องการในการจ่ายไฟฟ้าที่เชื่อถือได้และมั่นคง ได้มีการวิจัยอย่างมากเกี่ยวกับกระบวนการห่อหุ้มและการออกแบบชั้นป้องกันบนพื้นผิวของ RMU แบบฉนวนแข็ง ซึ่งได้ผลลัพธ์ที่เป็นรูปธรรม อย่างไรก็ตาม ความพยายามเหล่านี้ยังไม่เพียงพอ ต้องให้ความสำคัญกับการวิจัยวัสดุห่อหุ้มใหม่ การป้องกันการแตกของชิ้นส่วนฉนวน และการออกแบบโครงสร้างชิ้นส่วนที่มีนวัตกรรม สรุปแล้ว RMU แบบฉนวนแข็งต้องการการวิจัย การสะสม และการสร้างสรรค์เพิ่มเติม