Глобальний розвиток та ключові технології сувороїзольованих кільцевих головних вузлів (RMUs)

Стан розвитку вдома та за кордоном

Японська корпорація Toshiba у 1999 році розробила високопродуктивні епоксидні смоли та технологію литья, а в 2002 році представила твердоізоляційну кільцеву основну установку (RMU) на 24 кВ. Лінійка продуктів була розширена, і тепер компанія працює над підвищенням напруги до 72 кВ та 84 кВ. Holec, спочатку європейський пионер з передовими концептуальними дизайнерськими рішеннями та екологічно чистими виробничими процесами, які не викликають забруднення, був пізніше придбаний компанією Eaton.

Твердоізоляційні RMU Holec були одними з перших, які були представлені в Китаї, і багато додому виробників, які самостійно розробили твердоізоляційні RMU, мають очевидні впливи від дизайнів Holec. Хоча Китай почав у цьому напрямку пізніше, його розвиток був швидким. Представницькі компанії, такі як Beijing Shuangjie, Shenyang Haocheng та Beihai Galaxy, розробили продукти, які пройшли типові випробування, досягли можливості масового виробництва та поступово продовжують пропагувати та впроваджувати їх.

Ключові технології та тенденції розвитку

Прорив та прогрес в твердоізоляційній технології є ключовим для успішного продовження та впровадження твердоізоляційних комутаційних пристроїв. Багато виробників по всьому світу, включаючи Toshiba та Hitachi, вклали значні людські, матеріальні та фінансові ресурси в твердоізоляційну технологію, досягши помітного технічного прогресу. На основі інтеграції глобальних наукових результатів, ключові технічні проблеми та тенденції розвитку наступні:

• Розробка нових високопродуктивних епоксидних смол. Використання високопродуктивних епоксидних смол для безпосереднього обгортання вакуумних комутаторів сприяє теплопровідності та усуває потребу у силиконових резинових амортизаторах.

• Дизайн ізоляції, щоб забезпечити необхідну стійкість до напруги та рівень часткового розряду.

• Дослідження та розробка процесів литья епоксидних смол для вирішення проблем, таких як частковий розряд та тріщини в твердоізоляційних компонентах.

• Дослідження та розробка поверхневих екрануючих шарів для твердоізоляційних компонентів.

• Аналіз стабільності епоксидних смол. Використання пришвидшених тестів старіння для вивчення нормального строку служби епоксидних смол та аналізу тенденцій та швидкості зміни їх характеристик, таких як частковий розряд, протягом строку служби.

• Інтелектуальний дизайн. Застосування передових сенсорних та вимірювальних технологій для досягнення якісного та кількісного онлайн-моніторингу характерних параметрів, таких як рівень часткового розряду.

Існуючі проблеми та обмеження

Твердоізоляційні RMU мають вищі технічні та технологічні вимоги, ніж RMU з газовою ізоляцією SF₆. Якщо технологія недостатньо зріла або процеси недостатньо відпрацьовані, ризики ізоляційних аварій, операційних помилок та потенційних небезпек вищі, ніж у випадку з газовою ізоляцією SF₆. Тому твердоізоляційні RMU вимагають вищих стандартів у техніці, виробничих процесах та якості сировини. Незважаючи на те, що останнім часом зростає прийняття користувачів, кілька проблем залишається з точки зору довгострокового промислового розвитку та надійності обладнання:

(1) Проблеми часткового розряду

На відміну від газової ізоляції, де можна моніторити витікання газу, а розряди можуть самоусунуватися, тверда ізоляція, коли вона пошкоджена розрядом, не може відновитися. Розряди зазвичай зростають протягом терміну служби продукту, що може призвести до зруйнування ізоляції та міжфазних коротких замикань.

(2) Тріщини в ізоляційних компонентах

Ранні твердоізоляційні RMU, як у домашньому, так і в міжнародному контексті, почали демонструвати тріщини в ізоляційних компонентах через довготривалі вібрації мережної частоти, операційні вібрації, механічні ударі, термічні цикли та флуктуації температури оточення, що призводить до збільшення кількості аварій.

(3) Безпека та надійність функції ізоляції

Безпека та надійність функції ізоляції в твердоізоляційних RMU є критичними. На даний момент головним чином використовуються традиційні трипозиційні відключувачі, повністю обгорнуті твердою ізоляцією. Ізоляційні характеристики відключувача залежать як від повітряного проміжку між рухомим та нерухомим контактами, так і від поверхневої втеки по ізоляційному компоненту. Поверхневий пробій по ізоляційному компоненту збільшує ризик невдалості відключувача та потенційних загроз для особистого складу. Додатково, фактори оточення та вік матеріалу можуть збільшити поверхневі втеки, значно знизивши ізоляційні характеристики та загрожуючи безпечному та надійному функціонуванню.

(4) Вибір та розробка ізоляційних матеріалів

Якість та характеристики основних ізоляційних матеріалів безпосередньо впливають на надійність та стабільність всього модуля. З урахуванням широкої використаності ізоляційних матеріалів, важливими є питання повторного використання, виділення, обробки та вторичного використання відходів матеріалів та компонентів, щоб мінімізувати витрати ресурсів.

(5) Проблеми з обгортанням

Дизайн продукту повинен сприяти легкості виробництва та зборки, а процеси виробництва та зборки повинні прагнути до мінімальної або взагалі відсутньої забрудненості оточення та оптимального використання енергії та ресурсів. Для обгорнутих продуктів формулювання процесу обгортання та вибір обладнання для обгортання є особливо критичними.

Аналіз ключових технологій

(1) Високоякісна, високоэффективная технология оболочки

На основі механізму часткового розряду внутрішні розряди в твердоізоляційних компонентах зазвичай викликані порами (бульбашками) всередині матеріалу. Традиційне обгортання включає розміщення попередньо нагрітих компонентів у попередньо нагріту металеву форму, евакуацію форми, повільне заповнення нагрітою, засмолоспособною епоксидною смолою та полімеризацію. Цей метод є неефективним, дорогим і часто не може повністю усунути бульбашки, що призводить до появи численних пор. Ці пори можуть спричинити частковий розряд після введення в експлуатацію, що врешті-решт призведе до зруйнування ізоляції та погіршення безпечного та надійного функціонування. Тому важливо використовувати сучасні, високоякісні та ефективні технології обгортання епоксидною смолою.

(2) Оптимізація конструкції модуля ізоляції

Дизайн модуля ізоляції повинен задовольняти функціональним, контрольним та монтажним вимогам, а також забезпечувати естетичність, зменшення витрат матеріалу та уникнення залишкового напруження. Залишкове напруження може призводити до внутрішніх та зовнішніх тріщин в ізоляційних компонентах, що може спричинити частковий розряд та зруйнування ізоляції під час експлуатації. Тому необхідно проводити глибокі дослідження загального розташування, товщини та переходів модулів ізоляції, а також враховувати дизайн теплообміну.

(3) Оптимізація проектування електричного поля

Коронний розряд відбувається, коли напруженість електричного поля біля поверхні провідника досягає напруженості, необхідної для пробою оточуючого газу, зазвичай в сильно неоднорідних полях. Гострі краї або вершини на високовольтних електродах можуть концентрувати електричне поле, що призводить до коронного розряду. Як форма часткового розряду, корона може поступово переходити до зруйнування ізоляції, що впливає на безпечне та надійне функціонування. Тому ключовою технологією є проектування провідних компонентів, щоб забезпечити достатньо слабке та однорідне електричне поле. Ефективними методами є використання програмного забезпечення для обчислення електричного поля, оптимізація розподілу електричного поля та покращення форми ізоляції та електродів. Може бути необхідним використання екрануючих кілець або подібних заходів для зменшення напруженості електричного поля.

(4) Дослідження та проектування екрануючих шарів

Основні цілі нанесення заземленого металевого екрануючого шару на зовнішню поверхню модулів ізоляції: першою чергою, обмежити короткі замикання лише між фазою та землею в разі виникнення аварії ізоляції, зменшуючи внутрішню енергію дуги та ризик аварії; другою чергою, підтримувати ізоляційні характеристики в будь-якому середовищі без потреби чистки поверхні, досягаючи безпідтримкового функціонування, та забезпечуючи незмінний розподіл електричного поля, навіть якщо металеві сторонні предмети потрапляють у корпус.

(5) Дослідження та аналіз стабільності епоксидних смол

Як полімерний матеріал, епоксидна смола може вироджуватися (старітися) під час обробки, застосування та зберігання, що впливає на її характеристики та строк служби. Найпоширенішими факторами старіння є тепло та ультрафіолетове випромінювання. У комутаційних пристроях неперервне випромінювання тепла під час експлуатації необхідно пришвидшить старіння епоксидної смоли. Тому важливо використовувати симуляційні тести старіння для статистичного аналізу характеристик твердоізоляційних компонентів, виготовлених з різних матеріалів та на різних стадіях старіння, щоб встановити ключові зв'язки.

Висновок

Технологія твердої ізоляції отримала визнання користувачів та ринку та все більше пропагується та впроваджується. Це вимагає від виробників обладнання випускати продукти, які відповідають вимогам надійності та стабільності живлення. Проведено значні дослідження щодо процесів обгортання та дизайну поверхневих екрануючих шарів для твердоізоляційних RMU, що принесло конкретні результати. Однак цих зусиль все ще недостатньо. Необхідно приділити більше уваги дослідженню нових матеріалів для обгортання, запобіганню тріщинам в ізоляційних компонентах та інноваційним конструктивним рішенням. В цілому, потрібні подальші технічні дослідження, накопичення та прориви для твердоізоляційних RMU.