Phát triển Toàn cầu và Công nghệ then chốt của Tủ Nhánh chính cách điện rắn (RMUs)

Tình hình phát triển trong và ngoài nước

Công ty Toshiba của Nhật Bản đã phát triển vật liệu epoxy hiệu suất cao và công nghệ đúc vào năm 1999, và sau đó ra mắt bộ chuyển mạch vòng rắn (RMU) cách điện rắn 24 kV vào năm 2002. Dòng sản phẩm đã được mở rộng, và công ty hiện đang hướng tới các mức điện áp cao hơn là 72 kV và 84 kV. Holec, ban đầu là một nhà tiên phong châu Âu với các ý tưởng thiết kế tiên tiến và quy trình sản xuất thân thiện với môi trường không gây ô nhiễm, sau đó đã bị Eaton mua lại.

RMU cách điện rắn của Holec là một trong những sản phẩm đầu tiên được giới thiệu vào Trung Quốc, và nhiều nhà sản xuất nội địa đã tự phát triển RMU cách điện rắn chịu ảnh hưởng rõ ràng từ thiết kế của Holec. Mặc dù Trung Quốc bắt đầu muộn hơn trong lĩnh vực này, nhưng sự phát triển đã rất nhanh chóng. Các công ty đại diện như Beijing Shuangjie, Shenyang Haocheng, và Beihai Galaxy đã phát triển các sản phẩm đã vượt qua các bài kiểm tra kiểu mẫu, đạt được khả năng sản xuất hàng loạt, và đang được quảng bá và triển khai ngày càng nhiều.

Công nghệ chính và xu hướng phát triển

Sự đột phá và phát triển của công nghệ cách điện rắn là cơ sở cho việc quảng bá và ứng dụng thành công của thiết bị đóng cắt cách điện rắn. Nhiều nhà sản xuất trên toàn thế giới, bao gồm Toshiba và Hitachi, đã đầu tư nguồn nhân lực, vật chất và tài chính đáng kể vào công nghệ cách điện rắn, đạt được tiến bộ kỹ thuật đáng kể. Dựa trên sự tích hợp các kết quả nghiên cứu toàn cầu, các thách thức kỹ thuật chính và xu hướng phát triển như sau:

• Phát triển vật liệu epoxy hiệu suất cao mới. Sử dụng vật liệu epoxy hiệu suất cao để bọc trực tiếp các ngắt chân không giúp truyền nhiệt và loại bỏ nhu cầu sử dụng đệm silicone.

• Thiết kế cách điện để đảm bảo điện áp chịu đựng yêu cầu và mức xả cục bộ.

• Nghiên cứu và phát triển quy trình đúc epoxy để giải quyết các vấn đề như xả cục bộ và nứt trong các thành phần cách điện rắn.

• Nghiên cứu và phát triển lớp chắn bề mặt cho các thành phần cách điện rắn.

• Phân tích độ ổn định của vật liệu epoxy. Sử dụng các thử nghiệm lão hóa tăng tốc để nghiên cứu tuổi thọ dịch vụ bình thường của vật liệu epoxy và phân tích xu hướng và tỷ lệ thay đổi hiệu suất, như xả cục bộ, trong quá trình sử dụng.

• Thiết kế thông minh. Sử dụng các công nghệ cảm biến và đo lường tiên tiến để theo dõi trực tuyến định tính và định lượng các tham số đặc trưng như mức xả cục bộ.

Các vấn đề tồn tại và hạn chế

RMU cách điện rắn có yêu cầu kỹ thuật và quy trình cao hơn so với RMU cách điện khí SF₆. Nếu công nghệ chưa chín muồi hoặc quy trình không đủ, rủi ro về sự cố cách điện, lỗi vận hành và nguy cơ tiềm ẩn sẽ lớn hơn so với đơn vị cách điện khí SF₆. Do đó, RMU cách điện rắn đòi hỏi tiêu chuẩn cao hơn về công nghệ, quy trình sản xuất và chất lượng nguyên liệu. Mặc dù sự chấp nhận của người dùng đã tăng lên trong những năm gần đây, nhưng vẫn còn một số vấn đề từ góc độ phát triển công nghiệp lâu dài và độ tin cậy của thiết bị:

(1) Vấn đề xả cục bộ

Khác với cách điện khí, nơi mà rò rỉ khí có thể được theo dõi và xả có thể tự phục hồi, cách điện rắn, một khi bị hư hỏng do xả, không thể phục hồi. Xả có xu hướng tăng lên theo thời gian sử dụng, có thể dẫn đến sự cố cách điện và ngắn mạch giữa pha.

(2) Nứt thành phần cách điện

RMU cách điện rắn sớm, cả trong và ngoài nước, đã bắt đầu xuất hiện nứt trong các thành phần cách điện do rung động tần số điện lâu dài, rung động hoạt động, va chạm cơ học, chu kỳ nhiệt và dao động nhiệt độ môi trường, dẫn đến tăng tỷ lệ tai nạn.

(3) An toàn và độ tin cậy của chức năng cách ly

An toàn và độ tin cậy của chức năng cách ly trong RMU cách điện rắn là rất quan trọng. Hiện nay, chủ yếu sử dụng công tắc cách ly ba vị trí truyền thống, được bọc hoàn toàn trong cách điện rắn. Hiệu suất cách điện của điểm cách ly phụ thuộc vào khoảng cách giữa tiếp điểm di chuyển và tĩnh cũng như khoảng cách bò dọc theo bề mặt của thành phần cách điện. Chập bề mặt dọc theo thành phần cách điện tăng nguy cơ hỏng điểm cách ly và nguy cơ an toàn cho người. Ngoài ra, các yếu tố môi trường và lão hóa vật liệu có thể làm tăng dòng rò bề mặt, giảm đáng kể hiệu suất cách điện và đe dọa hoạt động an toàn và tin cậy.

(4) Lựa chọn và phát triển vật liệu cách điện

Chất lượng và hiệu suất của các vật liệu cách điện chính直接影响了整个单元的可靠性和稳定性。鉴于绝缘材料的广泛使用，考虑回收、分离、处理和再利用废料和组件是减少资源浪费的关键。 (5) 封装工艺问题 产品设计应便于制造和组装，而制造和组装过程应尽量减少或不产生环境污染，并优化能源和资源的使用。对于封装产品，封装工艺的制定和封装设备的选择尤为重要。 (关键技术研发分析) (1) 高质量、高效封装技术 基于局部放电机理，固体绝缘部件内部放电主要是由材料内的空隙（气泡）引起的。传统的封装方法是将预热的部件放入预热的金属模具中，抽真空模具腔体，缓慢注入加热后的可固化环氧树脂，然后进行固化。这种方法效率低、成本高，且往往无法完全消除气泡，导致大量空隙。这些空隙在投运后可能会引起局部放电，最终导致绝缘击穿，影响安全可靠运行。因此，采用先进的高质量、高效的环氧树脂封装技术至关重要。 (2) 绝缘模块结构设计优化 绝缘模块设计必须满足功能、检验和安装要求，同时还要确保美观、减少材料消耗并避免残余应力。残余应力会导致绝缘部件内外开裂，在运行过程中可能导致局部放电并最终绝缘击穿。因此，需要深入研究绝缘模块的整体布局、厚度和过渡，并考虑散热设计。 (3) 电场设计优化 当导体表面附近的电场强度达到周围气体的击穿强度时，通常会在高度不均匀的电场中发生电晕放电。高压电极上的尖角或尖端可能会集中电场，导致电晕放电。作为一种局部放电形式，电晕会随着时间的推移发展成绝缘击穿，影响安全可靠运行。因此，设计导电部件以确保电场足够弱且均匀是一项关键技术。有效的方法包括使用仿真软件进行电场计算，优化电场分布，细化绝缘和电极形状。可能还需要屏蔽环或其他措施来降低电场强度。 (4) 屏蔽层的研究与设计 在外绝缘模块表面施加接地金属屏蔽层的主要目的是：首先，在绝缘故障时将短路故障限制为相地之间，减少内部电弧能量和故障风险；其次，在任何环境中保持绝缘性能，无需表面清洁，实现免维护操作，并确保即使有金属异物进入外壳，电场分布也不变。 (5) 环氧树脂稳定性的研究与分析 作为聚合物材料，环氧树脂在加工、应用和储存过程中会降解（老化），影响其性能和使用寿命。最常见的老化因素是热量和紫外线辐射。在开关设备中，运行过程中持续产生的热量不可避免地会加速环氧树脂的老化。因此，使用模拟老化试验统计分析不同材料和不同老化阶段的固体绝缘部件的性能，建立关键关系是至关重要的。 结论 固体绝缘技术已获得用户和市场的认可，并正在得到越来越多的推广和部署。这要求设备制造商生产出能够满足供电可靠性和稳定性需求的产品。针对固体绝缘环网柜的封装工艺和表面屏蔽层设计进行了大量研究，并取得了实质性成果。然而，这些努力仍然不足。需要更加重视对新型封装材料、防止绝缘部件开裂和创新组件结构设计的研究。总之，固体绝缘环网柜需要进一步的技术研究、积累和突破。