Mittelspannungs-Feststoff-isolierte RMUs: Erklärung der Epoxidharz-Isolierung und des Strukturdesigns

1 Isoliermaterialien und -design

Basierend auf den Kostenstatistiken für mittelspannungsstarre-isolierte Ringkabelverteiler (RMUs) macht der Isolationsaufbau über 40 % der Gesamtkosten aus. Daher ist die Auswahl geeigneter Isoliermaterialien, die Gestaltung rationaler Isolationsstrukturen und die Bestimmung der richtigen Isolierungsmethode entscheidend für den Wert von mittelspannungselektrischen RMUs. Seit der ersten Synthese von Epoxidharz im Jahr 1930 wurden ständig verschiedene Zusatzstoffe erforscht, um dessen Eigenschaften zu verbessern.

Epoxidharz ist bekannt für seine hohe elektrische Festigkeit, hohe mechanische Festigkeit, minimale Volumenänderung während des Gießens und Härtns sowie die einfache Bearbeitbarkeit. Daher wird es als primäres Isoliermaterial für mittelspannungselektrische RMUs ausgewählt. Durch die Zugabe von Härtern, Versteifern, Weichmachern, Füllstoffen und Farbstoffen entsteht ein hochleistungsfähiges Epoxidharz. Seine Wärmebeständigkeit, thermische Ausdehnung und thermische Leitfähigkeit wurden verbessert, was Brandhemmung und eine zuverlässige Isolierleistung sowohl bei langfristiger Spannung als auch bei kurzfristigem Überspannung bietet.

In RMUs führen herkömmliche Isolationsstrukturen oft zu ungleichmäßigen elektrischen Feldern. In solchen Feldern reicht es nicht aus, einfach die Isolationsdistanz zu erhöhen, um die Isolationsfestigkeit zu verbessern. Daher muss auch die Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes durch strukturelle Optimierung verbessert werden. Die elektrische Festigkeit von Epoxidharz liegt zwischen 22 und 28 kV/mm, was bedeutet, dass mit optimiertem Isolationsdesign nur wenige Millimeter Isolationsdistanz zwischen den Phasen erforderlich sind, wodurch die Größe des Produkts erheblich reduziert wird.

2 Strukturdesign von mittelspannungsstarre-isolierten RMUs

Alle leitenden Komponenten – wie Vakuumschalter, Trennschalter und Erdungsschalter – werden in eine Form gelegt und unter Verwendung von hochleistungsfähigem Epoxidharz mittels des Automatischen Druck-Gelations-Verfahrens (APG) integriert gegossen. Das Bogenlöschmedium ist Vakuum, während die Isolation durch das hochleistungsfähige Epoxidharz gewährleistet wird. Der Schrank verwendet ein modulares Design, das eine standardisierte Massenproduktion erleichtert. Jeder Bereich ist durch Metallwände getrennt, um die Bogenausbreitung zu verhindern und potenzielle Fehler auf einzelne Module zu begrenzen.

Integrierte Hauptleiter und Kontaktverbindungen sind entworfen. Der Hauptleiter besteht aus segmentierten, isolierten geschlossenen Hauptleitern, die über teleskopische integrierte Hauptleiterverbindungen verbunden sind, was die Ortsinstallation und -inbetriebnahme vereinfacht. Die Türstruktur ist so konzipiert, dass sie interne Bögen aushalten kann und ermöglicht Drei-Stellungsbetriebsarten (Schließen, Öffnen und Erdung) mit geschlossener Tür. Die Schaltstellensituation kann leicht durch Sichtfenster beobachtet werden, was einen sicheren und zuverlässigen Betrieb sicherstellt.

3 Vorteile und Typentestanalyse von mittelspannungsstarre-isolierten RMUs
3.1 Hauptvorteile

• Hochleistungsfähiges Epoxidharz garantiert eine zuverlässige Isolierleistung und geringe Teilentladung (≤5 pC).

• Die vollständig isolierte und versiegelte Struktur hat keine freiliegenden lebenden Teile, was sie gegen Staub und Verschmutzung immun macht. Sie ist nicht durch Umgebungsbedingungen eingeschränkt und eignet sich für hohe und niedrige Temperaturen, Hochplateaus, explosionsgeschützte Bereiche und verschmutzte Gebiete. Es löst Probleme bezüglich der SF₆-Gasdruckänderungen bei hohen Temperaturen und Gasverflüssigung bei niedrigen Temperaturen. Zum Beispiel profitiert Fuzhou, das in einem Küstenbereich mit hohem Salznebel liegt, erheblich von der salznebelresistenten Eigenschaft des Produkts.

• Es wird kein SF₆-Gas verwendet; es werden keine schädlichen Gase abgegeben, was es zu einem umweltfreundlichen Produkt macht. Es besteht kein Risiko eines Lecks, was regelmäßige Wartung überflüssig macht – es ist wartungsfrei. Eine verbesserte explosionsgeschützte Konstruktion sorgt dafür, dass es für gefährliche Standorte geeignet ist. Die vollständig isolierte Dreiphasenstruktur verhindert Kurzschlüsse zwischen den Phasen und gewährleistet Sicherheit und Zuverlässigkeit.

• Das Gerät nimmt nur 30 % des Platzes ein, der von herkömmlichen luftisolierten RMUs benötigt wird, was es zu einem ultrakompakten Produkt macht.

3.2 Typentestanalyse

In Übereinstimmung mit den oben genannten Vorteilen wurden entsprechende Typentests durchgeführt, einschließlich Isolationsdurchhaltespannungstests (42 kV/48 kV), Teilentladungsmessungen (≤5 pC), Hoch-/Niedrigtemperaturtests (+80 °C / -45 °C), Kondensationstests (Verschmutzungsgrad II) und interne Bogentests (0,5 s). Die Testergebnisse bestätigen die vollständige Einhaltung der Parameteranforderungen und validieren effektiv die angegebenen Vorteile des Produkts.

Darüber hinaus wurden weitere Typentests gemäß nationalen Standards abgeschlossen: Temperaturanstiegstests, Messungen des Widerstands im Hauptkreis, Prüfungen der Nennspitzen- und kurzzuständigen Durchhaltekraft, Prüfungen der Nennkurzschlussleistung, elektrischer und mechanischer Ausdauer, Fehlerprüfungen bei Phasen-zu-Phasen-Erdung, Prüfungen des Nennwirklaststrom-Schaltens und Prüfungen des Nennkapazitätsstrom-Schaltens. Alle Testergebnisse entsprechen den Anforderungen der nationalen Standards.

Die State Grid Corporation of China hat mehrere Treffen abgehalten, um die Typentestpunkte und Parameteranforderungen für mittelspannungsstarre-isolierte RMUs zu diskutieren, mit detaillierten Diskussionen über spezifische Details, wie z.B., ob die Grenze für Teilentladung ≤5 pC oder ≤20 pC sein sollte. Wir glauben, dass die Typentests, die durch nationale Standards vorgeschrieben sind, wesentlich sind und durchgeführt werden müssen; zusätzliche Tests, die zur Überprüfung der Produktvorteile durchgeführt werden, sind ebenfalls notwendig; außerdem sollten spezielle Tests wie Vibrations- und Extremklima-Tests basierend auf der tatsächlichen Betriebsumgebung ausgewählt werden. Was die Parameter betrifft, legt die State Grid nur Mindestanforderungen fest, aber Hersteller können die Spezifikationen nach Produktleistung angemessen erhöhen – zum Beispiel, die Grenze für Teilentladung auf ≤5 pC zu erhöhen und den Temperaturbereich für Hoch-/Niedrigtemperaturtests zu erweitern.

4 Schlussfolgerung

Feste Isolierung bietet gegenüber gas- und luftisolierten Systemen erhebliche Vorteile: zuverlässige Isolierleistung, keine Emission schädlicher Gase, Umweltfreundlichkeit und keine Leckageprobleme. Die Anwendung fester Isolierungstechnologien hat die Miniaturisierung und Umweltanpassungsfähigkeit von mittelspannungselektrischen RMUs erheblich verbessert, was ihre breite Anwendung in Bereichen mit hohen und niedrigen Temperaturen, Hochplateaus, explosionsgeschützten Bereichen und verschmutzten Gebieten ermöglicht. All diese Vorteile wurden durch Typentests vollständig validiert.