Состояние разработок в России и за рубежом
В 1999 году японская корпорация Toshiba разработала высокопроизводительные эпоксидные смолы и технологию литья, а в 2002 году выпустила на рынок кольцевую распределительную установку (КРУ) с твердой изоляцией на 24 кВ. С тех пор линейка продукции была расширена, и компания стремится к более высоким уровням напряжения — 72 кВ и 84 кВ. Holec, первоначально европейский пионер с передовыми концепциями дизайна и экологически чистыми производственными процессами, не создающими загрязнений, позже был приобретен компанией Eaton.
КРУ с твердой изоляцией от Holec были одними из первых, представленных в Китае, и многие отечественные производители, разрабатывая собственные КРУ с твердой изоляцией, явно под влиянием дизайнов Holec. Хотя Китай начал позже в этой области, его развитие было быстрым. Представительные компании, такие как Beijing Shuangjie, Shenyang Haocheng и Beihai Galaxy, разработали продукты, прошедшие типовые испытания, достигли возможностей массового производства и все больше продвигаются и внедряются.
Ключевые технологии и тенденции развития
Прорыв и прогресс в технологии твердой изоляции являются фундаментальными для успешного продвижения и применения коммутационного оборудования с твердой изоляцией. Многие производители по всему миру, включая Toshiba и Hitachi, инвестировали значительные человеческие, материальные и финансовые ресурсы в технологию твердой изоляции, достигнув заметного технического прогресса. На основе интеграции глобальных исследовательских результатов ключевые технические проблемы и тенденции развития следующие:
Разработка новых высокопроизводительных эпоксидных смол. Использование высокопроизводительных эпоксидных смол для прямой заливки вакуумных выключателей облегчает теплопередачу и устраняет необходимость использования буферов из силиконовой резины.
Дизайн изоляции для обеспечения требуемого уровня перенапряжения и частичных разрядов.
Исследование и разработка процессов литья эпоксидных смол для решения проблем, таких как частичные разряды и трещины в компонентах твердой изоляции.
Исследование и разработка поверхностных экранирующих слоев для компонентов твердой изоляции.
Анализ стабильности эпоксидных смол. Использование ускоренных тестов старения для изучения нормального срока службы эпоксидных смол и анализа тенденций и скорости изменения их характеристик, таких как частичные разряды, в течение срока службы.
Интеллектуальный дизайн. Применение передовых технологий датчиков и измерений для достижения качественного и количественного онлайн-мониторинга характерных параметров, таких как уровень частичных разрядов.
Существующие проблемы и ограничения
КРУ с твердой изоляцией имеют более высокие технические и технологические требования, чем КРУ с газовой изоляцией SF₆. Если технология незрелая или процессы недостаточны, риски изоляционных отказов, эксплуатационных сбоев и потенциальных опасностей выше, чем у КРУ с газовой изоляцией SF₆. Поэтому КРУ с твердой изоляцией требуют более высоких стандартов в технологии, производственных процессах и качестве исходных материалов. Несмотря на растущее принятие пользователей в последние годы, остаются несколько проблем с точки зрения долгосрочного развития отрасли и надежности оборудования:
(1) Проблемы частичных разрядов
В отличие от газовой изоляции, где утечку газа можно контролировать, а разряды могут самовосстанавливаться, твердая изоляция, поврежденная разрядом, не может восстановиться. Разряды склонны увеличиваться в течение срока службы продукта, что может привести к пробою изоляции и короткому замыканию между фазами.
(2) Трещины в изоляционных компонентах
Ранние КРУ с твердой изоляцией, как в России, так и за рубежом, начали демонстрировать трещины в изоляционных компонентах из-за длительной частотной вибрации, операционной вибрации, механических ударов, термических циклов и колебаний температуры окружающей среды, что приводит к увеличению числа аварий.
(3) Безопасность и надежность функции изоляции
Безопасность и надежность функции изоляции в КРУ с твердой изоляцией являются критическими. В настоящее время в основном используются традиционные трехпозиционные разъединители, полностью заключенные в твердую изоляцию. Изоляционные характеристики разъединителя зависят от воздушного зазора между движущимися и неподвижными контактами и поверхностью ползучести изоляционного компонента. Поверхностный пробой по изоляционному компоненту увеличивает риск отказа разъединителя и потенциальной опасности для персонала. Кроме того, факторы окружающей среды и старение материала могут увеличивать поверхностные токи утечки, значительно снижая изоляционные характеристики и угрожая безопасной и надежной работе.
(4) Выбор и разработка изоляционных материалов
Качество и производительность основных изоляционных материалов напрямую влияют на надежность и стабильность всего устройства. Учитывая широкое использование изоляционных материалов, необходимо учитывать вопросы переработки, разделения, обработки и повторного использования отходов материалов и компонентов, чтобы минимизировать отход ресурсов.
(5) Проблемы процесса заливки
Проектирование продукции должно облегчать производство и сборку, а производственные и сборочные процессы должны стремиться к минимальному или нулевому загрязнению окружающей среды и оптимальному использованию энергии и ресурсов. Для заливаемых продуктов особенно критичны формулировка процесса заливки и выбор оборудования для заливки.
Анализ ключевых технологий
(1) Высококачественная и высокоэффективная технология заливки
На основе механизма частичных разрядов внутренние разряды в компонентах твердой изоляции в основном вызваны пустотами (пузырьками) внутри материала. Традиционная технология заливки включает помещение предварительно нагретых компонентов в предварительно нагретую металлическую форму, удаление воздуха из формы, медленное введение нагретой отверждаемой эпоксидной смолы и отверждение. Этот метод неэффективен, дорог и часто не способен полностью удалять пузырьки, что приводит к образованию большого количества пустот. Эти пустоты могут вызвать частичные разряды после ввода в эксплуатацию, что в конечном итоге приводит к пробою изоляции и нарушению безопасной и надежной работы. Поэтому важно использовать передовую, высококачественную и эффективную технологию заливки эпоксидных смол.
(2) Оптимизация конструктивного дизайна модулей изоляции
Дизайн модулей изоляции должен удовлетворять функциональным, контрольным и монтажным требованиям, а также обеспечивать эстетическую привлекательность, сокращение потребления материалов и избегание остаточных напряжений. Остаточные напряжения могут вызывать внутренние и внешние трещины в изоляционных компонентах, которые могут привести к частичным разрядам и последующему пробою изоляции во время эксплуатации. Поэтому необходимо провести глубокие исследования общей компоновки, толщины и переходов модулей изоляции, а также учесть теплоотводящий дизайн.
(3) Оптимизация дизайна электрического поля
Коронный разряд происходит, когда напряженность электрического поля вблизи поверхности проводника достигает пробивного напряжения окружающего газа, обычно в сильно неоднородных полях. Острые кромки или острия на высоковольтных электродах могут концентрировать электрическое поле, вызывая коронный разряд. Как форма частичного разряда, корона может со временем привести к пробою изоляции, что влияет на безопасную и надежную работу. Поэтому важной технологией является проектирование проводящих компонентов, обеспечивающее достаточно слабое и равномерное электрическое поле. Эффективные методы включают использование программного обеспечения для расчета электрического поля, оптимизацию распределения электрического поля и улучшение форм изоляции и электродов. Может быть также необходимо применение экранирующих колец или аналогичных мер для уменьшения напряженности электрического поля.
(4) Исследование и проектирование экранирующих слоев
Основные цели применения заземленного металлического экранирующего слоя на внешней поверхности модулей изоляции: во-первых, ограничить короткое замыкание только на фазу-землю в случае отказа изоляции, уменьшая энергию внутренней дуги и риск аварии; во-вторых, поддерживать изоляционные характеристики в любом окружении без необходимости очистки поверхности, обеспечивая бесперебойную работу, и сохраняя неизменное распределение электрического поля, даже если металлические посторонние предметы попадают в корпус.
(5) Исследование и анализ стабильности эпоксидных смол
Как полимерный материал, эпоксидная смола может деградировать (стареть) в процессе обработки, применения и хранения, что влияет на ее производительность и срок службы. Наиболее распространенные факторы старения — это тепло и ультрафиолетовое излучение. В коммутационном оборудовании постоянное выделение тепла во время эксплуатации неизбежно ускоряет старение эпоксидной смолы. Поэтому важно использовать имитационные тесты старения для статистического анализа производительности твердых изоляционных компонентов, изготовленных из различных материалов и на различных этапах старения, чтобы установить критические зависимости.
Заключение
Технология твердой изоляции получила признание пользователей и рынка и все больше продвигается и внедряется. Это требует от производителей оборудования создания продуктов, соответствующих требованиям надежности и стабильности электроснабжения. Проведено значительное количество исследований по процессам заливки и дизайну поверхностных экранирующих слоев для КРУ с твердой изоляцией, что дало конкретные результаты. Однако этих усилий все еще недостаточно. Необходимо уделять больше внимания исследованиям новых материалов для заливки, предотвращению трещин в изоляционных компонентах и инновационным конструктивным решениям. В целом, требуется дальнейшее техническое исследование, накопление и прорывы в области КРУ с твердой изоляцией.
Вход
