Почему SF6-свободные кольцевые главные распределительные устройства предпочитают "вакуумное прерывание + экологически чистую газовую изоляцию" полностью твердой изоляции?

Среди технических путей замены традиционного газа SF6 в экологически чистых кольцевых распределительных устройствах, текущий основной подход - "вакуумное прерывание + изоляция экологически чистым газом" (использование сухого воздуха, азота или смесей газов C4/C5). Хотя путь "полностью твердой изоляции" появился раньше, он не стал доминирующим выбором из-за внутренних физических ограничений и проблем производства.

Основные технические причины следующие:

1. Самовосстановление изолирующего материала (критическое физическое различие)

• Путь экологически чистого газа: Газовая изоляция обладает свойствами самовосстановления. Если внутри оборудования происходит мгновенный пробой из-за молнии или перенапряжения при коммутации, диэлектрическая прочность газа восстанавливается сразу после гашения дуги, что позволяет оборудованию продолжать работу.

• Путь полностью твердой изоляции: Пробой в твердых изоляционных материалах, таких как эпоксидная смола, необратим. Как только происходит внутренний разряд или пробой, структура изоляции подвергается постоянному углеродному повреждению, делая весь модуль непригодным. Толерантность к отказам крайне низкая.

Rockwill RAR Series SF6-free gas-insulated switchgear/RMU

2. Проблемы с термическим напряжением и контролем частичных разрядов (PD)

Это наиболее сложная проблема для полностью твердой изоляции (особенно актуально для вашего исследования процессов мягкой упаковки и контроля термического напряжения).

• Путь полностью твердой изоляции: Вакуумный прерыватель, медные проводящие шины и выключатели должны быть полностью встроены в эпоксидную смолу. Учитывая значительные различия в коэффициентах линейного расширения меди (16,5×10⁻⁶/°C), керамики (оболочка вакуумного прерывателя) и эпоксидной смолы (примерно 30–40×10⁻⁶/°C), долгосрочные термические циклы при различных нагрузках вызывают огромное механическое термическое напряжение на интерфейсах заключенных элементов. Это напряжение легко вызывает отслоение материалов и образование микропустот, что, в свою очередь, приводит к серьезным частичным разрядам и последующему старению изоляции.

• Путь экологически чистого газа: Как жидкость, газ аккомодирует термическое расширение и сжатие проводников, устраняя проблемы термического напряжения на интерфейсах между различными материалами. Компоненты изоляции необходимы только для обеспечения механической поддержки, а искажения электрического поля и риски PD легче управляются с помощью экранирующих устройств внутри газового бака.

3. Бутылочное горлышко теплового рассеивания ограничивает масштабирование мощности

• Путь полностью твердой изоляции: Эпоксидная смола является плохим проводником тепла. При высоких номинальных токах (например, 1250 А и выше) при полной нагрузке тепло, выделяемое контактами вакуумного прерывателя и шинами, трудно рассеивается, что приводит к быстрому повышению температуры внутри и ускоренному старению изоляции. Это ограничивает возможность масштабирования твердоизолированных выключателей до более высоких мощностей или уровней напряжения.

• Путь экологически чистого газа: Газ внутри бака обеспечивает естественную конвекцию тепла, а большая поверхность бака из нержавеющей стали обеспечивает эффективное охлаждение, что приводит к значительно лучшему контролю повышения температуры по сравнению с твердой изоляцией.

Rockwill REC Series SF6-free gas-insulated switchgear/RMU

4. Производственные выход и масштабируемость уровня напряжения

• На уровне 12 кВ твердоизолированные выключатели могут поддерживать приемлемые выходы с использованием процессов APG (Автоматической гелеобразующей полимеризации). Однако, когда уровень напряжения повышается до 24 кВ или даже 40,5 кВ, требуемая толщина изоляции увеличивается значительно, и отливки становятся значительно больше. Сжимающие напряжения, внутренние пустоты и микротрещины во время процесса отверждения становятся практически неизбежными, что приводит к существенному ухудшению производственных выходов и экспоненциальному росту затрат.

• Напротив, для экологически чистых газоизолированных выключателей требуется лишь небольшое увеличение межфазного расстояния или давления заполнения, а сложность изготовления металлического бака не претерпевает фундаментальных изменений.

5. Углеродный след за жизненный цикл (LCA) и проблемы утилизации

На фоне целей "двойного углерода", экологичность включает не только нулевые выбросы парниковых газов во время эксплуатации, но и обработку в конце срока службы.

• Путь экологически чистого газа: При выводе из эксплуатации сухой воздух или азот можно выпустить напрямую (а даже смеси газов C4/C5 легко восстанавливаются). Внешний бак из нержавеющей стали, внутренние медные шины и вакуумные прерыватели могут быть полностью разобраны и переработаны как металлолом, обеспечивая отличный LCA-профиль.

• Сплошной маршрут: Медные шины и смола плотно заключены вместе, что делает практически невозможным экономически целесообразное разделение и переработку отлитых стержней и изоляционных компонентов после вывода из эксплуатации. Стоимость переработки значительно превышает стоимость материала в качестве лома, что создает явное противоречие между экономической целесообразностью и экологической устойчивостью. В результате трудно сделать углеродный след на протяжении всего жизненного цикла твердой изоляции лучше, чем у полностью перерабатываемого газового решения при текущих технологиях.

В заключение: Твердая изоляция имеет незаменимые преимущества в крайне суровых условиях и при компактном размещении. Однако для большинства стандартных узлов среднего напряжения подход "вакуумное прерывание + экологически чистый газ" идеально сбалансирован по высокой надежности, отличному теплоотводу и экологической устойчивости на протяжении всего жизненного цикла, что делает его предпочтительным путем эволюции для ведущих производителей.

Серия RAR от Rockwill является практическим воплощением этой философии. Эта серия использует сухой воздух (GWP = 0) в качестве изоляционного среды, с ключевой технологией, включающей механизм ограничения вращения и линейный привод с поддержкой давления для гашения дуги. При разъединении контактов активно сжимается воздух, чтобы принудительно погасить дугу, достигая производительности прерывания, сравнимой с SF₆, с использованием среды с GWP=0, тем самым предоставляя надежную альтернативу для зеленого обновления распределительных сетей.
Редактировано из:Garca