Qinzhou配电网における知能型固体絶縁リングメインユニット（SIRMUs）の応用

1 はじめに​

沿岸地域は、大雨、落雷、高温、高湿度、塩害などの環境問題に直面しています。このような環境下で都市の配電網の安全性を確保し、設備メンテナンスによる停電を最小限に抑え、設備の寿命切れや他の要因による事故を防ぐため、新しいタイプの固体絶縁リングメインユニット（SIRMU）の使用について研究しました。このSIRMUは、長寿命、メンテナンスフリー、環境適合性、知能化、および供給電力の信頼性向上を提供します。

現在、中圧リングメインユニット（RMU）の90％以上がSF₆ガスを絶縁媒体として使用しています。SF₆ガスは化学的に非常に安定しており、優れた絶縁と消弧特性を持ち、電力設備で広く使用されています。SF₆ガス絶縁開閉装置はコンパクトですが、低温では液化し、絶縁と消弧能力が低下します。高温では毒性の高い副生成物に分解され、人間にとって大きなリスクとなります。また、ガス充填、運転、回収中に漏洩と排出は避けられず、SF₆ガスは主要な環境汚染物質となっています。SF₆は国際的に6大温室効果ガスの一つとして認識されており、環境保護の観点からその使用は最小限に抑えられるべきです。固体絶縁リングメインユニットの設計原理は、SF₆ガスの必要性を根本的に排除し、配電網セクターでの排出削減と環境保護の基礎的な保証を提供し、環境要件に強く合致します。

配電網拡張用の知能型固体絶縁リングメインユニット（SIRMU）は、環境に優しく、厳しい環境に対する耐久性が高いだけでなく、高度な知能化も提供します。その機能は、従来の一次電力システム機器と二次電力システム機器の両方の特徴を単一のユニットに統合しています。製品は、高圧部品と低圧部品の両方に統合的かつモジュール化された設計アプローチを採用し、優れた汎用性と拡張性を持ち、真のスマート電気機器を代表しています。

​2 知能型固体絶縁リングメインユニット（SIRMU）の技術応用​​

​2.1 固体絶縁技術の応用​

固体絶縁技術は主に、中圧開閉装置の主回路の帯電部を固体材料で封入・密封するか、または高電界強度を固体絶縁材料内部に移すことで、固体材料がより高い電位を耐えられるようにすることで、空気中の電界強度を減少させます。最も一般的な固体絶縁材料はエポキシ樹脂とシリコーンゴムです。

固体絶縁リングメインユニット（SIRMU）は、固体絶縁材料を主な絶縁媒体として使用します。真空遮断器とその接続部、分離スイッチ、接地スイッチ、主母線、分岐母線などの重要な導電回路部品は個別または集団的に固体絶縁材で封入され、1つまたは複数のモジュールを形成します。これらのモジュールは完全に絶縁され、完全に密封され、機能的に特定され、再結合と拡張のために設計されています。人間がアクセス可能な表面は導電性または半導電性のシールド層でコーティングされ、直接かつ確実に接地されます。主要な特徴は、完全な絶縁、完全な密封、モジュール化、コンパクトさ、そして知能化です。SIRMUは、極寒、高地、湿度、強風/砂など、過酷な環境に対する耐久性において、SF₆ RMUよりも大幅に優れています。露出した高電圧導体がない完全密封、防水設計により、特に湿気や洪水に見舞われやすい地域に適しており、湿潤または浸水条件下でも信頼性の高い電力供給を提供できます。

​2.2 知能保護技術の応用​

マイクロプロセッサとコンピュータ技術を電気機器に統合することで、知能機能を付与し、制御センターとの双方向通信を可能にします。これにより、知能監視、保護、ネットワーク管理システムが形成されます。シンプルなパラメータ設定によって、単一の知能デバイスが従来複数のデバイスが必要だった機能を簡単に実行できます。

SIRMUの構造設計は、現代の堅牢なスマートグリッドの要件に準拠しています。高速アルゴリズムを使用して、遮断器に迅速なトリップ機能を付与し、故障ラインの迅速な隔離と連鎖的なトリップの有効な防止を可能にします。単相接地障害保護システムを装備し、追加の設定なしで非接地（または高インピーダンス接地/PET/PEN）システムにおけるオンライン検出を行い、設定値に基づいて警報またはトリップコマンドを発行します。主回路は単相モジュラー設計を採用しており、動作中に相間短絡を完全に避けるとともに、メンテナンス効率を大幅に向上させコストを削減します。統合された組み込みオペレーティングシステムは、ARMプロセッサ（ARMP）を一般処理とシステム制御に、強力なDSPをマルチタスク処理に使用し、高速データ処理、制御、通信を可能にします。ユニットは構造がコンパクトで、サイズが小さく、重量が軽く、インストールが容易です。絶縁ギャップは可視確認で安全な操作が可能です。自動供給モード認識により、二重電源の柔軟な自動切替が可能になり、電力供給の信頼性が向上します。柔軟な通信サポート（GSM SMS、GPRS、CDMA汎用無線サービス、光ファイバー、ツイステッドペア、無線、キャリア）と、複数の通信プロトコルのサポートにより、配電自動化の簡単な実装が可能になります。

​2.3 メンテナンスフリーと環境に優しい​

主スイッチは、定期的なメンテナンス不要で安定性と信頼性の高い真空遮断器を使用します。遮断スイッチと接地スイッチが遮断器と一体型で設計されているため、コンパクトな構造と信頼性の高い機械的・電気的インターロックを提供し、誤操作を効果的に防止します。

​2.4 SIRMUの主要な製造工程と品質保証​

生産の安定性、一貫性、および製品品質を確保し、SIRMU製品の長期的な絶縁耐電圧を保証するために、固体絶縁柱はエポキシ樹脂を使用する場合、自動圧力ゲル化（APG）プロセスを採用します。SIRMUの製造プロセス要件は、SF₆ガス絶縁RMUよりも厳格です。生産プロセス制御が不十分な場合、SF₆ユニットと比較して、隠れた絶縁欠陥と障害の可能性と深刻度が大幅に増加します。厳格な原材料の品質管理と高度なプロセス能力が必要です。

その真空遮断器の外部絶縁は、エポキシ、シリコーンゴム、空気を含む複数の媒体によって達成されます。したがって、各材料の絶縁強度と異なる絶縁媒体間の界面処理が重要です。エポキシとシリコーンゴムはどちらも優れた誘電強度を持ち、空気の5〜6倍の強度に達します。この強度を達成するには、成形プロセスの最適な温度と圧力を厳密に制御し、成形時に材料の脱ガスと通気を確保して微小気泡の混入を避ける必要があります。これを怠ると、絶縁強度が低下し、電界分布が不均一になり、部分放電（PD）活動が増加し、運用上のリスクが高まります。界面処理は、ストレス、熱サイクリングなどの条件下で十分な界面絶縁強度を確保し、絶縁失敗を防ぎます。信頼性のある界面品質の検出方法が必要です。現在、PD測定、X線検査、雷衝撃試験は、界面絶縁強度を正確に評価することができます。

工場試験としてX線検査を採用することで、固体絶縁組み立て内のバブル、孔、クラックなどの欠陥を防止し、真空遮断器、その接続/端子、固体絶縁母線がX線画像で視覚的に異常な変形がないことを確認します。PD測定を行うことで、高電界によるSIRMUの絶縁内の弱さや欠陥によるPDの発生と消滅を防ぎ、時間とともに累積劣化による絶縁破壊を回避します。

​3 知能型SIRMUの技術設計スキーム​

広範な配電網運転経験と国内外の先進的な設備の分析に基づき、実際のグリッド運転条件と環境要件を考慮し、包括的な比較を通じて、「10kV知能型固体絶縁リングメインユニットの応用研究」プロジェクトを開発および適用することを決定しました。

​3.1 主な技術内容​

新しいAVR-12型固体絶縁リングメインユニット（SIRMU）が元の場所に設置されます。二重電源構成が利用され、SIRMUの知能機能を利用して故障ラインの迅速な隔離、単相接地障害の迅速な検出を行い、すべてのスイッチ情報が光ファイバーを介して配電自動化マスターステーション（DMS）またはSMSを介してメンテナンス担当者の携帯電話に送られます。マスターステーション監視プラットフォームを使用することで、データ統計と故障分析が可能になります。

このプロジェクトは以下の方面で実施されます：

• 元のRMUスキームに基づき、ユーザーの重要性を考慮して、二重の入力線で電力を供給します。通常運転時には、第1入力線が電力を供給し、第2入力線はホットスタンバイ状態です。
• 主な設備は、7つのベイを持つAVR-12型リングメインユニットで、6つの遮断器（CB）ベイと1つの電圧変換器（PT）ベイで構成されています。
• 6つのCBベイは、CB + 分離スイッチ（DS）+ 接地スイッチ（ES）の構造を採用し、統合保護装置を装備しています。
• PTベイは、DS + 単相PTの構造を採用し、通信電力を提供します。PTベイのDSを使用してPTを切り替えたり、PTまたはラインのメンテナンスを行うことができます。
• CB型SIRMUを使用することで、ショート回路障害電流の多重遮断が可能になります。ヒューズ保護と比較して、ヒューズ交換の不便さと廃棄物を排除し、設定調整を通じて包括的なショート回路保護を提供します。

​通常運転：​​
知能コントローラーは、各入出力ベイのパラメータ（遮断器状態、分離スイッチ状態、一次電流/電圧、零序電流/電圧、DMSマスターステーション状態）を取得します。光ファイバーを介したリアルタイムデータアップロードにより、遠隔操作が可能になります。

​ショート回路障害：​​
知能コントローラーの迅速な保護機能は、障害電流と電力フローを15ms以内で検出し、25ms以内で障害をクリアし、正常なライン供給を確保し、連鎖的なトリップを防ぎ、停電範囲を最小限に抑えます。瞬時特性（電圧、電流、スイッチ状態）により、永久磁石アクチュエータの動作特性を制御し、障害クリア時間の短縮により、障害ラインの迅速な隔離が可能です。同時に、コントローラーは光ファイバーを介してSIRMUの動作情報を監視センタに送信し、製品状態の即時評価と障害位置の特定、電力復旧を可能にします。

​単相接地障害：​​
コントローラーは、零序電流の大きさ/位相と零序電圧の大きさ/位相を使用して、SIRMUの負荷側で障害が発生したかどうかを判断します。負荷側での接地障害のみ、コントローラーは保護トリップまたは警報コマンドを発行し、光ファイバーを介して障害情報をアップロードします。ソース側での障害は、このSIRMUのコントローラーからのアクションを引き起こしません。

​3.2 主な技術的課題​

(1) 固体絶縁技術とAPG製造プロセスを適用して、高温と高塩霧環境下でもSIRMUの信頼性、長寿命、メンテナンスフリーを確保します。
(2) 高圧一次部と二次知能制御部を統合したフレキシブルな設計概念を採用し、内蔵の組み合わせ電流/電圧センサーにより、一次電圧/電流信号とスイッチ状態をリアルタイムで取得し、遮断器のアクチュエータを柔軟に制御し、真空遮断器の動作を最適化します。
(3) 故障電流の迅速な検出と保護アクションの実行。

​プロジェクト実施：​​
このプロジェクトでは、統合知能制御装置を備えた固体絶縁RMUを使用します。主スイッチは、永久磁石駆動式真空遮断器（VCB）と統合された分離スイッチ（DS）と接地スイッチ（ES）の組み合わせ装置を使用します。知能制御システムを装備しているため、DMSとの協調がなくても自動制御機能を実行できます。永久磁石アクチュエータは高信頼性とメンテナンスフリーを提供します。光ファイバー通信により、すべてのRMU運転パラメータをリアルタイムで収集でき、遠隔電力復旧と電力障害分析を簡素化し、スマートグリッド端末デバイスの経験を蓄積します。外部ステンレス鋼製キャビネットは、将来的なメンテナンスを最小限に抑えます。

​4 結論​

知能型固体絶縁リングメインユニット（SIRMU）は、安全、環境に優しい、安定、信頼性が高く、高度に知能化された次世代のRMUです。特に高高度、極端な温度変動、汚染、湿度といった過酷な場所での展開に適しています。