Technologia i testowanie średnionapięciowej zwartej izolowanej jednostki pierścieniowej

1 Wprowadzenie​
Typowe metody izolacji dla 10kV średnionapięciowych szaf obrotowych (RMU) obejmują izolację gazową, stałą i powietrzną.
• Izolacja gazowa zazwyczaj używa SF₆ jako środka izolacyjnego. Jednak pojedyncza cząsteczka SF₆ ma efekt cieplarniany 25 000 razy większy niż cząsteczka CO₂, a SF₆ pozostaje w atmosferze przez 3 400 lat, co stanowi istotne ryzyko środowiskowe. Średnionapięciowe RMU są szeroko rozproszone, co utrudnia i zwiększa koszty odpowiedzialnej odzyskiwania SF₆.
• Izolacja powietrzna wymaga większych przestrzeni izolacyjnych, co uniemożliwia znaczące zmniejszenie rozmiarów sprzętu.

Wraz z szybkim rozwojem miejskich sieci dystrybucji energii, zastosowania takie jak wieżowce i komunikacja kolejowa wymagają lepszej wydajności RMU - mniejszych gabarytów, wysokiej bezpieczeństwa/niezawodności, minimalnego konserwacji i przydatności ekologicznej. Średnionapięciowe RMU z izolacją stałą reprezentują rosnącą tendencję.

10kV RMU z izolacją stałą wykorzystują technologię izolacji stałej zamiast gazu SF₆. Ich objętość wynosi tylko 30% porównywalnego sprzętu z izolacją powietrzną, oferując bardziej niezawodną wydajność izolacyjną i otrzymując spójne uznanie ekspertów i użytkowników.

​2 Materiały i projektowanie izolacji​
Analiza kosztów pokazuje, że struktura izolacyjna stanowi ponad 40% całkowitej ceny RMU z izolacją stałą. Wybór odpowiednich materiałów izolacyjnych, projektowanie racjonalnych struktur izolacyjnych i określenie odpowiednich metod izolacji jest kluczowe dla wartości RMU.

Od pierwszego syntetyzowania w 1930 roku żywica epoksydowa była ciągle ulepszana poprzez dodatki. Jest znana ze swojej wysokiej siły dielektrycznej, wysokiej wytrzymałości mechanicznej, niskiego skurczu objętościowego podczas twardnienia i łatwości obróbki. Dlatego używamy jej jako głównego materiału izolacyjnego dla średnionapięciowych RMU, ulepszanego za pomocą tworzyw twardniejących, wzmacniających, plastifikatorów, wypełniaczy i barwników, tworząc wysokowydajną żywicę epoksydową. Ulepszenia w odporności na temperaturę, rozszerzalności termicznej i przewodności ciepła zapewniają oporność na pożary i doskonałe właściwości izolacyjne zarówno pod długotrwałym napięciem roboczym, jak i krótkotrwałymi przepięciami.

Konwencjonalne struktury izolacyjne RMU tworzą niejednorodne pola elektryczne. Zwiększenie tylko przestrzeni izolacyjnych jest niewystarczające do zwiększenia wytrzymałości izolacyjnej w takich polach. Optymalizujemy strukturę pola, aby poprawić jednorośliwość. Siła elektryczna żywicy epoksydowej wynosi od 22 do 28 kV/mm, co oznacza, że potrzebne są tylko kilka milimetrów przestrzeni między fazami w zoptymalizowanych strukturach, co drastycznie zmniejsza rozmiar produktu.

​3 Konstrukcyjny projekt średnionapięciowych RMU z izolacją stałą​
Wyłączniki próżniowe, przełączniki odłączające, przełączniki ziemne i wszystkie elementy przewodzące są umieszczane w formy. Następnie wysokowydajna żywica epoksydowa jest odlewana w całości za pomocą technologii automatycznego twardnienia pod ciśnieniem. Środkiem gaszącym łuki jest próżnia, a izolację zapewnia żywica epoksydowa.

Struktura szafy wykorzystuje modułowy projekt, ułatwiający standaryzowaną produkcję masową. Każda sekcja RMU jest oddzielona metalowymi przegrodami, aby zawierać łuki defektów w poszczególnych modułach. Używane są zintegrowane konektory pancerzy i zintegrowane konektory kontaktowe. Główny pancerz składa się z segmentowanych, zamkniętych izolacyjnych pancerzy połączonych przez teleskopowe zintegrowane konektory, co ułatwia montaż i uruchomienie na miejscu. Drzwi szafy mają wewnętrzną konstrukcję ochronną przed łukami, umożliwiając zamknięcie, otwarcie i ziemienie (trójpozycyjne działanie) z zamkniętymi drzwiami. Stan przełącznika jest widoczny przez okna obserwacyjne, zapewniając bezpieczne i niezawodne działanie.

​4 Zalety i analiza testów typowych średnionapięciowych RMU z izolacją stałą​
​4.1 Kluczowe zalety:​​
(1) Używa wysokowydajnej żywicy epoksydowej do niezawodnej izolacji i niskiej emisji częściowej.
(2) Całkowicie izolowana i szczelna struktura bez odsłoniętych części pod napięciem. Nie jest wpływowana przez kurz ani zanieczyszczenia. Odpowiednia dla różnych środowisk (wysokie/niskie temperatury, duże wysokości, obszary podatne na eksplozje/zanieczyszczenia). Eliminuje problemy związane z fluktuacjami ciśnienia gazu SF₆ podczas pracy w wysokich temperaturach lub zastyganiem w ekstremalnym zimnie. Oferuje wyraźne korzyści w obszarach nadmorskich o wysokiej zawartości soli morskiego mgłę.
(3) Bez SF₆ i nie zawiera szkodliwych gazów - ekologiczny produkt. Szczelna konstrukcja eliminuje regularne konserwacje. Zwiększona odporność na eksplozje nadaje się do niebezpiecznych lokalizacji. Całkowicie izolowana trójfazowa struktura zapobiega awariom między fazami, zapewniając bezpieczeństwo i niezawodność.
(4) Zajmuje tylko 30% przestrzeni wymaganej przez RMU z izolacją powietrzną - ultrakompaktowe rozwiązanie.

​4.2 Analiza testów typowych​
Na podstawie tych zalet przeprowadzono kompleksowe testy typowe, w tym:

• Testy izolacji (wytrzymałość na napięcie 42kV/48kV)
• Pomiar emisji częściowej (≤ 5pC)
• Testy wysokich/niskich temperatur (+80°C / -45°C)
• Test kondensacji (klasa II zanieczyszczeń)
• Test łuku wewnętrznego (0,5s)
  Wyniki testów potwierdziły, że produkt w pełni spełnia specyfikacje, potwierdzając wszystkie stwierdzone zalety.

Dodatkowo przeprowadzono testy zgodne z normami narodowymi:

• Test podwyższenia temperatury
• Pomiar oporu głównego obwodu
• Testy wytrzymałości na szczytowe i krótkotrwałe prądy
• Test zdolności do zrywania prądu krótkiego
• Test zdolności do zrywania prądu krótkiego
• Test wytrzymałości elektrycznej
• Test mechaniczny
• Test ziemienia (faza-faza)
• Test przełączania aktywnego prądu obciążenia nominalnego
• Test przełączania nominalnego prądu pojemnościowego
  Wszystkie wyniki są zgodne z normami narodowymi.

​5 Kluczowe punkty budowlane​
① Podczas wylewania betonu, najpierw wylewa się belki i filary, a następnie płyty. Wylewa się warstwami wzdłuż kierunku rurek form, rozprowadzając beton na samouszczelniające formy CBM, a następnie wibruje w dół. Nakłada pierwszą warstwę betonu do połowy wysokości form, wibrując symetrycznie z obu stron. Używa się wibratorów ≤35mm średnicy (zazwyczaj 30mm) do równomiernego przenikania i wibracji. Unika się luk, niedowibracji lub kontaktu z formami. Odległość ≤25cm, czas ≤3s na punkt. Po potwierdzeniu zagęszczenia, ponownie wibruje się powierzchnię warstwy przed początkowym zastygnięciem, a następnie wyrównuje i zagęszcza drewnianym pędzlem.
② Rury wodne/elektryczne powinny biec w żebrowaniu między samouszczelniającymi formami CBM. Jeśli przechodzą przez jednostkę, używa się mniejszych form. Podczas montażu form i wylewania betonu, konstruuje się platformy robocze. Umieszcza się wsparcia rur pomp betonowych na tych platformach. Osoby nie mogą chodzić bezpośrednio na formy, a materiały nie mogą być składowane bezpośrednio na nich.

​6 Inżynierska wydajność samouszczelniających form CBM​
① Zwiększone wysokość wolna
W porównaniu z konwencjonalnymi systemami belek i płyt, dwa projekty wykorzystujące płyty pustakowe zmniejszyły grubość konstrukcyjną na piętrze o 30-50cm, zwiększając wysokość wolną. Samouszczelniające formy CBM są idealne dla dużych rozpiętości, ciężkich obciążeń przemysłowych i publicznych struktur. Zapewniają równomierny rozkład sił i elastyczne umieszczanie ścian podziałowych.
② Zmniejszone koszty
System płyt pustakowych CBM charakteryzuje się kratowym ortogonalnym "I"-kształtnym rusztem i ukrytymi gęsto rozmieszczonymi żebrowaniami, umożliwiając zbilansowany transfer sił. Na podstawie dwóch projektów, zmniejszył on zużycie stali wzmacniającej o 27%, objętość betonu o 29% i powierzchnię form o 46% w porównaniu z konwencjonalnymi ramowymi konstrukcjami zbrojeniowymi. Ogólne koszty budowy zmniejszyły się o 26,3%.
③ Uproszczona budowa
Formy CBM oferują wysoką wytrzymałość, lekką wagę, odporność na uderzenia i zintegrowane ramy wsporcze, ułatwiając montaż. Z ukrytymi belkami, spód płyty pozostaje płaski, upraszczając operacje formowania i wspierania.
④ Lżejsza waga, zoptymalizowane właściwości
Płyty pustakowe CBM zmniejszają własną wagę konstrukcyjną o 27,6% na podstawie obliczeń, optymalizując projekt belek, płyt, filarów i fundamentów.

​7 Dyskusja na temat problemów budowlanych form CBM​
① Trudno jest zapewnić zagęszczenie betonu dolnej płatwy. Wycieki w płytach pustakowych CBM są trudne do naprawy.
W przeciwieństwie do konwencjonalnych płyt, gdzie beton jest nanoszony bezpośrednio na jedną powierzchnię, płyty CBM mają górne i dolne płatwy. Zagęszczenie dolnej płatwy wymaga precyzyjnej wibracji za pomocą małych wibratorów i zewnętrznych wibratorów. Po tym, ukryte beleki i górna płyta są wylewane, wymagając wielkiej ostrożności i dedykowanej kontroli jakości.
Częstość pęknięć w płytach CBM jest porównywalna lub nieco niższa niż w konwencjonalnych płytach. Jednak w obu projektach wystąpiły przecieki w dachach piwnic i płytach dachowych. Identyfikacja przyczyny jest trudna - możliwe źródła to pęknięcia górnej płatwy, wycieki wody przez sąsiednie formy lub rury w żebrowaniach. Koszt naprawy każdego przecieku jest 5-8 razy wyższy niż w przypadku konwencjonalnych płyt.
② Spoiny budowlane i pasy rozszerzeniowe wymagają szczegółowego projektowania
Lokalizacje spoin rozszerzeniowych są zwykle określone przez normy projektowe. Jednak dwupłatowa natura płyt CBM komplikuje wylewanie, jeśli spoina styka się z jednostką formy: trudno jest zapewnić połączenie nowego i starego betonu w dolnej płatwie i zawierać zaprawę. Na miejscu, lokalizacje spoin powinny być dostosowane na podstawie układu form, aby spoiny znajdowały się w żebrowaniach między formami. Może być konieczne dostosowanie rozmiaru sąsiednich jednostek.
Ze względu na duże powierzchnie pokrywane przez płyty CBM, projektanci często pomijają lokalizację spoin budowlanych. Aby zapewnić prawidłowe połączenie w ciągu początkowego czasu zastygania, zespół na miejscu musi określić lokalizacje spoin, uwzględniając ograniczenia szerokości wylewania i możliwości zasobów. Spoiny muszą spełniać wymagania norm i być umieszczone w żebrowaniach.
③ Trudna redukcja pływania form
Jeśli podczas wylewania wystąpi pływanie form, obecne środki zaradcze (usunięcie górnego zbrojenia, wyczyszczenie betonu, ponowne zamontowanie form) są nierealistyczne i często nieskuteczne. Obecnie jedynym rozwiązaniem jest zdemontowanie i usunięcie pływającej jednostki, umieszczenie dodatkowego zbrojenia i wylewanie solidnego betonu. Stosowanie surowych środków monitorowania i zapobiegania pływaniu form na miejscu jest niezbędne podczas budowy.