Технологическое развитие распределительных устройств среднего напряжения

2025-07-10

Новые технологические направления

a. Замена технологии изоляции элегазом SF6. Для изоляции сухим воздухом повышение давления может удовлетворить требованиям к изоляции существующих типоразмеров распределительных устройств. Однако для распределительных устройств на 40,5 кВ давление обычно составляет 2,5–3,5 бар, в то время как для изоляции элегазом SF6 обычно требуется всего 0,3 бар. Это значительно увеличивает давление, увеличивая производственные затраты и риск утечки. Методы снижения давления включают изоляцию сборных шин и увеличение расстояния между фазами и землей. Однако чрезмерное расстояние означает увеличение габаритов распределительного устройства, что не имеет преимуществ. Поэтому ключевым моментом является использование подходящей, экономичной технологии твердой изоляции и газа, дополняющих друг друга.

Если композитная изоляция не используется, некоторые высокопрочные смешанные газы, такие как C4 и C5 компании 3M, обладают преимуществами. Эти газы обладают прочностью изоляции, аналогичной SF6, и могут быть достигнуты без существенной оптимизации электрического поля, композитной изоляции или увеличения размеров. Однако для настоящей индустриализации необходимы дальнейшие исследования и проверки.

b. Новые твердые изоляционные материалы, не подверженные частичному разряду. Эпоксидная смола и другие термореактивные материалы в настоящее время широко используются в изоляционных компонентах распределительных устройств, занимая значительное место. Частичный разряд является основным фактором, влияющим на срок службы изоляции. Электроны, а также положительные и отрицательные ионы, ионизированные частичным разрядом под воздействием электрического поля, обычно обладают энергией, превышающей энергию связи полимеров. Эти заряженные протоны сталкиваются со стенками воздушного зазора, потенциально разрушая химические связи изолятора. Диэлектрик в точке разряда нагревается до очень высоких температур, вызывая термическое разложение изоляции. Многочисленные активные продукты, образующиеся при частичном разряде, разъедают изолятор, ухудшая его диэлектрические свойства.

После окончания срока службы распределительных устройств такие материалы, как эпоксидная смола и металл, трудно разобрать. 90% термореактивных материалов утилизируется на свалках, что приводит к расточительному использованию ресурсов окружающей среды. Для изоляционных компонентов требуются новые изоляционные материалы с высокой диэлектрической прочностью, низким уровнем частичного разряда, малым расходом и длительным сроком службы. Компания ABB уже использовала термопластичные материалы для изготовления герметичных полюсов, которые обеспечивают малый вес, высокую прочность, высокую эффективность производства и простоту переработки. Также представлена информация о новом типе изоляции из пористых смол и монокристаллических кремниевых частиц, которая способна уменьшить и устранить локальные разряды, повысить прочность на пробой и улучшить теплопроводность.

Токопроводящие цепи и управление теплом

В токопроводящих цепях распределительных устройств используется большое количество цветной меди с серебряным покрытием на контактах и соединениях, что приводит к высоким затратам. Снижение тепловыделения и энергопотребления за счет рациональной конструкции токопроводящих цепей является ключевым направлением исследований в области распределительных устройств. При одинаковом номинальном токе площадь поперечного сечения медных шин может значительно различаться, что приводит к существенной разнице в стоимости.

В закрытых распределительных устройствах, таких как C-GIS, конвекция воздуха минимальна, что требует рассеивания тепла за счет излучения и теплопроводности, что затрудняет достижение высоких токов. Ключевые технические подходы включают повышение эффективности теплопередачи и усовершенствование методов теплопередачи. Сообщается, что новая технология, использующая микрофлюидное охлаждение в сочетании с металлической пеной, эффективно увеличивает теплоотдачу, как показано на рисунке 1. Другие области применения включают тепловые трубки, как показано на рисунке 2, которые могут быстро передавать тепло из самой высокой точки в самую низкую для рассеивания, или использование изолированных соединительных трубок для передачи тепла к поверхности шкафа. Компания ABB успешно внедрила эту технологию в распределительное устройство генераторных розеток на 10 000 А.

Рисунок 1. Микрофлюидное медное соединение шин

Рисунок 2. Теплопроводность тепловой трубы шины

Технология прерывания тока

Для поворотных вакуумных прерывателей, работающих в вакууме, требуется разрывное расстояние всего 8–10 мм при номинальном напряжении 12 кВ и выдерживаемом напряжении грозового импульса 75 кВ. Однако существующие вакуумные прерыватели громоздки, требуют использования различных материалов и дороги. Разработка недорогого миниатюрного вакуумного прерывателя представляется перспективной. В литературе описывается конструкция поворотного вакуумного прерывателя, которая компактна, легко герметизируется, не требует использования сильфонов и обеспечивает длительный срок службы.

Твердотельные переключатели: С появлением низковольтных твердотельных переключателей исследования в области среднего напряжения также продолжаются. Исследования, направленные на повышение выдерживаемого напряжения, снижение потерь и разработку новых материалов, несомненно, приведут к разработке эффективных твердотельных переключателей, подходящих для применения в системах среднего напряжения.

Технологии коммутации на основе элегаза (SF6) приходят на смену элегазу (SF6). В настоящее время распределительные устройства, не использующие элегаз, обычно используют разъединитель и вакуумный выключатель. По сравнению с выключателями нагрузки в кольцевых распределительных устройствах с элегазовой изоляцией (SF6), добавление разъединителя и механизма усложняет эксплуатацию и увеличивает затраты. В настоящее время такие крупные игроки отрасли, как Электрические системы «Шнайдер» и Фалэци Электрик (Шанхай), используют параллельный трёхпозиционный вакуумный выключатель, управляя вакуумными выключателями через один механизм. Однако такой подход остаётся дорогостоящим. Поэтому крайне важно исследовать новые альтернативные газы, отвечающие требованиям к отключению нагрузки.

Также необходимы исследования в области сверхбыстрой коммутации, коммутации постоянного тока, коммутации высокой мощности и коммутационных технологий для специализированных применений, таких как коммутация конденсаторов и высоковольтные печи.

Техническое обслуживание с учётом состояния

Современные информационные технологии и сенсорные технологии развиваются стремительными темпами. Интеллектуальное оборудование становится всё более популярным, и обработка, анализ и расчёт собранных больших данных чрезвычайно важны. Обработка данных об изоляции и отключающей способности для определения истинного состояния изделия — сложная задача, требующая обширных теоретических и практических знаний. В частности, расчёт ожидаемого срока службы вакуумных прерывателей, основанный исключительно на значениях электрической долговечности, полученных в ходе испытаний типа E2, и простых энергетических расчётах, основанных на таких параметрах, как ток отключения и время горения дуги, не может достоверно отразить износ контактов прерывателя. Научные прогнозы срока службы, основанные на токе коммутационной нагрузки, исторических данных производителя прерывателя и данных об отказах, имеют решающее значение. Это позволяет осуществлять целенаправленную замену и обеспечивать долгосрочную безопасную эксплуатацию.

История не стоит на месте, наука и технологии не стоят на месте, и отрасли производства коммутационной техники также необходимо продолжать внедрять инновации и разрабатывать больше продуктов, соответствующих тенденциям развития. Тенденции развития основаны на исследованиях потребностей клиентов, законов и нормативных актов, конкурентоспособности и новых технологических областей, постоянно обновляясь и развиваясь в режиме реального времени, особенно в сфере новых технологий. Используя технологические инновации из других отраслей и областей и применяя их в отрасли производства коммутационной техники, мы можем создавать более качественные и недорогие продукты, избегать однотипных продуктов и жесткой конкуренции, способствовать устойчивому развитию производителей и обслуживать энергетическую отрасль. В то же время, это также является требованием энергосбережения и охраны окружающей среды. Ресурсы Земли постоянно сокращаются, а огромное потребление цветных металлов, рост количества неперерабатываемых твердых отходов и чрезмерное использование газов, вызывающих повышение температуры, требуют новых технологий и новых продуктов для их замены. Отрасль производства коммутационной техники также должна вносить свой вклад в сохранение нашей прекрасной планеты – Земли.