وضعیت پژوهش و توسعه واحد حلقه اصلی بدون گاز SF6 با ولتاژ ۱۲ کیلوولت

گاز عایق‌بندی اساساً بر پایه گاز SF₆ است. SF₆ دارای ویژگی‌های شیمیایی بسیار پایدار است و عملکرد عایق‌بندی الکتریکی و خاموش‌کننده قوس بسیار خوبی دارد که این موضوع آن را در تجهیزات برق مورد استفاده گسترده قرار داده است. تجهیزات سوئیچگری با عایق‌بندی SF₆ دارای ساختار فشرده و اندازه کوچک هستند، از عوامل محیطی خارجی تأثیر نمی‌پذیرند و تطبیق‌پذیری استثنایی دارند.

با این حال، SF₆ به عنوان یکی از شش گاز گلخانه‌ای اصلی در سطح بین‌المللی شناخته شده است. روندی که از تجهیزات سوئیچگری با عایق‌بندی SF₆ نشت می‌یابد، یک مسئله عملی غیرقابل اجتناب است. از دیدگاه حفاظت از محیط زیست، استفاده از فلوئورید شش‌فلورید سولفور باید کاهش یا حداقل شود. جامعه بین‌المللی به توافقی در مورد محدود کردن تدریجی و در نهایت متوقف کردن استفاده از گاز SF₆ رسیده است.

۱. مشخصات فنی واحد اصلی حلقه‌ای ۱۲ kV بدون گاز SF6

۱.۱ سبز و محیط‌زیست‌دوستانه

هوای خشک (یا نیتروژن) به عنوان مedium عایق‌بندی اصلی استفاده می‌شود، که منجر به حذف SF₆ و اجتناب از تولید گازهای سمی یا گلخانه‌ای می‌شود. تأثیر محیطی طی تمام دوره عمر محصول در نظر گرفته شده است و به طور مداوم به کاوش مواد جدید و فرآیندهای تولید برای بهبود قابلیت بازیافت مواد می‌پردازد. طراحی فشرده و صرفه‌جویی در فضا به طور مؤثری مصرف مواد اولیه، انرژی تولید و اشغال زمین را کاهش می‌دهد.

۱.۲ ایمن و قابل اعتماد

تکنولوژی سوئیچینگ خلاء بالغ اطمینان از عملکرد قطع و اتصال پایدار و طول عمر طولانی می‌دهد. فشار گاز پرکنی اسمی کم (۰.۱۲ MPa مطلق) است که به دستیابی به نرخ نشت کم (≤۰.۱٪) کمک می‌کند. قدرت عایق‌بندی بالا اجازه عملکرد طبیعی حتی در فشار صفر مطلق را می‌دهد. جداکننده سه وضعیتی امکان عملکرد الکتریکی یا دور از محل را فراهم می‌کند و شامل قفل‌های «پنج‌جلوگیری» کامل با سوئیچ بار/قطع کننده است که ایمنی عملیات را در حین تعمیر و نگهداری افزایش می‌دهد.

۱.۳ تطبیق‌پذیری با محیط

تمام مولفه‌های اصلی ولتاژ بالا در یک کامپارتمنت گازی لحیم‌کاری شده از فولاد ضد زنگ با ضخامت ۳ میلی‌متر قرار داده شده‌اند که به طور کامل از محیط خارجی جدا شده‌اند. ساختارهای محافظتی اضافی می‌توانند به سوئیچینگ مکانیزم و کامپارتمنت ولتاژ پایین اضافه شوند، که واقعاً نیازهای مقاومت در برابر فرسایش، محافظت در برابر رطوبت و عملکرد در دمای پایین در شرایط خاص را برآورده می‌کند.

۱.۴ رهبری هوشمند

محصول می‌تواند به گزینه‌های کنترل هوشمند، محافظت یکپارچه خودتأمین کننده و پلتفرم‌های توزیع برق هوشمند جامع بر اساس نیازهای کاربر تجهیز شود. این محصول عملکردهای جمع‌آوری داده، کنترل، نظارت، تشخیص، محافظت و ارتباط را در یک سیستم یکپارچه ترکیب می‌کند و امکان عملیات/نگهداری دوردست را فراهم می‌کند و از کاربردهای بزرگ داده در توزیع برق تسهیل می‌کند.

۲. وضعیت فعلی و روندهای توسعه واحد‌های حلقه‌ای ۱۲ kV

۲.۱ وضعیت فعلی واحد‌های حلقه‌ای ۱۲ kV

در طول قرن گذشته، آب و هوا زمین تغییرات قابل توجهی داشته است که عمده آن‌ها به گرم شدن جهانی مرتبط است. این گرم شدن ناشی از تغییرات طبیعی آب و هوایی در کنار اثرات گلخانه‌ای تقویت شده ناشی از فعالیت‌های انسانی است. کاهش تولید گازهای گلخانه‌ای و مهار تغییرات آب و هوایی اهداف اصلی کنوانسیون چارچوبی تغییرات آب و هوایی سازمان ملل متحد (UNFCCC) و پروتکل کیوت است.

در کنفرانس پروتکل کیوت در ژاپن در سال ۱۹۹۷، SF₆ به عنوان یکی از قوی‌ترین گازهای گلخانه‌ای فهرست شد و در میان موادی که تحت محدودیت‌های استفاده و تولید قرار گرفته‌اند قرار گرفت. با این حال، CO₂ بیش از ۶۰٪ از اثر گلخانه‌ای را تشکیل می‌دهد—بیشترین سهم—SF₆ فقط حدود ۰.۱٪ را تشکیل می‌دهد. با وجود سهم کوچک فعلی، SF₆ خطرات بالقوه قابل توجهی دارد: یک مولکول SF₆ دارای ظرفیت گرم شدن جهانی ۲۳۹۰۰ برابر بیشتر از یک مولکول CO₂ است و طول عمر جوی آن حدود ۳۲۰۰ سال است. حدود ۵۰٪ از SF₆ تولید شده در سراسر جهان در صنعت برق استفاده می‌شود که ۸۰٪ آن در تجهیزات سوئیچگری مصرف می‌شود. به عنوان یک کشور در حال توسعه، چین با فشار رو به افزایش برای کاهش تولید گازهای گلخانه‌ای مواجه است.

۲.۲ روندهای توسعه واحد‌های حلقه‌ای ۱۲ kV

از دیدگاه فنی، صنعت واحد‌های حلقه‌ای تا حدود سال ۲۰۱۴ از چند مرحله عبور کرده است: عایق‌بندی هوایی، عایق‌بندی نیمه SF₆، عایق‌بندی کامل SF₆ و عایق‌بندی جامد. این تحولات نشان‌دهنده نوآوری مداوم و پیشرفت فنی با تمرکز بر ایمنی، قابلیت اطمینان، کوچک‌سازی و دوستانه‌بودن با محیط زیست است.

در حال حاضر، هم در داخل کشور و هم در خارج، تجهیزات سوئیچگری با عایق‌بندی جامد به عنوان جایگزین ایده‌آل محصولات بر پایه SF₆ در نظر گرفته می‌شد. با این حال، به دلیل چالش‌هایی مانند دشواری در بازیافت رزین اپوکسی (که به طور گسترده در تجهیزات با عایق‌بندی جامد استفاده می‌شود)، عدم پذیرش گسترده مواد پلاستیک مهندسی ترمoplastik، عدم قابلیت بازیابی پس از خرابی عایق‌بندی و مشکلات حل‌نشده مربوط به افزایش دما در عملکرد با ظرفیت بالا، علاقه به عایق‌بندی جامد به سرعت کاهش یافته است.

به طور متناقض، واحد‌های حلقه‌ای با عایق‌بندی کامل SF₆—با وجود مضرات محیطی آن‌ها—هنوز بازار را می‌گیرند به دلیل اندازه کوچک، مقاومت بسیار بالا در برابر محیط، قابلیت اطمینان بالا و نیاز کم به نگهداری.

در ۲-۳ سال گذشته، تجهیزات سوئیچگری با عایق‌بندی گازی سبز به تدریج به یک نقطه تمرکز برای اپراتورهای شبکه و تولیدکنندگان رهبر تبدیل شده است، که توسط پیشرفت‌های مهم در چندین زمینه محرک شده است:

• استفاده بالغ از تکنولوژی سوئیچینگ خلاء (شامل طراحی‌های محفظه‌ای);

• فهم عمیق‌تر از تکنولوژی‌های عایق‌بندی (عایق‌بندی گازی، عایق‌بندی رابط جامد، عایق‌بندی ترکیبی و غیره);

• تجربه عملیاتی وسیع با تجهیزات عایق‌بندی شده با SF₆ (RMUs، C-GIS)؛

• پیشرفت‌های تحقیقاتی در زمینه گازهای جایگزین SF₆ (توسط شرکت‌هایی مانند ABB و 3M)؛

• بحث‌های صنعتی که به بازگشت به محصولات ولتاژ متوسط ثابت حمایت می‌کنند، با قابلیت اطمینان به طور قابل توجهی بهبود یافته اجزای اصلی.

با تسریع در تحول و به‌روزرسانی بخش برق چین و در مواجهه با نیازهای فوری به صرفه‌جویی در انرژی و کاهش تولید گازهای گلخانه‌ای، تنظیم رطوبت جو و کنترل آلودگی هوا به اولویت‌های فوری تبدیل شده است. برای صنعت برق در حال تغییر سریع، توسعه واحد حلقه اصلی بدون گاز SF6 یک روند غیرقابل اجتناب است. تجهیزات انتقال و توزیع آینده بیش از پیش به ایمنی، قابلیت اطمینان، کوچک‌سازی و پایداری زیست‌محیطی تمرکز خواهند کرد.

به طور قابل توجه، شرکت برق دولتی چین نسبت به کاربران صنعتی عمومی شناخت بالاتری از دستگاه‌های کلیدزنی محیط‌زیستی دارد. "فهرست فناوری‌های نوین کلیدی ترویج یافته شرکت برق دولتی چین (نسخه 2017)" به طور مشخص تعیین می‌کند که از سال 2016 تا 2018، واحد حلقه اصلی بدون گاز SF6 باید "حداقل 30٪ از کل نصب‌های جدید در پروژه‌های جدید و بازسازی" را تشکیل دهد، با نرخ رشد سالانه حداقل 8٪. علاوه بر این، آخرین نسخه (2017) "پیشنهادات طراحی استاندارد شده برای واحدهای حلقه اصلی 12 kV"، که به طور مشترک توسط دفتر عملیات و نگهداری شرکت برق دولتی و مؤسسه تحقیقات برق چین توسعه یافته است، به طور رسمی واحدهای حلقه اصلی عایق‌بندی شده محیط‌زیستی را گنجانده و مشخصات فنی واضحی برای معاملات خرید آینده تدوین کرده است.

۳. نتیجه‌گیری

در نتیجه، با تسریع در تحول صنعت برق چین و در مواجهه با اضطرار رو به رشد در صرفه‌جویی در انرژی و کاهش تولید گازهای گلخانه‌ای، رسیدگی به رطوبت جو و آلودگی هوا به اولویت فوری تبدیل شده است. به عنوان یک دستگاه توزیع برق نهایی معمولی، واحد حلقه اصلی 12 kV به طور گسترده‌ای در سیستم‌های برق و کاربردهای صنعتی مختلف نصب شده و به عنوان یک مولفه ضروری شبکه قوی و هوشمند عمل می‌کند و مستقیماً بر ایمنی و قابلیت اطمینان تأمین برق تأثیر می‌گذارد. در پاسخ به توسعه سریع صنعت برق، توسعه واحدهای حلقه اصلی عایق‌بندی شده محیط‌زیستی یک روند غیرقابل معکوس است. تجهیزات انتقال و توزیع آینده بیش از پیش حول نیازهای اساسی ایمنی، قابلیت اطمینان، کوچک‌سازی و دوستدار محیط زیست تکامل خواهند یافت.