وضعیت تحقیق و توسعه یکای اصلی حلقه‌ای ۱۲ کیلوولت بدون گاز SF6

گازهای عایق‌بندی بیشتر بر اساس SF₆ هستند. SF₆ خصوصیات شیمیایی بسیار پایدار دارد و قدرت دی الکتریک و عملکرد خاموش‌کننده آرک بسیار عالی دارد که باعث می‌شود در تجهیزات نیروی برق به طور گسترده استفاده شود. تجهیزات سوئیچینگ با عایق‌بندی SF₆ ساختار فشرده و اندازه کوچکی دارند، از عوامل محیطی خارجی تأثیر نمی‌پذیرند و تطبیق‌پذیری فوق‌العاده‌ای دارند.

با این حال، SF₆ به عنوان یکی از شش گاز گلخانه‌ای اصلی در سطح بین‌المللی شناخته شده است. رسوخ از تجهیزات سوئیچینگ با عایق‌بندی SF₆ یک مشکل عملی غیرقابل اجتناب است. از دیدگاه حفاظت از محیط زیست، استفاده از شش فلوئورید سولفور باید کاهش یا به حداقل رسانده شود. جامعه بین‌المللی به توافقی درباره محدود کردن تدریجی و در نهایت متوقف کردن استفاده از گاز SF₆ رسیده است.

۱. ویژگی‌های فنی واحد مرکزی حلقه‌ای بدون گاز SF6 ۱۲ کیلوولت

۱.۱ سبز و محیط‌زیستی

هوای خشک (یا نیتروژن) به عنوان ماده عایق‌بندی اصلی استفاده می‌شود که باعث حذف SF₆ و جلوگیری از انتشار گازهای سمی یا گلخانه‌ای می‌شود. تأثیر محیطی در طول دوره عمر محصول در نظر گرفته شده و به طور مداوم مواد و فرآیندهای ساخت جدید برای بهبود قابلیت بازیافت مواد مورد بررسی قرار می‌گیرد. طراحی فشرده و صرفه‌جویی در فضا موثر در کاهش مصرف مواد اولیه، انرژی تولید و اشغال زمین است.

۱.۲ ایمن و قابل اعتماد

فناوری سوئیچینگ پرتوی بالغ اطمینان از عملکرد قطع مطمئن و پایدار و طول عمر طولانی را فراهم می‌کند. فشار گاز تعبیه شده اسمی کم (۰.۱۲ مگاپاسکال مطلق) است که باعث تسهیل در دستیابی به نرخ رسوخ کم (≤۰.۱٪) می‌شود. قدرت دی الکتریک بالا اجازه عملکرد عادی حتی در فشار صفر را می‌دهد. جداکننده سه وضعیتی امکان عملکرد الکتریکی یا دوردست را فراهم می‌کند و شامل قفل‌های «پنج‌جلوگیری» جامع با سوئیچ بار/قطع کننده است که ایمنی عملیات تعمیر و نگهداری را افزایش می‌دهد.

۱.۳ تطبیق‌پذیری محیطی

تمام اجزای اصلی ولتاژ بالا در یک کامپارتمنت گازی لحیم‌کاری شده از فولاد ضدزنگ با ضخامت ۳ میلی‌متر قرار داده شده‌اند که به طور کامل از محیط خارج جدا شده‌اند. ساختارهای محافظ اضافی می‌توانند به صورت نیاز به مکانیسم سوئیچینگ و کامپارتمنت ولتاژ پایین اضافه شوند، واقعاً نیازهای مقاومت در برابر فرسودگی، حفاظت از رطوبت و عملکرد در دمای پایین تحت شرایط خاص را برآورده می‌کند.

۱.۴ رهبری هوشمند

محصول می‌تواند به گونه اختیاری با سیستم‌های کنترل هوشمند، محافظت یکپارچه خودپرداز و پلتفرم‌های توزیع برق هوشمند پانوراما مجهز شود. این محصول توابعی مانند 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 واحد مرکزی حلقه‌ای ۱۲ کیلوولت

۲.۱ وضعیت فعلی واحد مرکزی حلقه‌ای ۱۲ کیلوولت

در طول قرن گذشته، آب و هوا روی کره زمین تغییرات قابل توجهی داشته است که بیشتر با گرم شدن جهانی مشخص شده است. این گرم شدن ناشی از تغییرات طبیعی آب و هوایی به همراه اثرات گلخانه‌ای تقویت شده توسط فعالیت‌های انسانی است. کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و محدود کردن تغییرات آب و هوایی اهداف اصلی کنوانسیون چارچوبی اتحادیه ملل متحد درباره تغییرات آب و هوایی (UNFCCC) و پروتکل کیوتو هستند.

در کنفرانس پروتکل کیوتو در ژاپن در سال ۱۹۹۷، SF₆ به عنوان یکی از قوی‌ترین گازهای گلخانه‌ای فهرست شد و در میان موادی قرار گرفت که محدودیت‌های استفاده و انتشار برای آنها تعیین شده است. اگرچه CO₂ بیش از ۶۰٪ از اثر گلخانه‌ای را تشکیل می‌دهد—بیشترین سهم—SF₆ فقط حدود ۰.۱٪ را شامل می‌شود. با وجود سهم کوچک فعلی، SF₆ خطرات بالقوه قابل توجهی دارد: یک مولکول SF₆ گرم شدن جهانی ۲۳۹۰۰ برابر بیشتر از یک مولکول CO₂ دارد 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 سوئیچینگ است. به عنوان یک کشور در حال توسعه، چین با فشار رو به افزایش برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای مواجه است.

۲.۲ روندهای توسعه واحد مرکزی حلقه‌ای ۱۲ کیلوولت

از نظر فنی، صنعت واحد مرکزی 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 محیط‌زیستی است.

در حال حاضر، هم در داخل کشور و هم در خارج از کشور، تجهیزات سوئیچینگ با عایق‌بندی جامد یکی از جایگزین‌های ایده‌آل برای محصولات مبتنی بر SF₆ در نظر گرفته شده است. با این حال، به دلیل چالش‌هایی مانند سختی بازیافت رزین اپوکسی (که به طور گسترده در تجهیزات با عایق‌بندی جامد استفاده می‌شود)، عدم پذیرش گسترده مواد مهندسی ترموپلاستیک جایگزین، ناپایداری بعد از خرابی عایق‌بندی و مشکلات حل نشده مربوط به افزایش دما در عملکرد با ظرفیت بالا، علاقه به عایق‌بندی جامد به سرعت کاهش یافته است.

به طور متقابل، تجهیزات سوئیچینگ با عایق‌بندی کامل SF₆—با وجود معایب محیطی‌شان—به دلیل اندازه فشرده، مقاومت محیطی عالی، قابلیت اطمینان بالا و نیازهای نگهداری کم، همچنان بازار را اداره می‌کنند.

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

• استفاده بالغ فناوری سوئیچینگ پرتوی (شامل طراحی‌های پوششی);

• تفهم عمیق‌تر از فناوری‌های عایق‌بندی (عایق‌بندی گازی، عایق‌بندی سطح جامد، عایق‌بندی ترکیبی و غیره);

• تجربه عملیاتی گسترده 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 بر بازگشت به محصولات ولتاژ متوسط نوع ثابت تأکید دارند، با پشتیبانی از بهبود قابل توجه قابلیت اطمینان اجزای اصلی.

با تسریع چین در تبدیل و به‌روزرسانی بخش انرژی خود و مواجهه با نیازهای فوری برای صرفه‌جویی در انرژی و کاهش انتشار، تنظیم رطوبت جوی و کنترل آلودگی هوا به یک اولویت فوری تبدیل شده است. برای صنعت برق در حال تحول سریع، توسعه واحد حلقه‌ای بدون گاز SF6 یک روند اجتناب‌ناپذیر است. تجهیزات آینده منتقل و توزیع بیشتر روی امنیت، قابلیت اطمینان، کوچک‌سازی و پایداری محیطی تمرکز خواهند کرد.

به طور قابل توجه، شرکت شبکه دولتی چین شناخت قابل توجه‌تری از دستگاه‌های تغییر دهنده‌ی محیطی نسبت به کاربران صنعتی عمومی دارد. "فهرست فناوری‌های جدید کلیدی ترویج یافته توسط شرکت شبکه دولتی چین (نسخه 2017)" به طور صریح مقرر می‌کند که از سال 2016 تا 2018، واحد حلقه‌ای بدون گاز SF6 باید "حداقل 30٪ از مجموع نصب‌های جدید در پروژه‌های جدید و بازسازی" را تشکیل دهد و نرخ رشد سالانه آن حداقل 8٪ باشد. علاوه بر این، آخرین نسخه (2017) از "پیشنهادات طراحی استاندارد برای واحدهای حلقه‌ای 12 kV"، که توسط دپارتمان عملیات و نگهداری شبکه دولتی و مؤسسه تحقیقات برق چین مشترکاً توسعه یافته است، به طور رسمی واحدهای حلقه‌ای عایق‌بندی شده با گاز محیطی را در بر گرفته و مشخصات فنی واضحی برای معاملات خرید آینده تعیین کرده است.

۳. نتیجه‌گیری

به طور خلاصه، با تسریع چین در تبدیل صنعت برق خود و مواجهه با فوریت بیشتر در صرفه‌جویی در انرژی و کاهش انتشار، رسیدگی به رطوبت جوی و آلودگی هوا به یک اولویت فوری تبدیل شده است. به عنوان یک دستگاه توزیع توان نهایی نمونه، واحد حلقه‌ای 12 kV به طور گسترده در سیستم‌های برق و کاربردهای صنعتی مختلف نصب شده است و به عنوان یک جزء ضروری از شبکه‌ای قوی و هوشمند عمل می‌کند و به طور مستقیم بر امنیت و قابلیت اطمینان تأمین برق تأثیر می‌گذارد. در پاسخ به تحولات سریع صنعت برق، توسعه واحدهای حلقه‌ای عایق‌بندی شده با گاز محیطی یک روند غیرقابل برگشت است. تجهیزات آینده منتقل و توزیع بیشتر حول تقاضاهای اصلی امنیت، قابلیت اطمینان، کوچک‌سازی و دوستدار محیط زیست تکامل خواهند یافت.