SF₆ vs. pevně izolované RMU: Co je lepší pro vaše distribuční systém?

1 Kruhové elektrické zásobování a kruhové hlavní jednotky

S postupem urbanizace stále roste požadavek na vyšší spolehlivost distribuce elektrické energie a stále více uživatelů vyžaduje dva nebo více zdrojů elektrické energie. Tradiční metoda "radiálního zásobování" čelí výzvám jako jsou obtíže při instalaci kabelů složitá detekce poruch a nesoustavnost při modernizaci a rozšiřování sítě. Naopak "kruhové zásobování" umožňuje dvojí nebo více zdrojů pro klíčové zatížení zjednodušuje distribuční linky usnadňuje položení kabelů snižuje počet rozvodných zařízení snižuje frekvenci poruch a usnadňuje lokalizaci poruch.

1.1 Kruhové elektrické zásobování

Kruhové elektrické zásobování se týká konfigurace, kdy jsou dva nebo více vývodních vodičů z různých transformačních stanic nebo různých sběrných lišťáků stejné transformační stanice propojeny tak, aby tvořily uzavřený obvod pro distribuci elektrické energie. Jeho hlavní výhodou je, že každý distribuční odvod může být zásoben energií z obou stran kruhu. Pokud selže jedna strana, může být energie dodávána z druhé strany. I když funguje v režimu jednoho kruhu, každý odvod efektivně dosahuje úrovně spolehlivosti dvou zdrojů, což výrazně zvyšuje spolehlivost systému. V Číně sledují městské kruhové distribuční systémy "N−1 bezpečnostní kriterium", což znamená, že pokud selže kterékoli z N zatížení, zbývající N−1 zatížení mohou být bezpečně zásobeny bez přerušení nebo omezování spotřeby.

1.2 Konfigurace kruhového připojení

(1) Základní kruhové připojení: Jedno zdrojové napětí s kabely tvořícími kruh, což zajišťuje pokračující zásobování ostatních zatížení, pokud selže jeden segment kabelu (viz obr. 1).

(2) Kruhové připojení z různých sběrných lišťáků: Dva zdroje energie, obvykle provozované v otevřeném kruhu, nabízejí vysokou spolehlivost a flexibilní provoz (viz obr. 2).

(3) Jeden kruhový obvod: Zdroje energie pocházejí z různých transformačních stanic nebo sběrných lišťáků; údržba jakéhokoli kabelového segmentu nerozruší zásobování žádného zatížení (viz obr. 3).

(4) Dvojitý kruhový obvod: Každé zatížení je zásobeno z dvou nezávislých kruhových sítí, což poskytuje extrémně vysokou spolehlivost (viz obr. 4).

(5) Dvojitý "T" spoj s dvojitým zásobováním: Dva kabelové vodiče připojené k různým částem sběrné lišty, umožňující každému zatížení zásobování z obou vodičů. Tato konfigurace zajišťuje skoro neustálé zásobování pro uživatele s dvojitým zdrojem a je zejména vhodná pro klíčové aplikace (viz obr. 5).

1.3 Kruhové hlavní jednotky a jejich charakteristiky

Kruhová hlavní jednotka (RMU) je rozvodně používaná v kruhových distribučních systémech, typicky obsahující odpojovací přepínače, vypínače, kombinace pojistkových přepínačů, spojovací vodiče, měřicí přístroje, napěťové transformátory nebo jakoukoli kombinaci těchto prvků. RMU jsou kompaktní, šetří místo, jsou ekonomické, snadno instalovatelné a rychle nasazovatelné, splňují požadavek na "miniaturizaci zařízení". Jsou široce používány v bytových komunitách, veřejných budovách, malých a středních podnikových transformačních stanicích, sekundárních přepínacích stanicích, padmountových transformačních stanicích a kabelových distribučních skříních.

1.4 Typy kruhových hlavních jednotek

• Vzduchem izolované RMU: Používají vzduch jako izolační prostředí; tyto jednotky jsou velké, vyžadují více místa a jsou citlivé na okolní podmínky.

• SF₆ RMU: Používají šestifluorid síry (SF₆) jako izolační a uhlovací prostředí. Hlavní přepínač je zaplněn SF₆ v metalovém obalu, zatímco ovládací mechanismus je umístěn vně. Uzavřený design minimalizuje dopad na životní prostředí a umožňuje výrazně menší plochu než vzduchem izolované jednotky. SF₆ RMU jsou v současnosti nejrozšířenějším typem.

• Pevně izolované RMU: Používají pevné izolační materiály (např. epoxidovou smolu) k encapsulaci a odlévání přepínačů a všech částí pod napětím. Tento design snižuje mezi fázemi a mezi fází a zemí izolační vzdálenosti, což vede k kompaktnímu rozměru srovnatelnému s SF₆ RMU. Navíc eliminují emise SF₆ a mohou dosáhnout bezzdržového provozu.

2 Omezení SF₆ kruhových hlavních jednotek

SF₆ je hlavním přispěvatelem k skleníkovému efektu. Ačkoli má vynikající elektrické vlastnosti, jako je vysoká dielektrická síla, efektivní uhasení oblouku, dobrá tepelná stabilita a silná elektronegativita, a je netečný na vlhkost, znečištění a vysoké nadmořské výšky, což ho činí ideálním pro kompaktní elektrické zařízení, SF₆ je považován za silnou skleníkovou plyn. Přibližně 80 % celosvětové produkce SF₆ se používá v elektrotechnickém průmyslu. Mezinárodní panel pro změnu klimatu (IPCC) a americká Agentura pro ochranu životního prostředí (EPA) klasifikují SF₆ jako jeden z nejškodlivějších skleníkových plynů. EU F-Gas Regulation (2006) zakazuje použití SF₆ v téměř všech aplikacích, kromě těch, kde neexistují žádné možné alternativy pro elektrické rozvodné zařízení.

Navíc SF₆ RMU vyžadují vysokou složitost použití a významné investice, včetně různého pomocného zařízení:

• Systémy pro detekci uniku SF₆ pro monitorování uniku plynu, koncentrace, hladiny kyslíku a vlhkosti.

• Zařízení pro recyklaci SF₆: Během přerušení oblouku se generují vedlejší produkty, jako je SF₄; takže na konci životnosti není nutné jenom získat zbytkové SF₆, ale i toxické vedlejší produkty musí být speciálně zpracovány.

• Systémy pro čištění SF₆ pro čištění a znovupoužití plynu.

• Ventilační systémy v transformačních stanicích.

Při použití SF₆ RMU musí být dodržena následující opatření:

• Minimalizovat unik SF₆. Ačkoli SF₆ RMU používají hermeticky uzavřené obaly, unik plynu je nevyhnutelný. Snížení tlaku plynu snižuje spolehlivost přepínání, což příměji ohrožuje bezpečnost osob a zkracuje životnost zařízení.

• Personál musí provést nucenou ventilaci a nosit specializované ochranné vybavení před vstupem do transformačních stanic s SF₆ zařízeními.

• Operace jsou složité a vyžadují důkladné a opakované školení pro příslušný personál.

3 Vlastnosti a aplikace pevně izolovaných kruhových hlavních jednotek

Potenciální environmentální rizika spojená s SF₆ kruhovými hlavními jednotkami (RMU) omezila jejich další rozvoj, což dělá hledání alternativ k SF₆ klíčovým výzkumným zaměřením po celém světě. Pevně izolované RMU byly poprvé vyvinuty a zavedeny společností Eaton Corporation v USA na konci 90. let. Tyto jednotky během provozu neprodukují škodlivé plyny, nemají žádný dopad na životní prostředí, nabízejí vyšší spolehlivost a dosahují skutečně bezzdržového provozu.

Pevně izolovaná RMU integruje vakuumové přerušovače, odpojovací přepínače, zemnicí přepínače, hlavní vodiče, odvody sběrné lišty nebo jejich kombinace, encapsulované v epoxidové smole nebo jiných pevných izolačních materiálech. Tyto komponenty jsou zaplňovány do plně izolovaných a plně uzavřených funkčních modulů, které lze znovu kombinovat nebo rozšiřovat. Provedení vodivých nebo polovodivých vrstev na vnějších povrchách modulů dostupných pro personál zajišťuje spolehlivé zemnění.

3.1 Vlastnosti pevně izolovaných kruhových hlavních jednotek

(1) Environmentálně přátelský design. Tyto jednotky nepoužívají SF₆ jako izolační nebo uhlovací prostředí. Místo toho používají vakuumové přerušovače pro přepínání a ekologicky neškodné, recyklovatelné materiály pro primární izolaci. Minimalizací počtu komponent zajišťují nízké spotřebu energie a nižší frekvenci poruch během provozu.

(2) Skutečně bezzdržové. Pevně izolované RMU eliminují potřebu tlakových nádob pro SF₆. Vnitřní izolace a přerušení oblouku jsou založeny na vakuumové technologii, zatímco vnější izolace používá pevné materiály, jako jsou izolační obaly. Pomocí technologie potting jsou vakuumové přerušovače, hlavní vodiče a izolační nosníky integrovány do jednoho celeku uzavřeného v metalovém obalu, což činí výkon imunní vůči externím faktorům. Plně izolovaná a uzavřená struktura eliminuje potřebu detekce uniku SF₆, doplňování plynu a likvidace odpadu, což umožňuje skutečně bezzdržový provoz.

(3) Vysoká nákladová efektivita. Ačkoli počáteční investice do pevně izolovaných RMU je mírně vyšší než u SF₆ RMU, celkové náklady na životní cyklus jsou výrazně nižší, jak je uvedeno v tabulce 1. Uživatelé se stále více zaměřují na komplexní faktory, jako jsou bezpečnostní rizika, kvalita dodávky energie, kontrola nákladů a udržitelnost - nejen na počáteční nákupní cenu, ale také na celkové náklady vlastnictví. Kumulativní náklady na údržbu, doplňování plynu, správu uniku a likvidaci na konci životnosti SF₆ RMU mohou přiblížit jejich počáteční nákupní cenu, zatímco pevně izolované RMU po instalaci nevyžadují žádné další náklady. Z dlouhodobého hlediska tedy pevně izolované RMU nabízejí lepší ekonomické výhody.

(4) Kompaktní struktura. Navrženy tak, aby byly co nejkompaktnější, zatímco zajišťují bezpečnost a snadnou operaci, tyto jednotky mají menší plochu a objem než dokonce i SF₆ RMU, což uživatelům umožňuje ušetřit místo a dosáhnout přímých ekonomických výhod.

(5) Odolnost proti vnitřním obloukovým poruchám, zvýšená bezpečnost a spolehlivost. Podle zpráv Exnis dochází k významným ztrátám způsobeným vnitřním obloukovým poruchám v primárním a sekundárním rozvodném zařízení alespoň jednou ročně. Většina pevně izolovaných RMU zahrnuje design odolný proti obloukovým poruchám, který minimalizuje dopad vnitřních oblouků a zajišťuje bezpečnější a spolehlivější provoz.

(6) Viditelné izolační mezery. Opřené o pozorovací okénka, tyto jednotky umožňují přímou vizuální inspekci kontaktů třípolohového odpojovacího přepínače, což zajišťuje viditelné přerušení a zvyšuje bezpečnost operátora.

(7) Inteligentní schopnosti. Pevně izolované RMU jsou lépe adaptovány na automatizaci distribuce. Instalací distribučních terminálních jednotek (DTU) a komunikačních zařízení lze snadno implementovat funkce, jako je sledování stavu, vzdálené řízení ("čtyři vzdálené" funkce), komunikace, samo-diagnostika a záznam událostí.

3.2 Současný stav aplikace

V současné době je široké použití pevně izolovaných RMU omezeno jejich relativně vysokou cenou a komplikovanými výrobními procesy. Jejich výroba vyžaduje vyšší technickou přesnost než SF₆ izolované RMU. Nedostatečné výrobní techniky mohou vést k většímu riziku izolace, vyšší pravděpodobnosti poruch a zvýšeným nebezpečím v porovnání s SF₆ RMU, což vyžaduje přísnou kontrolu kvality surovin a standardů výrobního procesu. Kromě toho jsou drátové konfigurace pevně izolovaných RMU méně flexibilní, zejména pro funkční jednotky, jako jsou sběrné lišty (PT) a měřicí skříně, což omezuje jejich možnosti a aplikace a brání jejich rozvoji.

S kontinuální optimalizací výrobních procesů a rostoucí standardizací se kvalita pevně izolovaných RMU stává stabilnější a ceny postupně klesají. Některé země nabízejí 5%–10% stimuly pro produkty, které nepoužívají SF₆, aby snížily emise. To pobízí uživatele, aby zvažovali celkové náklady na životní cyklus, nikoli pouze počáteční nákupní cenu. S ohledem na mezinárodní praxe lze pevně izolované RMU prioritně použít v ekologicky citlivých nebo nových projektech, jako jsou bytové komunity, veřejné budovy a městská infrastruktura, zatímco postupně vyřazují SF₆ RMU.

Staré nebo koncové SF₆ RMU lze systematicky nahradit v souladu s životností určenou výrobce. Dotace pro uživatele, kteří přijmou ekologické pevně izolované RMU, mohou dále podporovat zvážení nákladů na životní cyklus, podporovat adopci produktu a podporovat ekologicky odpovědné technologie. S rostoucí environmentalní vědomostí budou pevně izolované RMU, jako jedna z alternativ k SF₆ RMU, postupně nahrazovat část existujících SF₆ jednotek a dosáhnou široké aplikace, což ukazuje silný tržní potenciál.

4 Závěr

Pevně izolované RMU jsou technologicky srovnatelné s SF₆ RMU a mají unikátní výhody, jako je nulové vydávání škodlivých látek, skutečně bezzdržový provoz a nižší celkové náklady na životní cyklus, což je činí stále atraktivnějšími pro uživatele. V prvním katalogu klíčových nových technologií pro prioritní propagaci Státní sítě Číny (2011) bylo uvedeno, že s ohledem na trendy k vyšší technické spolehlivosti a přísnějším environmentálním požadavkům jsou pevně izolované RMU připraveny plně nahradit SF₆ RMU.

Dále technický standard pro 12 kV pevně izolované kruhové hlavní jednotky vydán Státní sítí Číny v roce 2012 potvrdil, že pevně izolované RMU jsou technologicky schopné splnit složité provozní požadavky a představují nový směr v rozvoji RMU, který je třeba aktivně propagovat. To znamená formální uznání pevně izolovaných RMU průmyslem a technickou komunitou. Jako viable alternativa k SF₆ RMU budou pevně izolované RMU postupně nahrazovat část existujících SF₆ jednotek, dosahují široké aplikace a ukazují vynikající perspektivy pro budoucí rozvoj.