SF₆ vs. fastisolerede RMU'er: Hvad passer bedst til dit elforsyningsnet?

1 Ringnetværks strømforsyning og ringhovedenheder

Med urbaniseringens fremgang stiger efterspørgslen på højere pålidelighed i strømforsyningen, og en stigende mængde brugere kræver to eller flere strømforsyningskilder. Den traditionelle "radiale strømforsyning" metode står over for udfordringer som vanskeligheder med kabelinstallation, kompliceret fejlfinding og ubekvemmelighed ved netopgradering og -udvidelse. I modsætning hertil gør "ringnetværks strømforsyning" det muligt at have dobbelt eller flere strømkilder til kritiske belastninger, forenkler distributionslinjer, gør kablegning lettere, reducerer antallet af skiveapparater, nedbringer fejlhyppigheden og gør det lettere at lokalisere fejl.

1.1 Ringnetværks strømforsyning

Ringnetværks strømforsyning refererer til en konfiguration, hvor to eller flere udgående linjer fra forskellige understationer eller forskellige busbarer i samme understation er forbundet til at danne en lukket løkke for strømforsyning. Dets hovedfordele er, at hver distributionsgren kan modtage strøm fra begge sider af ringen. Hvis den ene side mislykkes, kan strøm stadig leveres fra den anden side. Selvom det opererer i en enkelt-løbende mode, opnår hver gren effektivt et pålidelighedsniveau for dobbelt-strømkilde, hvilket betydeligt forbedrer systemets pålidelighed. I Kina følger byernes ringnetværksstrømsystemer "N-1 sikkerhedskriteriet", hvilket betyder, at hvis én af N belastninger mislykkes, kan de resterende N-1 belastninger stadig forsikres om strøm uden afbrydelse eller belastningsnedbringelse.

1.2 Ringnetværksforbindelseskonfigurationer

(1) Grundlæggende ringforbindelse: Enkelt strømkilde, hvor kablerne danner en ring, der sikrer fortsat strømforsyning til andre belastninger, hvis en kabelsektion mislykkes (se figur 1).

(2) Ringforbindelse fra forskellige busbarer: To strømkilder, typisk driftsat i åben løkke, der giver høj pålidelighed og fleksibel drift (se figur 2).

(3) Enkelt ringkonfiguration: Strømkilder fra forskellige understationer eller busbarer; ved vedligeholdelse på enhver kabelsektion bliver strømforsyningen til nogen belastning ikke afbrudt (se figur 3).

(4) Dobbeltringkonfiguration: Hver belastning leveres fra to uafhængige ringnetværk, der giver ekstremt høj pålidelighed (se figur 4).

(5) Dual Supply Double "T" Forbindelse: To kabelledninger forbundet til forskellige busbar-sektioner, der tillader hver belastning at modtage strøm fra begge ledninger. Denne konfiguration sikrer næsten kontinuerlig strømforsyning for dobbelt-kilde-brugere og er især egnet til kritiske anvendelser (se figur 5).

1.3 Ringhovedenheder og deres karakteristika

En ringhovedenhed (RMU) er en skiveapparat, der anvendes i ringnetværks strømforsyningssystemer, typisk inkluderer belastningsafbrydere, kredsløbsafbrydere, fuseskivekombinationer, buskoblere, måleenheder, spændingsoverførere eller en kombination af dem. RMUs er kompakte, rumbesparende, kostnadseffektive, lette at installere og hurtige at sætte i drift, der opfylder efterspørgslen på "miniaturisering af udstyr." De anvendes bredt i boligkomplekser, offentlige bygninger, små og mellemstore virksomhedsunderstationer, sekundære skiftestationer, pad-mounted understationer og kabledistributionskasser.

1.4 Typer af ringhovedenheder

• Luftisolerede RMUs: Bruger luft som isoleringsmedium; disse enheder er store, kræver mere plads og er følsomme over for miljøforhold.

• SF₆ RMUs: Bruger svovlhexafluorid (SF₆) gas som både isolerings- og buelukningsmedium. Hovedskiven er siglet i en metalbeholder fyldt med SF₆, mens driftmekanismen er placeret udenfor. Den sigtede design mindsker miljøpåvirkning og tillader en betydeligt mindre fodspor sammenlignet med luftisolerede enheder. SF₆ RMUs er i øjeblikket de mest anvendte typer.

• Fast isolerede RMUs: Anvender faste isoleringsmaterialer (f.eks. epoxi-harz) til at inkapsle og formere skiver og alle levende dele. Dette design reducerer fase til fase og fase til jord isoleringsafstande, resulterer i kompakte dimensioner, der er sammenlignelige med SF₆ RMUs. Desuden eliminere de SF₆-emissioner og kan opnå drift uden vedligeholdelse.

2 Begrænsninger for SF₆ ringhovedenheder

SF₆ er en stor bidragyder til drivhuseffekten. Trods dets fremragende elektriske egenskaber – såsom høj dielektrisk styrke, effektiv buelukning, god termisk stabilitet og stærk elektro-negativitet – og dets ubeskedenhed over for fugt, forurening og høje højder, der gør det ideelt til kompakt elektrisk udstyr, anerkendes SF₆ som en kraftig drivhusgas. Omkring 80% af global SF₆-produktion anvendes i energisektoren. Både FNs klimapanel (IPCC) og USA's Miljøbeskyttelsesagentur (EPA) klassificerer SF₆ som en af de mest skadelige drivhusgasser. EU's F-Gas-regulation (2006) forbyder brugen af SF₆ i de fleste anvendelser, undtagen hvor der ikke findes levedygtige alternativer til elektrisk skiveapparat.

Desuden indebærer SF₆ RMUs høj brugskompleksitet og betydelig investering, der kræver forskellige hjælpeenheder:

• SF₆-leckagedetektionssystemer til overvågning af gaslekkage, koncentration, iltindhold og fugtighed.

• SF₆-genbrugsudstyr: Under buelukning dannes biprodukter som SF₄; derfor skal der ved slutningen af livscyklussen ikke kun resterende SF₆ genbruges, men giftige biprodukter også behandles særskilt.

• SF₆-rensningsanlæg til rensning og genbrug af gas.

• Ventilationsanlæg i understationer.

Når man bruger SF₆ RMUs, skal følgende foranstaltninger overholdes:

• Minimere SF₆-lekkage. Selvom SF₆ RMUs bruger overtryks-sigtede beholdere, er gaslekkage uundgåelig. Reduceret gastryk nedsætter skiftefiabiliteten, hvilket direkte truer personale-sikkerheden og forkorter udstyrets levetid.

• Personale skal udføre tvungen ventilering og bære specialiserede beskyttelsesudstyr, inden de går ind i understationer med SF₆-udstyr.

• Operationer er komplekse, der kræver grundig og gentagen uddannelse for relevante personale.

3 Karakteristika og anvendelser af fast isolerede ringhovedenheder

De potentielle miljørisici forbundet med SF₆ ringhovedenheder (RMUs) har begrænset deres yderligere udvikling, hvilket gør søgningen efter SF₆-alternativer til en vigtig forskningsfokus i hele verden. Fast isolerede RMUs blev først udviklet og introduceret af Eaton Corporation i USA i slutningen af 1990'erne. Disse enheder producerer ingen skadelige gasser under drift, har ingen miljøpåvirkning, tilbyder højere pålidelighed og opnår virkelig drift uden vedligeholdelse.

En fast isoleret RMU integrerer vakuumafbrydere, afkoblingskontakter, jordkontakter, hovedledere, grenbusbarer eller kombinationer deraf, inkapslet i epoxi-harz eller andre faste isoleringsmaterialer. Disse komponenter er sigtede i fuldt isolerede og fuldt sigtede funktionsmoduler, der kan kombineres eller udvides. Ledende eller halvledende skjoldlag anvendes på ydersiderne af moduler, der er tilgængelige for personale, for at sikre pålidelig jordforbindelse.

3.1 Karakteristika af fast isolerede ringhovedenheder

(1) Miljøvenlig design. Disse enheder bruger ikke SF₆ som isolerings- eller buelukningsmedium. I stedet anvender de vakuumafbrydere til skiftning og miljøvenlige, genbrugelige materialer til primær isolation. Ved at minimere antallet af komponenter sikrer de lav energiforbrug og nedsat fejlhyppighed under drift.

(2) Virkelig drift uden vedligeholdelse. Fast isolerede RMUs eliminerer behovet for SF₆ trykbeholdere. Intern isolation og buelukning afhænger af vakuumteknologi, mens ekstern isolation anvender faste materialer som isoleringsbeholder. Gennem potting-teknologi er vakuumafbryderen, hovedledningsvejen og isoleringsstøtter integreret i en enkelt enhed, der er sigtet i en metalbeholder, der gør præstation immun over for eksterne miljøfaktorer. Den fuldt isolerede og sigtede struktur eliminerer behovet for SF₆-leckagedetektion, gasgenopfyldning og affaldshåndtering, der gør virkelig drift uden vedligeholdelse mulig.

(3) Høj kostnadseffektivitet. Selvom den initielle investering for fast isolerede RMUs er lidt højere end for SF₆ RMUs, er den totale levetidskost betydeligt lavere, som vist i tabel 1. Brugere tager nu mere og mere hensyn til samlede faktorer som sikkerhedsrisici, strømkvalitet, kostnadsstyring og bæredygtighed – ikke kun den initielle købspris, men også den totale ejerskabskost. De akkumulerede omkostninger til vedligeholdelse, gasgenopfyldning, leckagehåndtering og end-of-life-generering for SF₆ RMUs kan nærme deres initielle købspris, mens fast isolerede RMUs ikke kræver yderligere omkostninger efter installation. Derfor er fast isolerede RMUs set på lang sigt mere økonomisk fordelagtige.

(4) Kompakt struktur. Designet til at være så kompakt som muligt, mens det sikrer sikkerhed og nem drift, har disse enheder en mindre fodspor og volumen end selv SF₆ RMUs, der hjælper brugere med at spare plads og opnå direkte økonomiske fordele.

(5) Modstandsdygtighed over for interne buelukninger, forbedret sikkerhed og pålidelighed. Ifølge Exnis-rapporter finder betydelige tab på grund af interne buelukninger i primære og sekundære skiveapparater mindst en gang årligt sted. De fleste fast isolerede RMUs inkluderer buelukningsmodstandsdesign, der minimaliserer indvirkningen af interne buelukninger, der sikrer sikrere og mere pålidelig drift.

(6) Synlige isoleringsafstande. Udstyret med observasjonsvinduer, tillader disse enheder direkte visuel inspektion af tre-position afkoblingskontaktpunkter, der sikrer synlige afbrydelsespunkter og forbedrer operatørers sikkerhed.

(7) Intelligente evner. Fast isolerede RMUs er mere tilpasningsdygtige til distributionsautomatisering. Ved at installere distributions-terminalenheder (DTUs) og kommunikationsenheder, kan funktioner som statusovervågning, fjernstyring ("fire-fjern" funktioner), kommunikation, selvdiagnostics og hændelseslogning let implementeres.

3.2 Nutidig anvendelsesstatus

I øjeblikket begrænser den relative høje pris og komplekse produktionprocesser bred anvendelse af fast isolerede RMUs. Deres produktion kræver højere teknisk præcision end SF₆-isolerede RMUs. Utilstrækkelige produktionsmetoder kan føre til større isoleringsrisici, højere fejlhyppighed og øget farlighed sammenlignet med SF₆ RMUs, hvilket kræver streng kontrol af råmaterialernes kvalitet og processstandarder. Desuden er fast isolerede RMUs' kabelforbindelser mindre fleksible, især for funktionsenheder som potentialtransformator (PT) kabinetter og målekabinetter, der tilbyder begrænsede muligheder og begrænser deres anvendelse og udvikling.

Med fortsat optimering af produktionsprocesser og øget standardisering bliver kvaliteten af fast isolerede RMUs mere stabil, og priserne falder gradvist. Nogle lande tilbyder 5%-10% incitamenter for produkter, der ikke anvender SF₆, for at reducere emissioner. Dette opmuntrer brugere til at overveje den totale levetidskost snarere end blot den initielle købspris. Med inspiration fra internationale praksisser kan fast isolerede RMUs prioriteres i miljøfølsomme eller nye projekter – såsom boligkomplekser, offentlige bygninger og kommunale infrastrukturer – mens SF₆ RMUs gradvist udfases.

Ældre eller slut på levetiden SF₆ RMUs kan systematisk erstattes baseret på fabrikantens angivne levetid. Subsidier for brugere, der anvender miljøvenlige fast isolerede RMUs, kan yderligere støtte overvejelser af levetidskost, fremme produktadoption og fremskynde miljøansvarlige teknologier. Med stigende miljøbevidsthed vil fast isolerede RMUs, som et af alternativerne til SF₆ RMUs, gradvist erstatte en del af eksisterende SF₆-enheder og opnå bred anvendelse, hvilket demonstrerer stærk markeds potentiel.

4 Konklusion

Fast isolerede RMUs er teknisk sammenlignelige med SF₆ RMUs og har unikke fordele som nul skadelige emissioner, virkelig drift uden vedligeholdelse og lavere totale levetidsomkostninger, der gør dem stadig mere attraktive for brugere. State Grid Corporation of China's "Første katalog over vigtige nye teknologier for prioritert fremme" (2011) udtalte, at med hensyn til tendenser mod højere teknisk pålidelighed og strengere miljøkrav, er fast isolerede RMUs klar til at fuldt ud erstatte SF₆ RMUs.

Desuden bekræftede "Teknisk specifikation for 12 kV fast isolerede ringhovedenheder" udstedt af State Grid Corporation i 2012, at fast isolerede RMUs teknisk er i stand til at imødekomme komplekse driftsbehov og repræsenterer en ny retning i RMU-udviklingen, der fortjener aktiv fremme. Dette markerer formel anerkendelse af fast isolerede RMUs af industrien og teknisk fællesskab. Som et levedygtigt alternativ til SF₆ RMUs vil fast isolerede RMUs gradvist erstatte en del af eksisterende SF₆-enheder, opnå bred anvendelse og demonstrere fremragende udsigter for fremtidig udvikling.