SF₆ vs. Feststoff-isolierte RMUs: Welche ist besser für Ihr Stromverteilungssystem?

1 Ringförmige Netzversorgung und Ringverteiler

Mit der Fortschreitung der Urbanisierung wächst die Nachfrage nach höherer Zuverlässigkeit in der Stromverteilung, und immer mehr Nutzer benötigen zwei oder mehrere Stromversorgungsquellen. Die traditionelle "strahlende Stromversorgung" steht vor Herausforderungen wie Schwierigkeiten bei der Kabelinstallation, komplizierter Fehlersuche und mangelnder Flexibilität bei Netzaufstockungen und -erweiterungen. Im Gegensatz dazu ermöglicht die "ringförmige Netzversorgung" doppelte oder mehrfache Stromquellen für kritische Lasten, vereinfacht Verteilungsleitungen, erleichtert das Kablegen, reduziert die Anzahl der Schaltanlagen, senkt Ausfallraten und erleichtert die Fehlerortung.

1.1 Ringförmige Netzversorgung

Ringförmige Netzversorgung bezieht sich auf eine Konfiguration, bei der zwei oder mehr Ausgangsleitungen von verschiedenen Umspannwerken oder verschiedenen Busbalken desselben Umspannwerks verbunden sind, um einen geschlossenen Kreis für die Stromverteilung zu bilden. Ihr Hauptvorteil besteht darin, dass jede Verteilungsverzweigung Strom von beiden Seiten des Rings erhalten kann. Wenn eine Seite ausfällt, kann Strom weiterhin von der anderen Seite geliefert werden. Obwohl in einem Einzelkreis betrieben, erreicht jede Verzweigung effektiv ein Niveau der Doppelstromquelle-Zuverlässigkeit, was die Systemzuverlässigkeit erheblich verbessert. In China folgen städtische ringförmige Netzsysteme dem "N-1-Sicherheitskriterium", was bedeutet, dass wenn eine der N-Lasten ausfällt, die verbleibenden N-1-Lasten ohne Unterbrechung oder Lastabschaltung sicher versorgt werden können.

1.2 Ringnetzverbindungs-Konfigurationen

(1) Grundlegende Ringverbindung: Eine Stromquelle mit Kabeln, die einen Ring bilden, um den fortlaufenden Stromversorgung anderer Lasten zu gewährleisten, falls ein Kabelabschnitt ausfällt (siehe Abb. 1).

(2) Ringverbindung von verschiedenen Busbalken: Zwei Stromquellen, normalerweise im offenen Kreisbetrieb, bieten hohe Zuverlässigkeit und flexible Betriebsführung (siehe Abb. 2).

(3) Einfache Ringkonfiguration: Stromquellen aus verschiedenen Umspannwerken oder Busbalken; Wartungsarbeiten an jedem Kabelabschnitt unterbrechen nicht die Stromversorgung einer beliebigen Last (siehe Abb. 3).

(4) Doppelte Ringkonfiguration: Jede Last wird von zwei unabhängigen Ringnetzen versorgt, was extrem hohe Zuverlässigkeit bietet (siehe Abb. 4).

(5) Doppelt gespeiste Doppel-"T"-Verbindung: Zwei Kabelleitungen, die mit verschiedenen Busbalkenteilen verbunden sind, ermöglichen es jeder Last, Strom von beiden Leitungen zu empfangen. Diese Konfiguration stellt nahezu kontinuierliche Stromversorgung für Doppelspeise-Nutzer sicher und ist besonders für kritische Anwendungen geeignet (siehe Abb. 5).

1.3 Ringverteiler und ihre Eigenschaften

Ein Ringverteiler (RMU) ist eine Schaltanlage, die in ringförmigen Netzsystemen verwendet wird und typischerweise Lasttrennschalter, Schaltgeräte, Fuseschaltkombinationen, Buskopplungen, Messgeräte, Spannungswandler oder eine Kombination davon enthält. RMUs sind kompakt, platzsparend, kostengünstig, einfach zu installieren und schnell in Betrieb zu nehmen, was den Bedarf nach "Geräteminiaturisierung" erfüllt. Sie werden weit verbreitet in Wohngebieten, öffentlichen Gebäuden, kleineren und mittleren Unternehmens-Umspannwerken, sekundären Schaltstationen, Bodenmontage-Umspannwerken und Kabelverteilboxen eingesetzt.

1.4 Arten von Ringverteilern

• Luftisolierte RMUs: Verwenden Luft als Isolationsmedium; diese Geräte sind groß, benötigen viel Platz und sind anfällig gegenüber Umweltbedingungen.

• SF₆-RMUs: Verwenden Schwefelhexafluorid (SF₆)-Gas als Isolations- und Bogenlöschmedium. Der Hauptschalter ist in einem Metallgehäuse mit SF₆ gefüllt versiegelt, während der Betriebsmechanismus außen liegt. Das versiegelte Design minimiert den Umweltauswirkungen und ermöglicht einen deutlich geringeren Platzbedarf im Vergleich zu luftisolierten Geräten. SF₆-RMUs sind derzeit die am häufigsten verwendete Art.

• Festisolierte RMUs: Verwenden feste Isoliermaterialien (z.B. Epoxidharz), um Schalter und alle lebenden Teile einzukapseln und zu gießen. Dieses Design reduziert die Phasen-zu-Phasen- und Phasen-zu-Erde-Isolationsdistanzen, was zu kompakten Abmessungen führt, vergleichbar mit SF₆-RMUs. Darüber hinaus eliminieren sie SF₆-Emissionen und können wartungsfrei betrieben werden.

2 Grenzen von SF₆-Ringverteilern

SF₆ ist ein wichtiger Beitrag zum Treibhauseffekt. Trotz seiner ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften – wie hoher Dielektrizitätsstärke, effektiver Bogenlöschung, guter thermischer Stabilität und starker Elektronegativität – und seiner Unempfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit, Verschmutzung und großer Höhen, was es ideal für kompakte elektrische Ausrüstung macht, gilt SF₆ als ein starkes Treibhausgas. Etwa 80% der weltweiten SF₆-Produktion wird in der Energiewirtschaft verwendet. Sowohl das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) als auch die U.S. Environmental Protection Agency (EPA) klassifizieren SF₆ als eines der schädlichsten Treibhausgase. Die EU-F-Gas-Verordnung (2006) verbietet die Verwendung von SF₆ in den meisten Anwendungen, außer dort, wo keine praktikablen Alternativen für elektrische Schaltanlagen existieren.

Darüber hinaus erfordern SF₆-RMUs eine hohe Nutzungskomplexität und erhebliche Investitionen, einschließlich verschiedener Hilfsgeräte:

• SF₆-Leckdetektionssysteme zur Überwachung von Gasleckagen, Konzentration, Sauerstoffgehalt und Feuchtigkeit.

• SF₆-Wiederaufbereitungsgeräte: Bei der Bogenunterbrechung entstehen Nebenprodukte wie SF₄; daher müssen am Lebensende nicht nur Reste von SF₆ zurückgewonnen, sondern auch toxische Nebenprodukte speziell behandelt werden.

• SF₆-Reinigungssysteme zur Reinigung und Wiederverwendung des Gases.

• Lüftungssysteme in Umspannwerken.

Bei der Verwendung von SF₆-RMUs müssen folgende Maßnahmen eingehalten werden:

• Minimieren Sie SF₆-Leckagen. Obwohl SF₆-RMUs überdruck-versiegelte Gehäuse verwenden, ist Gasleckage unvermeidlich. Reduzierter Gasdruck senkt die Schaltzuverlässigkeit, gefährdet direkt die Personalsicherheit und verkürzt die Lebensdauer der Ausrüstung.

• Personal muss vor dem Betreten von Umspannwerken mit SF₆-Ausrüstung gezwungene Lüftung durchführen und spezielle Schutzkleidung tragen.

• Die Operationen sind komplex und erfordern gründliche und wiederholte Schulungen für das relevante Personal.

3 Merkmale und Anwendungen von festisolierten Ringverteilern

Die potenziellen Umweltgefahren, die mit SF₆-Ringverteilern (RMUs) verbunden sind, haben ihre weitere Entwicklung begrenzt, sodass die Suche nach SF₆-Alternativen ein zentrales Forschungsthema weltweit ist. Festisolierte RMUs wurden Ende der 1990er Jahre erstmals von der Eaton Corporation in den USA entwickelt und eingeführt. Diese Geräte produzieren während des Betriebs keine schädlichen Gase, haben keinen Umweltimpact, bieten höhere Zuverlässigkeit und erreichen eine echte wartungsfreie Betriebsweise.

Ein festisoliertes RMU integriert Vakuumschalter, Trennschalter, Erdungsschalter, Hauptleiter, Zweigbusleiter oder Kombinationen davon, die in Epoxidharz oder andere feste Isoliermaterialien eingeschlossen sind. Diese Komponenten sind in vollständig isolierten und versiegelten funktionalen Modulen versiegelt, die neu kombiniert oder erweitert werden können. Leitfähige oder halbleitfähige Abschirmungsschichten werden auf den äußeren Oberflächen der Module angewendet, die für das Personal zugänglich sind, um eine zuverlässige Erdung zu gewährleisten.

3.1 Merkmale von festisolierten Ringverteilern

(1) Umweltfreundliches Design. Diese Geräte verwenden kein SF₆ als Isolations- oder Bogenlöschmedium. Stattdessen verwenden sie Vakuumschalter für das Schalten und umweltfreundliche, recycelbare Materialien für die primäre Isolation. Durch die Minimierung der Komponentenzahl stellen sie niedrigen Energieverbrauch und reduzierte Ausfallraten während des Betriebs sicher.

(2) Wirklich wartungsfrei. Festisolierte RMUs eliminieren die Notwendigkeit von SF₆-Druckbehältern. Die interne Isolation und Bogenunterbrechung basieren auf Vakuumtechnologie, während die externe Isolation feste Materialien wie Isoliergehäuse verwendet. Durch Gießtechnik werden Vakuumschalter, Hauptleiterweg und Isolierstützen in eine Einheit versiegelt, die in einem Metallgehäuse abgeschlossen ist, was die Leistung immun gegen externe Umwelteinflüsse macht. Die vollständig isolierte und versiegelte Struktur eliminiert die Notwendigkeit von SF₆-Leckdetektion, Gasnachfüllung und Entsorgung, was eine wirklich wartungsfreie Betriebsweise ermöglicht.

(3) Hohe Kosteneffizienz. Obwohl die anfängliche Investition für festisolierte RMUs leicht höher ist als die für SF₆-RMUs, ist die Gesamtlebenszykluskosten signifikant niedriger, wie in Tabelle 1 gezeigt. Benutzer berücksichtigen zunehmend umfassende Faktoren wie Sicherheitsrisiken, Stromqualität, Kostenkontrolle und Nachhaltigkeit – nicht nur den anfänglichen Kaufpreis, sondern auch die Gesamtkosten des Eigentums. Die kumulativen Kosten für Wartung, Gasnachfüllung, Leckmanagement und End-of-Life-Recycling für SF₆-RMUs können ihren anfänglichen Kaufpreis nähern, während festisolierte RMUs nach der Installation keine zusätzlichen Kosten erfordern. Daher bieten festisolierte RMUs aus langfristiger Sicht überlegene wirtschaftliche Vorteile.

(4) Kompakte Struktur. Entworfen, um so kompakt wie möglich zu sein, während Sicherheit und einfache Bedienung gewährleistet werden, haben diese Geräte einen kleineren Fußabdruck und Volumen als sogar SF₆-RMUs, was Benutzern hilft, Platz zu sparen und direkte wirtschaftliche Vorteile zu erzielen.

(5) Innere Bogenfehlerresistenz, erhöhte Sicherheit und Zuverlässigkeit. Gemäß Exnis-Berichten treten erhebliche Verluste durch innere Bögen in primären und sekundären Schaltanlagen mindestens einmal jährlich auf. Die meisten festisolierten RMUs verfügen über bogenresistente Designs, die die Auswirkungen von inneren Bögen minimieren und sicherere und zuverlässigere Betriebsweise gewährleisten.

(6) Sichtbare Isolationslücken. Mit Beobachtungsfenstern ausgestattet, ermöglichen diese Geräte eine direkte visuelle Inspektion der Kontakte der Dreipositionstrennschalter, um sichtbare Trennpunkte sicherzustellen und die Sicherheit des Bedienpersonals zu erhöhen.

(7) Intelligente Funktionen. Festisolierte RMUs sind besser anpassungsfähig an die Verteilungsautomatisierung. Durch die Installation von Verteilungsendgeräten (DTUs) und Kommunikationsgeräten können Funktionen wie Statusüberwachung, Fernsteuerung ("vier fern"), Kommunikation, Selbstdiagnose und Ereignisprotokollierung leicht implementiert werden.

3.2 Aktueller Anwendungsstatus

Derzeit wird die weite Verbreitung von festisolierten RMUs durch ihre relativ hohen Kosten und komplexe Herstellungsprozesse eingeschränkt. Ihre Produktion erfordert eine höhere technische Präzision als SF₆-isolierte RMUs. Unzureichende Herstellungstechniken können zu größeren Isolationsrisiken, höheren Ausfallwahrscheinlichkeiten und erhöhten Gefahren im Vergleich zu SF₆-RMUs führen, was eine strenge Kontrolle der Rohstoffqualität und Prozessstandards erforderlich macht. Darüber hinaus sind die Verkabelungskonfigurationen von festisolierten RMUs weniger flexibel, insbesondere für funktionale Einheiten wie Spannungswandlern (PT)-Schränke und Messschränke, bieten begrenzte Optionen und beschränken ihre Anwendung und Entwicklung.

Durch die kontinuierliche Optimierung der Produktionsprozesse und zunehmende Standardisierung wird die Qualität von festisolierten RMUs stabiler und die Preise sinken allmählich. Einige Länder bieten 5%-10% Anreize für Produkte, die kein SF₆ verwenden, um Emissionen zu reduzieren. Dies ermutigt Benutzer, die Gesamtlebenszykluskosten zu berücksichtigen, anstatt nur den anfänglichen Kaufpreis. Basierend auf internationalen Praktiken können festisolierte RMUs in umweltbewussten oder neuen Projekten wie Wohngebieten, öffentlichen Gebäuden und kommunalen Infrastrukturen priorisiert werden, während SF₆-RMUs schrittweise ausgemustert werden.

Alternde oder end-of-life SF₆-RMUs können systematisch basierend auf der vom Hersteller angegebenen Dienstlebensdauer ersetzt werden. Subventionen für Benutzer, die umweltfreundliche festisolierte RMUs einsetzen, können die Berücksichtigung der Lebenszykluskosten weiter unterstützen, die Produktadoption fördern und umweltverantwortliche Technologien vorantreiben. Mit wachsendem Umweltbewusstsein werden festisolierte RMUs, als eine Alternative zu SF₆-RMUs, allmählich einen Teil der bestehenden SF₆-Einheiten ersetzen und breite Anwendung finden, was starke Marktpotenziale aufweist.

4 Schlussfolgerung

Festisolierte RMUs sind technisch vergleichbar mit SF₆-RMUs und verfügen über einzigartige Vorteile wie null schädliche Emissionen, wirklich wartungsfreien Betrieb und niedrigere Gesamtlebenszykluskosten, was sie zunehmend attraktiv für Benutzer macht. Die "Erste Liste der Prioritätsfortschreibung wichtiger neuen Technologien" des State Grid Corporation of China (2011) stellte fest, dass, angesichts der Trends zu höherer technischer Zuverlässigkeit und strengeren Umweltanforderungen, festisolierte RMUs bereit sind, SF₆-RMUs vollständig zu ersetzen.

Darüber hinaus bestätigte die "Technische Spezifikation für 12 kV festisolierte Ringverteilgeräte", die 2012 vom State Grid Corporation veröffentlicht wurde, dass festisolierte RMUs technisch in der Lage sind, komplexe Betriebsanforderungen zu erfüllen und eine neue Richtung in der Entwicklung von RMUs darstellen, die aktiv gefördert werden sollten. Dies markiert die formelle Anerkennung von festisolierten RMUs durch die Industrie und die technische Gemeinschaft. Als praktikable Alternative zu SF₆-RMUs werden festisolierte RMUs allmählich einen Teil der bestehenden SF₆-Einheiten ersetzen, breite Anwendung finden und exzellente Aussichten für die zukünftige Entwicklung aufweisen.