SF₆ برابر با RMUهای عایق جامد: کدام یک برای سیستم توزیع برق شما مناسب‌تر است

1 دایره‌ای شبکه تأمین برق و واحد های اصلی دایره‌ای

با پیشرفت شهرنشینی، نیاز به قابلیت اطمینان بالاتر در توزیع برق ادامه می‌یابد و تعداد کاربرانی که به دو یا چند منبع تأمین برق نیاز دارند در حال افزایش است. روش سنتی "تأمین برق شعاعی" با چالش‌هایی مانند مشکلات نصب کابل، تشخیص پیچیده خطا و عدم انعطاف‌پذیری در به‌روزرسانی و گسترش شبکه مواجه است. در مقابل، "تأمین برق دایره‌ای" امکان داشتن دو یا چند منبع برای بارهای حیاتی را فراهم می‌کند، خطوط توزیع را ساده می‌کند، نصب کابل را تسهیل می‌کند، تعداد دستگاه‌های قطع کننده را کاهش می‌دهد، نرخ خرابی را کاهش می‌دهد و مکان‌یابی خطا را آسان‌تر می‌کند.

1.1 تأمین برق دایره‌ای

تأمین برق دایره‌ای به یک ساختار اشاره دارد که در آن دو یا چند خط خروجی از زیرстанیون‌های مختلف یا بارهای مختلف یک زیرستانیون به یک حلقه بسته متصل می‌شوند تا برق توزیع شود. مزیت اصلی آن این است که هر شاخه توزیع می‌تواند از هر دو طرف حلقه برق دریافت کند. اگر یک طرف خراب شود، برق همچنان از طرف دیگر تأمین می‌شود. اگرچه در حالت حلقه تک عمل می‌کند، اما هر شاخه به طور موثر سطح قابلیت اطمینان دو منبع برق را دارد که به طور قابل توجهی قابلیت اطمینان سیستم را افزایش می‌دهد. در چین، سیستم‌های توزیع برق دایره‌ای شهری از "معیار امنیت N-1" پیروی می‌کنند، یعنی اگر یکی از N بار خراب شود، N-1 بار باقی‌مانده همچنان بدون قطع یا کاهش بار تأمین می‌شوند.

1.2 ساختارهای اتصال دایره‌ای

(1) اتصال دایره‌ای پایه: یک منبع برق با کابل‌هایی که یک حلقه را تشکیل می‌دهند، ادامه تأمین برق به بارهای دیگر در صورت خرابی یک بخش کابل (به شکل 1 مراجعه کنید).

(2) اتصال دایره‌ای از بارهای مختلف: دو منبع برق که معمولاً در حالت باز عمل می‌کنند، ارائه قابلیت اطمینان بالا و عملکرد انعطاف‌پذیر (به شکل 2 مراجعه کنید).

(3) ساختار دایره‌ای تک: منابع برق از زیرستانیون‌های مختلف یا بارهای مختلف؛ نگهداری هر بخش کابل باعث قطع برق به هیچ باری نمی‌شود (به شکل 3 مراجعه کنید).

(4) ساختار دایره‌ای دوگانه: هر بار از دو شبکه دایره‌ای مستقل تأمین می‌شود، ارائه قابلیت اطمینان بسیار بالا (به شکل 4 مراجعه کنید).

(5) اتصال دوگانه دو "T": دو خط کابلی به بخش‌های مختلف بار متصل می‌شوند، اجازه می‌دهد هر بار از هر دو خط برق دریافت کند. این ساختار تأمین برق نزدیک به مداوم برای کاربران دو منبع را ارائه می‌دهد و برای کاربردهای حیاتی بسیار مناسب است (به شکل 5 مراجعه کنید).

1.3 واحد های اصلی دایره‌ای و ویژگی‌های آنها

واحد اصلی دایره‌ای (RMU) یک دستگاه قطع کننده است که در سیستم‌های توزیع برق دایره‌ای استفاده می‌شود، معمولاً شامل قطع کننده‌های بار، قطع کننده‌های مدار، ترکیب‌های قطع کننده‌های بار و جریان، ترکیب‌های بار، دستگاه‌های اندازه‌گیری، ترانسفورماتورهای ولتاژ یا هر ترکیبی از آنها است. RMUها فشرده، جایگاه‌های کوچک، هزینه‌های کم، نصب آسان و راه‌اندازی سریع هستند و نیاز به "کوچک‌سازی تجهیزات" را برآورده می‌کنند. آنها به طور گسترده در جوامع مسکونی، ساختمان‌های عمومی، زیرستانیون‌های کوچک و متوسط، ایستگاه‌های تغییر دهنده دوم، زیرستانیون‌های پلاکی و جعبه‌های توزیع کابل استفاده می‌شوند.

1.4 انواع واحد های اصلی دایره‌ای

• RMUهای عایق‌بندی هوایی: از هوا به عنوان ماده عایق‌بندی استفاده می‌کنند؛ این واحدها حجم بزرگی دارند، فضای بیشتری نیاز دارند و به شرایط محیطی حساس هستند.

• RMUهای SF₆: از گاز هگزافلورید سولفور (SF₆) به عنوان ماده عایق‌بندی و خاموش‌کننده قوس استفاده می‌کنند. قطع کننده اصلی در یک پوشش فلزی که با SF₆ پر شده است قرار دارد، در حالی که مکانیسم عملیاتی در خارج قرار دارد. طراحی بسته‌ای تأثیرات محیطی را کاهش می‌دهد و فوت‌پرینت کوچک‌تری نسبت به واحدهای عایق‌بندی هوایی ارائه می‌دهد. RMUهای SF₆ در حال حاضر بیشترین مورد استفاده را دارند.

• RMUهای عایق‌بندی جامد: از مواد عایق‌بندی جامد (مانند رزین اپوکسی) برای پوشاندن و ریخته‌گری قطع کننده‌ها و تمام قسمتهای زنده استفاده می‌کنند. این طراحی فاصله عایق‌بندی بین فازها و فاز به زمین را کاهش می‌دهد و ابعاد فشرده‌ای مشابه RMUهای SF₆ ارائه می‌دهد. علاوه بر این، آنها انتشار SF₆ را حذف می‌کنند و عملکرد بدون نگهداری را ارائه می‌دهند.

2 محدودیت‌های RMUهای SF₆

SF₆ یکی از عوامل اصلی گرم شدن جهانی است. با وجود خصوصیات الکتریکی عالی‌اش - مانند مقاومت عایق‌بندی بالا، خاموش‌کننده قوس موثر، پایداری حرارتی خوب و الکترونگاتیویت قوی - و حساسیت کم به رطوبت، آلودگی و ارتفاعات بالا که آن را برای تجهیزات الکتریکی فشرده مناسب می‌کند، SF₆ به عنوان یک گاز گلخانه‌ای قدرتمند شناخته شده است. حدود 80٪ از تولید جهانی SF₆ در صنعت برق استفاده می‌شود. هر دو IPCC و EPA آمریکا SF₆ را به عنوان یکی از گازهای گلخانه‌ای مضرترین شناسایی می‌کنند. مقررات F-Gas اتحادیه اروپا (2006) استفاده از SF₆ را در بیشتر کاربردها ممنوع می‌کند، مگر در مواردی که جایگزینی قابل قبول برای تجهیزات قطع کننده الکتریکی وجود ندارد.

علاوه بر این، RMUهای SF₆ شامل پیچیدگی استفاده بالا و سرمایه‌گذاری قابل توجه هستند و نیاز به تجهیزات کمکی مختلفی دارند:

• سیستم‌های کشف نشت SF₆ برای نظارت بر نشت گاز، غلظت، سطح اکسیژن و محتوای رطوبت.

• تجهیزات بازیابی SF₆: در زمان خاموش‌کردن قوس، محصولات جانبی مانند SF₄ تولید می‌شوند؛ بنابراین، در پایان عمر، نه تنها SF₆ باقی‌مانده باید بازیابی شود، بلکه محصولات سمی جانبی نیز باید به طور خاص پردازش شوند.

• سیستم‌های تمیزکاری SF₆ برای تمیز کردن و مجدد استفاده از گاز.

• سیستم‌های تهویه در زیرستانیون‌ها.

هنگام استفاده از RMUهای SF₆، اقدامات زیر باید رعایت شود:

• کاهش نشت SF₆. اگرچه RMUهای SF₆ از پوشش‌های بسته با فشار بالا استفاده می‌کنند، اما نشت گاز اجتناب‌ناپذیر است. کاهش فشار گاز موجب کاهش قابلیت اطمینان قطع می‌شود، مستقیماً ایمنی کارکنان را در معرض خطر قرار می‌دهد و عمر تجهیزات را کوتاه می‌کند.

• کارکنان باید قبل از ورود به زیرستانیون‌هایی که تجهیزات SF₆ دارند، تهویه اجباری انجام دهند و لباس‌های محافظ خاص بپوشند.

• عملیات پیچیده است و نیاز به آموزش جامع و مکرر برای کارکنان مربوطه دارد.

3 ویژگی‌ها و کاربردهای RMUهای عایق‌بندی جامد

خطرات محیطی مرتبط با RMUهای SF₆ توسعه آنها را محدود کرده است، که باعث شده جستجوی جایگزین‌های SF₆ یکی از تمرکز‌های تحقیقاتی مهم در سراسر جهان باشد. RMUهای عایق‌بندی جامد ابتدا در اواخر دهه 1990 توسط شرکت Eaton ایالات متحده توسعه یافته و معرفی شدند. این واحدها در طول عملکرد هیچ گاز مضری تولید نمی‌کنند، هیچ تأثیر محیطی ندارند، قابلیت اطمینان بالاتری دارند و عملکرد واقعاً بدون نگهداری را ارائه می‌دهند.

یک RMU عایق‌بندی جامد شامل قطع کننده‌های خلاء، قطع کننده‌های جدا، قطع کننده‌های زمین، رسانه‌های اصلی، بارهای شاخه‌ای یا ترکیب آنها است که در رزین اپوکسی یا مواد عایق‌بندی جامد دیگر پوشانده شده‌اند. این مولفه‌ها در ماژول‌های عملکردی کاملاً عایق‌بندی شده و بسته شده هستند که می‌توانند بازسازی یا گسترش یابند. لایه‌های محافظ رسانا یا نیمه‌رسانا روی سطوح خارجی ماژول‌های در دسترس کارکنان اعمال می‌شوند تا زمین‌کشی مطمئن ارائه شود.

3.1 ویژگی‌های RMUهای عایق‌بندی جامد

(1) طراحی دوستانه محیطی. این واحدها از SF₆ به عنوان ماده عایق‌بندی یا خاموش‌کننده قوس استفاده نمی‌کنند. به جای آن، از قطع کننده‌های خلاء برای قطع و مواد اولیه قابل بازیافت و بی‌ضرر برای عایق‌بندی اصلی استفاده می‌کنند. با کاهش تعداد مولفه‌ها، مصرف انرژی کم و نرخ خرابی کمتر در طول عملکرد را تضمین می‌کنند.

(2) واقعاً بدون نگهداری. RMUهای عایق‌بندی جامد نیاز به ظروف فشار SF₆ را حذف می‌کنند. عایق‌بندی داخلی و خاموش‌کردن قوس از تکنولوژی خلاء استفاده می‌کنند، در حالی که عایق‌بندی خارجی از مواد جامد مانند پوشش‌های عایق‌بندی استفاده می‌کند. از طریق تکنولوژی ریخته‌گری، قطع کننده خلاء، مسیر رسانای اصلی و پشتیبانی‌های عایق‌بندی در یک واحد بسته شده در یک پوشش فلزی یکپارچه می‌شوند که عملکرد آنها از عوامل محیطی خارجی مستثنی می‌شود. ساختار کاملاً عایق‌بندی شده و بسته شده نیاز به کشف نشت SF₆، پر کردن مجدد گاز و مدیریت ضایعات را حذف می‌کند و عملکرد واقعاً بدون نگهداری را ارائه می‌دهد.

(3) ارزش اقتصادی بالا. اگرچه سرمایه‌گذاری اولیه برای RMUهای عایق‌بندی جامد کمی بالاتر از RMUهای SF₆ است، اما هزینه‌های چرخه حیات کلی به طور قابل توجهی کمتر است، مانند جدول 1. کاربران به طور رو به افزون عوامل جامعی مانند ریسک‌های ایمنی، کیفیت برق، کنترل هزینه و پایداری را در نظر می‌گیرند - نه فقط قیمت خرید اولیه - بلکه هزینه‌های کلی مالکیت را. هزینه‌های تجمعی نگهداری، پر کردن مجدد گاز، مدیریت نشت و بازیابی پایان عمر برای RMUهای SF₆ می‌تواند به قیمت خرید اولیه آنها نزدیک شود، در حالی که RMUهای عایق‌بندی جامد بعد از نصب هیچ هزینه اضافی نیاز ندارند. بنابراین، از دیدگاه بلندمدت، RMUهای عایق‌بندی جامد مزایای اقتصادی برتری دارند.

(4) ساختار فشرده. طراحی شده است تا به حد امکان فشرده باشد در حالی که ایمنی و راحتی عملکرد را تضمین می‌کند، این واحدها فوت‌پرینت و حجم کوچک‌تری نسبت به حتی RMUهای SF₆ دارند که به کاربران کمک می‌کند فضا را صرفه‌جویی کنند و منافع اقتصادی مستقیم را به دست آورند.

(5) مقاومت در برابر خطا داخلی قوس، ایمنی و قابلیت اطمینان بالاتر. بر اساس گزارش‌های Exnis، خسارات قابل توجهی به دلیل قوس داخلی در تجهیزات تغییر دهنده اولیه و ثانویه حداقل یک بار در سال رخ می‌دهد. بیشتر RMUهای عایق‌بندی جامد طراحی‌های مقاوم در برابر قوس را دارند که تأثیر قوس‌های داخلی را کاهش می‌دهند و عملکرد ایمن‌تر و قابل اطمینان‌تری را تضمین می‌کنند.

(6) فاصله‌های جداکننده قابل مشاهده. با داشتن پنجره‌های مشاهده، این واحدها امکان مشاهده مستقیم تماس‌های قطع کننده جداکننده سه وضعیت را فراهم می‌کنند که فاصله‌های جداکننده قابل مشاهده را تضمین می‌کند و ایمنی عملگر را افزایش می‌دهد.

(7) قابلیت‌های هوشمند. RMUهای عایق‌بندی جامد به سادگی قابلیت اتصال به خودکار سازی توزیع را دارند. با نصب واحدهای انتهایی توزیع (DTU) و دستگاه‌های ارتباطی، عملکردهایی مانند نظارت بر وضعیت، کنترل دوردست ("چهار دوردست"، چهار ریموت)، ارتباطات، تشخیص خودکار و ثبت رویداد به سادگی قابل اجرا هستند.

3.2 وضعیت کاربرد فعلی

در حال حاضر، گسترش گسترده RMUهای عایق‌بندی جامد به دلیل هزینه‌های نسبتاً بالا و فرآیندهای تولید پیچیده محدود است. تولید آنها نیاز به دقت فنی بیشتری نسبت به RMUهای عایق‌بندی شده با SF₆ دارد. تکنیک‌های تولید ناکافی می‌تواند منجر به خطرات عایق‌بندی بیشتر، احتمال خرابی بالاتر و خطرات بیشتر نسبت به RMUهای SF₆ شود که نیاز به کنترل دقیق کیفیت مواد اولیه و استانداردهای فرآیندی دارد. علاوه بر این، ساختارهای کابلی RMUهای عایق‌بندی جامد کمتر انعطاف‌پذیر هستند، به ویژه برای واحدهای عملکردی مانند جعبه‌های ترانسفورماتور پتانسیل (PT) و جعبه‌های اندازه‌گیری، گزینه‌های محدودی دارند و کاربرد و توسعه آنها را محدود می‌کنند.

با بهینه‌سازی مداوم فرآیندهای تولید و استانداردسازی افزایشی، کیفیت RMUهای عایق‌بندی جامد به طور مداوم پایدار می‌شود و قیمت‌ها به تدریج کاهش می‌یابند. برخی کشورها تشویق‌های 5٪-10٪ برای محصولاتی که از SF₆ استفاده نمی‌کنند به منظور کاهش انتشارات ارائه می‌دهند. این تشویق‌ها کاربران را تشویق می‌کند تا هزینه‌های چرخه حیات کلی را در نظر بگیرند و نه فقط قیمت خرید اولیه. با توجه به تجربیات بین‌المللی، RMUهای عایق‌بندی جامد می‌توانند در پروژه‌های حساس محیطی یا پروژه‌های جدید - مانند جوامع مسکونی، ساختمان‌های عمومی و زیرساخت‌های شهری - اولویت داده شوند، در حالی که به تدریج RMUهای SF₆ فاز‌آوری می‌شوند.

RMUهای SF₆ قدیمی یا پایان عمر می‌توانند بر اساس عمر خدمت مشخص شده توسط سازنده به طور سیستماتیک جایگزین شوند. تشویق‌های مالی برای کاربرانی که از RMUهای عایق‌بندی جامد دوستانه محیطی استفاده می‌کنند می‌تواند به تشویق در نظر گرفتن هزینه‌های چرخه حیات، افزایش پذیرش محصول و پیشرفت تکنولوژی‌های محیطی مسئولانه کمک کند. با افزایش آگاهی محیطی، RMUهای عایق‌بندی جامد به عنوان یکی از جایگزین‌های RMUهای SF₆ به تدریج بخشی از واحدهای موجود SF₆ را جایگزین می‌کنند و کاربرد گسترده‌ای پیدا می‌کنند و پتانسیل بازار قوی را نشان می‌دهند.

4 نتیجه‌گیری

RMUهای عایق‌بندی جامد از نظر فنی با RMUهای SF₆ قابل مقایسه هستند و مزایای منحصر به فردی مانند عدم تولید گازهای مضر