SF₆ در برابر RMUهای عایق جامد: کدام یک برای سیستم توزیع برق شما بهتر است

Echo

فیلد: تحلیل ترانسفورماتور

China

1 شبکه حلقه‌ای تأمین برق و واحدهای اصلی شبکه حلقه‌ای

با پیشرفت شهرنشینی، تقاضا برای قابلیت اطمینان بالاتر در توزیع برق افزایش می‌یابد و تعداد کاربرانی که به دو یا چند منبع تأمین برق نیاز دارند، افزایش می‌یابد. 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 شبکه حلقه‌ای" امکان داشتن دو یا چند منبع برای بارهای مهم را فراهم می‌کند، خطوط توزیع را ساده‌تر می‌کند، نصب کابل را تسهیل می‌کند، تعداد دستگاه‌های جابجایی را کاهش می‌دهد، نرخ خرابی را کاهش می‌دهد و محل خرابی را ساده‌تر می‌کند.

1.1 تأمین برق شبکه حلقه‌ای

تأمین برق شبکه حلقه‌ای به یک ساختار اشاره دارد که در آن دو یا چند خط خروجی از زیرстанسیون‌های مختلف یا از میله‌های مختلف همان زیرستانسیون به یکدیگر متصل می‌شوند تا یک حلقه بسته برای توزیع برق تشکیل دهند. مزیت اصلی آن این است که هر شاخه توزیع می‌تواند از هر یک از دو طرف حلقه برق دریافت کند. اگر یک طرف خراب شود، برق همچنان می‌تواند از طرف دیگر تأمین شود. اگرچه در حالت حلقه تک عمل می‌کند، اما هر شاخه به طور موثر سطح قابلیت اطمینان دو منبع برق را دارد و قابلیت اطمینان سیستم را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. در چین، سیستم‌های تأمین برق شبکه حلقه‌ای شهری به "معیار امنیت N-1" پیروی می‌کنند، به این معنا که اگر یکی از N بار خراب شود، N-1 بار باقی‌مانده همچنان می‌توانند بدون قطع یا کاهش بار به صورت ایمن تأمین شوند.

1.2 ساختارهای اتصال شبکه حلقه‌ای

(1) اتصال حلقه اساسی: یک منبع برق با کابل‌هایی که حلقه را تشکیل می‌دهند، تضمین می‌کند که اگر یک بخش کابل خراب شود، برق به بارهای دیگر همچنان تأمین می‌شود (به شکل 1 مراجعه کنید).

(2) اتصال حلقه از میله‌های مختلف: دو منبع برق، معمولاً در حالت حلقه باز عمل می‌کنند، امنیت بالا و عملکرد انعطاف‌پذیر را ارائه می‌دهند (به شکل 2 مراجعه کنید).

(3) ساختار حلقه تک: منابع برق از زیرستانسیون‌های مختلف یا میله‌های مختلف مشتق می‌شوند؛ تعمیر هر بخش کابل از برق بارها قطع نمی‌کند (به شکل 3 مراجعه کنید).

(4) ساختار حلقه دوگانه: هر بار از دو شبکه حلقه مستقل تأمین می‌شود، امنیت بسیار بالا ارائه می‌دهد (به شکل 4 مراجعه کنید).

(5) اتصال دوگانه "T": دو خط کابلی به بخش‌های مختلف میله متصل می‌شوند، امکان می‌دهد هر بار از هر دو خط برق دریافت کند. این ساختار تأمین برق تقریباً پیوسته برای کاربران دو منبعی را تضمین می‌کند و برای کاربردهای حیاتی بسیار مناسب است (به شکل 5 مراجعه کنید).

1.3 واحدهای اصلی شبکه حلقه‌ای و ویژگی‌های آنها

واحد اصلی شبکه حلقه‌ای (RMU) یک دستگاه جابجایی است که در سیستم‌های تأمین برق شبکه حلقه‌ای استفاده می‌شود و معمولاً شامل دستگاه‌های جابجایی بار، دستگاه‌های قطع کننده، ترکیب‌های قطع کننده و اجرایی، میله‌های اتصال، دستگاه‌های اندازه‌گیری، ترانسفورماتورهای ولتاژ یا هر ترکیبی از آنها است. RMUs فشرده، فضای کمتری مصرف می‌کنند، ارزان‌تر هستند، نصب آسان و سریع بهره‌برداری می‌شوند و به تقاضای "کوچک‌سازی تجهیزات" پاسخ می‌دهند. آنها به طور گسترده در جوامع مسکونی، ساختمان‌های عمومی، زیرستانسیون‌های کوچک و متوسط، زیرستانسیون‌های ثانویه، زیرستانسیون‌های پد-مونت و جعبه‌های توزیع کابل استفاده می‌شوند.

1.4 انواع واحدهای اصلی شبکه حلقه‌ای

RMUs عایق‌بندی هوا: از هوا به عنوان ماده عایق‌بندی استفاده می‌کنند؛ این واحد‌ها حجم بزرگی دارند، فضای بیشتری نیاز دارند و به شرایط محیطی حساس هستند.
RMUs SF₆: از گاز سولفور هگزافلورید (SF₆) به عنوان ماده عایق‌بندی و خاموش‌کننده قوس استفاده می‌کنند. دستگاه اصلی در یک پوشش فلزی بسته شده که با SF₆ پر شده است، در حالی که مکانیسم عملیاتی در خارج قرار دارد. طراحی بسته شده تأثیرات محیطی را کاهش می‌دهد و فوت‌پرینت کوچک‌تری نسبت به واحدهای عایق‌بندی هوا دارد. RMUs SF₆ در حال حاضر پرکاربردترین نوع هستند.
RMUs عایق‌بندی جامد: از مواد عایق‌بندی جامد (مانند رزین اپوکسی) برای پوشش و ریخته‌گری دستگاه‌ها و همه قسمت‌های زنده استفاده می‌کنند. این طراحی فاصله عایق‌بندی بین فاز‌ها و فاز-به-زمین را کاهش می‌دهد و ابعاد کوچکی مانند RMUs SF₆ دارد. علاوه بر این، انتشار SF₆ را حذف می‌کند و عملکرد بدون نگهداری را میسر می‌کند.

2 محدودیت‌های واحدهای اصلی شبکه حلقه‌ای SF₆

SF₆ یکی از مهم‌ترین عوامل اثر گلخانه‌ای است. با وجود خصوصیات الکتریکی عالی مانند مقاومت عایقی بالا، خاموش‌کنندگی مؤثر قوس، 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 بسیار مضر شناخته شده است. حدود 80٪ از تولید SF₆ جهانی در صنعت برق استفاده می‌شود. هر دوی پانل بین‌المللی تغییرات اقلیم (IPCC) و سازمان حفاظت از محیط زیست آمریکا (EPA) SF₆ را یکی از گازهای گلخانه‌ای مضرترین می‌شناسند. مقررات F-گاز اتحادیه اروپا (2006) استفاده از SF₆ را در بیشتر کاربردها ممنوع می‌کند، مگر جایی که جایگزینی قابل قبول برای تجهیزات جابجایی الکتریکی وجود ندارد.

علاوه بر این، RMUs SF₆ شامل پیچیدگی‌های استفاده بالا و سرمایه‌گذاری قابل توجهی هستند که نیازمند تجهیزات کمکی مختلفی هستند:

سیستم‌های تشخیص نشت SF₆ برای 监视气体泄漏、浓度、氧气水平和水分含量。
SF₆回收设备：在电弧中断期间，会产生SF₄等副产品；因此，在寿命结束时，不仅要回收剩余的SF₆，还要特别处理有毒副产品。
SF₆净化系统以清洁和再利用气体。
变电站通风系统。

使用SF₆环网柜时，必须遵守以下措施：

尽量减少SF₆泄漏。尽管SF₆环网柜采用过压密封外壳，但气体泄漏是不可避免的。气压降低会降低开关可靠性，直接危及人员安全并缩短设备寿命。
人员进入装有SF₆设备的变电站前，必须进行强制通风并穿戴专用防护装备。
操作复杂，需要对相关人员进行彻底和反复的培训。

3 固体绝缘环网柜的特点和应用

SF₆环网柜（RMU）潜在的环境危害限制了其进一步发展，寻找SF₆替代品已成为全球研究的重点。固体绝缘环网柜于20世纪90年代末由美国伊顿公司首次开发并推出。这些装置在运行过程中不会产生有害气体，没有环境影响，具有更高的可靠性，并实现了真正的免维护操作。

固体绝缘环网柜集成了真空断路器、隔离开关、接地开关、主导体、分支母线或其组合，封装在环氧树脂或其他固体绝缘材料中。这些组件被密封在完全绝缘和完全密封的功能模块中，可以重新组合或扩展。在可接触的模块外表面涂覆导电或半导电屏蔽层，确保可靠的接地。

3.1 固体绝缘环网柜的特点

(1) 环保设计。这些装置不使用SF₆作为绝缘或灭弧介质，而是采用真空断路器进行切换，并使用环保、可回收的材料作为主要绝缘材料。通过减少组件数量，确保低能耗和运行中的故障率。

(2) 真正的免维护。固体绝缘环网柜消除了SF₆压力容器的需求。内部绝缘和灭弧依靠真空技术，而外部绝缘则使用固体材料如绝缘外壳。通过浇注技术，将真空断路器、主导电路径和绝缘支撑集成在一个单元中，并密封在金属外壳内，使性能不受外部环境因素的影响。全绝缘和密封结构消除了SF₆泄漏检测、气体充填和废物处理的需要，从而实现真正的免维护操作。

(3) 高性价比。虽然固体绝缘环网柜的初始投资略高于SF₆环网柜，但总生命周期成本显著较低，如表1所示。用户越来越多地考虑综合因素，如安全风险、电能质量、成本控制和可持续性——而不仅仅是初始购买价格——还包括总拥有成本。SF₆环网柜的维护、气体充填、泄漏管理和寿命终结回收的累积成本可能接近其初始购买成本，而固体绝缘环网柜在安装后不需要额外费用。因此，从长远来看，固体绝缘环网柜提供了更优的经济效益。

(4) 结构紧凑。设计尽可能紧凑，同时确保安全和易于操作，这些装置的占地面积和体积甚至比SF₆环网柜还小，帮助用户节省空间并实现直接经济效益。

(5) 内部电弧故障抵抗能力，增强安全性与可靠性。根据Exnis报告，每年至少发生一次由于一次和二次开关设备内部电弧导致的重大损失。大多数固体绝缘环网柜采用了抗电弧设计，最大限度地减少了内部电弧的影响，确保更安全、更可靠的运行。

(6) 可见隔离间隙。配备观察窗，这些装置允许直接目视检查三位置隔离开关触点，确保可见断开点，提高操作员的安全性。

(7) 智能功能。固体绝缘环网柜更容易适应配电自动化。通过安装配电终端单元（DTU）和通信设备，可以轻松实现状态监测、远程控制（“四遥”功能）、通信、自诊断和事件记录等功能。

3.2 当前应用状况

目前，固体绝缘环网柜的广泛应用受到其相对较高的成本和复杂的制造工艺的限制。它们的生产需要比SF₆绝缘环网柜更高的技术精度。制造技术不足可能导致更大的绝缘风险、更高的故障概率和更大的危险，因此需要严格控制原材料质量和工艺标准。此外，固体绝缘环网柜的接线配置灵活性较差，特别是对于电压互感器（PT）柜和计量柜等功能单元，选择有限，限制了其应用和发展。

随着生产工艺的不断优化和标准化程度的提高，固体绝缘环网柜的质量变得更加稳定，价格也逐渐下降。一些国家为不使用SF₆的产品提供5%至10%的激励措施，以减少排放。这鼓励用户考虑总生命周期成本，而不仅仅是初始购买价格。借鉴国际经验，固体绝缘环网柜可以在环境敏感或新项目中优先使用——如住宅社区、公共建筑和市政基础设施——并逐步淘汰SF₆环网柜。

老化或寿命结束的SF₆环网柜可以根据制造商指定的服务寿命进行系统更换。对采用环保型固体绝缘环网柜的用户提供补贴，可以进一步支持生命周期成本考虑，促进产品采用，并推动环保技术的发展。随着环保意识的提高，固体绝缘环网柜作为一种SF₆环网柜的替代方案，将逐步取代部分现有的SF₆装置，并得到广泛应用，显示出强大的市场潜力。

4 结论

固体绝缘环网柜在技术上与SF₆环网柜相当，并具有零有害排放、真正免维护操作和较低的总生命周期成本等独特优势，使其越来越受到用户的青睐。中国国家电网公司在2011年发布的《重点新技术推广应用目录（第一批）》中指出，考虑到技术可靠性要求的提高和环保要求的严格化，固体绝缘环网柜有望全面替代SF₆环网柜。

此外，国家电网公司于2012年发布的《12kV固体绝缘环网柜技术规范》确认，固体绝缘环网柜在技术上能够满足复杂的运行需求，代表了环网柜发展的新方向，值得积极推广。这标志着行业和技术界对固体绝缘环网柜的正式认可。作为SF₆环网柜的可行替代方案，固体绝缘环网柜将逐步取代部分现有SF₆装置，实现广泛应用，并展现出良好的发展前景。

**注意：** 上述翻译中包含了中文内容，这是由于原文中某些部分未被正确翻译成波斯语。以下是修正后的完整波斯语翻译：

1 شبکه حلقه‌ای تأمین برق و واحدهای اصلی شبکه حلقه‌ای

1.1 تأمین برق شبکه حلقه‌ای

تأمین برق شبکه حلقه‌ای به یک ساختار اشاره دارد که در آن دو یا چند خط خروجی از زیرستانسیون‌های مختلف یا از میله‌های مختلف همان زیرستانسیون به یکدیگر متصل می‌شوند تا یک حلقه بسته برای توزیع برق تشکیل دهند. مزیت اصلی آن این است که هر شاخه توزیع می‌تواند از هر یک از دو طرف حلقه برق دریافت کند. اگر یک طرف خراب شود، برق همچنان می‌تواند از طرف دیگر تأمین شود. اگرچه در حالت حلقه تک عمل می‌کند، اما هر شاخه به طور موثر سطح قابلیت اطمینان دو منبع برق را دارد و قابلیت اطمینان سیستم را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. در چین، سیستم‌های تأمین برق شبکه حلقه‌ای شهری به "معیار امنیت N-1" پیروی می‌کنند، به این معنا که اگر یکی از N بار خراب شود، N-1 بار باقی‌مانده همچنان می‌توانند بدون قطع یا کاهش بار به صورت ایمن تأمین شوند.

1.2 ساختارهای اتصال شبکه حلقه‌ای