SF₆ vs. szilárdul elszigetelt RMU-k: Melyik jobb a tárgyadatelszolgáltatási rendszeréhez?

1 Gyűrűhálózatos tápellátás és gyűrűfőállomások

Az urbanizáció fejlődésével a tápellátás magasabb megbízhatóságának igénye folyamatosan növekszik, egyre több felhasználónak két vagy több tápellátási forrást kell biztosítani. A hagyományos "sugárzó tápellátás" módszernek nehézségei merülnek fel, mint például a kábelek telepítésének bonyolultsága, a hibák észlelése, valamint a hálózat frissítésének és kiterjesztésének rugalmatlansága. Ellenben a "gyűrűhálózatos tápellátás" lehetővé teszi, hogy a kritikus terhelésekhez kétfogású vagy többforrású tápellátást biztosítsunk, egyszerűsíti a szétosztási vonalakat, megkönnyíti a kábeltelepítést, csökkenti a kapcsolókészletek számát, alacsonyabb hibaráta, valamint könnyebb a hiba elhelyezkedésének meghatározása.

1.1 Gyűrűhálózatos tápellátás

A gyűrűhálózatos tápellátás olyan konfigurációt jelent, amelyben két vagy több kimenő áramvonal különböző áramelosztókból vagy ugyanazon az áramelosztóból különböző buszokból származik, és zárt hurokot alkot a tápellátáshoz. Fő előnye, hogy minden szétosztási ág mindkét oldaláról is kapcsolódhat. Ha az egyik oldal meghibásodik, a másik oldalról is ellátható. Bár egyetlen hurokban működik, minden ág hatékonyan kétfogású megbízhatóságot ér el, jelentősen növelve a rendszer megbízhatóságát. Kínában az urbán gyűrűhálózati rendszerek követik az "N-1 biztonsági kritériumot", ami azt jelenti, hogy ha N terhelésből bármelyik meghibásodik, a maradék N-1 terhelés továbbra is biztonságosan, megszakítás vagy terhelés-csökkentés nélkül ellátható.

1.2 Gyűrűhálózati összeköttetési konfigurációk

(1) Alap gyűrűkapcsolat: Egyetlen tápellátási forrás, ahol a kábelek gyűrűt formálnak, így biztosítva a folyamatos tápellátást a többi terhelésre, ha egy kábel szakasz meghibásodik (lásd Ábra 1).

(2) Különböző buszokból származó gyűrűkapcsolat: Két tápellátási forrás, általában nyitott hurokban működik, nagy megbízhatósággal és rugalmassággal (lásd Ábra 2).

(3) Egyszakaszos gyűrűkonfiguráció: A tápellátási források különböző áramelosztókból vagy buszokból származnak; bármely kábel szakasz karbantartása nem állítja le a bármilyen terhelésre jutó tápellátást (lásd Ábra 3).

(4) Kétszakaszos gyűrűkonfiguráció: Minden terhelést két független gyűrűhálózat lát el, ami nagyon magas megbízhatóságot biztosít (lásd Ábra 4).

(5) Kétkészletű dupla "T" kapcsolat: Két kábelvonal különböző buszszakaszokhoz kapcsolódik, lehetővé téve, hogy minden terhelés mindkét vonalból kapjon tápellátást. Ez a konfiguráció közel folyamatos tápellátást biztosít a kétfogású felhasználók számára, különösen alkalmas a kritikus alkalmazásokhoz (lásd Ábra 5).

1.3 Gyűrűfőállomások és jellemzőik

A gyűrűfőállomás (RMU) egy kapcsolókészlet, amelyet gyűrűhálózatos tápellátási rendszerekben használnak, általában tartalmazza a terhelés-törő kapcsolókat, áramtörőket, biztosítókapcsoló-fúvószektor kombinációkat, buszkoppantokat, mérőeszközöket, feszültségátalakítókat, vagy ezek bármely kombinációját. Az RMU-k kompaktak, helytakarékosak, költséghatékonyak, könnyen telepíthetők és gyorsan beüzemelhetők, elektromos berendezések miniaturizációjának igényeit kielégítve. Széles körben használják lakóközpontokban, közös épületekben, kis- és középvállalkozások áramelosztóiban, másodlagos kapcsolóállomásokban, pad-asztalos áramelosztókban és kábelosztódobozokban.

1.4 Gyűrűfőállomások típusai

• Légizolt RMU-k: Légként használják az izoláló médiumot; ezek a berendezések nagy méretűek, több helyet igényelnek, és környezeti feltételek hatására sebezhetőek.

• SF₆ RMU-k: Szulfur-hexafluorid (SF₆) gázot használnak izoláló és törő médiumként. A főkapcsoló zárt fémegyenest tartalmaz, amely SF₆-gázzal van kitöltve, míg a működtető mechanizmus a külső részen található. A zárt kialakítás minimalizálja a környezeti hatást, és jelentősen kisebb talajterületet igényel, mint a légizolt egységek. A SF₆ RMU-k jelenleg a legelterjedtebb típus.

• Szilárdizolt RMU-k: Szilárd izolációs anyagokat (pl. epoxidharazat) használnak a kapcsolók és az összes élő rész bevonatolására és öntésére. Ez a kialakítás csökkenti a fázisok közötti és a fázis- és földközeli izolációs távolságokat, így hasonló méretűvé válik, mint a SF₆ RMU-k. Továbbá kiiktatják a SF₆ kibocsátását, és fenntartási mentes működést biztosítanak.

2 A SF₆ gyűrűfőállomások korlátai

A SF₆ jelentős hozzájárul a szén-dioxid-hatáshoz. Bár kiváló elektrikai tulajdonságai vannak, mint például a magas izolációs erő, hatékony törés, jó hőmérsékleti stabilitás és erős elektronegativitás, valamint a páratartalom, szennyezés és magas szintű altitudók hatására való érzékenység hiánya, ami ideális kompakt elektrikus eszközök számára, a SF₆ egy erős üdehőgáz. A világ SF₆-termelésének körülbelül 80%-át a villamosenergia-iparban használják. Az ENSZ Klímaváltozási Munkacsoport (IPCC) és az Egyesült Államok Környezetvédelmi Ügynöksége (EPA) a SF₆-t a legveszélyesebb üdehőgázok között sorolja. Az EU F-Gáz-rendszer (2006) tilalmazza a SF₆ használatát a legtöbb alkalmazásban, kivéve, ha nincs alternatívája az elektrikus kapcsolókészletek számára.

Továbbá, a SF₆ RMU-k nagy bonyolultságú használatot és jelentős befektetéseket igényelnek, sokféle segédberendezést igényelve:

• SF₆ szivárgás detektáló rendszereket a gázszivárgás, koncentráció, oxigénszint és nedvesség tartalma figyelésére.

• SF₆ visszaszerező berendezések: Az áramtörés során, mint például a SF₄, szennyezőanyagok keletkeznek; így a használat végekor nem csak a maradék SF₆-t kell visszaszerezni, hanem a mérgező melléktermékeket is külön kezelni kell.

• SF₆ tisztaító rendszerek a gáz tisztítására és újrafelhasználására.

• Szellőztető rendszerek az áramelosztókban.

A SF₆ RMU-k használatakor a következő intézkedéseket kell betartani:

• Minimalizálja a SF₆ szivárgást. Bár a SF₆ RMU-k túlnyomás-alapú zárt egységeket használnak, a gázszivárgás elkerülhetetlen. A gáznyomás csökkenése csökkenti a kapcsoló megbízhatóságát, közvetlenül veszélyezteti a munkatársak biztonságát és rövidíti a berendezések élettartamát.

• A munkatársak a SF₆-eszközökkel rendelkező áramelosztókba belépés előtt kényszerített szellőztetést és speciális védőruházatot kell viselniük.

• A műveletek bonyolultak, teljes és ismétlődő képzés szükséges a releváns munkatársak számára.

3 Szilárdizolt gyűrűfőállomások jellemzői és alkalmazása

A SF₆ gyűrűfőállomások (RMU-k) potenciális környezeti károsodása korlátozza további fejlődésüket, ezért a SF₆ alternatívainak keresése globális kutatási fókusz lett. Az Eaton Corporation az Egyesült Államokban végül a 1990-es évek végén fejlesztette ki és bevezette az első szilárdizolt RMU-kat. Ezek a berendezések működés közben nem termelnek káros gázokat, nincs környezeti hatásuk, magasabb megbízhatósággal rendelkeznek, és igazi fenntartási mentes működést biztosítanak.

A szilárdizolt RMU integrált vakuum-interrupterrel, leválasztókapcsolóval, földkapcsolóval, fővezetékekkel, ágbuszokkal, vagy ezek kombinációjával, amelyek epoxidharazatban vagy más szilárd izolációs anyagban vannak bevonatolva. Ezek a komponensek teljesen izolt és teljesen zárt funkcionális modulokban vannak bevonatolva, amelyek kombinálhatók vagy kiterjeszthetők. A modulok külső, személyzet által elérhető felületeire vezető vagy félig vezető fedőrétegeket alkalmaznak, amelyek megbízhatóan földre zárják a berendezést.

3.1 Szilárdizolt gyűrűfőállomások jellemzői

(1) Környezetbarát kialakítás. Ezek a berendezések nem használják a SF₆ gázt izoláló vagy törő médiumként. Ehelyett vakuum-interrupterrel végzik a kapcsolást, és környezetbarát, újrahasznosítható anyagokat használnak elsődleges izolációra. A komponensek számának csökkentése révén minimálisan fogyasztanak energiát, és csökkentik a működés során fellépő hibákat.

(2) Igazi fenntartási mentes működés. A szilárdizolt RMU-k kiküszöbölik a SF₆ nyomáscserép szükségességét. A belső izoláció és a törés a vakuumtechnológia alapján működik, míg a külső izoláció szilárd anyagokat, mint például izoláló burkolókat használ. A potting technológiával a vakuum-interrupter, a fővezető ut, és az izolációs támogatók egyetlen egységbe vannak integrálva, amely metálburkolóban van zárt, így a teljesítmény nem érzékeny a környezeti tényezőkre. A teljesen izolt és zárt szerkezet kiküszöböli a SF₆ szivárgás detektálását, a gázfeltöltést és a hulladékkezelést, lehetővé téve a valódi fenntartási mentes működést.

(3) Magas költséghatékonyság. Bár a szilárdizolt RMU-k kezdeti befektetése kissé magasabb, mint a SF₆ RMU-k, a teljes életciklus költsége jelentősen alacsonyabb, ahogy az 1. táblázatban látható. A felhasználók egyre inkább a biztonsági kockázatok, a villamosenergia minősége, a költségkontroll és a fenntarthatóság szempontjait veszik figyelembe, nem csak a kezdeti vásárlási árat, de a teljes birtoklás költségeit is. A SF₆ RMU-k karbantartási, gázfeltöltési, szivárgáskezelési és végéleti visszaszerezési költségei megközelíthetik a kezdeti vásárlási árat, míg a szilárdizolt RMU-k nem igényelnek további költségeket a telepítés után. Tehát hosszú távon a szilárdizolt RMU-k jelentősen jobb gazdasági előnyöket kínálnak.

(4) Kompakt szerkezet. A biztonság és a működés könnyűsége mellett a lehető legkompaktabb kialakítás, ezek a berendezések kisebb talajterületet és térfogatot foglalnak el, mint még a SF₆ RMU-k, így a felhasználók számára térköltszabadságot és közvetlen gazdasági előnyöket biztosítanak.

(5) Belső ívhibák elleni ellenállás, javított biztonság és megbízhatóság. Az Exnis jelentések szerint a primáris és sekundáris kapcsolókészletek belső ívhibái miatt jelentős veszteségek fordulnak elő legalább évente egyszer. A legtöbb szilárdizolt RMU-ban ívellenálló kialakítások vannak, amelyek minimalizálják a belső ívek hatását, így biztonságosabb és megbízhatóbb működést biztosítanak.

(6) Látható elkülönítési szakaszok. Megfigyelőablakokkal felszerelt, ezek a berendezések közvetlen vizuális ellenőrzést tesznek lehetővé a hárompozíciós leválasztókapcsoló kapcsolópontjainak, így látható szakadási pontokat biztosítva, és növelve a működők biztonságát.

(7) Intelligens képességek. A szilárdizolt RMU-k könnyebben alkalmazhatók a szétosztási automatizáláshoz. Elosztási terminál egységek (DTU) és kommunikációs eszközök telepítésével, a státuszfigyelés, a távoli irányítás ("négy távoli" funkciók), a kommunikáció, a saját-diagnosztika és az esemény naplózása könnyen megvalósítható.

3.2 Jelenlegi alkalmazási állapot

Jelenleg a szilárdizolt RMU-k széles körű elfogadását a relatíve magas költségek és a bonyolult gyártási folyamat korlátozza. A gyártásuk magasabb technikai pontosságot igényel, mint a SF₆ izolt RMU-k. A gyártási technikák hiánya nagyobb izolációs kockázatokat, magasabb hibaelőfordulási valószínűséget és nagyobb veszélyeket jelent, mint a SF₆ RMU-k, így szigorú ellenőrzés szükséges a nyersanyagok minőségén és a gyártási normákon. Továbbá, a szilárdizolt RMU-k vezetéki konfigurációi kevésbé rugalmasak, különösen a potenciáltranszformátor (PT) dobozok és a mérődozó dobozok funkcionális egységei esetén, amelyek korlátozzák az alkalmazási és fejlesztési lehetőségeket.

A gyártási folyamat folyamatos optimalizálása és a standardizáció növekedése révén a szilárdizolt RMU-k minősége egyre stabilabbá válik, és az árak lassan csökkennek. Néhány ország 5%-10% kedvezményt kínál a SF₆ nélküli termékekre, hogy csökkentsék a kibocsátásokat. Ez ösztönözi a felhasználókat, hogy a teljes életciklus költségeire, nem csak a kezdeti vásárlási árra, tegyenek szert. Nemzetközi gyakorlatok alapján a szilárdizott RMU-k prioritást élvezhetnek környezetérzékeny vagy új projektekben, mint például lakóközpontok, közös épületek és várostervezés, miközben fokozatosan kivezetik a SF₆ RMU-kat.

A régi vagy végéleti SF₆ RMU-kat a gyártó által meghatározott használati idő alapján rendszeresen cserélhetik. A környezetbarát szilárdizott RMU-k felhasználói számára kifizetett támogatások továbbra is segíthetnek a teljes életciklus költségeinek figyelembevételében, a termék elfogadásának előmozdításában, és a környezetbarát technológiák előrehaladásában. Ahogy a környezetvédelmi tudatosság növekszik, a szilárdizott RMU-k, mint a SF₆ RMU-k alternatívái, fokozatosan helyettesítenek a meglévő SF₆ egységek egy részét, és széles körben alkalmazhatók, jelentős piaci potenciállal.

4 Következtetés

A szilárdizott RMU-k technológiai szempontból hasonlóak a SF₆ RMU-khoz, és rendelkeznek egyedi előnyökkel, mint például a nullára redukált káros kibocsátás, a valódi fenntartási mentes működés és a csökkentett teljes életciklus költségek, ami egyre vonzóbbá teszi őket a felhasználók számára. A Kínai Állami Villamosenergia Hálózat "Első Katalógusa a Prioritásos Promócióra Jóváhagyott Fontos Új Technológiákhoz" (2011) szerint, a magasabb technikai megbízhatóság és a szigorúbb környezetvédelmi követelmények trendjei alapján a szilárdizott RMU-k teljesen helyettesíthetik a SF₆ RMU-kat.

Továbbá, a Kínai Állami Villamosenergia Hálózat 2012-ben kiadott "Technikai Specifikáció 12 kV Szilárdizolt Gyűrűfőállomásokhoz" megerősíti, hogy a szilárdizott RMU-k technikailag képesek a bonyolult működési igények kielégítésére, és új irányt adnak az RMU-fejlesztésnek, amit aktívan elő kell mozdítani. Ez a szilárdizott RMU-k hivatalos elismerését jelenti az iparág és a technikai közösség részéről. A SF₆ RMU-k alternatívájaként a szilárdizott RMU-k fokozatosan helyettesítenek a meglévő SF₆ egységek egy részét, széles körben alkalmazhatók, és jelentős fejlesztési kilátásokkal bírnak a jövőben.