SF₆ vs. RMU isolati solidi: quale è migliore per il tuo sistema di distribuzione elettrica
1 Rete anulare di alimentazione elettrica e unità principali di rete
Con l'avanzamento dell'urbanizzazione, la domanda di maggiore affidabilità nella distribuzione dell'energia elettrica continua a crescere, e un numero crescente di utenti richiede due o più fonti di alimentazione. Il tradizionale "sistema di alimentazione radiale" affronta sfide come difficoltà nell'installazione dei cavi, complessità nella rilevazione dei guasti e inflessibilità negli aggiornamenti e ampliamenti della rete. In contrasto, l'"alimentazione a rete anulare" consente dualità o molteplicità di fonti di alimentazione per carichi critici, semplifica le linee di distribuzione, facilita la posa dei cavi, riduce il numero di apparati di commutazione, abbassa i tassi di guasto e rende più facile la localizzazione dei guasti.
1.1 Alimentazione a rete anulare
L'alimentazione a rete anulare si riferisce a una configurazione in cui due o più linee uscenti da diverse sottostazioni o da diverse barre di bus della stessa sottostazione sono interconnesse per formare un anello chiuso per la distribuzione dell'energia. Il suo principale vantaggio è che ogni ramo di distribuzione può ricevere energia da entrambi i lati dell'anello. Se un lato fallisce, l'energia può essere fornita dall'altro lato. Anche se operando in modalità singolo anello, ogni ramo raggiunge effettivamente un livello di affidabilità equivalente a quello di una doppia fonte di alimentazione, migliorando significativamente l'affidabilità del sistema. In Cina, i sistemi urbani di rete anulare seguono il "criterio di sicurezza N-1", il che significa che se uno qualsiasi degli N carichi fallisce, i rimanenti N-1 carichi possono essere alimentati in modo sicuro senza interruzioni o riduzioni di carico.
1.2 Configurazioni di connessione a rete anulare
(1) Connessione anulare di base: singola fonte di alimentazione con i cavi che formano un anello, garantendo l'approvvigionamento continuo di energia ad altri carichi se una sezione del cavo fallisce (vedi Fig. 1).
(2) Connessione anulare da diverse barre di bus: due fonti di alimentazione, tipicamente operate in modalità a circuito aperto, offrendo alta affidabilità e flessibilità operativa (vedi Fig. 2).
(3) Configurazione a singolo anello: fonti di alimentazione derivate da diverse sottostazioni o barre di bus; la manutenzione su qualsiasi sezione del cavo non interrompe l'energia a nessun carico (vedi Fig. 3).
(4) Configurazione a doppio anello: ogni carico è alimentato da due reti anulari indipendenti, fornendo un'affidabilità estremamente elevata (vedi Fig. 4).
(5) Connessione doppia "T" a doppia alimentazione: due linee di cavo collegate a diverse sezioni delle barre di bus, permettendo a ogni carico di ricevere energia da entrambe le linee. Questa configurazione garantisce un approvvigionamento quasi continuo di energia per gli utenti a doppia fonte ed è particolarmente adatta per applicazioni critiche (vedi Fig. 5).
1.3 Unità principali di rete e loro caratteristiche
Un'unità principale di rete (RMU) è un apparato di commutazione utilizzato nei sistemi di alimentazione a rete anulare, che solitamente incorpora interruttori di carico, disgiuntori, combinazioni di interruttori-fusibili, accoppiatori di bus, dispositivi di misurazione, trasformatori di tensione o qualsiasi combinazione di questi. Le RMU sono compatte, risparmiano spazio, sono economiche, facili da installare e veloci da mettere in servizio, soddisfando la richiesta di "miniaturizzazione dell'equipaggiamento". Sono ampiamente utilizzate in comunità residenziali, edifici pubblici, sottostazioni di piccole e medie imprese, stazioni di commutazione secondarie, sottostazioni a pad, e scatole di distribuzione dei cavi.
1.4 Tipi di unità principali di rete
RMU isolati ad aria: utilizzano l'aria come mezzo isolante; queste unità sono di grandi dimensioni, richiedono più spazio e sono sensibili alle condizioni ambientali.
RMU SF₆: utilizzano il gas esesafluoruro di zolfo (SF₆) come mezzo isolante e spegnitore di arco. L'interruttore principale è sigillato in un involucro metallico riempito con SF₆, mentre il meccanismo di comando si trova all'esterno. La progettazione sigillata minimizza l'impatto ambientale e consente una superficie di appoggio significativamente più piccola rispetto alle unità isolate ad aria. Le RMU SF₆ sono attualmente il tipo più ampiamente utilizzato.
RMU isolati solidi: utilizzano materiali isolanti solidi (ad esempio, resina epoxidica) per incapsulare e fondere gli interruttori e tutte le parti vive. Questo design riduce le distanze di isolamento tra fasi e tra fase e terra, risultando in dimensioni compatte paragonabili a quelle delle RMU SF₆. Inoltre, eliminano le emissioni di SF₆ e possono raggiungere l'operazione senza manutenzione.
2 Limitazioni delle unità principali di rete SF₆
Il SF₆ è un contributore significativo all'effetto serra. Nonostante le sue eccellenti proprietà elettriche, come la resistenza dielettrica elevata, l'efficace spegnimento dell'arco, la buona stabilità termica e la forte elettronegatività, e la sua insensibilità all'umidità, alla contaminazione e alle alte altitudini, che lo rendono ideale per equipaggiamenti elettrici compatti, il SF₆ è riconosciuto come un potente gas serra. Circa l'80% della produzione globale di SF₆ viene utilizzata nell'industria elettrica. Entrambe il Gruppo Intergovernativo sul Cambiamento Climatico (IPCC) e l'Agenzia per la Protezione Ambientale degli Stati Uniti (EPA) classificano il SF₆ come uno dei gas serra più dannosi. La regolamentazione UE sui gas fluorurati (F-Gas) del 2006 vieta l'uso del SF₆ nella maggior parte delle applicazioni, tranne dove non esistono alternative praticabili per l'equipaggiamento di commutazione elettrica.
Inoltre, le RMU SF₆ comportano un'alta complessità di utilizzo e un investimento significativo, richiedendo vari apparecchi ausiliari:
Sistemi di rilevamento delle fughe di SF₆ per monitorare le fughe, la concentrazione, i livelli di ossigeno e l'umidità.
Equipaggiamenti di recupero del SF₆: durante l'interruzione dell'arco, vengono generati sottoprodotti come il SF₄; quindi, al termine della vita, non solo deve essere recuperato il residuo di SF₆, ma devono anche essere trattati in modo specifico i sottoprodotti tossici.
Sistemi di purificazione del SF₆ per pulire e riutilizzare il gas.
Sistemi di ventilazione nelle sottostazioni.
Quando si utilizzano le RMU SF₆, devono essere osservate le seguenti misure:
Minimizzare le fughe di SF₆. Anche se le RMU SF₆ utilizzano involucri sigillati a sovrapressione, le fughe di gas sono inevitabili. La riduzione della pressione del gas diminuisce l'affidabilità della commutazione, mettendo direttamente a rischio la sicurezza del personale e riducendo la durata dell'equipaggiamento.
Il personale deve eseguire la ventilazione forzata e indossare attrezzature protettive specializzate prima di entrare nelle sottostazioni con equipaggiamenti SF₆.
Le operazioni sono complesse, richiedendo formazione approfondita e ripetuta per il personale interessato.
3 Caratteristiche e applicazioni delle unità principali di rete isolate solidi
I potenziali pericoli ambientali associati alle unità principali di rete SF₆ (RMU) hanno limitato il loro ulteriore sviluppo, rendendo la ricerca di alternative al SF₆ un focus di ricerca chiave a livello mondiale. Le RMU isolate solidi sono state sviluppate e introdotte per la prima volta dalla Eaton Corporation degli Stati Uniti alla fine degli anni '90. Queste unità non producono gas nocivi durante l'operazione, non hanno impatto ambientale, offrono maggiore affidabilità e raggiungono un'operazione veramente senza manutenzione.
Un'unità principale di rete isolata solidamente integra interruttori a vuoto, interruttori di separazione, interruttori di terra, conduttori principali, bus di ramo o combinazioni di essi, incapsulati all'interno di resina epoxidica o altri materiali isolanti solidi. Questi componenti sono sigillati in moduli funzionali completamente isolati e sigillati che possono essere ricombinati o espansi. Strati schermanti conduttivi o semiconduttori sono applicati sulle superfici esterne dei moduli accessibili al personale, assicurando un'efficace messa a terra.
3.1 Caratteristiche delle unità principali di rete isolate solidi
(1) Progettazione ecologica. Queste unità non utilizzano SF₆ come mezzo isolante o spegnitore di arco. Invece, utilizzano interruttori a vuoto per la commutazione e materiali primari isolanti ecologicamente benigni e riciclabili. Riducendo il numero di componenti, garantiscono un basso consumo energetico e ridotte probabilità di guasto durante l'operazione.
(2) Veramente senza manutenzione. Le RMU isolate solidi eliminano la necessità di recipienti a pressione di SF₆. L'isolamento interno e l'interruzione dell'arco si basano sulla tecnologia a vuoto, mentre l'isolamento esterno utilizza materiali solidi come gusci isolanti. Attraverso la tecnologia di potatura, l'interruttore a vuoto, il percorso conduttivo principale e i supporti isolanti sono integrati in un'unica unità sigillata all'interno di un involucro metallico, rendendo le prestazioni immuni ai fattori ambientali esterni. La struttura completamente isolata e sigillata elimina la necessità di rilevamento delle fughe di SF₆, riempimento di gas e smaltimento dei rifiuti, consentendo un'operazione veramente senza manutenzione.
(3) Alta convenienza economica. Anche se l'investimento iniziale per le RMU isolate solidi è leggermente superiore a quello delle RMU SF₆, il costo totale nel ciclo di vita è significativamente inferiore, come mostrato nella Tabella 1. Gli utenti stanno considerando sempre di più fattori complessivi come rischi di sicurezza, qualità dell'energia, controllo dei costi e sostenibilità, non solo il prezzo di acquisto iniziale, ma anche il costo totale di possesso. I costi cumulativi di manutenzione, riempimento di gas, gestione delle fughe e recupero alla fine della vita per le RMU SF₆ possono avvicinarsi al loro costo iniziale di acquisto, mentre le RMU isolate solidi non richiedono costi aggiuntivi dopo l'installazione. Pertanto, da una prospettiva a lungo termine, le RMU isolate solidi offrono benefici economici superiori.
(4) Struttura compatta. Progettate per essere il più compatte possibile, garantendo sicurezza e facilità di operazione, queste unità hanno una superficie e un volume più piccoli persino rispetto alle RMU SF₆, aiutando gli utenti a risparmiare spazio e ottenere benefici economici diretti.
(5) Resistenza ai guasti di arco interni, sicurezza e affidabilità migliorate. Secondo i rapporti Exnis, perdite significative dovute a guasti di arco interni negli apparati di commutazione primari e secondari si verificano almeno una volta all'anno. La maggior parte delle RMU isolate solidi incorpora progetti resistenti agli archi che minimizzano l'impatto degli archi interni, garantendo un'operazione più sicura e affidabile.
(6) Gap di isolamento visibili. Dotate di finestre di ispezione, queste unità consentono l'ispezione visiva diretta dei contatti degli interruttori di separazione a tre posizioni, garantendo punti di interruzione visibili e migliorando la sicurezza degli operatori.
(7) Capacità intelligenti. Le RMU isolate solidi sono più facilmente adattabili all'automazione della distribuzione. Installando unità terminali di distribuzione (DTU) e dispositivi di comunicazione, funzioni come il monitoraggio dello stato, il controllo remoto ("funzioni quadri"), la comunicazione, l'autodiagnosi e la registrazione degli eventi possono essere implementate facilmente.
3.2 Stato attuale dell'applicazione
Attualmente, l'adozione diffusa delle RMU isolate solidi è limitata dal loro costo relativamente elevato e dai processi di fabbricazione complessi. La loro produzione richiede una precisione tecnica superiore rispetto alle RMU isolate con SF₆. Tecniche di fabbricazione inadeguate possono portare a rischi di isolamento maggiori, probabilità di guasto più elevate e pericoli maggiori rispetto alle RMU SF₆, necessitando di un rigoroso controllo sulla qualità dei materiali grezzi e sugli standard di processo. Inoltre, le configurazioni di cablaggio delle RMU isolate solidi sono meno flessibili, in particolare per unità funzionali come armadi di trasformatore di tensione (PT) e armadi di misurazione, offrendo opzioni limitate e restringendo la loro applicazione e sviluppo.
Con l'ottimizzazione continua dei processi di produzione e l'aumento della standardizzazione, la qualità delle RMU isolate solidi sta diventando più stabile e i prezzi stanno gradualmente diminuendo. Alcuni paesi offrono incentivi del 5%-10% per prodotti che non utilizzano SF₆ per ridurre le emissioni. Ciò incoraggia gli utenti a considerare i costi totali del ciclo di vita piuttosto che solo il prezzo di acquisto iniziale. Traendo ispirazione dalle pratiche internazionali, le RMU isolate solidi possono essere priorizzate in progetti sensibili all'ambiente o nuovi, come comunità residenziali, edifici pubblici e infrastrutture comunali, sostituendo gradualmente le RMU SF₆.
Le RMU SF₆ invecchiate o in fine di vita possono essere sostituite in modo sistematico in base alla durata di servizio specificata dal produttore. Sussidi per gli utenti che adottano RMU isolate solidi eco-friendly possono ulteriormente supportare la considerazione dei costi totali del ciclo di vita, promuovere l'adozione del prodotto e avanzare tecnologie responsabili dal punto di vista ambientale. Con l'aumento della consapevolezza ambientale, le RMU isolate solidi, come una delle alternative alle RMU SF₆, sostituiranno gradualmente una parte delle unità SF₆ esistenti e troveranno un'ampia applicazione, dimostrando un forte potenziale di mercato.
4 Conclusione
Le RMU isolate solidi sono tecnicamente comparabili alle RMU SF₆ e possiedono vantaggi unici come zero emissioni nocive, operazione veramente senza manutenzione e costi totali del ciclo di vita inferiori, rendendole sempre più attraenti per gli utenti. Il "Primo Catalogo di Tecnologie Nuove Prioritarie per la Promozione" della State Grid Corporation of China (2011) ha affermato che, considerando le tendenze verso una maggiore affidabilità tecnica e requisiti ambientali più rigorosi, le RMU isolate solidi sono pronte a sostituire completamente le RMU SF₆.
Inoltre, la "Specificazione Tecnica per le Unità Principali di Rete Isolate Solidi a 12 kV" emessa dalla State Grid Corporation nel 2012 ha confermato che le RMU isolate solidi sono tecnicamente in grado di soddisfare le esigenze operative complesse e rappresentano una nuova direzione nello sviluppo delle RMU, meritevoli di promozione attiva. Questo segna il riconoscimento formale delle RMU isolate solidi da parte dell'industria e della comunità tecnica. Come alternativa praticabile alle RMU SF₆, le RMU isolate solidi sostituiranno gradualmente una parte delle unità SF₆ esistenti, ottenendo un'ampia applicazione e dimostrando eccellenti prospettive di sviluppo futuro.
