SF₆ vs. 固体絶縁RMU：あなたの電力配電システムにはどちらが適していますか
1 リングネットワーク給電とリングメインユニット
都市化の進展に伴い、配電の信頼性に対する要求が高まり、多くのユーザーが2つ以上の電源を必要とするようになっています。従来の「放射状給電」方式は、ケーブル敷設の困難さ、障害検出の複雑さ、グリッドのアップグレードや拡張の不柔軟さなどの課題に直面しています。一方、「リングネットワーク給電」は重要負荷に対して二重または多重の電源を提供し、配電線路を簡素化し、ケーブル敷設を容易にし、スイッチギアの数を減らし、故障率を低減し、障害位置の特定を容易にします。
1.1 リングネットワーク給電
リングネットワーク給電とは、異なる変電所または同一変電所内の異なるバスバーからの2つ以上の出力線路が相互接続され、閉ループで電力を分配する構成を指します。主な利点は、各配電ブランチがリングのどちら側からでも電力を受けることができる点です。片方が故障した場合でも、もう片側から電力を供給することができます。単一ループモードでの運転でも、各ブランチは実質的に二重電源の信頼性レベルを達成し、システムの信頼性を大幅に向上させます。中国では、都市のリングネットワーク電力システムは「N-1セキュリティ基準」に従っており、N個の負荷のうちいずれか1つが故障しても、残りのN-1個の負荷は中断や負荷制御なしに安全に電力を供給できるように設計されています。
1.2 リングネットワーク接続構成
(1) 基本的なリング接続：単一の電源でケーブルがリングを形成し、1つのケーブル区間が故障しても他の負荷への電力供給が継続されます（図1参照）。
(2) 異なるバスバーからのリング接続：2つの電源があり、通常はオープンループモードで動作し、高い信頼性と柔軟な運用が可能です（図2参照）。
(3) 単一リング構成：異なる変電所またはバスバーからの電源であり、どのケーブル区間のメンテナンスも負荷への電力供給を中断しません（図3参照）。
(4) 二重リング構成：各負荷は2つの独立したリングネットワークから供給され、非常に高い信頼性を提供します（図4参照）。
(5) 二重供給二重「T」接続：異なるバスバー区間に接続された2つのケーブル線路があり、各負荷が両方の線路から電力を受けることができます。この構成は、二重電源ユーザーのほぼ連続的な電力供給を確保し、特に重要な用途に適しています（図5参照）。
1.3 リングメインユニットとその特性
リングメインユニット（RMU）は、リングネットワーク電力システムで使用されるスイッチギアであり、通常、負荷遮断スイッチ、回路遮断器、ヒューズ・スイッチ組み合わせ、バスカップラー、計測装置、電圧トランスフォーマー、またはそれらの任意の組み合わせを備えています。RMUはコンパクトで、スペースを節約し、コスト効果が高く、設置が簡単で、迅速に稼働させることができ、「設備の小型化」の需要に対応しています。住宅コミュニティ、公共建物、中小企業の変電所、二次スイッチングステーション、パッドマウント変電所、ケーブル配電ボックスなどに広く使用されています。
1.4 リングメインユニットの種類
空気絶縁型RMU：空気を絶縁媒体として使用するもので、これらのユニットは大きさが大きく、スペースが必要で、環境条件に影響を受けやすい。
SF₆ RMU：六フッ化硫黄（SF₆）ガスを絶縁および消弧媒体として使用する。主要スイッチはSF₆で満たされた金属製の密閉容器に密封され、操作機構は外部に配置される。密閉設計により環境への影響が最小限に抑えられ、空気絶縁型よりも大幅に小さなフットプリントを実現できる。現在、最も広く使用されているタイプである。
固体絶縁型RMU：エポキシ樹脂などの固体絶縁材料を使用してスイッチとすべての生体部分をカプセル化およびキャストする。この設計により、相間および相対地絶縁距離が短縮され、SF₆ RMUと同等のコンパクトな寸法を実現する。また、SF₆排出を排除し、メンテナンスフリーの運用を達成できる。
2 SF₆リングメインユニットの制限
SF₆は温室効果の主要な貢献者です。優れた電気特性－例えば高い絶縁強度、効果的な消弧能力、良好な熱安定性、強い電子負性－と湿度、汚染、高地への感受性がないことから、コンパクトな電気機器に理想的ですが、SF₆は強力な温室ガスとして認識されています。世界中のSF₆生産量の約80%が電力産業で使用されています。気候変動に関する政府間パネル（IPCC）と米国環境保護庁（EPA）は、SF₆を最も有害な温室ガスの一つとして分類しています。EU Fガス規則（2006年）は、電気スイッチギア以外のほとんどの用途でSF₆の使用を禁止しています。
さらに、SF₆ RMUは使用の複雑さと大きな投資を必要とし、様々な補助設備を要します：
ガス漏れ、濃度、酸素レベル、水分含量を監視するSF₆漏洩検知システム。
SF₄などの副生成物を生成するため、寿命終了時には残存SF₆だけでなく、有毒な副生成物も特別に処理する必要があるSF₆回収装置。
ガスを清浄して再利用するSF₆清浄システム。
変電所の換気システム。
SF₆ RMUを使用する際には、以下の措置を遵守する必要があります：
SF₆の漏洩を最小限に抑える。SF₆ RMUは過圧密封エンクロージャを使用しているが、ガスの漏洩は避けられない。ガス圧力の低下は切り替え信頼性を下げるだけでなく、直接作業者の安全を危険にさらし、機器の寿命を短縮する。
SF₆設備のある変電所に入る前に、作業者は強制換気を行い、専用の保護具を着用しなければならない。
操作は複雑であり、関連する作業者に対して徹底的かつ繰り返しの訓練が必要である。
3 固体絶縁型リングメインユニットの特長と応用
SF₆リングメインユニット（RMU）の潜在的な環境リスクは、そのさらなる発展を制限しており、SF₆の代替品の探求が世界中で重要な研究課題となっています。固体絶縁型RMUは、1990年代末にアメリカのイートン社によって開発され導入されました。これらのユニットは動作中に有害なガスを発生せず、環境への影響がなく、より高い信頼性を持ち、真のメンテナンスフリーを達成しています。
固体絶縁型RMUは、真空遮断器、分離スイッチ、接地スイッチ、主導体、枝線バスバー、またはそれらの組み合わせをエポキシ樹脂または他の固体絶縁材料でカプセル化したもので、これらのコンポーネントは完全に絶縁され、完全に密封された機能モジュールに封入され、再組み立てや拡張が可能です。作業者がアクセス可能なモジュールの外表面には、信頼性の高い接地を確保するための導電または半導電シールド層が施されています。
3.1 固体絶縁型リングメインユニットの特長
(1) 環境に優しい設計。これらのユニットは、絶縁または消弧媒体としてSF₆を使用せず、代わりに真空遮断器をスイッチングに、一次絶縁に環境に優しく再利用可能な材料を使用しています。部品数を最小限にすることで、動作中のエネルギー消費と故障率を低減します。
(2) 真のメンテナンスフリー。固体絶縁型RMUはSF₆圧力容器の必要性を排除します。内部絶縁と消弧は真空技術に依存し、外部絶縁はエポキシ樹脂などの固体材料を使用します。ポットテクノロジーにより、真空遮断器、主導電パス、絶縁支持体が金属製エンクロージャ内に一体化され、外部環境要因による性能の影響を排除します。完全に絶縁され密封された構造により、SF₆漏洩検知、ガス充填、廃棄物処理の必要性がなくなり、真のメンテナンスフリーを実現します。
(3) 高いコスト効果。初期投資としては固体絶縁型RMUの方がSF₆ RMUよりも少し高くなるかもしれませんが、ライフサイクルコスト全体では大幅に低いことが表1に示されています。ユーザーは、安全性リスク、電力品質、コスト管理、持続可能性などを考慮し、初期購入価格だけでなく総所有コストを考慮する傾向があります。SF₆ RMUのメンテナンス、ガス充填、漏洩管理、寿命終了時の回収などの累積コストは、初期購入コストに近づく可能性がありますが、固体絶縁型RMUは設置後追加コストが不要です。長期的な観点から見れば、固体絶縁型RMUは優れた経済的利益を提供します。
(4) コンパクトな構造。安全性と操作性を確保しながら可能な限りコンパクトに設計されており、SF₆ RMUよりも小さなフットプリントと容積を持つため、ユーザーはスペースを節約し、直接的な経済的利益を得ることができます。
(5) 内部アーク障害耐性、安全性と信頼性の向上。Exnisの報告によると、一次および二次スイッチギアでの内部アークによる重大な損失は年間少なくとも一度発生しています。多くの固体絶縁型RMUは、内部アークの影響を最小限に抑える設計を採用しており、より安全で信頼性の高い動作を実現します。
(6) 可視化された分離ギャップ。観察窓を装備しており、三位置分離スイッチの接触点を直接視覚的に確認でき、可視的なブレークポイントを確保し、オペレータの安全性を高めます。
(7) 機能性。固体絶縁型RMUは、配電自動化に適しています。配電端末ユニット（DTU）と通信デバイスをインストールすることで、状態監視、遠隔制御（四遠機能）、通信、自己診断、イベントログなどの機能を簡単に実現できます。
3.2 現在の応用状況
現在、固体絶縁型RMUの広範な普及は、比較的高いコストと複雑な製造プロセスに制約されています。これらの生産には、SF₆絶縁型RMUよりも高い技術的精度が必要です。製造技術が不十分な場合、絶縁リスクが高まり、故障確率が増大し、SF₆ RMUよりも危険性が高くなります。そのため、原材料の品質と工程標準を厳格に制御する必要があります。また、固体絶縁型RMUの配線構成は柔軟性が低く、特に電圧変換器（PT）キャビネットや計測キャビネットなどの機能ユニットでは選択肢が限られており、適用と発展に制約があります。
生産プロセスの継続的な最適化と標準化の進展により、固体絶縁型RMUの品質はより安定し、価格も徐々に低下しています。一部の国では、SF₆を使用しない製品に対して5％〜10％のインセンティブを提供し、排出削減を促進しています。これにより、ユーザーは総ライフサイクルコストではなく初期購入価格だけを考慮するのではなく、総コストを考慮するようになります。国際的な慣行に基づき、固体絶縁型RMUは環境に敏感なプロジェクトや新規プロジェクト－例えば住宅コミュニティ、公共建物、市街地インフラ－で優先的に採用され、徐々にSF₆ RMUを段階的に廃止することが可能です。
老朽化または寿命終了したSF₆ RMUは、メーカー指定の耐用年数に基づいて系統的に置き換えられます。エコフレンドリーな固体絶縁型RMUを採用するユーザーに対する補助金は、ライフサイクルコストの考慮をさらにサポートし、製品の採用を促進し、環境に配慮した技術を推進します。環境意識の高まりとともに、固体絶縁型RMUはSF₆ RMUの代替品として、既存のSF₆ユニットの一部を徐々に置き換え、広範な応用を見込んでいます。
4 結論
固体絶縁型RMUは、SF₆ RMUと技術的に匹敵し、有害な排出ゼロ、真のメンテナンスフリー、低い総ライフサイクルコストなどの独自の利点を持っています。これらはユーザーにとって魅力的であり、その採用が増加しています。中国国家電網公司の「重点新技术优先推广目录」（2011年版）では、技術的信頼性の向上と厳しい環境要件の考慮から、固体絶縁型RMUがSF₆ RMUを完全に置き換えることが予想されています。
さらに、2012年に中国国家電網公司が発行した「12 kV固体絶縁型リングメインユニット技術規格」は、固体絶縁型RMUが複雑な運用要求を満たす技術的能力を持ち、RMU開発の新しい方向性を示しており、積極的な推進が求められています。これは、業界と技術コミュニティによる固体絶縁型RMUの正式な認定を意味します。SF₆ RMUの有効な代替品として、固体絶縁型RMUは既存のSF₆ユニットの一部を徐々に置き換え、広範な応用を見込んでおり、将来の発展に優れた見通しを持っています。
