SF₆ versus RMUs solidis insulatis: Quod est melius pro systemate distributionis potentiae tuae
1 Rete annulare di alimentazione elettrica e unità principali ad anello
Con l'avanzamento dell'urbanizzazione, la domanda di maggiore affidabilità nella distribuzione elettrica continua a crescere, e un numero crescente di utenti richiede due o più fonti di alimentazione. Il metodo tradizionale di "alimentazione radiale" affronta sfide come difficoltà nell'installazione dei cavi, rilevamento complesso delle guasti e inflessibilità negli aggiornamenti e nelle espansioni della rete. In contrasto, l'"alimentazione ad anello" 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 ad anello
L'alimentazione ad anello si riferisce a una configurazione in cui due o più linee uscenti da diverse sottostazioni o da diverse barre di distribuzione della stessa sottostazione sono interconnesse per formare un anello chiuso per la distribuzione elettrica. 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 operante in modalità singolo anello, ogni ramo raggiunge effettivamente un livello di affidabilità dualità di fonte, aumentando significativamente l'affidabilità del sistema. In Cina, i sistemi di rete ad anello urbani seguono il "criterio di sicurezza N-1", il che significa che se uno qualsiasi degli N carichi fallisce, i rimanenti N-1 carichi possono ancora essere alimentati in sicurezza senza interruzioni o limitazioni di carico.
1.2 Configurazioni di connessione ad anello
(1) Connessione ad anello base: singola fonte di alimentazione con i cavi che formano un anello, garantendo l'approvvigionamento continuo di energia agli altri carichi se una sezione di cavo fallisce (vedi Fig. 1).
(2) Connessione ad anello da diverse barre: due fonti di alimentazione, tipicamente operate in modalità aperta, offrendo alta affidabilità e flessibilità operativa (vedi Fig. 2).
(3) Configurazione ad anello singolo: fonti di alimentazione derivate da diverse sottostazioni o barre; la manutenzione su qualsiasi sezione di cavo non interrompe l'energia a nessun carico (vedi Fig. 3).
(4) Configurazione ad anello doppio: ogni carico è alimentato da due reti ad anello indipendenti, fornendo un'alta affidabilità (vedi Fig. 4).
(5) Connessione doppia "T" a doppia alimentazione: due linee di cavo collegate a diverse sezioni di barra, permettendo a ogni carico di ricevere energia da entrambe le linee. Questa configurazione assicura 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 ad anello e loro caratteristiche
Un'unità principale ad anello (RMU) è un apparato di commutazione utilizzato nei sistemi di rete ad anello, che solitamente incorpora interruttori di carico, disgiuntori, combinazioni di interruttori-fusibili, accoppiatori di barra, 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, soddisfacendo 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 ad anello
RMU isolati ad aria: utilizzano l'aria come mezzo di isolamento; queste unità sono di grandi dimensioni, richiedono più spazio e sono suscettibili alle condizioni ambientali.
RMU SF₆: utilizzano il gas esesafluoruro di zolfo (SF₆) come mezzo di isolamento e spegnimento dell'arco. L'interruttore principale è sigillato in un involucro metallico riempito di SF₆, mentre il meccanismo di azionamento si trova all'esterno. La progettazione sigillata minimizza l'impatto ambientale e consente una superficie notevolmente più piccola rispetto alle unità isolate ad aria. Gli 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. Questa progettazione riduce le distanze di isolamento tra fasi e tra fase e terra, risultando in dimensioni compatte paragonabili agli RMU SF₆. Inoltre, eliminano le emissioni di SF₆ e possono raggiungere l'operazione senza manutenzione.
2 Limitazioni degli RMU SF₆
Lo SF₆ è un contributore significativo all'effetto serra. Nonostante le sue eccellenti proprietà elettriche - come alta resistenza dielettrica, efficace spegnimento dell'arco, buona stabilità termica e forte elettronegatività - e la sua insensibilità all'umidità, alla contaminazione e alle alte altitudini, che lo rendono ideale per l'equipaggiamento elettrico compatto, lo SF₆ è riconosciuto come un potente gas serra. Circa l'80% della produzione globale di SF₆ viene utilizzato nell'industria elettrica. Entrambi il Gruppo Intergovernativo sul Cambiamento Climatico (IPCC) e l'Agenzia di Protezione Ambientale degli Stati Uniti (EPA) classificano lo SF₆ come uno dei gas serra più dannosi. Il Regolamento UE sui gas fluorurati (F-Gas) (2006) vieta l'uso di SF₆ nella maggior parte delle applicazioni, tranne dove non esistono alternative praticabili per l'equipaggiamento di commutazione elettrica.
Inoltre, gli RMU SF₆ implicano un uso complesso e un investimento significativo, richiedendo vari apparecchi ausiliari:
Sistemi di rilevamento delle perdite di SF₆ per monitorare le perdite di gas, la concentrazione, i livelli di ossigeno e l'umidità.
Equipaggiamento di recupero SF₆: durante l'interruzione dell'arco, vengono generati sottoprodotti come SF₄; pertanto, alla fine della vita, non solo devono essere recuperati i residui di SF₆, ma anche i sottoprodotti tossici devono essere trattati in modo speciale.
Sistemi di purificazione SF₆ per pulire e riutilizzare il gas.
Sistemi di ventilazione nelle sottostazioni.
Quando si utilizzano gli RMU SF₆, devono essere osservate le seguenti misure:
Minimizzare le perdite di SF₆. Anche se gli RMU SF₆ utilizzano involucri sigillati a sovrapressione, le perdite di gas sono inevitabili. La pressione ridotta del gas diminuisce l'affidabilità della commutazione, mettendo direttamente in pericolo la sicurezza del personale e riducendo la durata dell'equipaggiamento.
Il personale deve eseguire la ventilazione forzata e indossare equipaggiamento di protezione specializzato prima di entrare nelle sottostazioni con equipaggiamento SF₆.
Le operazioni sono complesse, richiedendo una formazione approfondita e ripetuta per il personale interessato.
3 Caratteristiche e applicazioni degli RMU isolati solidi
I rischi ambientali associati agli RMU isolati con SF₆ hanno limitato ulteriormente il loro sviluppo, rendendo la ricerca di alternative allo SF₆ un focus chiave delle ricerche a livello mondiale. Gli RMU isolati solidi sono stati sviluppati e introdotti 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 un'alta affidabilità e raggiungono un'operazione veramente senza manutenzione.
Un RMU isolato solido integra interruttori a vuoto, interruttori di separazione, interruttori di terra, conduttori principali, busbar 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. Vengono applicati strati di schermatura conduttivi o semiconduttori sulle superfici esterne dei moduli accessibili al personale, assicurando un'accurata messa a terra.
3.1 Caratteristiche degli RMU isolati solidi
(1) Progettazione ecologica. Queste unità non utilizzano SF₆ come mezzo di isolamento o spegnimento dell'arco. Invece, utilizzano interruttori a vuoto per la commutazione e materiali primari isolanti benigni e riciclabili. Riducendo il numero di componenti, garantiscono un basso consumo energetico e riducono i tassi di guasto durante l'operazione.
(2) Veramente senza manutenzione. Gli RMU isolati solidi eliminano la necessità di contenitori a pressione di SF₆. L'isolamento interno e l'interruzione dell'arco si basano sulla tecnologia del 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 di isolamento 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 perdite di SF₆, rifilling del gas e smaltimento dei rifiuti, consentendo un'operazione veramente senza manutenzione.
(3) Alta convenienza economica. Sebbene l'investimento iniziale per gli RMU isolati solidi sia leggermente superiore a quello degli RMU SF₆, il costo totale del 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, rifilling del gas, gestione delle perdite e recupero alla fine della vita per gli RMU SF₆ possono avvicinarsi al loro costo di acquisto iniziale, mentre gli RMU isolati solidi non richiedono costi aggiuntivi dopo l'installazione. Pertanto, da una prospettiva a lungo termine, gli RMU isolati solidi offrono benefici economici superiori.
(4) Struttura compatta. Progettati per essere il più compatti possibile, assicurando sicurezza e facilità di operazione, questi unità hanno una superficie e un volume più piccoli anche rispetto agli RMU SF₆, aiutando gli utenti a risparmiare spazio e ottenere benefici economici diretti.
(5) Resistenza ai guasti interni, miglioramento della sicurezza e affidabilità. Secondo i rapporti Exnis, le perdite significative dovute all'arco interno negli apparati di commutazione primari e secondari si verificano almeno una volta all'anno. La maggior parte degli RMU isolati solidi incorpora progetti resistenti all'arco che minimizzano l'impatto degli archi interni, assicurando un'operazione più sicura e affidabile.
(6) Gap di isolamento visibili. Dotati di finestre di ispezione, questi unità permettono la verifica diretta dei contatti dell'interruttore di separazione a tre posizioni, assicurando punti di rottura visibili e migliorando la sicurezza dell'operatore.
(7) Capacità intelligenti. Gli RMU isolati 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 ("quattro remote"), la comunicazione, l'autodiagnosi e il registro degli eventi possono essere implementate facilmente.
3.2 Attuale stato di applicazione
Attualmente, l'adozione diffusa degli RMU isolati solidi è limitata dal loro costo relativamente elevato e dai processi di fabbricazione complessi. La loro produzione richiede una precisione tecnica superiore rispetto agli RMU isolati con SF₆. Tecniche di fabbricazione inadeguate possono portare a rischi di isolamento maggiori, probabilità di guasto più elevate e pericoli maggiori rispetto agli RMU SF₆, necessitando un rigoroso controllo sulla qualità dei materiali grezzi e sugli standard di processo. Inoltre, le configurazioni di cablaggio degli RMU isolati solidi sono meno flessibili, in particolare per unità funzionali come armadi PT e armadi di misurazione, offrendo opzioni limitate e limitando la loro applicazione e sviluppo.
Con l'ottimizzazione continua dei processi di produzione e l'aumento della standardizzazione, la qualità degli RMU isolati 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 spunto dalle pratiche internazionali, gli RMU isolati solidi possono essere prioritari in progetti sensibili all'ambiente o nuovi - come comunità residenziali, edifici pubblici e infrastrutture comunali - mentre si procede gradualmente alla sostituzione degli RMU SF₆.
Gli RMU SF₆ invecchiati o alla fine della loro vita possono essere sostituiti in modo sistematico in base alla durata di vita specificata dal produttore. Sussidi per gli utenti che adottano RMU isolati solidi ecologici possono ulteriormente supportare la considerazione dei costi del ciclo di vita, promuovere l'adozione del prodotto e avanzare tecnologie responsabili dal punto di vista ambientale. Man mano che cresce la consapevolezza ambientale, gli RMU isolati solidi, come una delle alternative agli RMU SF₆, sostituiranno gradualmente una parte delle unità SF₆ esistenti e troveranno un'applicazione diffusa, dimostrando un forte potenziale di mercato.
4 Conclusione
Gli RMU isolati solidi sono tecnicamente comparabili agli RMU SF₆ e possiedono vantaggi unici come zero emissioni nocive, operazione veramente senza manutenzione e costi totali del ciclo di vita inferiori, rendendoli 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 severi, gli RMU isolati solidi sono pronti a sostituire completamente gli RMU SF₆.
Inoltre, la "Specifiche Tecniche per RMU Isolati Solidi a 12 kV" emesse dalla State Grid Corporation nel 2012 hanno confermato che gli RMU isolati solidi sono tecnicamente in grado di soddisfare le esigenze operative complesse e rappresentano una nuova direzione nello sviluppo degli RMU, meritevoli di promozione attiva. Questo segna il riconoscimento formale degli RMU isolati solidi da parte dell'industria e della comunità tecnica. Come alternativa valida agli RMU SF₆, gli RMU isolati solidi sostituiranno gradualmente una parte delle unità SF₆ esistenti, raggiungendo un'applicazione ampia e dimostrando eccellenti prospettive di sviluppo futuro.
