SF₆ vs. vaste-geïsoleerde RMU's: Welke is beter voor uw elektriciteitsverdelingssysteem?

1 Ringnetwerkvoeding en ringhoofdschakelaars

Met de voortgang van de stedelijke ontwikkeling neemt de vraag naar een hogere betrouwbaarheid in de elektriciteitsverdeling gestaag toe, en steeds meer gebruikers hebben twee of meer energiebronnen nodig. De traditionele methode van "straalvormige voeding" wordt geconfronteerd met uitdagingen zoals moeilijkheden bij het installeren van kabels, gecompliceerde foutdetectie en weinig flexibiliteit bij netwerkopwaarderingen en -uitbreidingen. Daarentegen biedt "ringnetwerkvoeding" dubbele of meervoudige energiebronnen voor cruciale belastingen, vereenvoudigt distributielijnen, vergemakkelijkt het leggen van kabels, vermindert het aantal schakelkasten, verlaagt het falingspercentage en maakt het lokaliseren van storingen eenvoudiger.

1.1 Ringnetwerkvoeding

Ringnetwerkvoeding verwijst naar een configuratie waarbij twee of meer uitgaande lijnen van verschillende onderstations of verschillende busbars van hetzelfde onderstation worden verbonden om een gesloten lus te vormen voor elektriciteitsverdeling. Het belangrijkste voordeel is dat elke distributietak energie kan ontvangen van beide zijden van de ring. Als één zijde faalt, kan er nog steeds energie worden geleverd vanaf de andere zijde. Hoewel in een enkelringmodus bediend, bereikt elke tak effectief een betrouwbaarheidsniveau van dubbele energiebron, wat de systeembetrouwbaarheid aanzienlijk verhoogt. In China volgen stedelijke ringnetwerkvoedingsystemen de "N-1 veiligheidscriteria", wat inhoudt dat als één van N belastingen faalt, de overgebleven N-1 belastingen zonder onderbreking of belastingsverlies kunnen worden gevoed.

1.2 Ringnetwerkverbindingconfiguraties

(1) Basisringverbinding: Eén energiebron met kabels die een ring vormen, waardoor de voeding van andere belastingen blijft doorgaan als één kabelsectie faalt (zie figuur 1).

(2) Ringverbinding van verschillende busbars: Twee energiebronnen, meestal in openlusmodus bediend, bieden hoge betrouwbaarheid en flexibele bediening (zie figuur 2).

(3) Enkelringconfiguratie: Energiebronnen afkomstig van verschillende onderstations of busbars; onderhoud aan elke kabelsectie leidt niet tot onderbreking van de voeding van welke belasting dan ook (zie figuur 3).

(4) Dubbelringconfiguratie: Elke belasting wordt gevoed door twee onafhankelijke ringnetwerken, wat uiterst hoge betrouwbaarheid biedt (zie figuur 4).

(5) Dubbele "T"-verbinding: Twee kabellijnen verbonden met verschillende busbarsecties, zodat elke belasting energie kan ontvangen van beide lijnen. Deze configuratie garandeert bijna continue voeding voor gebruikers met dubbele bronnen en is bijzonder geschikt voor kritische toepassingen (zie figuur 5).

1.3 Ringhoofdschakelaars en hun kenmerken

Een ringhoofdschakelaar (RMU) is een schakelkast die wordt gebruikt in ringnetwerkvoedingsystemen, meestal met belastingschakelaars, circuitbrekers, fusesschakelaars, buskoppelaars, meetapparatuur, spanningstransformatoren, of een combinatie daarvan. RMU's zijn compact, ruimtebesparend, kosteneffectief, gemakkelijk te installeren en snel in gebruik te nemen, en voldoen aan de eis van "apparaatminiaturisatie". Ze worden breed gebruikt in wooncomplexen, openbare gebouwen, kleine en middelgrote ondernemingen, secundaire schakelstations, padmontageschakelstations en kabelverdelingskasten.

1.4 Soorten ringhoofdschakelaars

• Luchtgeïsoleerde RMU's: Gebruiken lucht als isolatiemiddel; deze eenheden zijn groot, vereisen veel ruimte en zijn gevoelig voor omgevingsomstandigheden.

• SF₆ RMU's: Gebruiken hexafluoride (SF₆) gas als zowel isolerend als boogblussend medium. De hoofdschakelaar is verzegeld in een metalen behuizing gevuld met SF₆, terwijl het bedieningsmechanisme zich buiten bevindt. De verzegelde ontwerp minimaliseert de milieueffecten en staat een aanzienlijk kleiner voetafdruk toe vergeleken met luchtgeïsoleerde eenheden. SF₆ RMU's zijn momenteel het meest gebruikte type.

• Vaste geïsoleerde RMU's: Gebruiken vaste isolatiematerialen (bijvoorbeeld epoxyhars) om schakelaars en alle levende delen te encapsuleren en te gieten. Dit ontwerp vermindert fase-tot-fase en fase-tot-aarde isolatieafstanden, resulterend in compacte afmetingen vergelijkbaar met SF₆ RMU's. Bovendien elimineren ze SF₆-emissies en kunnen ze onderhoudsvrij werken.

2 Beperkingen van SF₆ ringhoofdschakelaars

SF₆ is een belangrijke bijdrage aan de broeikaseffect. Ondanks de uitstekende elektrische eigenschappen - zoals hoge diëlektrische sterkte, effectieve boogblussing, goede thermische stabiliteit en sterke electronegativiteit - en de ongevoeligheid voor vocht, verontreiniging en grote hoogtes, waardoor het ideaal is voor compacte elektrische apparatuur, wordt SF₆ erkend als een krachtig broeikasgas. Ongeveer 80% van de wereldwijde productie van SF₆ wordt gebruikt in de energie-industrie. Zowel het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) als de Amerikaanse Environmental Protection Agency (EPA) classificeert SF₆ als een van de meest schadelijke broeikasgassen. De EU F-Gas Regulation (2006) verbiedt het gebruik van SF₆ in de meeste toepassingen, behalve waar geen haalbare alternatieven bestaan voor elektrische schakelkasten.

Bovendien betekenen SF₆ RMU's hoge complexiteit en aanzienlijke investeringen, en vereisen ze diverse hulpapparatuur:

• SF₆ lekdetectiesystemen voor het monitoren van gaslekken, concentraties, zuurstofniveaus en vochtgehalte.

• SF₆ herwinningssystemen: Tijdens de boogonderbreking worden bijproducten zoals SF₄ geproduceerd; dus aan het einde van de levensduur moet niet alleen resterend SF₆ worden herwonnen, maar moeten ook giftige bijproducten speciaal worden behandeld.

• SF₆ reinigingssystemen om het gas te zuiveren en opnieuw te gebruiken.

• Ventilatiesystemen in onderstations.

Bij het gebruik van SF₆ RMU's moeten de volgende maatregelen worden genomen:

• Minimaliseer SF₆-lekkage. Hoewel SF₆ RMU's overdruk-verzegelde behuizingen gebruiken, is gaslekken onvermijdelijk. Verminderde gasdruk verlaagt de schakelbetrouwbaarheid, wat direct de veiligheid van personeel in gevaar brengt en de levensduur van het apparaat verkort.

• Personeel moet gedwongen ventilatie uitvoeren en speciale beschermende kleding dragen voordat ze onderstations met SF₆-apparatuur binnengaan.

• Operaties zijn complex en vereisen grondige en herhaalde training voor relevant personeel.

3 Kenmerken en toepassingen van vaste geïsoleerde ringhoofdschakelaars

De potentiële milieugevaren die gepaard gaan met SF₆ ringhoofdschakelaars (RMU's) hebben hun verdere ontwikkeling beperkt, waardoor de zoektocht naar alternatieven voor SF₆ een belangrijk onderzoeksgebied is geworden over de hele wereld. Vaste geïsoleerde RMU's werden voor het eerst ontwikkeld en geïntroduceerd door Eaton Corporation in de Verenigde Staten aan het eind van de jaren negentig. Deze eenheden produceren tijdens het gebruik geen schadelijke gassen, hebben geen milieueffecten, bieden een hogere betrouwbaarheid en realiseren echt onderhoudsvrij functioneren.

Een vaste geïsoleerde RMU integreert vacuümonderbrekers, afschakelaars, aardingsschakelaars, hoofdleiders, vertakkingsbusbars, of combinaties daarvan, ingesloten in epoxyhars of andere vaste isolatiematerialen. Deze componenten zijn verzegeld in volledig geïsoleerde en volledig verzegelde functionele modules die kunnen worden hercombineren of uitgebreid. Geleidende of halfgeleidende schildlagen worden toegepast op de buitenkanten van de modules die toegankelijk zijn voor personeel, waardoor betrouwbare aarding wordt gegarandeerd.

3.1 Kenmerken van vaste geïsoleerde ringhoofdschakelaars

(1) Milieuvriendelijk ontwerp. Deze eenheden gebruiken geen SF₆ als isolatiemiddel of boogblussend medium. In plaats daarvan gebruiken ze vacuümonderbrekers voor schakeling en milieuvriendelijke, recycleerbare materialen voor primaire isolatie. Door het minimaliseren van het aantal componenten wordt laag energieverbruik en een verminderd falingspercentage tijdens het gebruik gegarandeerd.

(2) Echt onderhoudsvrij. Vaste geïsoleerde RMU's elimineren de noodzaak voor SF₆-drukbehuizingen. Interne isolatie en boogonderbreking vertrouwen op vacuümtechnologie, terwijl externe isolatie gebruikmaakt van vaste materialen zoals isolatiehuisjes. Door giettechnologie worden de vacuümonderbreker, de hoofdconductoren en de isolatiedragers geïntegreerd in een eenheid die is verzegeld in een metalen behuizing, waardoor de prestaties ongevoelig zijn voor externe omgevingsfactoren. De volledig geïsoleerde en verzegelde structuur elimineert de noodzaak voor SF₆-lekdetectie, gasvulling en afvalverwerking, waardoor echt onderhoudsvrij functioneren mogelijk is.

(3) Hoog kosteneffectief. Hoewel de initiële investering voor vaste geïsoleerde RMU's iets hoger is dan die van SF₆ RMU's, is de totale levenscycluskosten aanzienlijk lager, zoals getoond in tabel 1. Gebruikers nemen steeds meer rekening met geïntegreerde factoren zoals veiligheidsrisico's, kwaliteit van de elektriciteitsvoorziening, kostenbeheersing en duurzaamheid - niet alleen de initiële aankoopkosten, maar ook de totale bezitkosten. De cumulatieve kosten van onderhoud, gasvulling, lekbeheer en eind-of-life herwinning voor SF₆ RMU's kunnen de initiële aankoopkosten benaderen, terwijl vaste geïsoleerde RMU's na installatie geen extra kosten vereisen. Dus vanuit een langetermijnperspectief bieden vaste geïsoleerde RMU's superieure economische voordelen.

(4) Compacte structuur. Ontworpen om zo compact mogelijk te zijn terwijl veiligheid en gemakkelijke bediening worden gewaarborgd, hebben deze eenheden een kleinere voetafdruk en volume dan zelfs SF₆ RMU's, waarmee gebruikers ruimte besparen en directe economische voordelen behalen.

(5) Weerstand tegen interne boogfouten, verbeterde veiligheid en betrouwbaarheid. Volgens Exnis-rapporten komen significante verliezen door interne boog in primaire en secundaire schakelkasten ten minste eenmaal per jaar voor. De meeste vaste geïsoleerde RMU's integreren boogbestendige ontwerpen die de impact van interne bogen minimaliseren, waardoor veiliger en betrouwbaarder werking wordt gegarandeerd.

(6) Zichtbare isolatiegaten. Uitgerust met observatieramen, laten deze eenheden directe visuele inspectie van de drie-positie afschakelaarcontacten toe, waardoor zichtbare brekpunten worden gegarandeerd en de veiligheid van de operator wordt verhoogd.

(7) Slimme mogelijkheden. Vaste geïsoleerde RMU's zijn gemakkelijker aan te passen aan distributieautomatisering. Door distributie-eindterminals (DTU's) en communicatieapparatuur te installeren, kunnen functies zoals statusmonitoring, afstandsbediening ("vier-afstandsfuncties"), communicatie, zelfdiagnose en gebeurtenislogboeken gemakkelijk worden geïmplementeerd.

3.2 Huidige toepassingsstatus

Momenteel wordt de wijdverspreide adoptie van vaste geïsoleerde RMU's beperkt door hun relatief hoge kosten en complexe productieprocessen. Hun productie vereist een hogere technische precisie dan SF₆-geïsoleerde RMU's. Onvoldoende productietechnieken kunnen leiden tot grotere isolatierisico's, hogere falingskansen en grotere gevaren vergeleken met SF₆ RMU's, wat strikte controle over de kwaliteit van grondstoffen en procesnormen noodzakelijk maakt. Bovendien zijn de bedradingconfiguraties van vaste geïsoleerde RMU's minder flexibel, vooral voor functionele eenheden zoals potentietransformator (PT) kasten en meetkasten, wat beperkte opties biedt en hun toepassing en ontwikkeling beperkt.

Met de continue optimalisatie van productieprocessen en toenemende standaardisering wordt de kwaliteit van vaste geïsoleerde RMU's stabiel, en de prijzen dalen geleidelijk. Sommige landen bieden 5%-10% stimulansen voor producten die geen SF₆ gebruiken om emissies te verlagen. Dit moedigt gebruikers aan om rekening te houden met de totale levenscycluskosten in plaats van alleen de initiële aankoopkosten. Op basis van internationale praktijken kunnen vaste geïsoleerde RMU's worden geprioritiseerd in milieugevoelige of nieuwe projecten - zoals wooncomplexen, openbare gebouwen en gemeentelijke infrastructuur - terwijl SF₆ RMU's geleidelijk worden afgeschaffd.