SF₆ vs. fast isolerte RMUer: Hva er best for kraftdistribusjonssystemet ditt?

1 Ringnett strømforsyning og ringhovedenheter

Med fremgangen av urbanisering øker behovet for høyere pålitelighet i strømfordeling, og en økende antall brukere krever to eller flere strømforsyningskilder. Den tradisjonelle metoden med "radial strømforsyning" står overfor utfordringer som vanskeligheter med kabelinstallasjon, komplisert feilsøking, og liten fleksibilitet i nettoppgraderinger og -utvidelser. I motsetning til dette gir "ringnett strømforsyning" mulighet for dobbelt eller flere strømkilder til kritiske belastninger, forenkler fordelingslinjer, gjør kablegging enklere, reduserer antallet av sparer, senker feilfrekvens, og gjør det enklere å lokalisere feil.

1.1 Ringnett strømforsyning

Ringnett strømforsyning refererer til en konfigurasjon der to eller flere utgående linjer fra ulike understasjoner eller ulike busser i samme understasjon er koblet sammen for å danne en lukket løkke for strømforsyning. Dens hovedfordel er at hver fordelingsgren kan motta strøm fra begge sider av ringen. Hvis en side mislykkes, kan strøm fortsatt leveres fra den andre siden. Selv om den opererer i en enkeltringsmodus, oppnår hver gren effektivt en pålitelighetsnivå for dobbel strømkilde, noe som betydelig forbedrer systemets pålitelighet. I Kina følger byringnettstrømsystemer "N-1 sikkerhetskriteriet", som betyr at hvis noen av N belastninger mislykkes, kan de resterende N-1 belastningene fortsatt strømforsyning uten avbrudd eller lastnedsetting.

1.2 Ringnett koblingskonfigurasjoner

(1) Grunnleggende ringkobling: Enkelt strømkilde med kablene som danner en ring, som sikrer at andre belastninger får fortsettet strømforsyning hvis et kabelavsnitt mislykkes (se figur 1).

(2) Ringkobling fra ulike busser: To strømkilder, vanligvis driftet i åpen-løkke-modus, som gir høy pålitelighet og fleksibel drift (se figur 2).

(3) Enkeltringskonfigurasjon: Strømkilder fra ulike understasjoner eller busser; ved vedlikehold av et kabelavsnitt blir ikke strømmen til noen belastning avbrutt (se figur 3).

(4) Dobbeltringskonfigurasjon: Hver belastning er forsynet fra to uavhengige ringnett, som gir ekstremt høy pålitelighet (se figur 4).

(5) Dobbelt forsyning med dobbel "T"-kobling: To kabelinnger koblet til ulike busseksjoner, som lar hver belastning motta strøm fra begge linjene. Denne konfigurasjonen sikrer nærmest ubrudt strømforsyning for dobbel kildebrukere og er spesielt egnet for kritiske applikasjoner (se figur 5).

1.3 Ringhovedenheter og deres karakteristika

En ringhovedenhet (RMU) er en sparer brukt i ringnettstrømsystemer, som typisk inkluderer lastbrytespill, sirkuitspill, fus-spill-kombinasjoner, busskoplinger, måleenheter, spenningsoverførere, eller enhver kombinasjon av disse. RMUs er kompakte, rombesparende, kostnadseffektive, enkle å installere, og hurtige å sette i drift, og de møter behovet for "miniatyrering av utstyr." De brukes bredt i boligområder, offentlige bygg, små og mellomstore bedriftsunnderstasjoner, sekundære sparringsstasjoner, plattformunnderstasjoner, og kabelfordelingsbokser.

1.4 Typer ringhovedenheter

• Luftisolerte RMUs: Bruker luft som isoleringsmedium; disse enhetene er store, krever mer plass, og er utsatt for miljøforhold.

• SF₆ RMUs: Bruker svovelhexafluorid (SF₆) gas som både isolerings- og bueslukningsmedium. Hovedspillet er innkapslet i en metallbeholder fylt med SF₆, mens driftsmekanismen er plassert utenfor. Den innkapslede designen minimerer miljøpåvirkning og tillater en betydelig mindre fotavtrykk sammenlignet med luftisolerte enheter. SF₆ RMUs er for tiden den mest brukte typen.

• Fastisolerte RMUs: Bruker faste isoleringsmaterialer (f.eks. epoksyresin) for å inkapsle og gi form til spillene og alle levende deler. Denne designen reduserer fase til fase og fase til jord isoleringsavstander, noe som resulterer i kompakte dimensjoner som er sammenlignbare med SF₆ RMUs. I tillegg eliminerer de SF₆-emisjoner og kan oppnå drift uten vedlikehold.

2 Begrensninger ved SF₆ ringhovedenheter

SF₆ er en viktig bidragsyter til drivhuseffekten. Til tross for sine fremragende elektriske egenskaper – som høy dielektrisk styrke, effektiv bueslukking, god termisk stabilitet, og sterk elektronegativitet – og dens ubetingthed overfor fuktighet, forurensning, og høy terreng, som gjør den ideell for kompakt elektrisk utstyr, anerkjennes SF₆ som en kraftig drivhusgass. Om lag 80% av global SF₆-produksjon brukes i energisektoren. Både FNs klimapanel (IPCC) og USAs Miljøvernmyndighet (EPA) klassifiserer SF₆ som en av de mest skadelige drivhusgasser. EU F-Gass-forskriften (2006) forbier bruk av SF₆ i de fleste anvendelser, unntatt der ingen rimelige alternativer eksisterer for elektrisk sparerutstyr.

I tillegg involverer SF₆ RMUs høy brukskompleksitet og betydelig investering, som krever ulike hjelpemidler:

• SF₆-lekkasjeoppdagingssystemer for overvåking av gasslekkasje, konsentrasjon, oksygennivå, og fuktinnhold.

• SF₆-gjenopprettingsutstyr: Under bueslukning produseres biprodukter som SF₄; derfor må ikke bare resterende SF₆ gjenopprettes, men også giftige biprodukter behandles spesielt ved slutten av livstiden.

• SF₆-rensysler for rensing og gjenbruk av gassen.

• Ventilasjonssystemer i understasjoner.

Når man bruker SF₆ RMUs, må følgende tiltak overholdes:

• Minimere SF₆-lekkasje. Selv om SF₆ RMUs bruker overtrykk-sealed bekheder, er gasslekkasje uunngåelig. Redusert gasstrykk nedsatte slukningspålitelighet, som direkte truer personell sikkerhet og forkorter utstyrs levetid.

• Personell må utføre tvungen ventilasjon og bruke spesialisert beskyttelsesutstyr før de går inn i understasjoner med SF₆-utstyr.

• Operasjonene er komplekse, og relevante personell må ha grundig og repeterende trening.

3 Egenskaper og anvendelser av fastisolerte ringhovedenheter

De potensielle miljøfarer forbundet med SF₆ ringhovedenheter (RMUs) har begrenset deres videre utvikling, og søket etter SF₆-alternativer har blitt et nøkkelfokus for forskning verden over. Fastisolerte RMUs ble først utviklet og introdusert av Eaton Corporation i USA i slutten av 1990-årene. Disse enhetene produserer ingen skadelige gasser under drift, har ingen miljøpåvirkning, tilbyr høyere pålitelighet, og oppnår virkelig drift uten vedlikehold.

En fastisolert RMU integrerer vakuumavbrytere, disjunktorer, jordingspill, hovedledere, greneringsbusser, eller kombinasjoner av disse, inkapslet i epoksyresin eller andre faste isoleringsmaterialer. Disse komponentene er innkapslet i fullt isolerte og fullt tette funksjonelle moduler som kan kombineres eller utvides. Ledende eller semiledende skjermingslag er lagt på de ytre overflater av moduler som er tilgjengelige for personell, for å sikre pålitelig jording.

3.1 Egenskaper ved fastisolerte ringhovedenheter

(1) Miljøvennlig design. Disse enhetene bruker ikke SF₆ som isolerings- eller bueslukningsmedium. I stedet bruker de vakuumavbrytere for slukking og miljøvennlige, gjenbrukbare materialer for primær isolering. Ved å minimere antallet komponenter, sikrer de lav energiforbruk og redusert feilfrekvens under drift.

(2) Virkelig drift uten vedlikehold. Fastisolerte RMUs eliminerer behovet for SF₆-trykkbeholdere. Intern isolering og bueslukning baserer seg på vakuumteknologi, mens ekstern isolering bruker faste materialer som isoleringsbeholdere. Gjennom potting-teknologi, er vakuumavbryter, hovedledningsbane, og isoleringsstøtter integrert i én enhet innkapslet i en metallbeholder, noe som gjør ytelsen immunt mot eksterne miljøfaktorer. Den fullt isolerte og tette strukturen eliminerer behovet for SF₆-lekkasjeoppdaging, gassfylling, og avfallshåndtering, noe som muliggjør virkelig drift uten vedlikehold.

(3) Høy kostnadseffektivitet. Selv om den initielle investeringen for fastisolerte RMUs er litt høyere enn for SF₆ RMUs, er den totale livssykluskostnaden betydelig lavere, som vist i tabell 1. Brukere vurderer stadig mer helhetlige faktorer som sikkerhetsrisiko, strømkvalitet, kostnadskontroll, og bærekraft – ikke bare initiell kjøpspris, men også total eierskapskostnad. De akkumulerte kostnadene for vedlikehold, gassfylling, lekkasjehåndtering, og avslutning for SF₆ RMUs kan nærme seg deres initielle kjøpspris, mens fastisolerte RMUs ikke krever ytterligere kostnader etter installasjon. Dermed, sett fra et langtidsperspektiv, tilbyr fastisolerte RMUs superiør økonomisk fordel.

(4) Kompakt struktur. Designet for å være så kompakt som mulig samtidig som det sikrer sikkerhet og lett operasjon, har disse enhetene en mindre fotavtrykk og volum enn selv SF₆ RMUs, noe som hjelper brukerne med å spare plass og oppnå direkte økonomiske fordeler.

(5) Motstand mot interne bufeil, forbedret sikkerhet og pålitelighet. Ifølge Exnis-rapporter, oppstår betydelige tap på grunn av interne buer i primær- og sekundærspareutstyr minst en gang årlig. De fleste fastisolerte RMUs inkluderer buresistente design som minimaliserer påvirkningen av interne buer, noe som sikrer tryggere og mer pålitelig drift.

(6) Synlige isoleringsavstander. Utstyrt med observasjonsvinduer, lar disse enhetene direkte visuell inspeksjon av tre-posisjons-disjunktorkontakter, noe som sikrer synlige brytpunkter og forbedrer operatørers sikkerhet.

(7) Intelligente kapasiteter. Fastisolerte RMUs er mer lett tilpasset fordelingsautomatisering. Ved å installere fordelingsterminalenheter (DTUs) og kommunikasjonsutstyr, kan funksjoner som statusovervåking, fjernstyring ("fire-remote" funksjoner), kommunikasjon, selvdianose, og hendelseslogg lett implementeres.

3.2 Nåværende anvendelsesstatus

For øyeblikket er det bredt adopsjon av fastisolerte RMUs begrenset av deres relativt høye kostnader og komplekse produksjonsprosesser. Produksjonen av dem krever høyere teknisk nøyaktighet enn SF₆-isolerte RMUs. Utilstrekkelige produksjonsteknikker kan føre til større isolasjonsrisiko, høyere feilfrekvens, og økte farer sammenlignet med SF₆ RMUs, noe som krever streng kontroll over råvarekvalitet og prosessstandarder. I tillegg er kablingen av fastisolerte RMUs mindre fleksibel, spesielt for funksjonelle enheter som spenningsoverfører (PT) kabinetter og målekabinetter, som gir begrenset valg og begrenser deres anvendelse og utvikling.

Med kontinuerlig optimalisering av produksjonsprosesser og økende standardisering, blir kvaliteten av fastisolerte RMUs mer stabil, og priser gradvis lavere. Noen land tilbyr 5%-10% incitamenter for produkter som ikke bruker SF₆ for å redusere utslipp. Dette oppmuntrer brukere til å vurdere totale livssykluskostnader snarere enn bare initiell kjøpspris. Basert på internasjonale praksiser, kan fastisolerte RMUs prioriteres i miljøfølsomme eller nye prosjekter – som boligområder, offentlige bygg, og kommunale infrastrukturer – samtidig som SF₆ RMUs gradvis fasers ut.

Aldrende eller slutt på livstid SF₆ RMUs kan systematisk erstattes basert på produsentenes angitte levetid. Subsidier for brukere som adopterer miljøvennlige fastisolerte RMUs, kan ytre seg i livssykluskostnadsoverveielser, fremme produktadopsjon, og fremme miljømessig ansvarlige teknologier. Som miljøbevisstheten øker, vil fastisolerte RMUs, som ett av alternativene til SF₆ RMUs, gradvis erstatte en del av eksisterende SF₆-enheter og få bred anvendelse, demonstrerer sterk markeds potentiale.

4 Konklusjon

Fastisolerte RMUs er teknologisk sammenlignbare med SF₆ RMUs og har unike fordeler som null skadelige utslipp, virkelig drift uten vedlikehold, og lavere totale livssykluskostnader, noe som gjør dem stadig mer attraktivt for brukere. Statens kraftnettselskap i Kinas "Første katalog over nøkkelenye teknologier for prioritert fremme" (2011) nevnte at, med tanke på trender mot høyere teknisk pålitelighet og strengere miljøkrav, er fastisolerte RMUs klare til å fullstendig erstatte SF₆ RMUs.

Videre, "Teknisk spesifikasjon for 12 kV fastisolerte ringhovedenheter" utstedt av Statens kraftnettselskap i 2012 bekreftet at fastisolerte RMUs er teknisk i stand til å møte komplekse driftsbehov og representerer en ny retning i RMU-utvikling, noe som fortjener aktiv fremming. Dette markerer formell anerkjennelse av fastisolerte RMUs av industri og teknisk fellesskap. Som et rimelig alternativ til SF₆ RMUs, vil fastisolerte RMUs gradvis erstatte en del av eksisterende SF₆-enheter, oppnå bred anvendelse, og demonstrere fremragende utviklingsutsikter for fremtiden.