SF₆ a RMU z izolacją stałą: Który jest lepszy dla Twojego systemu dystrybucji energii elektrycznej
1 Sieć pierścieniowa zasilania i jednostki sieci pierścieniowej
Wraz z rozwojem urbanizacji rośnie zapotrzebowanie na wyższą niezawodność w dystrybucji energii, a coraz więcej użytkowników wymaga dwóch lub więcej źródeł zasilania. Tradycyjna metoda „radialnego zasilania” staje przed wyzwaniami takimi jak trudności w montażu kabli, skomplikowane wykrywanie awarii oraz niewystarczająca elastyczność w modernizacji i rozszerzaniu sieci. W przeciwieństwie do tego, „sieć pierścieniowa zasilania” umożliwia podwójne lub wielokrotne źródła zasilania dla kluczowych obciążeń, upraszcza linie dystrybucyjne, ułatwia położenie kabli, zmniejsza liczbę urządzeń przełącznikowych, obniża wskaźniki awarii i ułatwia lokalizację uszkodzeń.
1.1 Sieć pierścieniowa zasilania
Sieć pierścieniowa zasilania to konfiguracja, w której dwa lub więcej linii wychodzących z różnych stacji przekształtniczych lub różnych szyn w tej samej stacji są ze sobą połączone, tworząc zamkniętą pętlę do dystrybucji energii. Jej główną zaletą jest to, że każda gałąź dystrybucyjna może otrzymywać zasilanie z każdej strony pierścienia. Jeśli jedna strona ulegnie awarii, zasilanie nadal może być dostarczane z drugiej strony. Mimo działania w trybie pojedynczej pętli, każda gałąź efektywnie osiąga poziom niezawodności podwójnego źródła zasilania, znacząco zwiększając niezawodność systemu. W Chinach miejskie sieci pierścieniowe zasilania stosują kryterium bezpieczeństwa „N-1”, co oznacza, że jeśli którykolwiek z N obciążeń ulegnie awarii, pozostałe N-1 obciążeń nadal mogą być bezpiecznie zasilać bez przerwy lub ograniczenia obciążenia.
1.2 Konfiguracje połączeń sieci pierścieniowej
(1) Podstawowe połączenie pierścieniowe: Jedno źródło zasilania, przy czym kable tworzą pierścień, zapewniając ciągłe zasilanie innych obciążeń, jeśli jedna sekcja kabla ulegnie awarii (patrz Rys. 1).
(2) Połączenie pierścieniowe z różnych szyn: Dwa źródła zasilania, zwykle działające w trybie otwartego pierścienia, oferując wysoką niezawodność i elastyczność działania (patrz Rys. 2).
(3) Konfiguracja jednego pierścienia: Źródła zasilania pochodzą z różnych stacji przekształtniczych lub szyn; utrzymanie dowolnej sekcji kabla nie przerywa zasilania żadnego obciążenia (patrz Rys. 3).
(4) Konfiguracja podwójnego pierścienia: Każde obciążenie jest zasilane z dwóch niezależnych sieci pierścieniowych, zapewniając ekstremalnie wysoką niezawodność (patrz Rys. 4).
(5) Dwukrotna podwójna konfiguracja „T”: Dwie linie kablowe połączone z różnymi sekcjami szyn, umożliwiające każdemu obciążeniu otrzymywanie zasilania z obu linii. Ta konfiguracja zapewnia niemal ciągłe zasilanie dla użytkowników z podwójnym źródłem i jest szczególnie odpowiednia dla kluczowych aplikacji (patrz Rys. 5).
1.3 Jednostki sieci pierścieniowej i ich cechy
Jednostka sieci pierścieniowej (RMU) to urządzenie przełącznicze stosowane w sieciach pierścieniowych zasilania, zazwyczaj obejmujące przełączniki obciążeniowe, automaty, kombinacje wyłączników i przepięć, sprzęgi szynowe, urządzenia pomiarowe, transformatory napięcia lub dowolną kombinację tych elementów. RMU są kompaktowe, oszczędzające przestrzeń, kosztosprawne, łatwe w montażu i szybko gotowe do eksploatacji, spełniając potrzeby „miniaturyzacji sprzętu”. Są szeroko stosowane w osiedlach mieszkaniowych, budynkach publicznych, małych i średnich przedsiębiorstwach, wtórnych stacjach przełączania, stacjach kontenerowych oraz skrzynkach dystrybucyjnych kablowych.
1.4 Typy jednostek sieci pierścieniowej
RMU powietrzne: Używają powietrza jako środka izolacyjnego; te urządzenia są duże, wymagają więcej przestrzeni i są podatne na warunki środowiskowe.
RMU SF₆: Wykorzystują sześciufluorek siarki (SF₆) jako środek izolacyjny i gaszący łuki elektryczne. Główny przełącznik jest zapieczętowany w metalowej obudowie wypełnionej SF₆, podczas gdy mechanizm sterujący znajduje się na zewnątrz. Zapieczętowana konstrukcja minimalizuje wpływ na środowisko i pozwala na znacznie mniejszy rozmiar w porównaniu z RMU powietrznymi. RMU SF₆ są obecnie najbardziej szeroko stosowanym typem.
RMU izolowane solidarnie: Stosują materiały izolacyjne stałe (np. żywicę epoksydową) do zaklejenia i odlewu przełączników i wszystkich części pod napięciem. Ta konstrukcja redukuje odległości izolacyjne między fazami i między fazą a ziemią, prowadząc do kompaktowych wymiarów porównywalnych z RMU SF₆. Ponadto eliminują emisje SF₆ i mogą osiągnąć eksploatację bez konieczności konserwacji.
2 Ograniczenia RMU SF₆
SF₆ jest głównym składnikiem powodującym efekt cieplarniany. Pomimo swoich doskonałych właściwości elektrycznych - takich jak wysoka siła dielektryczna, skuteczne gaszenie łuków, dobra stabilność termiczna i silna elektrofilność - oraz nieczułość na wilgoć, zanieczyszczenia i duże wysokości, co sprawia, że jest idealny dla kompaktowego sprzętu elektrycznego, SF₆ jest uznawany za potężny gaz cieplarniany. Około 80% globalnej produkcji SF₆ jest używane w przemyśle energetycznym. Zarówno Międzyrządowy Panel ds. Zmian Klimatu (IPCC), jak i Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (EPA) klasyfikują SF₆ jako jeden z najbardziej szkodliwych gazów cieplarnianych. Rozporządzenie UE F-Gas (2006) zakazuje używania SF₆ w większości zastosowań, z wyjątkiem sytuacji, w których nie istnieją realne alternatywy dla sprzętu przełączniczego.
Ponadto, RMU SF₆ wiążą się z dużą złożonością użytkowania i znacznymi inwestycjami, wymagając różnych urządzeń pomocniczych:
Systemy wykrywania przecieków SF₆ do monitorowania przecieków gazu, stężenia, poziomu tlenu i zawartości wilgoci.
Urządzenia odzyskiwania SF₆: Podczas przerwania łuku generowane są produkty uboczne, takie jak SF₄; dlatego na końcu życia nie tylko należy odzyskać resztki SF₆, ale również specjalnie przetworzyć toksyczne produkty uboczne.
Systemy czyszczące SF₆ do czyszczenia i ponownego wykorzystania gazu.
Systemy wentylacji w stacjach przekształtniczych.
Podczas korzystania z RMU SF₆ należy zachować następujące środki ostrożności:
Minimalizacja przecieków SF₆. Chociaż RMU SF₆ wykorzystują hermetyczne obudowy podciśnieniowe, przecieki gazu są nieuniknione. Zmniejszenie ciśnienia gazu obniża niezawodność przełączania, bezpośrednio zagrożając bezpieczeństwem personelu i skracając czas życia sprzętu.
Personel musi dokonywać wymuszonej wentylacji i nosić specjalne ochronne wyposażenie przed wejściem do stacji przekształtniczych z urządzeniami SF₆.
Operacje są złożone, wymagając dokładnego i powtarzanego szkolenia odpowiednich pracowników.
3 Cechy i zastosowania RMU izolowanych solidarnie
Potencjalne zagrożenia środowiskowe związane z RMU SF₆ ograniczyły ich dalszy rozwój, co sprawiło, że poszukiwanie alternatyw dla SF₆ stało się kluczowym obszarem badań na całym świecie. RMU izolowane solidarnie zostały po raz pierwszy opracowane i wprowadzone przez Eaton Corporation z USA na przełomie lat 90. Te urządzenia nie produkują szkodliwych gazów podczas eksploatacji, nie mają wpływu na środowisko, oferują wyższą niezawodność i osiągają prawdziwą eksploatację bez konieczności konserwacji.
RMU izolowane solidarnie integrują przerywacze próżniowe, przełączniki odłączające, przełączniki ziemne, główne przewody, boczne szyny lub kombinacje tych elementów, zaklejone w żywicę epoksydową lub inne materiały izolacyjne stałe. Te komponenty są zapieczętowane w pełni izolowanych i hermetycznych modułach funkcyjnych, które można ponownie łączyć lub rozszerzać. Na zewnętrznych powierzchniach modułów dostępnych dla personelu zastosowane są warstwy osłonowe przewodzące lub półprzewodzące, zapewniające niezawodne ziemienie.
3.1 Cechy RMU izolowanych solidarnie
(1) Ekologiczny projekt. Te urządzenia nie używają SF₆ jako środka izolacyjnego ani gaszącego łuki. Zamiast tego wykorzystują przerywacze próżniowe do przełączania i ekologicznie neutralne, recyklingowe materiały do podstawowej izolacji. Minimalizując liczbę komponentów, zapewniają niskie zużycie energii i obniżone wskaźniki awarii podczas eksploatacji.
(2) Prawdziwa eksploatacja bez konieczności konserwacji. RMU izolowane solidarnie eliminują potrzebę zbiorników ciśnieniowych SF₆. Wewnętrzna izolacja i przerwanie łuku opiera się na technologii próżniowej, podczas gdy zewnętrzna izolacja wykorzystuje stałe materiały, takie jak obudowy izolacyjne. Dzięki technologii zaklejania, przerywacz próżniowy, główna ścieżka przewodząca i wsporniki izolacyjne są integrowane w jedno zapieczętowane w metalowej obudowie, co sprawia, że wydajność jest odporna na zewnętrzne czynniki środowiskowe. Pełnie izolowana i hermetyczna struktura eliminuje potrzebę wykrywania przecieków SF₆, doładowywania gazu i usuwania odpadów, umożliwiając prawdziwą eksploatację bez konieczności konserwacji.
(3) Wysoka rentowność. Choć początkowe inwestycje w RMU izolowane solidarnie są nieco wyższe niż w przypadku RMU SF₆, całkowity koszt cyklu życia jest znacznie niższy, jak pokazano w Tabeli 1. Użytkownicy coraz częściej biorą pod uwagę kompleksowe czynniki, takie jak ryzyko bezpieczeństwa, jakość zasilania, kontrola kosztów i zrównoważony rozwój - nie tylko początkową cenę zakupu, ale także całkowity koszt posiadania. Skumulowane koszty konserwacji, doładowywania gazu, zarządzania przeciekami i odzyskiwania na końcu życia RMU SF₆ mogą zbliżyć się do ich początkowej ceny zakupu, podczas gdy RMU izolowane solidarnie nie wymagają dodatkowych kosztów po instalacji. Zatem z długoterminowej perspektywy RMU izolowane solidarnie oferują lepsze korzyści ekonomiczne.
(4) Kompaktowa struktura. Projektowany tak, aby być jak najbardziej kompaktowy, jednocześnie zapewniając bezpieczeństwo i łatwość obsługi, te urządzenia mają mniejsze wymiary i objętość niż nawet RMU SF₆, pomagając użytkownikom oszczędzać przestrzeń i osiągać bezpośrednie korzyści ekonomiczne.
(5) Odporność na wewnętrzne uszkodzenia łukowe, zwiększone bezpieczeństwo i niezawodność. Według raportów Exnis, znaczne straty spowodowane wewnętrznymi łukami elektrycznymi w sprzęcie pierwszej i drugiej linii występują co najmniej raz rocznie. Większość RMU izolowanych solidarnie posiada konstrukcje odporne na łuki, które minimalizują wpływ wewnętrznych łuków, zapewniając bezpieczniejszą i niezawodniejszą eksploatację.
(6) Widoczne luki izolacyjne. Wyposażone w okna obserwacyjne, te urządzenia pozwalają na bezpośredni wizualny przegląd kontaktów trójpozycyjnych przełączników odłączających, zapewniając widoczne punkty rozłączenia i zwiększając bezpieczeństwo operatorów.
(7) Funkcje inteligentne. RMU izolowane solidarnie są bardziej łatwo adaptowalne do automatyzacji dystrybucji. Poprzez instalację terminali dystrybucyjnych (DTU) i urządzeń komunikacyjnych, funkcje takie jak monitorowanie stanu, zdalna kontrola („cztery zdalne” funkcje), komunikacja, samo-diagnostyka i rejestrowanie zdarzeń mogą być łatwo wdrożone.
3.2 Obecny status zastosowania
Obecnie szerokie wdrożenie RMU izolowanych solidarnie jest ograniczone przez ich relatywnie wysoki koszt i złożone procesy produkcyjne. Ich produkcja wymaga wyższej precyzji technicznej niż RMU izolowane SF₆. Niewłaściwe techniki produkcyjne mogą prowadzić do większych ryzyk izolacyjnych, wyższych prawdopodobieństw awarii i zwiększonego zagrożenia w porównaniu z RMU SF₆, co wymaga ścisłego kontroli jakości surowców i standardów procesowych. Ponadto, konfiguracje kablowe RMU izolowanych solidarnie są mniej elastyczne, zwłaszcza dla funkcjonalnych jednostek, takich jak szafy transformatorów napięcia (PT) i szafy pomiarowe, oferując ograniczone opcje i ograniczając ich zastosowanie i rozwój.
Z ciągłą optymalizacją procesów produkcyjnych i wzrostem standaryzacji, jakość RMU izolowanych solidarnie staje się bardziej stabilna, a ceny stopniowo maleją. Niektóre kraje oferują 5%-10% premii dla produktów, które nie używają SF₆, aby zmniejszyć emisje. To zachęca użytkowników do rozważania całkowitego kosztu cyklu życia, a nie tylko początkowej ceny zakupu. Opierając się na międzynarodowych praktykach, RMU izolowane solidarnie mogą być priorytetowe w ekologicznie wrażliwych lub nowych projektach - takich jak osiedla mieszkaniowe, budynki publiczne i infrastruktura miejska - stopniowo zastępując RMU SF₆.
Starzejące się lub kończące swój cykl życia RMU SF₆ mogą być systematycznie zastępowane na podstawie określonego przez producenta czasu użytkowania. Subwencje dla użytkowników przyjmujących ekologiczne RMU izolowane solidarnie mogą dalej wspierać rozważania dotyczące kosztów cyklu życia, promować adopcję produktów i rozwijać technologie odpowiedzialne ekologicznie. W miarę jak rośnie świadomość ekologiczna, RMU izolowane solidarnie, jako jedna z alternatyw dla RMU SF₆, stopniowo zastąpią część istniejących jednostek SF₆ i uzyskają szerokie zastosowanie, demonstrując silny potencjał rynkowy.
4 Wnioski
RMU izolowane solidarnie są technologicznie porównywalne do RMU SF₆ i posiadają unikalne zalety, takie jak brak szkodliwych emisji, prawdziwa eksploatacja bez konieczności konserwacji i niższy całkowity koszt cyklu życia, co sprawia, że stają się coraz bardziej atrakcyjne dla użytkowników. Pierwszy katalog kluczowych nowych technologii priorytetowo promowanych przez State Grid Corporation of China (2011) stwierdził, że, biorąc pod uwagę trendy w kierunku wyższej niezawodności technicznej i surowszych wymogów środowiskowych, RMU izolowane solidarnie są gotowe do pełnego zastąpienia RMU SF₆.
Ponadto, „Specyfikacja techniczna dla 12 kV RMU izolowanych solidarnie” wydana przez State Grid Corporation w 2012 roku potwierdziła, że RMU izolowane solidarnie są technicznie zdolne do spełnienia złożonych wymagań operacyjnych i reprezentują nowy kierunek rozwoju RMU, który zasługuje na aktywne promowanie. To oznacza formalne uznanie RMU izolowanych solidarnie przez branżę i społeczność techniczną. Jako realistyczna alternatywa dla RMU SF₆, RMU izolowane solidarnie stopniowo zastąpią część istniejących jednostek SF₆, osiągając szerokie zastosowanie i demonstrując doskonałe perspektywy na przyszłość.
