SF₆ vs. твердотельные КРУ: что лучше для вашей системы распределения электроэнергии

1 Кольцевая сеть питания и кольцевые распределительные устройства

С развитием урбанизации потребность в более высокой надежности распределения электроэнергии продолжает расти, и все больше пользователей требуют два или более источника питания. Традиционный метод "радиального питания" сталкивается с проблемами, такими как сложности при прокладке кабелей, усложнение обнаружения неисправностей и негибкость при модернизации и расширении сетей. В отличие от этого, "кольцевая сеть питания" позволяет использовать двойные или множественные источники питания для важных нагрузок, упрощает распределительные линии, облегчает прокладку кабелей, снижает количество коммутационного оборудования, уменьшает частоту отказов и упрощает локализацию неисправностей.

1.1 Кольцевая сеть питания

Кольцевая сеть питания представляет собой конфигурацию, в которой две или более исходящие линии из разных подстанций или разных шин одной подстанции соединены для формирования замкнутого контура для распределения электроэнергии. Главное преимущество заключается в том, что каждая распределительная ветвь может получать питание с любой стороны кольца. Если одна сторона выходит из строя, питание можно по-прежнему обеспечивать с другой стороны. Хотя система работает в режиме одиночной петли, каждая ветвь фактически достигает уровня надежности двойного источника питания, значительно повышая надежность системы. В Китае городские кольцевые сети питания следуют критерию безопасности "N-1", что означает, что если один из N нагрузок выйдет из строя, оставшиеся N-1 нагрузок могут по-прежнему безопасно получать питание без перебоев или сброса нагрузки.

1.2 Конфигурации кольцевых соединений

(1) Базовое кольцевое соединение: одиночный источник питания, где кабели образуют кольцо, обеспечивая непрерывное питание других нагрузок в случае выхода из строя одного участка кабеля (см. рис. 1).

(2) Кольцевое соединение с различных шин: два источника питания, обычно работающие в режиме открытой петли, обеспечивают высокую надежность и гибкость эксплуатации (см. рис. 2).

(3) Одинарная кольцевая конфигурация: источники питания взяты из разных подстанций или шин; техническое обслуживание любого участка кабеля не прерывает питание любой нагрузки (см. рис. 3).

(4) Двойная кольцевая конфигурация: каждая нагрузка питается от двух независимых кольцевых сетей, обеспечивая чрезвычайно высокую надежность (см. рис. 4).

(5) Двойное "Т"-образное соединение с двойным питанием: две кабельные линии подключены к разным секциям шин, позволяя каждой нагрузке получать питание от обеих линий. Эта конфигурация обеспечивает почти непрерывное питание для пользователей с двумя источниками и особенно подходит для критически важных применений (см. рис. 5).

1.3 Кольцевые распределительные устройства и их характеристики

Кольцевое распределительное устройство (KRУ) — это коммутационное оборудование, используемое в кольцевых сетях питания, обычно включающее в себя рубильники, автоматические выключатели, комбинированные предохранители-выключатели, шинные соединители, измерительные устройства, трансформаторы напряжения или любую комбинацию этих элементов. KRУ компактны, экономят пространство, являются экономически эффективными, легко устанавливаются и быстро вводятся в эксплуатацию, удовлетворяя требования к "миниатюризации оборудования". Они широко используются в жилых комплексах, общественных зданиях, небольших и средних предприятиях, вторичных распределительных пунктах, блочных подстанциях и кабельных распределительных коробках.

1.4 Типы кольцевых распределительных устройств

• Воздушно-изолированные KRУ: используют воздух в качестве изоляционной среды; эти устройства крупные, требуют много места и подвержены воздействию окружающей среды.

• SF₆ KRУ: используют гексафторид серы (SF₆) в качестве изоляционной и дугогасящей среды. Основной выключатель герметично заключен в металлический корпус, заполненный SF₆, в то время как механизм управления находится снаружи. Герметичный дизайн минимизирует воздействие на окружающую среду и позволяет значительно уменьшить размеры по сравнению с воздушно-изолированными устройствами. SF₆ KRУ в настоящее время являются наиболее широко используемым типом.

• Твердотельные KRУ: используют твердые изоляционные материалы (например, эпоксидную смолу) для заливки и формования выключателей и всех живых частей. Этот дизайн уменьшает фазовые и фазо-земляные изоляционные расстояния, обеспечивая компактные размеры, сравнимые с SF₆ KRУ. Кроме того, они исключают выбросы SF₆ и могут достигать бесперебойной работы без обслуживания.

2 Ограничения SF₆ кольцевых распределительных устройств

SF₆ является значительным вкладчиком в парниковый эффект. Несмотря на его отличные электрические свойства, такие как высокая диэлектрическая прочность, эффективное дугогашение, хорошая термическая стабильность и сильная электроотрицательность, а также его невосприимчивость к влажности, загрязнению и высоким высотам, что делает его идеальным для компактного электрического оборудования, SF₆ признан мощным парниковым газом. Приблизительно 80% мирового производства SF₆ используется в энергетической промышленности. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) и Агентство по охране окружающей среды США (EPA) классифицируют SF₆ как один из самых вредных парниковых газов. Регламент ЕС по F-газам (2006) запрещает использование SF₆ во многих применениях, за исключением случаев, когда нет жизнеспособных альтернатив для электрического коммутационного оборудования.

Кроме того, SF₆ KRУ требуют высокой сложности использования и значительных инвестиций, требуя различных вспомогательных устройств:

• Системы обнаружения утечек SF₆ для мониторинга утечек газа, концентрации, уровня кислорода и содержания влаги.

• Оборудование для рекуперации SF₆: при прерывании дуги образуются побочные продукты, такие как SF₄; таким образом, в конце срока службы необходимо не только восстановить остаточный SF₆, но и специальным образом обработать токсичные побочные продукты.

• Системы очистки SF₆ для очистки и повторного использования газа.

• Системы вентиляции в подстанциях.

При использовании SF₆ KRУ следует соблюдать следующие меры:

• Минимизировать утечки SF₆. Хотя SF₆ KRУ используют герметичные корпуса с избыточным давлением, утечки газа неизбежны. Снижение давления газа уменьшает надежность переключения, непосредственно угрожая безопасности персонала и сокращая срок службы оборудования.

• Персонал должен проводить принудительную вентиляцию и надевать специальное защитное оборудование перед входом в подстанции с оборудованием SF₆.

• Операции сложны и требуют тщательного и повторного обучения соответствующего персонала.

3 Характеристики и применения твердотельных кольцевых распределительных устройств

Потенциальные экологические опасности, связанные с SF₆ кольцевыми распределительными устройствами (KRУ), ограничили их дальнейшее развитие, что сделало поиск альтернатив SF₆ ключевым направлением исследований по всему миру. Твердотельные KRУ были впервые разработаны и представлены компанией Eaton Corporation из США в конце 1990-х годов. Эти устройства не производят вредных газов во время эксплуатации, не оказывают влияния на окружающую среду, предлагают более высокую надежность и обеспечивают действительно бесперебойную работу без обслуживания.

Твердотельное KRУ интегрирует вакуумные прерыватели, рубильники, заземляющие рубильники, основные проводники, ветвевые шины или их комбинации, заливаемые в эпоксидную смолу или другие твердые изоляционные материалы. Эти компоненты герметично запечатаны в полностью изолированных и полностью герметичных функциональных модулях, которые могут быть перекомбинированы или расширены. Проводящие или полупроводящие экраны наносятся на внешние поверхности модулей, доступные персоналу, обеспечивая надежное заземление.

3.1 Характеристики твердотельных кольцевых распределительных устройств

(1) Экологический дизайн. Эти устройства не используют SF₆ в качестве изоляционной или дугогасящей среды. Вместо этого они используют вакуумные прерыватели для переключения и экологически безопасные, пригодные для повторного использования материалы для первичной изоляции. Снижение количества компонентов обеспечивает низкое энергопотребление и меньшую вероятность отказов во время эксплуатации.

(2) Действительно бесперебойная работа без обслуживания. Твердотельные KRУ исключают необходимость в сосудах под давлением SF₆. Внутренняя изоляция и прерывание дуги основаны на вакуумной технологии, в то время как внешняя изоляция использует твердые материалы, такие как изоляционные корпуса. С помощью технологии заливки вакуумный прерыватель, основной проводящий путь и изоляционные опоры интегрируются в единую герметичную конструкцию, помещенную в металлический корпус, что делает ее независимой от внешних факторов. Полностью изолированная и герметичная конструкция исключает необходимость в обнаружении утечек SF₆, заправке газом и утилизации отходов, обеспечивая действительно бесперебойную работу без обслуживания.

(3) Высокая экономическая эффективность. Хотя первоначальные инвестиции в твердотельные KRУ немного выше, чем в SF₆ KRУ, общая стоимость жизненного цикла значительно ниже, как показано в таблице 1. Пользователи все чаще учитывают комплексные факторы, такие как риски безопасности, качество электроэнергии, контроль затрат и устойчивость, а не только начальную цену покупки, но и общую стоимость владения. Накопленные затраты на обслуживание, заправку газом, управление утечками и восстановление в конце срока службы для SF₆ KRУ могут приблизиться к их начальной стоимости, в то время как твердотельные KRУ не требуют дополнительных затрат после установки. Таким образом, с долгосрочной точки зрения, твердотельные KRУ предлагают лучшие экономические преимущества.

(4) Компактная конструкция. Разработанная для достижения максимальной компактности при обеспечении безопасности и удобства эксплуатации, эти устройства имеют меньший занимаемый объем и площадь, чем даже SF₆ KRУ, помогая пользователям экономить пространство и достигать прямых экономических выгод.

(5) Сопротивление внутренним дуговым авариям, повышенная безопасность и надежность. Согласно отчетам Exnis, значительные потери из-за внутренних дуговых аварий в первичном и вторичном коммутационном оборудовании происходят как минимум один раз в год. Большинство твердотельных KRУ включают дизайнерские решения, минимизирующие влияние внутренних дуг, обеспечивая более безопасную и надежную эксплуатацию.

(6) Видимые изоляционные промежутки. Оборудованные окнами для наблюдения, эти устройства позволяют непосредственно визуально проверять контакты трехпозиционных рубильников, обеспечивая видимые точки разрыва и повышая безопасность оператора.

(7) Интеллектуальные возможности. Твердотельные KRУ более легко адаптируются к автоматизации распределения. Установка распределительных терминальных устройств (DTU) и средств связи позволяет легко реализовать функции, такие как мониторинг состояния, дистанционное управление ("четыре удаленных" функции), связь, самодиагностика и регистрация событий.

3.2 Текущий статус применения

В настоящее время широкое внедрение твердотельных KRУ ограничено их относительно высокой стоимостью и сложностью производственных процессов. Их производство требует более высокой технической точности, чем SF₆-изолированные KRУ. Недостаточно качественные производственные технологии могут привести к большему риску изоляции, более высокой вероятности отказов и увеличению опасностей по сравнению с SF₆ KRУ, что требует строгого контроля качества сырья и стандартов процессов. Кроме того, схемы подключения твердотельных KRУ менее гибкие, особенно для функциональных блоков, таких как шкафы трансформаторов напряжения (PT) и измерительные шкафы, что ограничивает их применение и развитие.

С постоянной оптимизацией производственных процессов и увеличением стандартизации качество твердотельных KRУ становится более стабильным, а цены постепенно снижаются. Некоторые страны предлагают стимулы в размере 5-10% для продуктов, не использующих SF₆, чтобы снизить выбросы. Это поощряет пользователей учитывать общую стоимость жизненного цикла, а не только начальную стоимость покупки. Опираясь на международные практики, твердотельные KRУ могут быть приоритетными в экологически чувствительных или новых проектах, таких как жилые комплексы, общественные здания и муниципальная инфраструктура, постепенно вытесняя SF₆ KRУ.

Стареющие или вышедшие из строя SF₆ KRУ могут быть систематически заменены на основе срока службы, указанного производителем. Субсидии для пользователей, переходящих на экологически чистые твердотельные KRУ, могут дополнительно поддерживать учет стоимости жизненного цикла, способствовать принятию продуктов и продвижению экологически ответственных технологий. По мере роста экологического сознания твердотельные KRУ, как одна из альтернатив SF₆ KRУ, будут постепенно заменять часть существующих SF₆ устройств и получат широкое применение, демонстрируя сильный рыночный потенциал.

4 Заключение

Твердотельные KRУ технологически сравнимы с SF₆ KRУ и обладают уникальными преимуществами, такими как отсутствие вредных выбросов, действительно бесперебойная работа без обслуживания и более низкая общая стоимость жизненного цикла, что делает их все более привлекательными для пользователей. В "Первом каталоге ключевых новых технологий для приоритетного продвижения" (2011) Государственной сетевой компании Китая было отмечено, что, учитывая тенденции к повышению технической надежности и более строгим экологическим требованиям, твердотельные KRУ готовы полностью заменить SF₆ KRУ.

Кроме того, "Техническая спецификация для 12 кВ твердотельных кольцевых распределительных устройств", выпущенная Государственной сетевой компанией в 2012 году, подтвердила, что твердотельные KRУ технически способны удовлетворять сложным операционным требованиям и представляют собой новое направление в развитии KRУ, заслуживающее активного продвижения. Это означает официальное признание твердотельных KRУ в отрасли и техническом сообществе. Как жизнеспособная альтернатива SF₆ KRУ, твердотельные KRУ будут постепенно заменять часть существующих SF₆ устройств, достигая широкого применения и демонстрируя отличные перспективы для будущего развития.