SF₆ vs. fast isolerade RMUs: Vilket är bättre för ditt elkraftsfördelningsystem?

1 Ringnätströmförsörjning och ringhuvudenheten

Med urbaniseringens framsteg ökar kravet på högre tillförlitlighet i strömfördelning, och allt fler användare kräver två eller flera källor för strömförsörjning. Den traditionella "radiala strömförsörjningen" står inför utmaningar som svårigheter med kablage, komplicerad felidentifiering och otillräcklig flexibilitet vid nätuppdateringar och -utbyggnader. I kontrast möjliggör "ringnätströmförsörjning" dubbla eller flera källor för viktiga belastningar, förenklar distributionslinjer, underlättar kablage, minskar antalet växlar, sänker felefterkommande och gör det enklare att hitta fel.

1.1 Ringnätströmförsörjning

Ringnätströmförsörjning avser en konfiguration där två eller flera utgående ledningar från olika understationer eller olika busbar från samma understation är sammanbundna för att bilda en sluten loop för strömfördelning. Dess huvudsakliga fördel är att varje distributionsgren kan få ström från någon av sidorna i ringen. Om ena sidan misslyckas kan ström fortfarande levereras från den andra sidan. Trots att den fungerar i en enda loopsläde uppnår varje gren effektivt en tillförlitlighetsnivå med dubbla källor, vilket betydligt ökar systemets tillförlitlighet. I Kina följer urbana ringnätströmsystem "N-1-säkerhetskriteriet", vilket innebär att om någon av N-belastningarna misslyckas, kan de återstående N-1-belastningarna fortfarande säkert matas utan avbrott eller lastnedtagning.

1.2 Ringnätsanslutningskonfigurationer

(1) Grundläggande ringanslutning: En enskild strömkälla med kablar som bildar en ring, vilket garanterar fortsatt strömförsörjning till andra belastningar om en kabelsektion misslyckas (se Fig. 1).

(2) Ringanslutning från olika busbars: Två strömkällor, vanligtvis i öppen loop, erbjuder hög tillförlitlighet och flexibel drift (se Fig. 2).

(3) Enkel ringkonfiguration: Strömkällor hämtade från olika understationer eller busbars; underhåll på någon kabelsektion avbryter inte strömförsörjningen till någon belastning (se Fig. 3).

(4) Dubbel ringkonfiguration: Varje belastning matas från två oberoende ringnät, vilket ger extremt hög tillförlitlighet (se Fig. 4).

(5) Dubbellinjeförbindelse med dubbel "T": Två kabellinjer anslutna till olika busbarsektioner, vilket möjliggör strömförsörjning från båda linjerna till varje belastning. Denna konfiguration garanterar nästan kontinuerlig strömförsörjning för dubbelkällsanvändare och är särskilt lämplig för kritiska tillämpningar (se Fig. 5).

1.3 Ringhuvudenhet och dess egenskaper

En ringhuvudenhet (RMU) är en växelapparat som används i ringnätströmsystem, ofta inklusive belastningsbrytare, kretsutslagare, fuseswitch-kombinationer, buskopplingar, mätinstrument, spänningsomvandlare eller någon kombination av dessa. RMU:er är kompakta, rymdbesparande, kostnadseffektiva, lätta att installera och snabba att sätta i drift, vilket uppfyller efterfrågan på "miniatyrisering av utrustning". De används vid boendekomplex, offentliga byggnader, små och medelstora företagsunderstationer, sekundära växelstationer, padmonterade understationer och kabelfördelningsboxar.

1.4 Typer av ringhuvudenhet

• Luftisolering RMU: Använder luft som isolerande medium; dessa enheter är stora, kräver mer utrymme och är känsliga för miljöförhållanden.

• SF₆ RMU: Använder hexafluorid (SF₆) gas som både isolerande och bågutsläckande medium. Huvudbrytaren är innesluten i en metallbehållare fylld med SF₆, medan driftmekanismen placeras utanför. Den seglade designen minimerar miljöpåverkan och tillåter en betydligt mindre fotavtryck jämfört med luftisoleringssenheter. SF₆ RMU:er är för närvarande de mest använda typerna.

• Massiv isolering RMU: Använder massiva isoleringsmaterial (t.ex. epoxidhar) för att inkapsla och gjuta brytare och alla livliga delar. Denna design minskar fasspridning och fas-till-jord isoleringsavstånd, vilket resulterar i kompakta dimensioner jämförbara med SF₆ RMU:er. Dessutom eliminerar de SF₆-utsläpp och kan uppnå drift utan underhåll.

2 Begränsningar hos SF₆-ringhuvudenhet

SF₆ är en stor bidragsgivare till växthusverkningen. Trots dess utmärkta elektriska egenskaper – såsom hög dielektrisk styrka, effektiv bågutsläckning, god termisk stabilitet och stark elektroaktivitet – och dess okänslighet för fukt, föroreningar och höga höjder, vilket gör det idealiskt för kompakt elektrisk utrustning, erkänns SF₆ som ett kraftfullt växthusgas. Cirka 80% av globala SF₆-produktionen används inom energisektorn. Både Förenta nationernas klimatpanel (IPCC) och USA:s miljöskyddsmyndighet (EPA) klassificerar SF₆ som en av de mest skadliga växthusgaserna. EU:s F-gasförordning (2006) förbjuder användningen av SF₆ i de flesta tillämpningar, förutom där inga rimliga alternativ finns för elektriska växlar.

Förutom detta involverar SF₆ RMU:er hög användningskomplexitet och betydande investering, vilket kräver olika hjälpmedel:

• SF₆-läckagedetektionssystem för övervakning av gasläcka, koncentration, syreinnehåll och fukthalte.

• SF₆-återvinningsekipment: Vid bågavbrott genereras biprodukter som SF₄; därför måste vid slutet av livscykeln inte bara resterande SF₆ återvinnas, utan giftiga biprodukter måste också behandlas särskilt.

• SF₆-reningsystem för att rengöra och återanvända gasen.

• Ventilationsanläggningar i understationer.

När man använder SF₆ RMU:er måste följande åtgärder följas:

• Minimera SF₆-läcka. Även om SF₆ RMU:er använder övertrycksseglat behållare, är gasläcka oundviklig. Minskat gastryck sänker växlingsreliabiliteten, vilket direkt hotar personalens säkerhet och förkortar utrustningens livslängd.

• Personal måste utföra tvingad ventilation och bära specialiserade skyddskläder innan de går in i understationer med SF₆-utrustning.

• Driften är komplex, vilket kräver grundlig och upprepad utbildning för relevant personal.

3 Egenskaper och tillämpningar av massiv isolering ringhuvudenhet

De potentiella miljöhot som är kopplade till SF₆-ringhuvudenhet (RMU) har begränsat deras ytterligare utveckling, vilket gör sökandet efter alternativ till SF₆ till en viktig forskningsfokus världen över. Massiv isolering RMU utvecklades och introducerades först av Eaton Corporation i USA mot slutet av 1990-talet. Dessa enheter producerar inga skadliga gaser under drift, har ingen miljöpåverkan, erbjuder högre tillförlitlighet och uppnår verkligt drift utan underhåll.

En massiv isolering RMU integrerar vakuumavbrottsare, kopplingsbrytare, jordningsbrytare, huvudledare, grenbusbarer eller kombinationer av dessa, inkapslade inuti epoxidhar eller andra massiva isoleringsmaterial. Dessa komponenter är inneslutna i fullt isolerade och fullt seglade funktionsmoduler som kan kombineras eller expanderas. Ledande eller halvledande sköldningslager appliceras på ytan av moduler som är tillgängliga för personal, vilket garanterar pålitlig jordning.

3.1 Egenskaper hos massiv isolering ringhuvudenhet

(1) Miljövänlig design. Dessa enheter använder inte SF₆ som isolerande eller bågutsläckande medium. Istället använder de vakuumavbrottsare för växling och miljöbenägen, återvinningbar material för primär isolering. Genom att minimera antalet komponenter säkerställer de låg energiförbrukning och minskade felefterkommande under drift.

(2) Verkligt drift utan underhåll. Massiv isolering RMU:er eliminera behovet av SF₆-tryckbehållare. Intern isolering och bågutsläckning baseras på vakuumteknik, medan extern isolering använder massiva material som isoleringshöljen. Genom pottingteknik integreras vakuumavbrottsaren, huvuddirektledare och isoleringsstöd i en enda enhet som är seglad inuti en metallbehållare, vilket gör prestandan immun mot externa miljöfaktorer. Den fullt isolerade och seglade strukturen eliminera behovet av SF₆-läckagedetektion, gastankning och avfallshantering, vilket möjliggör verkligen drift utan underhåll.

(3) Högt kostnadseffektiv. Även om den initiala investeringen för massiv isolering RMU:er är något högre än för SF₆ RMU:er, är den totala livscykelkostnaden betydligt lägre, som visas i Tabell 1. Användare beaktar alltmer omfattande faktorer som säkerhetsrisker, strömquality, kostnadskontroll och hållbarhet – inte bara den initiala köpkostnaden, men också den totala ägarkostnaden. De ackumulerade kostnaderna för underhåll, gastankning, läckagehantering och avslutande återvinning för SF₆ RMU:er kan närma sig deras initiala köpkostnad, medan massiv isolering RMU:er kräver inga ytterligare kostnader efter installation. Så, ur ett långsiktigt perspektiv, erbjuder massiv isolering RMU:er bättre ekonomiska fördelar.

(4) Kompakt struktur. Designad för att vara så kompakt som möjligt medan säkerhet och enkel drift säkerställs, dessa enheter har en mindre fotavtryck och volym än även SF₆ RMU:er, vilket hjälper användare att spara utrymme och uppnå direkta ekonomiska fördelar.

(5) Motstånd mot interna bågfel, förbättrad säkerhet och tillförlitlighet. Enligt Exnis-rapporter inträffar betydande förluster på grund av interna bågar i primär och sekundär växlar åtminstone en gång per år. De flesta massiv isolering RMU:er inkluderar bågresistenta designelement som minimerar påverkan av interna bågar, vilket säkerställer säkrare och mer tillförlitlig drift.

(6) Synliga isoleringsgap. Utrustade med observationsfönster, dessa enheter tillåter direkt visuell inspektion av trepositionskopplingskontakter, vilket säkerställer synliga brytpunkter och förbättrar operatörens säkerhet.

(7) Intelligenta funktioner. Massiv isolering RMU:er är mer anpassade för distributionsautomatisering. Genom att installera distributionsterminalenheter (DTU) och kommunikationsutrustning kan funktioner som statusövervakning, fjärrstyrning ("fyra-fjärr"-funktioner), kommunikation, självdiagnostics och händelseloggning enkelt implementeras.

3.2 Aktuell tillämpningsstatus

För närvarande begränsas den breda användningen av massiv isolering RMU:er av deras relativt höga kostnad och komplexa tillverkningsprocesser. Deras produktion kräver högre teknisk precision än SF₆-isolerade RMU:er. Otillräckliga tillverkningsmetoder kan leda till större isoleringsrisker, högre felefterkommande och större risker jämfört med SF₆ RMU:er, vilket kräver strikt kontroll över råmaterialkvalitet och processstandarder. Dessutom är kablingskonfigurationerna för massiv isolering RMU:er mindre flexibla, särskilt för funktionsenheter som potentialtransformator (PT)-kabinett och mätning kabinett, vilket erbjuder begränsade alternativ och begränsar deras tillämpning och utveckling.

Med kontinuerlig optimering av tillverkningsprocesser och ökad standardisering blir kvaliteten på massiv isolering RMU:er mer stabil, och priset sjunker gradvis. Vissa länder erbjuder 5%-10% incitament för produkter som inte använder SF₆ för att minska utsläpp. Detta uppmuntrar användare att beakta den totala livscykelkostnaden snarare än bara den initiala köpkostnaden. Med utgångspunkt från internationella praktiker kan massiv isolering RMU:er prioriteras i miljökänsliga eller nya projekt – såsom boendekomplex, offentliga byggnader och kommunala infrastrukturer – samtidigt som man gradvis faserar ut SF₆ RMU:er.

Åldrade eller slutet av livscykel SF₆ RMU:er kan systematiskt ersättas baserat på tillverkarens angivna tjänsteliv. Subventioner för användare som antar miljövänliga massiv isolering RMU:er kan ytterligare stödja beaktandet av livscykelkostnader, främja produktinförande och främja miljöansvarig teknologi. Med ökad miljömedvetenhet kommer massiv isolering RMU:er, som ett av alternativen till SF₆ RMU:er, gradvis att ersätta en del av de befintliga SF₆-enheter och uppnå bred tillämpning, vilket visar stark marknadspotential.

4 Slutsats

Massiv isolering RMU:er är tekniskt jämförbara med SF₆ RMU:er och har unika fördelar som noll skadliga utsläpp, verkligen drift utan underhåll och lägre totala livscykelkostnader, vilket gör dem alltmer attraktiva för användare. Statgrid Corporation of China's "First Catalog of Key New Technologies for Priority Promotion" (2011) fastställde att, med tanke på trenden mot högre teknisk tillförlitlighet och strängare miljökrav, är massiv isolering RMU:er redo att helt ersätta SF₆ RMU:er.

Vidare bekräftade "Technical Specification for 12 kV Solid-Insulated Ring Main Units" utfärdade av Statgrid Corporation 2012 att massiv isolering RMU:er är tekniskt kapabla att möta komplexa driftskrav och representerar en ny riktning i RMU-utvecklingen, vilket berättigar aktiv främjande. Detta markerar formell erkännande av massiv isolering RMU:er av industrin och tekniska gemenskapen. Som ett rimligt alternativ till SF₆ RMU:er kommer massiv isolering RMU:er gradvis att ersätta en del av de befintliga SF₆-enheter, uppnå bred tillämpning och visa utmärkta framtidsmöjligheter för utveckling.