SF₆ กับ RMU ฉนวนแข็ง: ตัวไหนเหมาะสมกับระบบกระจายพลังงานของคุณมากกว่า

1 เครือข่ายวงแหวนสำหรับการจ่ายไฟฟ้าและหน่วยควบคุมเครือข่ายวงแหวน

ด้วยความก้าวหน้าของการพัฒนาเมือง การต้องการความน่าเชื่อถือที่สูงขึ้นในการกระจายพลังงานไฟฟ้าเพิ่มขึ้น และผู้ใช้งานจำนวนมากต้องการแหล่งจ่ายไฟฟ้าสองแห่งหรือมากกว่านั้น วิธีการ "การจ่ายไฟฟ้าแบบเรเดียล" แบบดั้งเดิมเผชิญกับปัญหา เช่น ความยากในการติดตั้งสายเคเบิล การตรวจจับความผิดพลาดที่ซับซ้อน และการปรับปรุงและการขยายระบบไฟฟ้าที่ไม่ยืดหยุ่น ในทางตรงกันข้าม "การจ่ายไฟฟ้าแบบเครือข่ายวงแหวน" ทำให้มีแหล่งจ่ายไฟฟ้าสองแห่งหรือมากกว่านั้นสำหรับโหลดสำคัญ ลดความซับซ้อนของสายการกระจาย ทำให้การวางสายเคเบิลสะดวก ลดจำนวนสวิตช์เกียร์ ลดอัตราความผิดพลาด และทำให้การระบุตำแหน่งความผิดพลาดง่ายขึ้น

1.1 การจ่ายไฟฟ้าแบบเครือข่ายวงแหวน

การจ่ายไฟฟ้าแบบเครือข่ายวงแหวนหมายถึงการกำหนดโครงสร้างที่สายออกสองสายหรือมากกว่านั้นจากสถานีแปลงไฟฟ้าต่าง ๆ หรือบัสบาร์ต่าง ๆ ของสถานีแปลงไฟฟ้าเดียวกันเชื่อมโยงกันเพื่อสร้างวงจรป้อนไฟฟ้าแบบวงกลม ข้อได้เปรียบหลักคือแต่ละสาขาของการกระจายสามารถรับไฟฟ้าจากทั้งสองด้านของวงแหวน หากด้านใดด้านหนึ่งเกิดความผิดพลาด ไฟฟ้ายังสามารถจ่ายจากอีกด้านหนึ่งได้ แม้ว่าจะทำงานในโหมดวงกลมเดียว แต่แต่ละสาขาสามารถบรรลุระดับความน่าเชื่อถือของแหล่งจ่ายไฟฟ้าสองแห่ง ซึ่งเพิ่มความน่าเชื่อถือของระบบอย่างมาก ในประเทศจีน ระบบเครือข่ายวงแหวนในเมืองปฏิบัติตาม "เกณฑ์ความปลอดภัย N-1" หมายความว่าหากโหลด N ใด ๆ ล้มเหลว โหลด N-1 ที่เหลือยังคงสามารถจ่ายไฟฟ้าได้อย่างปลอดภัยโดยไม่มีการหยุดชะงักหรือการลดโหลด

1.2 รูปแบบการเชื่อมต่อเครือข่ายวงแหวน

(1) การเชื่อมต่อวงแหวนพื้นฐาน: แหล่งจ่ายไฟฟ้าเดียว โดยสายเคเบิลเชื่อมต่อเป็นวงแหวน ทำให้สามารถจ่ายไฟฟ้าต่อเนื่องไปยังโหลดอื่น ๆ ได้หากส่วนใดส่วนหนึ่งของสายเคเบิลล้มเหลว (ดูภาพที่ 1)

(2) การเชื่อมต่อวงแหวนจากบัสบาร์ต่าง ๆ: แหล่งจ่ายไฟฟ้าสองแห่ง โดยทั่วไปจะทำงานในโหมดวงกลมเปิด มอบความน่าเชื่อถือและความยืดหยุ่นในการดำเนินงานสูง (ดูภาพที่ 2)

(3) รูปแบบวงแหวนเดียว: แหล่งจ่ายไฟฟ้ามาจากสถานีแปลงไฟฟ้าต่าง ๆ หรือบัสบาร์ต่าง ๆ การบำรุงรักษาส่วนใดส่วนหนึ่งของสายเคเบิลไม่ทำให้โหลดใด ๆ ขาดการจ่ายไฟฟ้า (ดูภาพที่ 3)

(4) รูปแบบวงแหวนคู่: แต่ละโหลดได้รับการจ่ายไฟฟ้าจากเครือข่ายวงแหวนอิสระสองแห่ง มอบความน่าเชื่อถือสูงสุด (ดูภาพที่ 4)

(5) การเชื่อมต่อคู่ "T": สายเคเบิลสองเส้นเชื่อมต่อกับส่วนของบัสบาร์ต่าง ๆ ทำให้โหลดแต่ละรายการสามารถรับไฟฟ้าจากทั้งสองเส้น รูปแบบนี้รับประกันการจ่ายไฟฟ้าต่อเนื่องสำหรับผู้ใช้สองแหล่งและเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับแอปพลิเคชันสำคัญ (ดูภาพที่ 5)

1.3 หน่วยควบคุมเครือข่ายวงแหวนและคุณสมบัติ

หน่วยควบคุมเครือข่ายวงแหวน (RMU) เป็นสวิตช์เกียร์ที่ใช้ในระบบจ่ายไฟฟ้าแบบเครือข่ายวงแหวน โดยทั่วไปรวมถึงสวิตช์ตัดโหลด สวิตช์ตัดวงจร คอมไบน์สวิตช์ฟิวส์ ตัวเชื่อมต่อบัสบาร์ อุปกรณ์วัด หม้อแปลงแรงดัน หรือการผสมผสานใด ๆ RMU มีขนาดกะทัดรัด ประหยัดพื้นที่ ราคาไม่แพง ติดตั้งง่าย และลงมือใช้งานได้รวดเร็ว ตอบสนองความต้องการ "การย่อขนาดอุปกรณ์" ใช้กันอย่างแพร่หลายในชุมชนที่อยู่อาศัย อาคารสาธารณะ สถานีแปลงไฟฟ้าของบริษัทขนาดเล็กและกลาง สถานีสลับที่สอง สถานีแปลงไฟฟ้าบนแท่น และกล่องกระจายสายเคเบิล

1.4 ประเภทของหน่วยควบคุมเครือข่ายวงแหวน

• RMU ฉนวนอากาศ: ใช้อากาศเป็นสารฉนวน หน่วยเหล่านี้มีขนาดใหญ่ ต้องการพื้นที่มาก และไวต่อสภาพแวดล้อม

• RMU SF₆: ใช้แก๊สซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์ (SF₆) เป็นทั้งสารฉนวนและสารดับอาร์ก สวิตช์หลักถูกปิดผนึกในตัวถังโลหะที่เติมด้วย SF₆ ในขณะที่กลไกการทำงานอยู่ภายนอก การออกแบบปิดผนึกลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและทำให้พื้นที่ใช้สอยน้อยลงอย่างมากเมื่อเทียบกับ RMU ฉนวนอากาศ RMU SF₆ เป็นประเภทที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในปัจจุบัน

• RMU ฉนวนแข็ง: ใช้วัสดุฉนวนแข็ง (เช่น รีซินอีพ็อกซี่) เพื่อห่อหุ้มและหล่อสวิตช์และส่วนที่มีไฟฟ้าทั้งหมด การออกแบบนี้ลดระยะทางฉนวนระหว่างเฟสและระหว่างเฟสกับพื้น ทำให้มิติเล็กเทียบเท่ากับ RMU SF₆ นอกจากนี้ยังกำจัดการปล่อย SF₆ และสามารถทำงานได้โดยไม่ต้องบำรุงรักษา

2 ข้อจำกัดของหน่วยควบคุมเครือข่ายวงแหวน SF₆

SF₆ เป็นตัวทำลายโอโซนหลัก แม้ว่าจะมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม เช่น ความต้านทานดีเอลีกทริกสูง การดับอาร์กที่มีประสิทธิภาพ ความเสถียรทางความร้อนที่ดี และความลบประจุที่สูง รวมถึงความไม่ไวต่อความชื้น การปนเปื้อน และความสูงจากระดับน้ำทะเล ทำให้เหมาะสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าขนาดเล็ก แต่ SF₆ ถูกยอมรับว่าเป็นก๊าซเรือนกระจกที่ทรงพลัง ประมาณ 80% ของการผลิต SF₆ ทั่วโลกใช้ในภาคพลังงาน IPCC และ EPA ของสหรัฐอเมริกาจัดให้ SF₆ เป็นหนึ่งในก๊าซเรือนกระจกที่เป็นอันตรายที่สุด กฎระเบียบ F-Gas ของสหภาพยุโรป (2006) ห้ามใช้ SF₆ ในส่วนใหญ่ยกเว้นกรณีที่ไม่มีทางเลือกที่เหมาะสมสำหรับสวิตช์เกียร์ไฟฟ้า

นอกจากนี้ RMU SF₆ ยังมีความซับซ้อนในการใช้งานและต้องใช้การลงทุนสูง ต้องใช้อุปกรณ์เสริมต่าง ๆ:

• ระบบตรวจจับการรั่วไหลของ SF₆ เพื่อตรวจสอบการรั่วไหล ความเข้มข้นของก๊าซ ระดับออกซิเจน และความชื้น

• อุปกรณ์คืน SF₆: ระหว่างการตัดอาร์ก จะมีผลิตภัณฑ์รองเช่น SF₄ ที่เกิดขึ้น ดังนั้น เมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งาน ไม่เพียงแต่ต้องคืน SF₆ ที่เหลือ แต่ยังต้องทำการจัดการกับสารพิษที่เกิดขึ้นอย่างพิเศษ

• ระบบการทำความสะอาด SF₆ เพื่อทำความสะอาดและนำก๊าซมาใช้ใหม่

• ระบบระบายอากาศในสถานีแปลงไฟฟ้า

เมื่อใช้ RMU SF₆ ต้องปฏิบัติตามมาตรการต่อไปนี้:

• ลดการรั่วไหลของ SF₆ แม้ว่า RMU SF₆ จะใช้ตัวถังปิดผนึกที่มีแรงดันสูง แต่การรั่วไหลของก๊าซก็ไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ การลดแรงดันก๊าซทำให้ความน่าเชื่อถือในการสลับลดลง ทำให้เกิดอันตรายต่อความปลอดภัยของบุคลากรและลดอายุการใช้งานของอุปกรณ์

• บุคลากรต้องทำการระบายอากาศบังคับและสวมอุปกรณ์ป้องกันพิเศษก่อนเข้าสถานีแปลงไฟฟ้าที่มีอุปกรณ์ SF₆

• การดำเนินงานมีความซับซ้อน ต้องการการฝึกอบรมอย่างละเอียดและซ้ำแล้วซ้ำเล่าสำหรับบุคลากรที่เกี่ยวข้อง

3 คุณสมบัติและแอปพลิเคชันของหน่วยควบคุมเครือข่ายวงแหวนฉนวนแข็ง

อันตรายต่อสิ่งแวดล้อมที่เกี่ยวข้องกับ RMU SF₆ ได้จำกัดการพัฒนาต่อไป ทำให้การค้นหาทางเลือกของ SF₆ เป็นประเด็นสำคัญในการวิจัยทั่วโลก RMU ฉนวนแข็งถูกพัฒนาและแนะนำโดย Eaton Corporation ของสหรัฐอเมริกาในปลายทศวรรษ 1990 หน่วยเหล่านี้ไม่ปล่อยก๊าซที่เป็นอันตรายในระหว่างการดำเนินงาน ไม่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม มีความน่าเชื่อถือสูง และสามารถทำงานได้โดยไม่ต้องบำรุงรักษา

RMU ฉนวนแข็งรวมถึงตัวตัดวงจรสุญญากาศ สวิตช์ตัดแยก สวิตช์ต่อพื้น สายนำหลัก สายบัสบาร์แขนง หรือการผสมผสานใด ๆ ห่อหุ้มภายในรีซินอีพ็อกซี่หรือวัสดุฉนวนแข็งอื่น ๆ ส่วนประกอบเหล่านี้ถูกปิดผนึกในโมดูลที่มีการฉนวนและปิดผนึกอย่างเต็มที่ สามารถรวมหรือขยายได้ ชั้นโลหะหรือเซมิคอนดักเตอร์ถูกเคลือบบนพื้นผิวของโมดูลที่เข้าถึงได้โดยบุคลากร เพื่อให้มั่นใจว่ามีการต่อพื้นที่เชื่อถือได้

3.1 คุณสมบัติของหน่วยควบคุมเครือข่ายวงแหวนฉนวนแข็ง

(1) การออกแบบที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม หน่วยเหล่านี้ไม่ใช้ SF₆ เป็นสารฉนวนหรือสารดับอาร์ก แทนที่จะใช้ตัวตัดวงจรสุญญากาศสำหรับการสลับและวัสดุที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้สำหรับฉนวนหลัก ด้วยการลดจำนวนส่วนประกอบ ทำให้การใช้พลังงานต่ำและอัตราความผิดพลาดในการดำเนินงานลดลง

(2) ไม่ต้องบำรุงรักษา RMU ฉนวนแข็งไม่ต้องใช้ภาชนะแรงดัน SF₆ ฉนวนภายในและการตัดอาร์กใช้เทคโนโลยีสุญญากาศ ในขณะที่ฉนวนภายนอกใช้วัสดุแข็ง เช่น ตัวครอบฉนวน ผ่านเทคโนโลยีการหล่อ ตัวตัดวงจรสุญญากาศ ทางนำหลัก และโครงสร้างฉนวนถูกรวมเป็นหน่วยเดียวที่ปิดผนึกภายในตัวถังโลหะ ทำให้ประสิทธิภาพไม่ได้รับผลกระทบจากสภาพแวดล้อมภายนอก การออกแบบที่มีการฉนวนและปิดผนึกอย่างเต็มที่ทำให้ไม่ต้องมีการตรวจจับการรั่วไหลของ SF₆ การเติมก๊าซ และการกำจัดของเสีย ทำให้สามารถทำงานได้โดยไม่ต้องบำรุงรักษา

(3) คุ้มค่าสูง แม้ว่าการลงทุนเริ่มต้นสำหรับ RMU ฉนวนแข็งจะสูงกว่า RMU SF₆ บ้าง แต่ต้นทุนตลอดวงจรชีวิตนั้นต่ำกว่าอย่างมาก ตามที่แสดงในตาราง 1 ผู้ใช้กำลังพิจารณาปัจจัยทั้งหมด เช่น ความเสี่ยงด้านความปลอดภัย คุณภาพไฟฟ้า การควบคุมต้นทุน และความยั่งยืน ไม่เพียงแค่ราคาซื้อเริ่มต้น แต่ยังรวมถึงต้นทุนการครอบครองทั้งหมด ต้นทุนสะสมจากการบำรุงรักษา การเติมก๊าซ การจัดการการรั่วไหล และการคืนที่สิ้นสุดอายุการใช้งานของ RMU SF₆ อาจใกล้เคียงกับราคาซื้อเริ่มต้น ในขณะที่ RMU ฉนวนแข็งไม่ต้องใช้ค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมหลังจากติดตั้ง ดังนั้น จากมุมมองระยะยาว RMU ฉนวนแข็งมีประโยชน์ทางเศรษฐกิจที่เหนือกว่า

(4) โครงสร้างกะทัดรัด ออกแบบให้มีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะทำได้ในขณะที่ยังคงความปลอดภัยและความสะดวกในการใช้งาน หน่วยเหล่านี้มีพื้นที่และปริมาณที่น้อยกว่าแม้กระทั่ง RMU SF₆ ช่วยให้ผู้ใช้ประหยัดพื้นที่และได้รับประโยชน์ทางเศรษฐกิจโดยตรง

(5) ทนทานต่อความผิดปกติอาร์กภายใน ความปลอดภัยและน่าเชื่อถือสูง ตามรายงานของ Exnis การสูญเสียที่สำคัญเนื่องจากอาร์กภายในในสวิตช์เกียร์หลักและรองเกิดขึ้นอย่างน้อยปีละครั้ง RMU ฉนวนแข็งส่วนใหญ่รวมการออกแบบที่ทนทานต่ออาร์กภายใน ทำให้การดำเนินงานปลอดภัยและน่าเชื่อถือมากขึ้น

(6) ช่องว่างการแยกที่เห็นได้ หน่วยเหล่านี้มีหน้าต่างสำหรับสังเกตุการณ์ ทำให้สามารถตรวจสอบตัวต่อสวิตช์สามตำแหน่งได้โดยตรง ทำให้มั่นใจว่ามีจุดตัดที่เห็นได้และเพิ่มความปลอดภัยในการดำเนินงาน

(7) ความสามารถทางอัจฉริยะ RMU ฉนวนแข็งสามารถปรับใช้กับการ automatization ของการกระจายได้ง่าย ด้วยการติดตั้งหน่วยปลายทางการกระจาย (DTUs) และอุปกรณ์สื่อสาร ฟังก์ชันต่าง ๆ เช่น การตรวจสอบสถานะ การควบคุมระยะไกล ("สี่-ระยะไกล") การสื่อสาร การวินิจฉัยตนเอง และการบันทึกเหตุการณ์สามารถนำมาใช้งานได้ง่าย

3.2 สถานะการใช้งานปัจจุบัน

ปัจจุบัน การใช้งานแพร่หลายของ RMU ฉนวนแข็งถูกจำกัดด้วยต้นทุนที่สูงและการผลิตที่ซับซ้อน การผลิต RMU ฉนวนแข็งต้องการความแม่นยำทางเทคนิคที่สูงกว่า RMU ฉนวน SF₆ วิธีการผลิตที่ไม่เหมาะสมอาจทำให้มีความเสี่ยงทางฉนวนสูงขึ้น ความน่าเชื่อถือลดลง และอันตรายเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับ RMU SF₆ จำเป็นต้องควบคุมคุณภาพวัสดุและมาตรฐานกระบวนการอย่างเข้มงวด นอกจากนี้ การเชื่อมต่อสายของ RMU ฉนวนแข็งยังมีความยืดหยุ่นน้อย โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับหน่วยการทำงานเช่น ตู้ PT และตู้วัด ทำให้มีตัวเลือกน้อยและจำกัดการใช้งานและการพัฒนา

ด้วยการปรับปรุงกระบวนการผลิตอย่างต่อเนื่องและการมาตรฐานที่เพิ่มขึ้น คุณภาพของ RMU ฉนวนแข็งกำลังมีความเสถียรมากขึ้น และราคาค่อยๆ ลดลง บางประเทศเสนอเงินสนับสนุน 5%-10% สำหรับผลิตภัณฑ์ที่ไม่ใช้ SF₆ เพื่อลดการปล่อยก๊าซ นี่ส่งเสริมให้ผู้ใช้พิจารณาต้นทุนตลอดวงจรชีวิต ไม่เพียงแค่ราคาซื้อเริ่มต้น ด้วยการเรียนรู้จากแนวทางปฏิบัติระหว่างประเทศ RMU ฉนวนแข็งสามารถให้ความสำคัญในโครงการที่มีความไวต่อสิ่งแวดล้อมหรือโครงการใหม่ เช่น ชุมชนที่อยู่อาศัย อาคารสาธารณะ และโครงสร้างพื้นฐานเทศบาล พร้อมกับการค่อยๆ ลดการใช้ RMU SF₆

RMU SF₆ ที่เสื่อมสภาพหรือสิ้นสุดอายุการใช้งานสามารถเปลี่ยนทดแทนได้ตามระยะเวลาการใช้งานที่ผู้ผลิตกำหนด การสนับสนุนผู้ใช้ที่เลือกใช้ RMU ฉนวนแข็งที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมสามารถส่งเสริมการพิจารณาต้นทุนตลอดวงจรชีวิต ทำให้ผลิตภัณฑ์ได้รับการยอมรับ และส่งเสริมเทคโนโลยีที่รับผิดชอบต่อสิ่งแวดล้อม ด้วยการตระหนักรู้ทางสิ่งแวดล้อมที่เพิ่มขึ้น RMU ฉนวนแข็งในฐานะทางเลือกหนึ่งของ RMU SF₆ จะค่อยๆ แทนที่ส่วนหนึ่งของ RMU SF₆ ที่มีอยู่และได้รับการใช้งานอย่างกว้างขวาง แสดงถึงศักยภาพทางตลาดที่ดี

4 สรุป

RMU ฉนวนแข็งมีเทคโนโลยีที่เทียบเท่ากับ RMU SF₆ และมีข้อได้เปรียบที่ไม่เหมือนใคร เช่น ไม่มีการปล่อยก๊าซที่เป็นอันตราย ไม่ต้องบำรุงรักษา และต้นทุนตลอดวงจรชีวิตที่ต่ำ ทำให้เป็นที่น่าสนใจสำหรับผู้ใช้ บริษัท State Grid Corporation of China ได้ระบุใน "สารบัญเทคโนโลยีใหม่ที่สำคัญสำหรับการส่งเสริมเป็นลำดับแรก" (2011) ว่า ด้วยแนวโน้มการเพิ่มความน่าเชื่อถือทางเทคนิคและการต้องการทางสิ่งแวดล้อมที่เข้มงวด RMU ฉนวนแข็งพร้อมที่จะแทนที่ RMU SF₆ อย่างเต็มที่

นอกจากนี้ "ข้อกำหนดทางเทคนิคสำหรับ RMU ฉนวนแข็ง 12 kV" ที่บริษัท State Grid Corporation ประกาศในปี 2012 ยืนยันว่า RMU ฉนวนแข็งมีความสามารถทางเทคนิคในการตอบสนองความต้องการในการดำเนินงานที่ซับซ้อนและเป็นทิศทางใหม่ในการพัฒนา RMU ที่ควรส่งเสริม นี่เป็นการยอมรับอย่างเป็นทางการของ RMU ฉนวนแข็งโดยอุตสาหกรรมและชุมชนทางเทคนิค ด้วยการเป็นทางเลือกที่เหมาะสมของ RMU SF₆ RMU ฉนวนแข็งจะค่อยๆ แทนที่ส่วนหนึ่งของ RMU SF₆ ที่มีอยู่และได้รับการใช้งานอย่างกว้างขวาง แสดงถึงอนาคตที่ดีในการพัฒนา