SF₆ проти твердопокритих RMU: який кращий для вашої системи розподілу електроенергії

1 Кільцева мережа живлення та кільцеві головні блоки

З поступовим розвитком урбанізації вимоги до надійності розподілу електроенергії постійно зростають, і все більше користувачів потребують двох або більше джерел живлення. Традиційний метод "радіального живлення" стикається з проблемами, такими як складності при прокладці кабелів, складне виявлення аварій та негнучкість при оновленні та розширенні мережі. Навпаки, "кільцеве живлення" дозволяє забезпечити важливі навантаження двома або більше джерелами живлення, спрощує розподільні лінії, полегшує прокладку кабелів, зменшує кількість комутаційного обладнання, знижує частоту відмов та спрощує локацію аварій.

1.1 Кільцеве живлення

Кільцеве живлення позначає конфігурацію, де два або більше вихідних лінії з різних підстанцій або різних шин однієї підстанції з'єднуються для формування замкнутого контуру для розподілу електроенергії. Його основна перевага полягає в тому, що кожна розподільна гілка може отримувати живлення з будь-якої сторони кільця. Якщо одна сторона відмовляє, живлення може бути забезпечене з іншої сторони. Хоча операція ведеться в режимі однієї петлі, кожна гілка ефективно досягає рівня надійності з подвійним джерелом живлення, значно підвищуючи надійність системи. В Китаї міські кільцеві системи живлення дотримуються критерію безпеки "N−1", що означає, що при відмові будь-якого з N навантажень, залишаються N−1 навантажень, які можуть безперервно отримувати живлення без перебоїв або зменшення навантаження.

1.2 Конфігурації з'єднання кільцевої мережі

(1) Базове кільцеве з'єднання: Одне джерело живлення, кабелі формують кільце, забезпечуючи продовжене живлення інших навантажень при відмові одного відрізка кабелю (див. Рис. 1).

(2) Кільцеве з'єднання з різних шин: Два джерела живлення, зазвичай працюють в режимі відкритої петлі, забезпечуючи високу надійність та гнучку операцію (див. Рис. 2).

(3) Одинична кільцева конфігурація: Джерела живлення походять з різних підстанцій або шин; технічне обслуговування будь-якого відрізка кабелю не перериває живлення будь-якого навантаження (див. Рис. 3).

(4) Подвійна кільцева конфігурація: Кожне навантаження забезпечується з двох незалежних кільцевих мереж, забезпечуючи надзвичайно високу надійність (див. Рис. 4).

(5) Подвійне "T"-з'єднання: Дві кабельні лінії з'єднуються з різними секціями шин, дозволяючи кожному навантаженню отримувати живлення з обох ліній. Ця конфігурація забезпечує майже безперервне живлення для користувачів з подвійним джерелом та особливо підходить для критичних застосувань (див. Рис. 5).

1.3 Кільцеві головні блоки та їх характеристики

Кільцевий головний блок (КГБ) — це комутаційне обладнання, використовуване в кільцевих системах живлення, яке зазвичай включає в себе вимикачі завантаження, автомати, комбінації вимикачів та запобіжників, шинні з'єднувачі, вимірювальні пристрої, напругові перетворювачі або будь-яку комбінацію з них. КГБ компактні, економічні за простором, вартісні, легкі в установці та швидкі в комісуванні, задовольняючи вимоги до "мініатюрізації обладнання". Вони широко використовуються в житлових спільнотах, громадських будівлях, підстанціях малого та середнього бізнесу, вторинних комутаційних станціях, підстанціях на підставі, та розподільних ящиках кабелів.

1.4 Типи кільцевих головних блоків

• КГБ з повітряною ізоляцією: Використовують повітря як ізоляційну середу; ці блоки великі за розмірами, потребують більше простору та чутливі до довкілля.

• КГБ з SF₆: Використовують гексафторид сірки (SF₆) як ізоляційну та гасальну середу. Головний вимикач запечатаний в металевому корпусі, заповненому SF₆, тоді як механізм управління знаходиться зовні. Запечатана конструкція мінімізує вплив на довкілля та дозволяє значно менший слід порівняно з повітряно-ізольованими блоками. КГБ з SF₆ є найширшо використовуваним типом.

• КГБ з твердою ізоляцією: Використовують тверді ізоляційні матеріали (наприклад, епоксидну смолу) для закупорювання та заливки вимикачів та всіх живих частин. Цей дизайн зменшує відстані між фазами та фазою до землі, що призводить до компактних розмірів, порівняних з КГБ з SF₆. Крім того, вони елімінують викиди SF₆ та можуть досягти безпідтримкової роботи.

2 Обмеження КГБ з SF₆

SF₆ є одним з найбільших вкладників в парниковий ефект. Незважаючи на свої відмінні електричні властивості — такі як висока диелектрична стійкість, ефективне гасіння дуги, хороша термічна стабільність та сильна електронегативність — та невразливість до вологи, забруднення та високої висоти, що робить його ідеальним для компактного електричного обладнання, SF₆ визнаний потужним парниковим газом. Приблизно 80% світового виробництва SF₆ використовується в енергетичній галузі. Міжурядова панель з питань зміни клімату (IPCC) та Американське управління охорони навколишнього середовища (EPA) класифікують SF₆ як один з найбільш шкідливих парникових газів. Регламент ЄС щодо F-газів (2006) забороняє використання SF₆ у більшості застосувань, за винятком тих, де немає можливих альтернатив для електричного комутаційного обладнання.

Крім того, КГБ з SF₆ вимагають високу складність використання та значні інвестиції, що включають різні допоміжні пристрої:

• Системи виявлення витоку SF₆ для моніторингу витоку газу, концентрації, рівня кисню та вологості.

• Обладнання для повернення SF₆: Під час гасіння дуги формується побічний продукт, такий як SF₄; таким чином, на кінці терміну служби не лише залишки SF₆ повинні бути повернуті, але й токсичні побічні продукти повинні бути спеціально оброблені.

• Системи очищення SF₆ для очищення та повторного використання газу.

• Вентиляційні системи в підстанціях.

При використанні КГБ з SF₆ повинні бути спостерігати наступні заходи:

• Мінімізувати витік SF₆. Незважаючи на те, що КГБ з SF₆ використовують герметичні оболонки з надтиском, витік газу неминучий. Зниження тиску газу знижує надійність комутації, безпосередньо загрожує безпеці персоналу та скорочує тривалість життя обладнання.

• Персонал повинен проводити примусову вентиляцію та носити спеціальне захисне обладнання перед входом до підстанцій з обладнанням SF₆.

• Операції є складними, вимагають детального та повторного навчання відповідного персоналу.

3 Особливості та застосування кільцевих головних блоків з твердою ізоляцією

Потенційні небезпеки, пов'язані з КГБ з SF₆, обмежили їх подальший розвиток, роблячи пошук альтернатив до SF₆ ключовим напрямком досліджень по всьому світу. КГБ з твердою ізоляцією були розроблені та введено в експлуатацію компанією Eaton Corporation США наприкінці 1990-х років. Ці блоки не випускають шкідливі гази під час роботи, не мають впливу на довкілля, забезпечують вищу надійність та дійсно безпідтримкову роботу.

КГБ з твердою ізоляцією включають вакуумні вимикачі, вимикачі відключення, заземлювальні вимикачі, основні провідники, розгалужені шини або їх комбінації, закупорені в епоксидну смолу або інші тверді ізоляційні матеріали. Ці компоненти запечатані в повністю ізольовані та герметичні функціональні модулі, які можна перекомпонувати або розширити. Провідні або напівпровідні екрануючі шари застосовуються до зовнішніх поверхонь модулів, доступних для персоналу, забезпечуючи надійне заземлення.

3.1 Особливості кільцевих головних блоків з твердою ізоляцією

(1) Екологічний дизайн. Ці блоки не використовують SF₆ як ізоляційну або гасальну середу. Замість цього, вони використовують вакуумні вимикачі для комутації та екологічно безпечні, переробні матеріали для основної ізоляції. Зменшуючи кількість компонентів, вони забезпечують низький витрати енергії та зменшення частоти відмов під час роботи.

(2) Дійсно безпідтримкова робота. КГБ з твердою ізоляцією елімінують потребу в резервуарах зі SF₆. Внутрішня ізоляція та гасіння дуги залежать від вакуумної технології, тоді як зовнішня ізоляція використовує тверді матеріали, такі як ізоляційні корпуси. За допомогою технології заливки, вакуумний вимикач, основний провідний шлях та ізоляційні підтримки інтегровані в один модуль, запечатаний в металевий корпус, що робить його відмінним від зовнішніх факторів довкілля. Повністю ізольована та герметична конструкція елімінує потребу в виявленні витоку SF₆, заправці газом та утилізації, дозволяючи дійсно безпідтримкову роботу.

(3) Висока економічна ефективність. Незважаючи на те, що початкові інвестиції в КГБ з твердою ізоляцією трохи вищі, ніж в КГБ з SF₆, загальні витрати на протязі життєвого циклу значно нижчі, як показано в таблиці 1. Користувачі все більше враховують комплексні фактори, такі як ризики безпеки, якість електроенергії, контроль витрат та сталість, а не лише початкову ціну покупки, але і загальні витрати на власність. Накопичені витрати на обслуговування, заправку газом, управління витоками та відновлення на кінці терміну служби для КГБ з SF₆ можуть наблизитися до їх початкової вартості, тоді як КГБ з твердою ізоляцією не потребують додаткових витрат після встановлення. Таким чином, з довгострокової перспективи, КГБ з твердою ізоляцією надають кращі економічні переваги.

(4) Компактна конструкція. Проектовані, щоб бути максимально компактними, забезпечуючи безпеку та зручність використання, ці блоки мають менший слід та об'єм, ніж навіть КГБ з SF₆, допомагаючи користувачам економити простір та досягати прямих економічних переваг.

(5) Стійкість до внутрішніх дугових відмов, підвищена безпека та надійність. За даними Exnis, значні втрати через внутрішні дуги в первинному та вторинному комутаційному обладнанні відбуваються принаймні раз на рік. Більшість КГБ з твердою ізоляцією включають проектування, що зменшує вплив внутрішніх дуг, забезпечуючи безпечнішу та надійнішу роботу.

(6) Видимі зазори відключення. Обладнані вікнами для спостереження, ці блоки дозволяють безпосереднє візуальне оглядання контактів трипозиційного вимикача відключення, забезпечуючи видимі точки роз'єму та підвищуючи безпеку операторів.

(7) Інтелектуальні можливості. КГБ з твердою ізоляцією більш готові до адаптації до автоматизації розподілу. Встановлюючи термінальні пристрої розподілу (DTU) та засоби зв'язку, можна легко реалізувати функції, такі як моніторинг стану, віддалене керування ("чотири-віддалені" функції), зв'язок, самодіагностика та журнал подій.

3.2 Поточний стан застосування

На даний момент широке використання КГБ з твердою ізоляцією обмежується їх високою вартістю та складними процесами виробництва. Їх виробництво вимагає більш високу технічну точність, ніж КГБ з ізоляцією SF₆. Недостатні технології виробництва можуть призвести до більшого ризику ізоляції, більшої ймовірності відмов та більшої небезпеки порівняно з КГБ з SF₆, що вимагає строгого контролю якості сировини та стандартів процесу. Крім того, схеми з'єднання КГБ з твердою ізоляцією менш гнучкі, особливо для функціональних блоків, таких як шини напруги (PT) та вимірювальні шини, що обмежує їх застосування та розвиток.

З постійною оптимізацією процесів виробництва та збільшенням стандартизації, якість КГБ з твердою ізоляцією стає більш стабільною, а ціни поступово знижуються. Деякі країни надають 5%–10% знижки на продукти, які не використовують SF₆, щоб зменшити викиди. Це спонукає користувачів враховувати загальні витрати на протязі життєвого циклу, а не лише початкову ціну покупки. Опирайся на міжнародні практики, КГБ з твердою ізоляцією можна віддавати перевагу в екологічно чутливих або нових проектах, таких як житлові спільноти, громадські будівлі та муніципальна інфраструктура, поступово виводячи з експлуатації КГБ з SF₆.

Старі або вичерпані КГБ з SF₆ можна систематично замінювати на основі терміну служби, вказаного виробником. Дотації для користувачів, які приймають екологічно чисті КГБ з твердою ізоляцією, можуть додатково підтримувати розрахунки витрат на протязі життєвого циклу, сприяти прийняттю продукту та розвитку екологічно відповідних технологій. Зі зростанням екологічної свідомості, КГБ з твердою ізоляцією, як одна з альтернатив КГБ з SF₆, поступово замінять частину існуючих КГБ з SF₆ та знайдуть широке застосування, демонструючи сильний ринковий потенціал.

4 Висновок

КГБ з твердою ізоляцією технологічно порівнянні з КГБ з SF₆ та мають унікальні переваги, такі як відсутність шкідливих викидів, дійсно безпідтримкова робота та нижчі загальні витрати на протязі життєвого циклу, що робить їх все більш привабливими для користувачів. У "Першому каталогу ключових нових технологій для пріоритетного розповсю