SF₆ so với RMU cách điện rắn: Loại nào tốt hơn cho hệ thống phân phối điện của bạn?
1 Mạng điện vòng và tủ phân phối vòng
Với sự phát triển của đô thị hóa, nhu cầu về độ tin cậy cao hơn trong phân phối điện tiếp tục tăng lên, và ngày càng nhiều người dùng yêu cầu hai hoặc nhiều nguồn cung cấp điện. Phương pháp "cung cấp điện theo hình thức phóng xạ" truyền thống phải đối mặt với các thách thức như khó khăn trong việc lắp đặt cáp, phát hiện lỗi phức tạp và thiếu linh hoạt trong việc nâng cấp và mở rộng lưới điện. Ngược lại, "mạng điện vòng" cho phép có hai hoặc nhiều nguồn điện cho tải trọng quan trọng, đơn giản hóa đường dây phân phối, thuận tiện cho việc đặt cáp, giảm số lượng thiết bị đóng cắt, giảm tỷ lệ hỏng hóc và dễ dàng xác định vị trí lỗi.
1.1 Mạng điện vòng
Mạng điện vòng đề cập đến cấu hình mà hai hoặc nhiều đường dây ra từ các trạm biến áp khác nhau hoặc từ các thanh đấu khác nhau của cùng một trạm biến áp được kết nối với nhau để tạo thành một vòng kín cho phân phối điện. Ưu điểm chính là mỗi nhánh phân phối có thể nhận điện từ cả hai phía của vòng. Nếu một phía gặp sự cố, vẫn có thể cung cấp điện từ phía còn lại. Mặc dù hoạt động ở chế độ vòng đơn, mỗi nhánh hiệu quả đạt được mức độ tin cậy tương đương với hai nguồn điện, đáng kể tăng cường độ tin cậy của hệ thống. Ở Trung Quốc, hệ thống mạng điện vòng đô thị tuân theo "tiêu chuẩn an toàn N-1", nghĩa là nếu bất kỳ một trong N tải nào gặp sự cố, N-1 tải còn lại vẫn có thể được cung cấp điện an toàn mà không gián đoạn hoặc giảm tải.
1.2 Cấu hình kết nối mạng vòng
(1) Kết nối vòng cơ bản: Một nguồn điện duy nhất với cáp tạo thành vòng, đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các tải khác nếu một phần cáp gặp sự cố (xem Hình 1).
(2) Kết nối vòng từ các thanh đấu khác nhau: Hai nguồn điện, thường hoạt động ở chế độ vòng mở, cung cấp độ tin cậy cao và vận hành linh hoạt (xem Hình 2).
(3) Cấu hình vòng đơn: Nguồn điện lấy từ các trạm biến áp hoặc thanh đấu khác nhau; bảo dưỡng trên bất kỳ phần cáp nào không làm gián đoạn cung cấp điện cho bất kỳ tải nào (xem Hình 3).
(4) Cấu hình vòng kép: Mỗi tải được cung cấp từ hai mạng vòng độc lập, cung cấp độ tin cậy cực kỳ cao (xem Hình 4).
(5) Kết nối đôi "T" hai nguồn: Hai đường dây cáp kết nối với các phần thanh đấu khác nhau, cho phép mỗi tải nhận điện từ cả hai đường dây. Cấu hình này đảm bảo cung cấp điện gần như liên tục cho người dùng hai nguồn và đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng quan trọng (xem Hình 5).
1.3 Tủ phân phối vòng và đặc điểm của chúng
Tủ phân phối vòng (RMU) là thiết bị đóng cắt được sử dụng trong hệ thống mạng điện vòng, thường bao gồm công tắc tải, cầu chì, bộ kết hợp cầu dao - cầu chì, bộ ghép thanh đấu, thiết bị đo lường, biến áp điện áp, hoặc bất kỳ kết hợp nào của chúng. RMU nhỏ gọn, tiết kiệm không gian, chi phí thấp, dễ lắp đặt và nhanh chóng đưa vào sử dụng, đáp ứng nhu cầu "miniaturization of equipment". Chúng được sử dụng rộng rãi trong các cộng đồng dân cư, công trình công cộng, trạm biến áp doanh nghiệp vừa và nhỏ, trạm chuyển mạch thứ cấp, trạm biến áp đế và hộp phân phối cáp.
1.4 Loại tủ phân phối vòng
RMU cách điện bằng không khí: Sử dụng không khí làm chất cách điện; các đơn vị này lớn về kích thước, cần nhiều không gian và dễ bị ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường.
RMU SF₆: Sử dụng khí lưu huỳnh hexafluoride (SF₆) làm chất cách điện và dập hồ quang. Công tắc chính được niêm phong trong vỏ kim loại chứa đầy SF₆, trong khi cơ chế vận hành nằm bên ngoài. Thiết kế niêm phong giảm thiểu tác động môi trường và cho phép diện tích nhỏ hơn đáng kể so với các đơn vị cách điện bằng không khí. RMU SF₆ hiện đang là loại được sử dụng rộng rãi nhất.
RMU cách điện rắn: Sử dụng vật liệu cách điện rắn (ví dụ: nhựa epoxy) để bọc và đúc các công tắc và tất cả các bộ phận sống. Thiết kế này giảm khoảng cách cách điện giữa pha và giữa pha - đất, dẫn đến kích thước nhỏ gọn tương đương với RMU SF₆. Ngoài ra, chúng loại bỏ phát thải SF₆ và có thể đạt được vận hành không cần bảo dưỡng.
2 Hạn chế của tủ phân phối vòng SF₆
SF₆ là một trong những nguyên nhân chính gây hiệu ứng nhà kính. Mặc dù có các tính chất điện xuất sắc như khả năng chịu điện cao, dập hồ quang hiệu quả, ổn định nhiệt tốt và tính điện âm mạnh, cũng như không nhạy cảm với độ ẩm, ô nhiễm và độ cao, khiến nó lý tưởng cho thiết bị điện nhỏ gọn, SF₆ được coi là một khí nhà kính mạnh. Khoảng 80% sản xuất SF₆ toàn cầu được sử dụng trong ngành điện. Cả Nhóm chuyên gia Liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) và Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) đều phân loại SF₆ là một trong những khí nhà kính nguy hiểm nhất. Quy định EU về khí F (2006) cấm sử dụng SF₆ trong hầu hết các ứng dụng, ngoại trừ nơi không có giải pháp thay thế khả thi cho thiết bị đóng cắt điện.
Ngoài ra, RMU SF₆ đòi hỏi độ phức tạp sử dụng cao và đầu tư lớn, cần các thiết bị phụ trợ khác nhau:
Hệ thống phát hiện rò rỉ SF₆ để theo dõi sự rò rỉ, nồng độ, mức oxy và độ ẩm.
Thiết bị thu hồi SF₆: Trong quá trình dập hồ quang, các sản phẩm phụ như SF₄ được tạo ra; do đó, cuối đời, không chỉ cần thu hồi SF₆ dư, mà còn cần xử lý đặc biệt các sản phẩm phụ độc hại.
Hệ thống tinh lọc SF₆ để làm sạch và tái sử dụng khí.
Hệ thống thông gió trong trạm biến áp.
Khi sử dụng RMU SF₆, các biện pháp sau đây phải được tuân thủ:
Giảm thiểu rò rỉ SF₆. Mặc dù RMU SF₆ sử dụng vỏ niêm phong áp suất cao, nhưng rò rỉ khí là không thể tránh khỏi. Áp suất khí giảm sẽ làm giảm độ tin cậy của việc chuyển mạch, trực tiếp đe dọa an toàn của người lao động và rút ngắn tuổi thọ của thiết bị.
Nhân viên phải thực hiện thông gió ép buộc và mặc trang phục bảo vệ chuyên dụng trước khi vào trạm biến áp có thiết bị SF₆.
Các thao tác phức tạp, đòi hỏi đào tạo kỹ lưỡng và lặp đi lặp lại cho nhân viên liên quan.
3 Đặc điểm và ứng dụng của tủ phân phối vòng cách điện rắn
Các mối nguy hiểm môi trường tiềm ẩn liên quan đến RMU SF₆ đã hạn chế sự phát triển tiếp theo, khiến việc tìm kiếm các giải pháp thay thế SF₆ trở thành trọng tâm nghiên cứu quan trọng trên toàn cầu. RMU cách điện rắn được phát triển và giới thiệu lần đầu tiên bởi Tập đoàn Eaton của Hoa Kỳ vào cuối những năm 1990. Các đơn vị này không tạo ra khí độc hại trong quá trình hoạt động, không có tác động môi trường, cung cấp độ tin cậy cao hơn và đạt được vận hành không cần bảo dưỡng thực sự.
RMU cách điện rắn tích hợp các bộ ngắt chân không, công tắc cách ly, công tắc tiếp đất, dây dẫn chính, thanh đấu nhánh, hoặc kết hợp của chúng, được bọc trong nhựa epoxy hoặc các vật liệu cách điện rắn khác. Các thành phần này được niêm phong trong các mô-đun chức năng hoàn toàn cách điện và niêm phong, có thể được tái kết hợp hoặc mở rộng. Các lớp che chắn dẫn điện hoặc bán dẫn được áp dụng lên bề mặt ngoài của các mô-đun có thể tiếp xúc với người lao động, đảm bảo tiếp đất đáng tin cậy.
3.1 Đặc điểm của tủ phân phối vòng cách điện rắn
(1) Thiết kế thân thiện với môi trường. Các đơn vị này không sử dụng SF₆ làm chất cách điện hoặc dập hồ quang. Thay vào đó, chúng sử dụng bộ ngắt chân không để chuyển mạch và các vật liệu thân thiện với môi trường, có thể tái chế, cho cách điện chính. Bằng cách giảm số lượng thành phần, chúng đảm bảo tiêu thụ năng lượng thấp và tỷ lệ hỏng hóc thấp trong quá trình hoạt động.
(2) Không cần bảo dưỡng thực sự. RMU cách điện rắn loại bỏ nhu cầu sử dụng bình áp lực SF₆. Cách điện nội bộ và dập hồ quang dựa trên công nghệ chân không, trong khi cách điện bên ngoài sử dụng vật liệu rắn như vỏ cách điện. Thông qua công nghệ đúc, bộ ngắt chân không, đường dẫn dẫn điện chính và các giá đỡ cách điện được tích hợp thành một đơn vị duy nhất, được niêm phong trong vỏ kim loại, làm cho hiệu suất không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường bên ngoài. Cấu trúc hoàn toàn cách điện và niêm phong loại bỏ nhu cầu phát hiện rò rỉ SF₆, nạp lại khí và xử lý chất thải, cho phép vận hành không cần bảo dưỡng thực sự.
(3) Hiệu quả kinh tế cao. Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cho RMU cách điện rắn hơi cao hơn so với RMU SF₆, nhưng tổng chi phí trong suốt chu kỳ sống là thấp hơn đáng kể, như được thể hiện trong Bảng 1. Người dùng ngày càng xem xét các yếu tố toàn diện như rủi ro an toàn, chất lượng điện, kiểm soát chi phí và bền vững - không chỉ giá mua ban đầu, mà còn tổng chi phí sở hữu. Tổng chi phí bảo dưỡng, nạp lại khí, quản lý rò rỉ và thu hồi cuối đời cho RMU SF₆ có thể gần bằng chi phí mua ban đầu, trong khi RMU cách điện rắn không yêu cầu thêm chi phí sau khi lắp đặt. Do đó, từ góc độ lâu dài, RMU cách điện rắn mang lại lợi ích kinh tế vượt trội.
(4) Cấu trúc nhỏ gọn. Được thiết kế để nhỏ gọn nhất có thể trong khi vẫn đảm bảo an toàn và dễ vận hành, các đơn vị này có diện tích và thể tích nhỏ hơn cả RMU SF₆, giúp người dùng tiết kiệm không gian và đạt được lợi ích kinh tế trực tiếp.
(5) Kháng lỗi hồ quang nội bộ, tăng cường an toàn và độ tin cậy. Theo báo cáo của Exnis, tổn thất đáng kể do hồ quang nội bộ trong thiết bị chuyển mạch sơ cấp và thứ cấp xảy ra ít nhất một lần mỗi năm. Hầu hết RMU cách điện rắn đều có thiết kế kháng hồ quang, giảm thiểu tác động của hồ quang nội bộ, đảm bảo hoạt động an toàn và tin cậy hơn.
(6) Khoảng cách cách ly nhìn thấy. Được trang bị cửa sổ quan sát, các đơn vị này cho phép kiểm tra trực tiếp các tiếp điểm của công tắc cách ly ba vị trí, đảm bảo các điểm ngắt nhìn thấy và tăng cường an toàn cho người vận hành.
(7) Khả năng thông minh. RMU cách điện rắn dễ dàng thích ứng với tự động hóa phân phối. Bằng cách lắp đặt các thiết bị đầu cuối phân phối (DTUs) và thiết bị giao tiếp, các chức năng như giám sát trạng thái, điều khiển từ xa ("bốn chức năng từ xa"), giao tiếp, tự chẩn đoán và ghi sự kiện có thể được thực hiện dễ dàng.
3.2 Tình trạng áp dụng hiện tại
Hiện tại, việc áp dụng rộng rãi RMU cách điện rắn bị hạn chế bởi chi phí cao và quy trình sản xuất phức tạp. Sản xuất chúng đòi hỏi độ chính xác kỹ thuật cao hơn so với RMU cách điện SF₆. Kỹ thuật sản xuất không đủ có thể dẫn đến rủi ro cách điện cao hơn, tỷ lệ hỏng hóc cao hơn và nguy hiểm hơn so với RMU SF₆, đòi hỏi kiểm soát nghiêm ngặt về chất lượng nguyên liệu và tiêu chuẩn quy trình. Ngoài ra, cấu hình dây dẫn của RMU cách điện rắn kém linh hoạt, đặc biệt là cho các đơn vị chức năng như tủ biến áp điện áp (PT) và tủ đo lường, cung cấp ít lựa chọn và hạn chế ứng dụng và phát triển.
Với sự tối ưu hóa liên tục quy trình sản xuất và tiêu chuẩn hóa ngày càng tăng, chất lượng RMU cách điện rắn trở nên ổn định hơn và giá cả dần giảm. Một số quốc gia cung cấp ưu đãi từ 5%-10% cho các sản phẩm không sử dụng SF₆ để giảm phát thải. Điều này khuyến khích người dùng xem xét tổng chi phí chu kỳ sống thay vì chỉ giá mua ban đầu. Dựa trên thực tiễn quốc tế, RMU cách điện rắn có thể được ưu tiên trong các dự án nhạy cảm với môi trường hoặc mới - chẳng hạn như các cộng đồng dân cư, công trình công cộng và cơ sở hạ tầng đô thị - trong khi dần dần thay thế RMU SF₆.
Các RMU SF₆ cũ hoặc hết hạn sử dụng có thể được thay thế có hệ thống dựa trên thời gian sử dụng được chỉ định bởi nhà sản xuất. Các khoản hỗ trợ cho người dùng áp dụng RMU cách điện rắn thân thiện với môi trường có thể hỗ trợ việc xem xét tổng chi phí chu kỳ sống, thúc đẩy việc chấp nhận sản phẩm và tiến bộ công nghệ trách nhiệm môi trường. Khi nhận thức về môi trường tăng lên, RMU cách điện rắn, như một trong những giải pháp thay thế cho RMU SF₆, sẽ dần thay thế một phần các đơn vị SF₆ hiện có và được áp dụng rộng rãi, chứng tỏ tiềm năng thị trường mạnh mẽ.
4 Kết luận
RMU cách điện rắn có khả năng kỹ thuật tương đương với RMU SF₆ và có các ưu điểm độc đáo như không phát thải độc hại, không cần bảo dưỡng thực sự và tổng chi phí chu kỳ sống thấp hơn, làm cho chúng ngày càng hấp dẫn đối với người dùng. Tập đoàn Điện lực Quốc gia Trung Quốc trong "Danh mục đầu tiên về các công nghệ mới quan trọng được ưu tiên quảng bá" (2011) đã nêu rõ rằng, xét đến xu hướng tăng cường độ tin cậy kỹ thuật và yêu cầu môi trường nghiêm ngặt hơn, RMU cách điện rắn sẵn sàng thay thế hoàn toàn RMU SF₆.
Ngoài ra, "Tiêu chuẩn kỹ thuật cho tủ phân phối vòng cách điện rắn 12 kV" do Tập đoàn Điện lực Quốc gia Trung Quốc ban hành vào năm 2012 đã khẳng định rằng RMU cách điện rắn có khả năng kỹ thuật đáp ứng các yêu cầu vận hành phức tạp và đại diện cho một hướng phát triển mới, xứng đáng được quảng bá tích cực. Điều này đánh dấu sự công nhận chính thức của RMU cách điện rắn bởi ngành và cộng đồng kỹ thuật. Là một giải pháp thay thế khả thi cho RMU SF₆, RMU cách điện rắn sẽ dần thay thế một phần các đơn vị SF₆ hiện có, đạt được ứng dụng rộng rãi và chứng tỏ triển vọng phát triển tuyệt vời trong tương lai.
