مقارنة بين وحدات الدائرة الرئيسية المعزولة بالغاز SF6 والوحدات المعزولة بشكل صلب

مقدمة​
حالياً، تهيمن وحدات الحلقات الرئيسية المعزولة بالغاز SF6 (وستشار إليها فيما بعد بـ "وحدات RMU SF6") على السوق. ومع ذلك، يعتبر غاز SF6 مصنفاً دولياً كواحد من الغازات الدفيئة الرئيسية. لتحقيق حماية البيئة وتقليل الانبعاثات، يجب تقليل استخدامه وقيده. ظهرت وحدات الحلقات الرئيسية المعزولة بالصلب (RMUs) لحل المشكلات المرتبطة بوحدات RMU SF6 مع إضافة العديد من الميزات الجديدة.

​1 تزويد الطاقة للشبكات الحلقة والوحدات الرئيسية للحلقات (RMUs)​​
عملية "الحضرية" تضع متطلبات متزايدة على موثوقية توزيع الطاقة. يحتاج المزيد من المستخدمين إلى مصادر طاقة مزدوجة (أو متعددة). يمكن أن يؤدي استخدام نظام "التزويد الإشعاعي بالتغذية" إلى صعوبات في تركيب الكابلات وتحديات في التشخيص وإجراء التحديثات والتوسعات في الشبكة. بدلاً من ذلك، يمكن لنظام "التزويد بالطاقة للشبكات الحلقة" توفير مصادر طاقة مزدوجة (أو أكثر) بشكل مريح للأحمال الهامة، ويقوم بتبسيط خطوط التوزيع وتسهيل توجيه الكابلات وتقليل احتياجات المفاتيح، ويقلل من معدلات الفشل ويسهل تحديد نقاط الأعطال.

​1.1 تزويد الطاقة للشبكات الحلقة​
يشير تزويد الطاقة للشبكات الحلقة إلى نظام حيث يتم ربط خطين (أو أكثر) خارجيين من محطات مختلفة أو من حافلات مختلفة داخل نفس المحطة لتشكيل حلقة لتزويد الطاقة. من مميزاته: يمكن لكل فرع توزيع الحصول على الطاقة من الخط الرئيسي على الجانب الأيسر أو الجانب الأيمن. هذا يعني أنه إذا حدث عطل في أحد الخطوط الرئيسية، يمكن الاستمرار في تزويد الطاقة من الجانب الآخر. رغم أنه في جوهره تزويد أحادي الخط، فإن كل فرع توزيع يكتسب فعلياً مزايا مشابهة للتزويد ثنائي الخط، مما يحسن بشكل كبير من الموثوقية. تنص اللوائح في الصين على أن الاتصال الرئيسي للشبكات الحلقة في المدن يتبع معيار "الأمان N-1". هذا يعني أنه إذا كان هناك N حملاً على الخط، عندما يحدث عطل لأي حمل واحد، يمكن للنظام قبول الحمل المنقول، مما يضمن استمرار تزويد الحمائل المتبقية "N-1" بالطاقة بأمان دون انقطاع أو تقليص الحمل.

​1.2 طرق الاتصال بالشبكات الحلقة​

• ​الاتصال الحلقي القياسي:​​ يتم تزويده من مصدر واحد، ليشكل حلقة عبر الكابلات نفسها، مما يضمن تزويد جميع الأحمال الأخرى بالطاقة بشكل موثوق عند حدوث عطل في قسم من الكابل.
• ​الاتصال الحلقي من حافلات مختلفة:​​ هذا الاتصال لديه مصدرين للطاقة، عادة ما يعمل بشكل مفتوح، مما يقدم موثوقية أعلى في التزويد ومرونة أكبر في التشغيل.
• ​الاتصال الحلقي الواحد:​​ يتم أخذ مصادر الطاقة من محطات مختلفة أو من قسمين من الحافلة. عند صيانة أي قسم من الكابلات في الشبكة، لا يسبب ذلك انقطاع أي حمل.
• ​الاتصال الحلقي المزدوج:​​ يمكن لكل حمل الحصول على الطاقة من شبكة حلقة مستقلة، مما يوفر موثوقية عالية جداً.
• ​الاتصال المزدوج "T" ذو المصدر المزدوج:​​ يتم ربط دائرتين من الكابلات من قسمين مختلفين من الحافلة. يمكن لكل حمل سحب الطاقة من كلا الكابلين. هذه الطريقة تحقق بشكل أساسي عدم الانقطاع للمستخدمين ذوي المصدر المزدوج وهي مناسبة بشكل خاص لبعض المستخدمين الهامين.

​1.3 وحدات الحلقات الرئيسية (RMUs) ومميزاتها​
تشير RMUs إلى خزانات المفاتيح المستخدمة لتزويد الطاقة للشبكات الحلقة. تتضمن أنواع الخزانات المفاتيح الحمولة والمفاتيح القاطعة ومزيج من المفاتيح الحمولة وال保險开关、组合装置、母线连接器、计量单元、电压互感器（VT）等，或它们的任意组合或扩展。 **1.3 环网柜（RMUs）及其特点** 环网柜用于环网供电。柜型包括负荷开关、断路器、负荷开关+熔断器组合、组合装置、母线连接器、计量单元、电压互感器（VT）等，或它们的任意组合或扩展。 环网柜具有结构紧凑、占地面积小、成本低、安装方便、调试时间短的特点，满足“设备小型化”的要求。它们广泛应用于住宅小区、公共建筑、中小型企业变电站、二次开关站、紧凑型变电站和电缆接线盒中。 **1.4 RMU类型** - **空气绝缘RMUs：** 使用空气作为绝缘介质。它们占地面积大，体积大，容易受到环境影响。 - **SF6 RMUs：** 使用SF6气体作为绝缘介质。主开关被密封在一个充满SF6气体的金属壳体内，操作机构位于壳体外部。由于是密封的，因此不受外部环境的影响。其体积比标准空气绝缘RMUs小得多，是目前最常用的类型。 - **固体绝缘RMUs：** 使用固体绝缘材料作为主要绝缘介质。开关和所有带电部分都用环氧树脂等绝缘材料封装或浇注。因为开关内部相间和相对地的安全绝缘距离减小，其尺寸和体积与SF6 RMUs相似。它们不产生SF6排放，实现了真正的免维护运行。 **2 SF6 RMUs的使用限制** SF6是大气温室效应的主要贡献者。然而，SF6具有理想的电气性能（优良的绝缘、灭弧和冷却性能）、强电负性、良好的导热性和稳定性，可重复使用，对环境条件（湿度、污染、高海拔）不敏感，并且可以实现紧凑的柜体设计。因此，它被广泛用作电气设备中的绝缘和灭弧介质。电力行业是SF6消耗量最大的行业；统计数据显示，每年生产的SF6气体中有80%用于电气设备。 联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）和美国环境保护署（EPA）都将SF6列为极其有害且影响重大的温室气体。欧盟F-气体法规（2006年）规定：除在没有可行替代品的电力开关设备中，大多数领域禁止使用SF6。 此外，SF6 RMUs使用复杂，需要大量投资，必须配备许多辅助设备： - **购买SF6泄漏监测设备：** 用于SF6气体泄漏检测，监测SF6浓度和氧气含量，检测微量水分等。 - **配备SF6回收装置：** 在SF6灭弧过程中，气室内会产生SF4等副产品。因此，在使用寿命结束时，不仅要回收剩余的SF6气体，还需要对残留的有毒副产品进行特殊处理。 - **配置SF6气体净化设备：** 用于净化和回收SF6气体。 - **在变电站内安装通风设备。** 在使用SF6 RMUs时，必须做到以下几点： - **尽量减少SF6泄漏：** SF6 RMUs使用加压密封腔室，但气体泄漏不可避免。在SF6压力低的情况下进行切换操作会导致可靠性低，直接威胁操作人员的安全并缩短设备寿命。 - **工作人员进入变电站前，必须先进行强制通风，并佩戴专用防护装备。** - **操作和程序复杂，需要对相关人员进行反复培训。** **3 固体绝缘RMUs的特点和应用** SF6 RMUs的潜在环境威胁限制了其进一步发展。寻找SF6的替代品已成为全球研究的主题。固体绝缘RMUs最早由伊顿公司（美国）在20世纪90年代末开发并推出。在运行过程中，它们不会产生任何有毒或有害气体，对环境无影响，具有更高的可靠性，并实现真正的免维护运行。 固体绝缘RMUs指的是将初级导电电路——如真空断路器、隔离开关、接地开关、主母线、分支母线——单独或组合封装在环氧树脂等固体绝缘材料中。它们被封装在完全绝缘、密封的功能模块中，这些模块可以进一步组合或扩展。模块外表面可触及的部分涂有导电或半导电屏蔽层，可以直接可靠地接地。 **3.1 固体绝缘RMUs的特点** - **环保设计：** 不使用SF6作为绝缘或开关介质。相反，开关采用真空作为灭弧介质，使用对环境无影响（且可回收）的环保材料作为主要绝缘介质。此外，组件数量最小化，以确保运行期间能耗低且潜在故障点少。 - **真正免维护：** 固体绝缘RMUs消除了SF6压力容器。开关本体内部绝缘和灭弧采用真空介质；外部绝缘采用绝缘筒等固态电介质。绝缘筒采用整体铸造技术，将真空断路器、主导电回路和绝缘支撑集成在一起，密封在金属外壳内，不受外部环境影响。由于整体全绝缘和密封结构，以及不存在SF6泄漏检测、充气和废物处理等问题，实现了真正的免维护运行。 - **高性价比：** 尽管固体绝缘RMUs的初始投资略高于SF6 RMUs，但其总生命周期成本显著降低，如表1所示。用户考虑越来越全面，不仅包括初始购买价格，还包括总体生命周期成本，包括安全风险、电网质量、成本控制和可持续性。SF6 RMUs在其使用寿命期间所需的维护、充气、泄漏处理和最终回收的成本几乎相当于购买成本。相比之下，固体绝缘RMUs只需一次初始投资，基本上没有后续成本。因此，从长远来看，固体绝缘RMUs的经济效益远优于SF6 RMUs。 **表1：SF6 RMUs和固体绝缘RMUs的生命周期成本比较** | 项目 | 内容 | SF6 RMU | 固体绝缘RMU | | --- | --- | --- | --- | | **初始投资** | 购买成本 | 低 | 相对较高 | | **运行环境** | SF6气体监测、报警、通风等设备 | 需要 | 无需 | | **维护** | SF6泄漏检查、气体充填等 | 需要 | 无需 | | **人员保护** | 相应的SF6防护装备等 | 需要 | 无需 | | **培训** | 操作程序、专业培训等 | 复杂 | 简单 | | **报废处理成本** | 使用专用设备回收残余SF6气体 | 需要 | 无需 | | | 对内部残留的有毒SF6副产品进行特殊处理 | 需要 | 无需 | | **温室气体排放** | 显著的SF6排放 | 是 | 无 | | **安全性** | SF6压力低时开关操作的安全性等 | 低 | 高 | | **使用寿命** | SF6泄漏等问题影响运行和维护成本 | 长期成本高 | | - **紧凑结构：** 设计尽可能紧凑，同时确保柜体安全和操作方便。其占地面积和体积甚至比SF6 RMUs更小，帮助用户节省空间并提供直接的经济效益。 - **内部电弧防护设计，更安全可靠：** 初级和次级开关设备每年至少发生一次因内部电弧造成的严重损坏。大多数固体绝缘RMUs都采用了内部电弧防护设计。当内部电弧发生时，其对RMU的影响被最小化，确保设备运行更安全可靠。 - **可视化隔离间隙：** 具有可视观察窗，便于检查内部三位置隔离开关的接触状态，提供现场可见隔离，提高操作人员的安全性。 - **智能功能：** 与SF6 RMUs相比，更容易实现配电自动化。安装配电终端单元（DTU）和通信设备后，可以轻松实现状态数据采集和监控、“四遥”功能（遥信、遥测、遥控、遥调）、通信、自诊断和记录报告等功能。 **3.2 应用现状** 目前，固体绝缘RMUs的广泛应用受到其相对较高的价格和复杂的制造工艺的制约。其工艺要求超过了SF6气体绝缘RMUs。如果工艺技术不足，绝缘风险、故障概率和危险可能高于SF6 RMUs，需要严格控制原材料和工艺的质量。此外，固体绝缘RMUs的布线灵活性有限，特别是对于PT（VT）柜和计量柜等功能单元，提供的连接选项较少，限制了用户选择，这也一定程度上限制了固体绝缘RMUs的应用和发展。 随着生产结构的不断优化和产品制造标准化程度的提高，固体绝缘RMUs的产品质量变得更加稳定，价格逐渐下降。一些国家为不使用SF6的产品提供5%~10%的激励措施，以减少其使用和排放。这意味着用户在决策时不只考虑购买成本。我们还可以借鉴国际经验：在环境敏感项目和新项目（如住宅社区、公共建筑、市政建设）中优先使用固体绝缘RMUs，逐步淘汰SF6 RMUs。根据制造商承诺的使用寿命逐步淘汰和更换老化的或正在运行的SF6 RMUs，并为采用环保固体绝缘RMUs的用户提供补贴，支持此类产品的推广。随着用户环保意识的增强和生命周期成本考虑的增加，固体绝缘RMUs的前景广阔。 **4 结论** 固体绝缘RMUs在技术上与SF6 RMUs相当，并具有一些SF6 RMUs所不具备的特点，如无有害气体排放、真正免维护运行和较低的总生命周期成本。它们正越来越多地引起用户的关注和偏好。