Porovnání SF6 plynově izolovaných okruhových rozvaděčů a tuhě izolovaných okruhových rozvaděčů

Úvod​
V současné době dominují na trhu kruhové rozvaděče s izolací SF6 (dále jen "kruhové rozvaděče SF6"). Plyn SF6 je však mezinárodně uznáván jako jedno z hlavních skleníkových plynů. Pro dosažení ochrany životního prostředí a snížení emisí musí být jeho použití omezeno. Vývoj pevně izolovaných kruhových rozvaděčů (RMU) řeší problémy spojené s kruhovými rozvaděči SF6 a přináší mnoho nových funkcí.

​1 Kruhové rozvody a kruhové rozvaděče (RMU)​​
Proces "urbanizace" klade stále vyšší nároky na spolehlivost distribuce elektrické energie. Stále více uživatelů požaduje dvojzdrojové (nebo vícezdrojové) dodávky. Použití "radialního zásobování" může vést k obtížem při instalaci kabelů, problémům s odstraňováním poruch a nezpružnosti při modernizaci a rozšiřování sítě. Naopak, "kruhové zásobování" může pohodlně poskytnout dvojzdrojové (nebo vícezdrojové) dodávky pro klíčové zatížení, zjednodušuje distribuční linky, usnadňuje vedení kabelů, snižuje požadavky na rozvaděče, snižuje frekvenci selhání a zjednodušuje identifikaci míst poruch.

​1.1 Kruhové zásobování​
Kruhové zásobování se týká systému, kde jsou dva (nebo více) vývodní vodiče z různých transformátorových stanic nebo různých sběračů v rámci stejné transformátorové stanice propojeny do smyčky pro zásobování. Jeho výhody zahrnují: každý distribuční větve může získat energii z hlavního vodiče na levé straně nebo z hlavního vodiče na pravé straně. To znamená, že pokud dojde k poruše na kterémkoli hlavním vodiči, může se zásobování pokračovat z druhé strany. Ačkoli je to v podstatě jednovodičové zásobování, každá distribuční větev efektivně získává výhody podobné dvouvodičovému zásobování, což značně zlepšuje spolehlivost. Pravidla v Číně stanovují, že hlavní kruhové spojení v městech musí splňovat "N-1 bezpečnostní kriterium". To znamená, že pokud je na lince N zatížení, při selhání jakéhokoli zatížení může systém přijmout přesunuté zatížení, aby bylo zajištěno bezpečné zásobování zbývajících "N-1" zatížení bez výpadku nebo odpojení zatížení.

​1.2 Metody kruhového spojení​

• ​Standardní kruhové spojení:​​ Zásobováno jedním zdrojem, tvoří kruh samotnými kabely, zajišťuje spolehlivé zásobování všech ostatních zatížení, když selže část kabelu.
• ​Kruhové spojení z různých sběračů:​​ Toto spojení má dva zdroje energie, obvykle provozované v otevřeném okruhu, což nabízí vyšší spolehlivost zásobování a větší operační flexibilitu.
• ​Jedno kruhové spojení:​​ Zdroje energie jsou získány z různých transformátorových stanic nebo dvou sběračových částí. Když je libovolná část sítě v údržbě, nedochází k výpadku žádného zatížení.
• ​Dvojkruhové spojení:​​ Každé zatížení může získat energii z nezávislé kruhové sítě, což poskytuje velmi vysokou spolehlivost.
• ​Dvojzdrojové dvojitý "T" spojení:​​ Dva kabelové okruhy jsou spojeny z různých sběračových částí. Každé zatížení může získat energii z obou kabelů. Tento způsob v podstatě dosahuje nulového výpadku pro dvojzdrojové uživatele a je zejména vhodný pro určité klíčové uživatele.

​1.3 Kruhové rozvaděče (RMU) a jejich vlastnosti​
RMU označují rozvaděčové skříně používané pro kruhové zásobování. Typy skříní zahrnují zátěžové spínače, spínače, kombinace zátěžových spínačů + pojistky, kombinované zařízení, sběračové spoje, měřicí jednotky, napěťové transformátory (VT), atd., nebo jakoukoli kombinaci nebo rozšíření tohoto.

RMU mají kompaktní strukturu, malou plochu zabíranou, nízké náklady, snadnou instalaci a krátké doby zprovoznění, splňují požadavek na "miniaturizaci zařízení". Jsou široce používány v bytových komplexech, veřejných budovách, malých a středních podnikových transformátorových stanicích, sekundárních přepínacích stanicích, kompaktních transformátorových stanicích a kabelových rozvaděčích.

​1.4 Typy RMU​

• ​Vzduchem izolované RMU:​​ Používají vzduch jako izolační médium. Mají velkou plochu zabíranou a objem a jsou citlivé na vnější prostředí.
• ​RMU s izolací SF6:​​ Používají plyn SF6 jako izolační médium. Hlavní spínač je umístěn uvnitř uzavřené kovové schránky plné plynu SF6, s pohonným mechanismem mimo schránku. Díky uzavřené konstrukci nejsou ovlivněny vnějším prostředím. Jejich objem je výrazně menší než standardní vzduchem izolované RMU, což z nich činí nejčastěji používaný typ v současnosti.
• ​Pevně izolované RMU:​​ Používají pevné izolační materiály jako hlavní izolační médium. Spínač a všechny části pod napětím jsou zakryty nebo zalité izolačními materiály, jako je epoxidová smola. Protože bezpečné fázové a fázově-zemské vzdálenosti uvnitř spínače jsou sníženy, jejich rozměry a objem jsou podobné RMU s izolací SF6. Nezpůsobují emise plynu SF6 a dosahují skutečně bezúdržbového provozu.

​2 Omezení použití RMU s izolací SF6​
SF6 je hlavním přispěvatelem k atmosférickému skleníkovému efektu. Nicméně, SF6 má ideální elektrotechnické vlastnosti (vynikající izolace, uhasení oblouku a chladicí vlastnosti), silnou elektronegativitu, dobré tepelné vlastnosti a stabilitu, je opětovně použitelný, nezálivný na okolní podmínky (vlhkost, znečištění, vysoké nadmořské výšky) a umožňuje kompaktní design skříně. Proto je široce používán jako izolační a uhasovací médium v elektrických zařízeních. Spotřeba SF6 je nejvyšší v energetickém sektoru; statistiky ukazují, že 80 % produkovaného plynu SF6 ročně se používá v elektrických zařízeních.

Mezivládní panel OSN pro změnu klimatu (IPCC) a Americká agentura pro ochranu životního prostředí (EPA) oba klasifikují SF6 jako extrémně škodlivý a dopadný skleníkový plyn. Nařízení EU o F-plynech (2006) stanovuje: kromě elektrických přepínačů, kde neexistuje žádná možná alternativa, použití SF6 je zakázáno v téměř všech oblastech.

Kromě toho, RMU s izolací SF6 jsou složité v použití a vyžadují významné investice, včetně mnoha pomocných zařízení:

• ​Nákup zařízení pro sledování uniků SF6:​​ Používá se pro detekci uniků plynu SF6, sledování koncentrace plynu SF6 a obsahu kyslíku, detekci stopové vlhkosti atd.
• ​Vybavení jednotkami pro recyklaci SF6:​​ Během procesu uhasení oblouku SF6 se vytvářejí vedlejší produkty, jako je SF4. Proto je nutné, aby se při konci životnosti nejen vrátil zbytek plynu SF6, ale také reziduální toxické vedlejší produkty potřebují speciální zpracování.
• ​Konfigurace zařízení pro čištění plynu SF6:​​ Pro čištění a recyklaci plynu SF6.
• ​Instalace ventilace v transformátorových stanicích.​​

Při použití RMU s izolací SF6 je nezbytné:

• ​Minimalizovat uniky plynu SF6:​​ RMU s izolací SF6 používají tlakové uzavřené dutiny, ale uniky plynu jsou nevyhnutelné. Provádění přepínacích operací při nízkém tlaku plynu SF6 vede k nízké spolehlivosti, což přímo ohrožuje bezpečnost operátorů a snižuje životnost zařízení.
• ​Před vstupem pracovníků do transformátorové stanice musí být provedena síla ventilace a musí nosit speciální ochranné vybavení.​​
• ​Operace a postupy jsou komplexní, vyžadují opakované školení relevantních osob.​​

​3 Charakteristiky a aplikace pevně izolovaných RMU​
Potenciální environmentální hrozba RMU s izolací SF6 omezuje jejich další vývoj. Hledání alternativ k SF6 bylo dlouhodobým tématem výzkumu po celém světě. Pevně izolované RMU byly poprvé vyvinuty a zavedeny firmou Eaton Corporation (USA) v pozdních 90. letech. Během provozu nevytvářejí žádné toxické nebo škodlivé plyny, nemají žádný dopad na životní prostředí, nabízejí vyšší spolehlivost a dosahují skutečně bezúdržbového provozu.

Pevně izolované RMU se týkají systémů, kde primární vodiče, jako je vakuumový spínač, oddělovač, zemnící spínač, hlavní sběrač, větvený sběrač, jsou individuálně nebo kombinovaně zakryty pevnými izolačními materiály, jako je epoxidová smola. Jsou zapouzdřeny v plně izolovaných, uzavřených funkčních modulech, které lze dále kombinovat nebo rozšiřovat. Povrchy modulů, které jsou přístupné osobám, jsou pokryty vodivou nebo polovodivou štítovou vrstvou a mohou být přímo a spolehlivě zemněny.

​3.1 Charakteristiky pevně izolovaných RMU​

• ​Ekologický design:​​ Nepoužívá SF6 jako izolační nebo přepínací médium. Místo toho se používá vakuum jako médium pro uhasení oblouku u spínačů a ekologicky přátelští materiály bez dopadu na životní prostředí (a které jsou recyklovatelné) se používají jako hlavní izolační médium. Dále je minimalizován počet komponent, aby bylo zajištěno nízké spotřebování energie během provozu a méně potenciálních bodů selhání.
• ​Skutečně bezúdržbové:​​ Pevně izolované RMU eliminují tlakovou nádrž SF6. Interní izolace a uhasení oblouku těla spínače využívají vakuumové médium; externí izolace používá pevné dielektrické materiály, jako jsou izolační válce. Izolační válec používá technologii pevného lití, integruje vakuumový spínač, hlavní vodič a izolační nosníky do jedné jednotky, uzavřené v kovové schránce, neovlivněné vnějším prostředím. Díky plně izolované a uzavřené celkové struktuře a absenci problémů, jako je detekce uniků SF6, doplňování a likvidace odpadu, je dosaženo skutečně bezúdržbového provozu.
• ​Vysoká nákladová efektivita:​​ I když počáteční investice do pevně izolovaných RMU jsou mírně vyšší než u RMU s izolací SF6, celkové náklady na životní cyklus jsou výrazně nižší, jak je vidět v tabulce 1. Uživatelé berou stále více v úvahu nejen počáteční nákupní cenu, ale i celkové náklady na životní cyklus, včetně rizik spojených s bezpečností, kvalitou sítě, kontrolou nákladů a udržitelností. Náklady na údržbu, doplňování plynu, likvidaci uniků a konečné získání RMU s izolací SF6 během jejich životnosti jsou téměř ekvivalentní nákupní ceně. Naopak, pevně izolované RMU vyžadují jednu počáteční investici s téměř žádnými následnými náklady. Proto z dlouhodobého hlediska je ekonomická efektivita pevně izolovaných RMU výrazně vyšší než u RMU s izolací SF6.

​Tabulka 1: Srovnání nákladů na životní cyklus mezi RMU s izolací SF6 a pevně izolovanými RMU​

• ​Kompaktní struktura:​​ Navržena tak, aby byla co nejvíce kompaktní, zatímco zajišťuje bezpečnost a snadnou operaci skříně. Jejich plocha zabíraná a objem jsou dokonce menší než u RMU s izolací SF6, což pomáhá uživatelům ušetřit prostor a poskytuje přímé ekonomické výhody.
• ​Interní odolnost proti oblouku, bezpečnější a spolehlivější:​​ Pro primární a sekundární rozvaděče se aspoň jednou ročně vyskytne značná škoda způsobená interním obloukem. Většina pevně izolovaných RMU zahrnuje interní odolnost proti oblouku. Pokud dojde k internímu oblouku, jeho dopad na RMU je co nejvíce minimalizován, což zajišťuje bezpečnější a spolehlivější provoz zařízení.
• ​Zobrazení izolačního rozestupu:​​ Disponuje vizuálním okénkem pro snadné zkontrolování stavu kontaktů interního trojpolohového oddělovače, což poskytuje viditelnou izolaci na místě a zvyšuje bezpečnost operátorů.
• ​Inteligentní schopnosti:​​ Snazší implementace distribuční automatizace oproti RMU s izolací SF6. Po instalaci distribuční terminálové jednotky (DTU) a komunikačních zařízení lze snadno dosáhnout funkcí, jako je získávání a monitorování stavových dat, "čtyř-vzdálených" funkcí (vzdálené signalizace, vzdálené měření, vzdálené řízení, vzdálená regulace), komunikace, samo-diagnostika a záznam/hlášení.

​3.2 Stav aplikace​
V současné době je široké použití pevně izolovaných RMU omezováno jejich relativně vyšší cenou a složitými výrobními procesy. Jejich požadavky na procesy přesahují ty u RMU s izolací SF6. Pokud jsou technologie výroby nedostatečné, mohou být rizika spojená s izolací, pravděpodobnost selhání a nebezpečí vyšší než u RMU s izolací SF6, což vyžaduje přísnou kontrolu kvality surovin a řemeslnictví. Kromě toho může být flexibilita vedení pevně izolovaných