Vergleich von SF6-Gas-isolierten Ringverteileranlagen und fester Isolierung Ringverteileranlagen

Einführung​
Derzeit dominiert der Markt für SF6-gedämmte Ringverteiler (RMUs). SF6-Gas wird jedoch international als eines der wichtigsten Treibhausgase anerkannt. Um den Umweltschutz und die Emissionsreduzierung zu erreichen, muss sein Einsatz reduziert und eingeschränkt werden. Die Einführung von festgedämmten Ringverteilern (RMUs) hat die mit SF6 RMUs verbundenen Probleme gelöst und zahlreiche neue Funktionen integriert.

​1 Ringnetzversorgung und Ringverteiler (RMUs)​​
Der "Urbanisierungsprozess" stellt immer höhere Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Stromversorgung. Mehr Benutzer benötigen eine Versorgung mit zwei (oder mehr) Stromquellen. Die Verwendung eines "Radialversorgungssystems" kann zu Schwierigkeiten bei der Kabelinstallation, Wartungsproblemen und Unannehmlichkeiten bei Netzwerkaufbau und -erweiterung führen. Im Gegensatz dazu bietet eine "Ringnetzversorgung" bequem eine Versorgung mit zwei (oder mehr) Stromquellen für kritische Lasten, vereinfacht Verteilungsleitungen, erleichtert die Kabelverlegung, verringert die Anzahl der Schaltanlagen, senkt die Ausfallrate und erleichtert die Identifizierung von Fehlerstellen.

​1.1 Ringnetzversorgung​
Die Ringnetzversorgung bezieht sich auf ein System, in dem zwei (oder mehr) Ausgangsleitungen aus verschiedenen Umspannwerken oder verschiedenen Busbalken im gleichen Umspannwerk miteinander verbunden sind, um einen Versorgungsring zu bilden. Ihre Vorteile liegen darin, dass jede Verteilungsstrecke Strom von der Hauptleitung links oder rechts ziehen kann. Dies bedeutet, dass bei einem Ausfall einer Hauptleitung der Strom weiterhin von der anderen Seite versorgt werden kann. Obwohl es im Wesentlichen eine Einleitung-Versorgung ist, erlangt jede Verteilungsstrecke die Vorteile einer Zweileitung-Versorgung, was die Zuverlässigkeit erheblich verbessert. In China legen Vorschriften fest, dass die Haupt-Ringnetzverbindung in Städten dem "N-1-Sicherheitskriterium" folgt. Das bedeutet, dass wenn N-Lasten auf der Leitung vorhanden sind, das System die übertragenen Lasten akzeptieren kann, wenn eine Last ausfällt, und sicherstellt, dass die verbleibenden "N-1" Lasten weiterhin eine sichere Stromversorgung erhalten, ohne dass es zu Ausfällen oder Lastabnahmen kommt.

​1.2 Verbindungsarten des Ringnetzes​

• ​Standardringverbindung:​​ Versorgt durch eine einzelne Quelle, bildet einen Ring durch die Kabel selbst, um eine zuverlässige Stromversorgung aller anderen Lasten zu gewährleisten, wenn ein Abschnitt des Kabels ausfällt.
• ​Ringverbindung von verschiedenen Busbalken:​​ Diese Verbindung hat zwei Stromquellen und wird in der Regel in offener Schleife betrieben, bietet eine höhere Versorgungszuverlässigkeit und größere Betriebsflexibilität.
• ​Einfache Ringverbindung:​​ Die Stromquellen stammen aus verschiedenen Umspannwerken oder zwei Busbalkenabschnitten. Wenn ein Kabelabschnitt im Netz in Wartung ist, führt dies nicht zu einem Lastausfall.
• ​Doppelringverbindung:​​ Jede Last kann Strom von einem unabhängigen Ringnetz beziehen, was sehr hohe Zuverlässigkeit bietet.
• ​Doppelleitungs-Doppel-"T"-Verbindung:​​ Zwei Kabelleitungen werden von verschiedenen Busbalkenabschnitten abgeleitet. Jede Last kann Strom von beiden Kabeln beziehen. Diese Methode ermöglicht im Wesentlichen keinen Ausfall für Doppelleitungsbenutzer und ist besonders geeignet für bestimmte kritische Benutzer.

​1.3 Ringverteiler (RMUs) und ihre Merkmale​
RMUs beziehen sich auf Schaltanlagenschränke, die für die Ringnetzversorgung verwendet werden. Schranktypen umfassen Lastschalter, Schaltgeräte, Kombinationen aus Lastschaltern und Sicherungen, Kombinationsgeräte, Buskopplungen, Messgeräte, Spannungswandler (VTs), usw., oder beliebige Kombinationen oder Erweiterungen davon.

RMUs haben eine kompakte Struktur, einen geringen Raumbedarf, niedrige Kosten, einfache Installation und kurze Inbetriebnahmezeiten und erfüllen die Anforderung an die "Miniaturisierung von Geräten". Sie finden weite Verwendung in Wohnkomplexen, öffentlichen Gebäuden, kleineren und mittleren Unternehmens-Umspannwerken, Sekundärumschaltstationen, kompakten Umspannwerken und Kabelanschlussdosen.

​1.4 RMU-Typen​

• ​Luftgedämmte RMUs:​​ Verwenden Luft als Isolationsmedium. Sie haben einen großen Raumbedarf und Volumen und sind anfällig für Umweltbeeinflussungen.
• ​SF6 RMUs:​​ Verwenden SF6-Gas als Isolationsmedium. Der Hauptschalter ist in einem versiegelten Metallgehäuse gefüllt mit SF6-Gas untergebracht, wobei der Betriebsmechanismus außerhalb des Gehäuses liegt. Aufgrund der versiegelten Hülle sind sie unabhängig von äußeren Umgebungen. Ihr Volumen ist erheblich kleiner als das von standardluftgedämmten RMUs, was sie zur am häufigsten verwendeten Art macht.
• ​Festgedämmte RMUs:​​ Verwenden feste Isoliermaterialien als Hauptisolationsmedium. Der Schalter und alle lebenden Teile sind in Isoliermaterialien wie Epoxidharz eingebettet oder gegossen. Da die sicheren Phasen-zu-Phasen- und Phasen-zu-Erde-Isolationsabstände innerhalb des Schalters reduziert sind, entsprechen ihre Größe und ihr Volumen denen von SF6 RMUs. Sie produzieren keine SF6-Emissionen und erreichen eine echte wartungsfreie Betriebsweise.

​2 Einschränkungen beim Einsatz von SF6 RMUs​
SF6 ist ein wichtiger Beitraggeber zum atmosphärischen Treibhauseffekt. SF6 besitzt jedoch ideale elektrische Eigenschaften (exzellente Isolation, Bogenlöschung und Kühlleistung), starke Elektronegativität, gute thermische Leitfähigkeit und Stabilität, ist wiederverwendbar, unempfindlich gegenüber Umgebungsbedingungen (Feuchtigkeit, Verschmutzung, große Höhe) und ermöglicht kompakte Schrankdesigns. Daher wird es weit verbreitet als Isolations- und Bogenlöschmedium in elektrischen Geräten verwendet. Der Verbrauch von SF6 ist am höchsten in der Energiewirtschaft; Statistiken zeigen, dass 80% des jährlich produzierten SF6-Gases in elektrischen Geräten verwendet werden.

Das UN-Klimarat (IPCC) und die US-Umweltschutzbehörde (EPA) klassifizieren SF6 als extrem schädliches und beeinflussendes Treibhausgas. Die EU-F-Gas-Verordnung (2006) legt fest: Außer in elektrischen Schaltanlagen, wo keine praktikable Alternative existiert, ist der Einsatz von SF6 in den meisten Bereichen verboten.

Darüber hinaus sind SF6 RMUs komplex im Gebrauch und erfordern erhebliche Investitionen, einschließlich vieler Hilfsgeräte:

• ​Kauf von SF6-Leckage-Monitoring-Geräten:​​ Zum Nachweis von SF6-Gasleckagen, zur Überwachung der SF6-Konzentration und des Sauerstoffgehalts, zur Detektion von Spurenfeuchtigkeit usw.
• ​Ausrüstung mit SF6-Wiederherstellungseinheiten:​​ Nebenprodukten wie SF4 entstehen im Gaskompartiment während des SF6-Bogenlöschvorgangs. Daher müssen bei Lebensende nicht nur die verbleibenden SF6-Gase wiederhergestellt, sondern auch die toxischen Nebenprodukte speziell behandelt werden.
• ​Konfiguration von SF6-Gasreinigungsgeräten:​​ Zur Reinigung und Wiederverwertung des SF6-Gases.
• ​Installation von Lüftungsanlagen in Umspannwerken.​​

Beim Einsatz von SF6 RMUs ist es zwingend erforderlich:

• ​Minimierung der SF6-Leckagen:​​ SF6 RMUs verwenden druckgeförderte versiegelte Kammern, aber Gasleckagen sind unvermeidlich. Das Durchführen von Schaltvorgängen bei niedrigem SF6-Druck führt zu geringer Zuverlässigkeit, bedroht direkt die Sicherheit der Bediener und verringert die Lebensdauer der Ausrüstung.
• ​Bevor Arbeiter das Umspannwerk betreten, muss zunächst eine gezwungene Lüftung durchgeführt werden, und sie müssen spezielle Schutzausrüstung tragen.​​
• ​Die Bedienung und Prozeduren sind komplex und erfordern wiederholtes Training für relevante Personal.​​

​3 Merkmale und Anwendungen von festgedämmten RMUs​
Die potenzielle Umweltbedrohung durch SF6 RMUs begrenzt ihre weitere Entwicklung. Die Suche nach Alternativen zu SF6 war weltweit Gegenstand von Forschungen. Festgedämmte RMUs wurden erstmals Ende der 1990er Jahre von der Eaton Corporation (USA) entwickelt und eingeführt. Während des Betriebs erzeugen sie keinerlei giftige oder schädliche Gase, haben keinen Umweltimpact, bieten höhere Zuverlässigkeit und erreichen eine echte wartungsfreie Betriebsweise.

Festgedämmte RMUs beziehen sich auf Systeme, in denen die primären Leitkreise – wie der Vakuumschalter, Trennschalter, Erdungsschalter, Hauptbusbar, Zweigbusbar – einzeln oder kombiniert in feste Isoliermaterialien wie Epoxidharz eingeschlossen sind. Sie sind in vollständig isolierten, versiegelten funktionalen Modulen eingekapselt, die weiter kombiniert oder erweitert werden können. Die für das Personal zugänglichen Außenflächen der Module sind mit einer leitenden oder halbleitenden Abschirmung beschichtet und können direkt und zuverlässig geerdet werden.

​3.1 Merkmale von festgedämmten RMUs​

• ​Ökodesign:​​ Verwendet kein SF6 als Isolations- oder Schaltmedium. Stattdessen wird Vakuum als Bogenlöschmedium für Schalter verwendet, und umweltfreundliche Materialien ohne Umweltimpact (und die recycelbar sind) werden als Hauptisolationsmittel verwendet. Darüber hinaus werden die Komponenten minimiert, um einen geringen Energieverbrauch während des Betriebs und weniger potenzielle Fehlerstellen zu gewährleisten.
• ​Wirklich wartungsfrei:​​ Festgedämmte RMUs eliminieren den SF6-Druckbehälter. Die interne Isolation und Bogenlöschung des Schaltkörpers nutzen ein Vakuummedium; die externe Isolation nutzt feste dielektrische Materialien wie Isolierzylinder. Der Isolierzylinder verwendet eine Vollguss-Technologie, um den Vakuumschalter, den Hauptleitkreis und die Isolierstützen in eine Einheit zu integrieren, die in einem Metallgehäuse versiegelt und unabhängig von der äußeren Umgebung ist. Aufgrund der vollständig isolierten und versiegelten Gesamtstruktur und der Abwesenheit von Problemen wie SF6-Leckagedetektion, Gasnachfüllung und Abfallentsorgung wird eine echte wartungsfreie Betriebsweise erreicht.
• ​Hohes Kosteneffizienzverhältnis:​​ Obwohl die anfängliche Investition für festgedämmte RMUs leicht höher als für SF6 RMUs ist, ist die gesamte Lebenszykluskosten erheblich niedriger, wie in Tabelle 1 dargestellt. Die Nutzer berücksichtigen zunehmend umfassender, einschließlich nicht nur den anfänglichen Kaufpreis, sondern auch die gesamten Lebenszykluskosten, einschließlich Sicherheitsrisiken, Netzqualität, Kosteneinsparungen und Nachhaltigkeit. Die Kosten für die Wartung, Gasnachfüllung, Leckagebehandlung und endgültige Rückgewinnung von SF6 RMUs während ihrer Lebensdauer sind fast gleich dem Kaufpreis. Im Gegensatz dazu erfordern festgedämmte RMUs eine einmalige Investition mit im Wesentlichen keinen nachfolgenden Kosten. Daher ist die wirtschaftliche Effizienz von festgedämmten RMUs langfristig deutlich überlegen gegenüber SF6 RMUs.

​Tabelle 1: Vergleich der Lebenszykluskosten zwischen SF6 RMUs und festgedämmten RMUs​

• ​Kompakte Struktur:​​ So kompakt wie möglich gestaltet, um die Sicherheit und den einfachen Betrieb des Schranks zu gewährleisten. Ihr Raumbedarf und Volumen sind sogar kleiner als bei SF6 RMUs, was den Nutzern Platz spart und direkte wirtschaftliche Vorteile bietet.
• ​Interne Bogenfestigkeit, sicherer und zuverlässiger:​​ Für primäre und sekundäre Schaltanlagen treten jedes Jahr mindestens einmal erhebliche Schäden durch interne Bögen auf. Die meisten festgedämmten RMUs integrieren ein internes bogenfestes Design. Bei einem internen Bogen wird dessen Auswirkung auf den RMU so weit wie möglich minimiert, was sicherere und zuverlässigere Geräteoperation gewährleistet.
• ​Visuelle Isolationslücke:​​ Verfügt über ein visuelles Beobachtungsfenster, um den Kontaktstatus des internen Dreipositionsschalters leicht zu überprüfen, bietet sichtbare Isolation vor Ort und erhöht die Sicherheit des Bedienders.
• ​Intelligente Fähigkeiten:​​ Einfacher zu implementieren als SF6 RMUs. Nach der Installation eines Verteilterminalgeräts (DTU) und Kommunikationsgeräte können Funktionen wie Statusdatenerfassung und -überwachung, "Vier-Fern"-Funktionen (Fernsignale, Fernmessung, Fernsteuerung, Fernregelung), Kommunikation, Selbstdiagnose und Protokollierung/Berichterstattung leicht erreicht werden.

​3.2 Anwendungsstatus​
Derzeit wird die weite Verbreitung von festgedämmten RMUs durch ihren relativ höheren Preis und komplexe Herstellungsprozesse eingeschränkt. Ihre Prozessanforderungen übertreffen die von SF6-gedämmten RMUs. Wenn die Prozessmethoden unzureichend sind, können die Isolationsrisiken, Ausfallwahrscheinlichkeiten und Gefahren höher als bei SF6 RMUs sein, was eine strenge Qualitätskontrolle von Rohstoffen und Handwerkskunst erfordert. Darüber hinaus kann die Verkabelungsflexibilität von festgedämmten RMUs begrenzt sein, insbesondere für Funktionsbaugruppen wie PT (VT)-Schränke und Messschränke, die weniger Verbindungsmöglichkeiten bieten und die Wahlmöglichkeiten des Nutzers einschränken, was auch die Anwendung und Entwicklung von festgedämmten RMUs etwas einschränkt.

Mit der kontinuierlichen Optimierung der Produktionsstrukturen und zunehmender Standardisierung in der Produktherstellung wird die Produktqualität von festgedämmten RMUs stabiler, und die Preise sinken allmählich. Einige Länder bieten Anreize von 5% bis 10% für Produkte, die kein SF6 verwenden, um seinen Einsatz und seine Emissionen zu reduzieren. Dies bedeutet, dass Nutzer bei Entscheidungen nicht nur die Kaufkosten berücksichtigen. Wir können auch von internationalen Praktiken lernen: Priorisieren Sie die Verwendung von festgedämmten RMUs in umweltempfindlichen Projekten und neuen Projekten (z.B. Wohngebiete, öffentliche Gebäude, kommunale Bauwerke), während SF6 RMUs allmählich ausgemustert werden. Ältere oder in Betrieb befindliche SF6 RMUs sollten gemäß der vom Hersteller angegebenen Nutzungsdauer ausgemustert und ersetzt werden, und Nutzer, die umweltfreundliche, festgedämmte RMUs einsetzen, sollten Subventionen erhalten, um solche Produkte zu unterstützen. Mit wachsendem Umweltbewusstsein und zunehmenden Berücksichtigungen der Lebenszykluskosten sind die Aussichten für festgedämmte RMUs breit.

​4 Schlussfolgerung​
Festgedämmte RMUs sind technisch äquivalent zu SF6 RMUs und verfügen über einige Merkmale, die SF6 RMUs fehlen, wie etwa die Abwesenheit von schädlichen Gasemissionen, echte wartungsfreie Betriebsweise und niedrigere Gesamt-Lebenszykluskosten. Sie erlangen zunehmend die Aufmerksamkeit und Präferenz der Nutzer.