مقایسه واحدهای حلقه اصلی عایق گاز SF6 و واحدهای حلقه اصلی عایق جامد

مقدمه​
در حال حاضر، یکاهای توزیع حلقه‌ای با عایق SF6 (که در ادامه به آن "SF6 RMUs" خواهیم اشاره کرد) بازار را تحت تسلط دارند. با این حال، گاز SF6 به عنوان یکی از اصلی‌ترین گازهای گلخانه‌ای در سطح بین‌المللی شناخته شده است. برای دستیابی به حفاظت از محیط زیست و کاهش انتشارات، استفاده از آن باید کاهش یابد و محدود شود. ظهور یکاهای توزیع حلقه‌ای با عایق جامد (RMUs) مشکلات مربوط به SF6 RMUs را حل کرده و ویژگی‌های جدید متعددی را اضافه کرده است.

​1 تأمین برق حلقه‌ای و یکاهای توزیع حلقه‌ای (RMUs)​​
فرآیند "شهرنشینی" نیازهای رو به افزایشی برای قابلیت اطمینان توزیع برق ایجاد کرده است. بیشتر کاربران به منابع دوگانه (یا چندگانه) برق نیاز دارند. استفاده از سیستم "تأمین برق شعاعی" می‌تواند به دشواری در نصب کابل‌ها، چالش‌های رفع اشکال و عدم راحتی در به‌روزرسانی و گسترش شبکه منجر شود. در مقابل، "تأمین برق حلقه‌ای" می‌تواند به راحتی منابع دوگانه (یا بیشتر) برق برای بارهای حیاتی فراهم کند، خطوط توزیع را ساده کند، مسیریابی کابل‌ها را تسهیل کند، نیاز به تجهیزات کمتر کند، نرخ خرابی را کاهش دهد و شناسایی نقطه خطا را آسان‌تر کند.

​1.1 تأمین برق حلقه‌ای​
تأمین برق حلقه‌ای به سیستمی اشاره دارد که در آن دو (یا بیشتر) خط خروجی از زیرстанسیون‌های مختلف یا از بارهای مختلف در یک زیرستانسیون به هم متصل می‌شوند تا یک حلقه برای تأمین برق تشکیل دهند. مزایای آن عبارتند از: هر شاخه توزیع می‌تواند از خط اصلی سمت چپ یا خط اصلی سمت راست برق بگیرد. این بدان معناست که اگر خط اصلی سمت چپ یا راست خراب شود، برق می‌تواند از طرف دیگر تأمین شود. اگرچه اساساً تأمین برق تک‌خطی است، اما هر شاخه توزیع به طور موثر مزایای مشابه با تأمین دوخطی را به دست می‌آورد و قابلیت اطمینان را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. مقررات در چین می‌گویند که اتصال حلقه اصلی در شهرها باید با "معیار امنیت N-1" مطابقت داشته باشد. این بدان معناست که اگر N بار روی خط وجود دارد، وقتی هر یک از بارها خراب شود، سیستم می‌تواند بار منتقل شده را پذیرا شود و اطمینان حاصل کند که "N-1" بار باقی‌مانده به صورت ایمن تأمین برق کنند بدون اینکه قطع برق یا کاهش بار رخ دهد.

​1.2 روش‌های اتصال حلقه‌ای​

• ​اتصال حلقه استاندارد:​​ توسط یک منبع تأمین می‌شود و از طریق خود کابل‌ها حلقه تشکیل می‌شود، که اطمینان حاصل می‌کند که همه بارهای دیگر زمانی که بخشی از کابل خراب شود، برق دریافت می‌کنند.
• ​اتصال حلقه از بارهای مختلف:​​ این اتصال دو منبع برق دارد و معمولاً در حالت حلقه باز عمل می‌کند که قابلیت اطمینان تأمین برق بالاتری و انعطاف‌پذیری عملیاتی بیشتری ارائه می‌دهد.
• ​اتصال حلقه تک:​​ منابع برق از زیرستانسیون‌های مختلف یا دو بخش بار گرفته می‌شود. زمانی که هر بخشی از شبکه در حال نگهداری است، این اتصال هیچ قطع برقی در بارها ایجاد نمی‌کند.
• ​اتصال حلقه دوگانه:​​ هر بار می‌تواند برق از یک شبکه حلقه مستقل دریافت کند، که قابلیت اطمینان بسیار بالایی ارائه می‌دهد.
• ​اتصال دوگانه دو "T":​​ دو مدار کابلی از بارهای مختلف متصل می‌شوند. هر بار می‌تواند از هر دو کابل برق بگیرد. این روش به طور اساسی قطع برق برای کاربران دوگانه را حذف می‌کند و برای برخی کاربران حیاتی خاص بسیار مناسب است.

​1.3 یکاهای توزیع حلقه‌ای (RMUs) و ویژگی‌های آنها​
RMUs به کابینه‌های تجهیزات که برای تأمین برق حلقه‌ای استفاده می‌شوند اشاره دارد. انواع کابینه شامل کلیدهای بار، کلیدهای قطع، ترکیب کلید بار + فیوز، دستگاه‌های ترکیبی، کلیدهای اتصال بار، واحد‌های سنجش، ترانسفورماتورهای ولتاژ (VTs) و غیره، یا هر ترکیب یا گسترش آنها می‌باشد.

RMUs دارای ساختار فشرده، مساحت کوچک، هزینه کم، نصب آسان و زمان راه‌اندازی کوتاه هستند و نیاز به "کوچک‌سازی تجهیزات" را برآورده می‌کنند. آنها به طور گسترده در مجتمع‌های مسکونی، ساختمان‌های عمومی، زیرستانسیون‌های کوچک و متوسط، دومین مراکز تغییر، زیرستانسیون‌های فشرده و جعبه‌های اتصال کابل استفاده می‌شوند.

​1.4 انواع RMU​

• ​RMUs با عایق هوایی:​​ از هوا به عنوان مedium عایق استفاده می‌کنند. آنها دارای مساحت و حجم بزرگ هستند و به تأثیرات محیطی آسیب‌پذیر هستند.
• ​RMUs با عایق SF6:​​ از گاز SF6 به عنوان مedium عایق استفاده می‌کنند. کلید اصلی در یک پوسته فلزی بسته قرار دارد که با گاز SF6 پر شده است و مکانیسم عملیاتی خارج از پوسته قرار دارد. به دلیل پوشش بسته، آنها از تأثیرات محیطی خارجی آزاد هستند. حجم آنها به طور قابل توجهی کوچک‌تر از RMUs با عایق هوایی استاندارد است و در حال حاضر پرکاربردترین نوع هستند.
• ​RMUs با عایق جامد:​​ از مواد عایق جامد به عنوان مedium عایق اصلی استفاده می‌کنند. کلید و تمام بخش‌های زنده در مواد عایق مانند رزین اپوکسی قرار داده یا گچ‌کاری می‌شوند. چون فواصل عایق‌بندی ایمن بین فازها و بین فاز و زمین در داخل کلید کاهش یافته‌اند، اندازه و حجم آنها مشابه RMUs با عایق SF6 است. آنها هیچ انتشار گاز SF6 ندارند و عملیات واقعاً بدون نگهداری را ارائه می‌دهند.

​2 محدودیت‌های استفاده از RMUs با عایق SF6​
SF6 یکی از مهم‌ترین عوامل مؤثر در اثر گلخانه‌ای جوی است. با این حال، SF6 دارای خصوصیات الکتریکی ایده‌آل (عایق‌بندی عالی، خاموش‌کنندگی قوس و خنک‌سازی) است، همچنین دارای الکترونگاتیویت قوی، هدایت حرارتی و پایداری خوب، قابلیت بازیافت، حساسیت کم به شرایط محیطی (رطوبت، آلودگی، ارتفاع بالا) و امکان طراحی کابینه‌های فشرده است. بنابراین، به طور گسترده به عنوان مedium عایق و خاموش‌کننده قوس در تجهیزات الکتریکی استفاده می‌شود. مصرف SF6 بیشترین میزان را در صنعت برق دارد؛ آمار نشان می‌دهد که 80٪ از گاز SF6 تولید شده سالانه در تجهیزات الکتریکی استفاده می‌شود.

پانل بین‌المللی تغییرات اقلیمی (IPCC) و سازمان حفاظت از محیط زیست آمریکا (EPA) هر دو گاز SF6 را به عنوان یک گاز گلخانه‌ای بسیار مضر و مؤثر طبقه‌بندی کرده‌اند. مقررات F-Gas اتحادیه اروپا (2006) می‌گویند: به جز تجهیزات قطع برق که هیچ جایگزین قابل قبولی وجود ندارد، استفاده از SF6 در بیشتر زمینه‌ها ممنوع است.

علاوه بر این، RMUs با عایق SF6 پیچیده به کار گرفته می‌شوند و نیاز به سرمایه‌گذاری قابل توجهی دارند، نیاز به تجهیزات کمکی زیادی دارند:

• ​خرید دستگاه‌های نظارت بر تечّر گاز SF6:​​ برای کشف تечّر گاز SF6، نظارت بر غلظت گاز SF6 و محتوای اکسیژن، کشف رطوبت کمی و غیره.
• ​تجهیز واحدهای بازیافت گاز SF6:​​ محصولات جانبی مانند SF4 در طول فرآیند خاموش‌کنندگی قوس در فضای گازی تولید می‌شوند. بنابراین، در پایان عمر، نه تنها باید گاز SF6 باقی‌مانده بازیابی شود، بلکه محصولات سمی جانبی نیاز به درمان خاص دارند.
• ​پیکربندی تجهیزات پاک‌سازی گاز SF6:​​ برای پاک‌سازی و بازیافت گاز SF6.
• ​نصب تجهیزات تهویه در زیرستانسیون‌ها.​​

هنگام استفاده از RMUs با عایق SF6، باید:

• ​تخمین کمینه تечّر گاز SF6:​​ RMUs با عایق SF6 از حفره‌های بسته تحت فشار استفاده می‌کنند، اما تечّر گاز اجتناب‌ناپذیر است. انجام عملیات قطع و وصل در زمانی که فشار گاز SF6 کم است، باعث قابلیت اطمینان پایین می‌شود، به طور مستقیم ایمنی عملگر را تهدید می‌کند و عمر تجهیزات را کاهش می‌دهد.
• ​قبل از ورود کارکنان به زیرستانسیون، باید تهویه اجباری انجام شود و آنها باید لباس محافظ خاص بپوشند.​​
• ​عملیات و رویه‌ها پیچیده هستند و نیاز به تمرین مکرر برای کارکنان مرتبط دارند.​​

​3 ویژگی‌ها و کاربردهای RMUs با عایق جامد​
تهدید محیطی بالقوه RMUs با عایق SF6 محدودیت‌های بیشتری برای توسعه آنها ایجاد می‌کند. یافتن جایگزین‌هایی برای SF6 موضوعی از تحقیقات در سراسر جهان بوده است. RMUs با عایق جامد ابتدا توسط شرکت Eaton (آمریکا) در اواخر دهه 1990 توسعه یافته و معرفی شد. در طول عملیات، آنها هیچ گاز سمی یا مضری تولید نمی‌کنند، هیچ تأثیر محیطی ندارند، قابلیت اطمینان بالاتری دارند و عملیات واقعاً بدون نگهداری را ارائه می‌دهند.

RMUs با عایق جامد به سیستم‌هایی اشاره دارد که مدارهای اصلی هدایت‌کننده - مانند قطع‌کننده خلاء، جداکننده، کلید زمین، بار اصلی، بار شاخه - به طور انفرادی یا ترکیبی با مواد عایق جامد مانند رزین اپوکسی پوشانده شده‌اند. آنها در ماژول‌های عملکردی کاملاً عایق‌بندی شده و بسته قرار دارند که می‌توانند به طور متعاقب ترکیب یا گسترش یابند. سطوح بیرونی ماژول‌های قابل دسترسی به کارکنان با لایه‌های محافظ کنداکتوری یا نیمه‌کنداکتوری پوشانده شده‌اند و می‌توانند به طور مستقیم و قابل اعتماد به زمین متصل شوند.

​3.1 ویژگی‌های RMUs با عایق جامد​

• ​طراحی زیست‌محیطی:​​ از گاز SF6 به عنوان مedium عایق یا قطع استفاده نمی‌کند. به جای آن، از خلاء به عنوان مedium خاموش‌کننده قوس برای کلیدها استفاده می‌شود و از مواد زیست‌محیطی بدون تأثیر محیطی (و قابل بازیافت) به عنوان مedium عایق اصلی استفاده می‌شود. علاوه بر این، تعداد قطعات به حداقل رسانده شده تا مصرف انرژی در طول عملیات کم باشد و نقاط خرابی بالقوه کمتری وجود داشته باشد.
• ​واقعاً بدون نگهداری:​​ RMUs با عایق جامد دارای ظرف فشاری گاز SF6 نیستند. عایق‌بندی داخلی و خاموش‌کنندگی قوس بدنه کلید از مedium خلاء استفاده می‌کند؛ عایق‌بندی خارجی از مواد دی‌الکتریک جامد مانند استوانه‌های عایق‌بندی استفاده می‌کند. استوانه عایق‌بندی از تکنولوژی گچ‌کاری جامد استفاده می‌کند، که خلاصه‌کننده خلاء، مدار اصلی هدایت‌کننده و پشتیبان‌های عایق‌بندی را به یک واحد ترکیب می‌کند و در یک پوسته فلزی بسته شده و از تأثیرات محیطی خارجی آزاد است. به دلیل ساختار کاملاً عایق‌بندی شده و بسته، و عدم وجود مشکلات مانند کشف تечّر گاز SF6، پر کردن مجدد و دفع ضایعات، عملیات واقعاً بدون نگهداری به دست می‌آید.
• ​کارایی هزینه‌ای بالا:​​ اگرچه سرمایه‌گذاری اولیه برای RMUs با عایق جامد کمی بیشتر از RMUs با عایق SF6 است، اما هزینه کلی دوره عمر به طور قابل توجهی کمتر است، همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است. در نظر گرفتن کاربران به طور گسترده‌تر، شامل نه تنها قیمت خرید اولیه بلکه هزینه‌های کلی دوره عمر، از جمله ریسک‌های ایمنی، کیفیت شبکه، کنترل هزینه و پایداری. هزینه‌های مورد نیاز برای نگهداری، پر کردن مجدد گاز، مدیریت تечّر و بازیافت نهایی RMUs با عایق SF6 در طول عمر آنها تقریباً معادل قیمت خرید است. در مقابل، RMUs با عایق جامد شامل یک سرمایه‌گذاری اولیه با هیچ هزینه بعدی عملاً وجود ندارد. بنابراین، از دیدگاه بلندمدت، کارایی اقتصادی RMUs با عایق جامد به طور قابل توجهی از RMUs با عایق SF6 برتر است.

​جدول 1: مقایسه هزینه‌های دوره عمر بین RMUs با عایق SF6 و RMUs با عایق جامد​

• ​ساختار فشرده:​​ طراحی شده تا به حد امکان فشرده باشد در حالی که ایمنی کابینه و راحتی عملیات را تضمین می‌کند. مساحت و حجم آنها حتی کمتر از RMUs با عایق SF6 است، که به کاربران کمک می‌کند فضا را صرفه‌جویی کنند و منافع اقتصادی مستقیمی ارائه