مقایسه واحدهای حلقه اصلی عایق گازی SF6 و واحدهای حلقه اصلی عایق جامد
مقدمه
در حال حاضر، واحدهای حلقه‌ای عایق‌شده با گاز SF6 (که در ادامه به آن "SF6 RMUs" اشاره می‌شود) بازار را تحت تسلط خود قرار داده‌اند. با این حال، گاز SF6 به عنوان یکی از اصلی‌ترین گازهای گلخانه‌ای شناخته شده است. برای دستیابی به حفاظت از محیط زیست و کاهش انتشارات، استفاده از آن باید کاهش یافته و محدود شود. ظهور واحدهای حلقه‌ای عایق‌شده جامد (RMUs) مشکلات مرتبط با SF6 RMUs را حل کرده و ویژگی‌های جدید متعددی را به خود افزوده است.
1 تأمین انرژی حلقه‌ای و واحدهای حلقه‌ای (RMUs)
فرآیند "شهرنشینی" نیازهای رو به افزایشی برای قابلیت اطمینان توزیع برق ایجاد می‌کند. کاربران بیشتری نیاز به تأمین انرژی از منابع دوگانه (یا چندگانه) دارند. استفاده از سیستم "تأمین انرژی شعاعی" می‌تواند منجر به مشکلات در نصب کابل، چالش‌های تشخیص ایرادات و عدم راحتی در به‌روزرسانی و گسترش شبکه شود. به طور معکوس، "تأمین انرژی حلقه‌ای" می‌تواند به راحتی منابع دوگانه (یا بیشتر) را برای بارهای مهم فراهم کند، خطوط توزیع را ساده کند، مسیریابی کابل را تسهیل کند، نیاز به دستگاه‌های تغییر وضعیت را کاهش دهد، نرخ خرابی را کاهش دهد و شناسایی نقطه خطا را آسان‌تر کند.
1.1 تأمین انرژی حلقه‌ای
تأمین انرژی حلقه‌ای به سیستمی اشاره دارد که در آن دو (یا بیشتر) خط خروجی از زیرстанیون‌های مختلف یا میله‌های مختلف در یک زیرستانیون به یکدیگر متصل می‌شوند تا یک حلقه برای تأمین انرژی تشکیل دهند. مزایای آن عبارتند از: هر شاخه توزیع می‌تواند از خط فیدر اصلی سمت چپ یا خط فیدر اصلی سمت راست انرژی بگیرد. این بدان معناست که اگر خطایی در یکی از خطوط فیدر اصلی رخ دهد، انرژی می‌تواند از سمت دیگر تأمین شود. اگرچه در اساس تأمین انرژی تک‌خطی است، اما هر شاخه توزیع به طور موثر مزایای مشابه تأمین انرژی دوخطی را به دست می‌آورد که قابلیت اطمینان را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. مقررات در چین مشخص می‌کند که اتصال حلقه‌ای اصلی در شهرها باید با "معیار امنیتی N-1" سازگار باشد. این بدان معناست که اگر N بار روی خط وجود داشته باشد، وقتی هر یک از بارها دچار خرابی شود، سیستم می‌تواند بار منتقل شده را پذیرفته و تضمین می‌کند که "N-1" بار باقی‌مانده به صورت ایمن تأمین شوند بدون اینکه قطع برق یا کاهش بار رخ دهد.
1.2 روش‌های اتصال حلقه‌ای
- اتصال حلقه‌ای استاندارد: توسط یک منبع تأمین می‌شود، از طریق کابل‌ها خود یک حلقه را تشکیل می‌دهد، که در صورت خرابی یک بخش از کابل، تأمین انرژی مطمئن به تمام بارهای دیگر را تضمین می‌کند.
- اتصال حلقه‌ای از میله‌های مختلف: این اتصال دارای دو منبع تأمین است، معمولاً در حالت حلقه باز عمل می‌کند و قابلیت اطمینان بالاتر و انعطاف‌پذیری عملیاتی بیشتری ارائه می‌دهد.
- اتصال حلقه‌ای تک: منابع تأمین از زیرستانیون‌های مختلف یا دو بخش میله گرفته می‌شود. وقتی هر بخش کابل در شبکه در حال نگهداری است، این امر منجر به قطع بار نمی‌شود.
- اتصال حلقه‌ای دوگانه: هر بار می‌تواند انرژی را از یک شبکه حلقه‌ای مستقل دریافت کند، که قابلیت اطمینان بسیار بالایی را ارائه می‌دهد.
- اتصال دوگانه دوتایی "T": دو مدار کابلی از بخش‌های مختلف میله متصل می‌شوند. هر بار می‌تواند از هر دو کابل انرژی بگیرد. این روش به طور اساسی قطع برق برای کاربران دوگانه را حذف می‌کند و برای برخی کاربران مهم بسیار مناسب است.
1.3 واحدهای حلقه‌ای (RMUs) و ویژگی‌های آن‌ها
RMUs به کابینه‌های تغییر وضعیتی اشاره دارد که برای تأمین انرژی حلقه‌ای استفاده می‌شوند. انواع کابین شامل سوئیچ‌های بار، دیودهای قطع، ترکیب سوئیچ بار + دیود، دستگاه‌های ترکیبی، اتصال‌دهنده‌های میله، واحدهای اندازه‌گیری، ترانسفورماتورهای ولتاژ (VTs) و غیره، یا هر ترکیب یا افزودنی آن‌ها می‌باشد.
RMUs دارای ساختار فشرده، مساحت کوچک، هزینه کم، نصب آسان و زمان راه‌اندازی کوتاه هستند که نیاز به "کوچک‌سازی تجهیزات" را برآورده می‌کنند. آن‌ها به طور گسترده در مجتمع‌های مسکونی، ساختمان‌های عمومی، زیرستانیون‌های کوچک و متوسط، ایستگاه‌های تغییر وضعیت ثانویه، زیرستانیون‌های فشرده و جعبه‌های اتصال کابل استفاده می‌شوند.
1.4 انواع RMUs
- RMUs عایق‌شده با هوا: از هوا به عنوان مedium عایق استفاده می‌کنند. آن‌ها دارای مساحت و حجم بزرگ هستند و به تأثیرات محیطی آسیب‌پذیر هستند.
- RMUs عایق‌شده با گاز SF6: از گاز SF6 به عنوان مedium عایق استفاده می‌کنند. دیود اصلی در یک پوسته فلزی بسته‌شده که با گاز SF6 پر شده است، و مکانیسم عملیاتی در خارج از پوسته قرار دارد. به دلیل پوشش بسته، آن‌ها از تأثیرات محیطی خارجی مستثنی هستند. حجم آن‌ها به طور قابل توجهی کمتر از RMUs عایق‌شده با هوا است و در حال حاضر این نوع بیشترین استفاده را دارد.
- RMUs عایق‌شده جامد: از مواد عایق جامد به عنوان مedium عایق اصلی استفاده می‌کنند. دیود و تمام قسمت‌های زنده در مواد عایق مانند رزین اپوکسی قرار داده یا پوت شده‌اند. چون فواصل ایمن بین فازها و بین فاز و زمین داخل دیود کاهش یافته است، اندازه و حجم آن‌ها مشابه RMUs عایق‌شده با گاز SF6 است. آن‌ها هیچ گاز SF6 ایجاد نمی‌کنند و عملیات واقعاً بدون نگهداری را محقق می‌کنند.
2 محدودیت‌های استفاده از RMUs عایق‌شده با گاز SF6
SF6 یکی از عوامل اصلی اثرات گلخانه‌ای جوی است. با این حال، SF6 دارای خصوصیات الکتریکی ایده‌آل (عایق‌سازی عالی، خاموش‌کنندگی و خنک‌سازی) است، همچنین دارای الکترونگاتیویت قوی، هدایت حرارتی و پایداری خوب است، قابل بازیابی است، به شرایط محیطی (رطوبت، آلودگی، ارتفاع) حساس نیست و امکان طراحی کابین‌های فشرده را فراهم می‌کند. بنابراین، به طور گسترده به عنوان مedium عایق و خاموش‌کننده در تجهیزات الکتریکی استفاده می‌شود. مصرف SF6 در صنعت برق بالاترین است؛ آمار نشان می‌دهد که 80٪ از گاز SF6 تولید شده سالانه در تجهیزات الکتریکی استفاده می‌شود.
پانل بین‌المللی تغییرات اقلیمی (IPCC) و سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا (EPA) هر دو SF6 را به عنوان یکی از گازهای گلخانه‌ای بسیار مضر و تاثیرگذار طبقه‌بندی می‌کنند. مقررات F-Gas اتحادیه اروپا (2006) مشخص می‌کند: به جز تجهیزات تغییر وضعیت برق که هیچ جایگزین قابل قبولی برای آن وجود ندارد، استفاده از SF6 در بیشتر زمینه‌ها ممنوع است.
علاوه بر این، RMUs عایق‌شده با گاز SF6 پیچیده استفاده می‌کنند و نیاز به سرمایه‌گذاری قابل توجهی دارند، که نیازمند دستگاه‌های کمکی زیادی هستند:
- خرید دستگاه‌های نظارت بر تечّر گاز SF6: برای تشخیص تечّر گاز SF6، نظارت بر غلظت گاز SF6 و محتوای اکسیژن، تشخیص رطوبت اسپوری و غیره.
- تجهیز واحدهای بازیابی گاز SF6: محصولات جانبی مانند SF4 در طی فرآیند خاموش‌کنندگی گاز SF6 در داخل کامپارتمان گاز تولید می‌شوند. بنابراین، در پایان عمر کاری، نه تنها باید گاز SF6 باقی‌مانده بازیابی شود، بلکه محصولات سمی جانبی نیاز به درمان خاص دارند.
- پیکربندی دستگاه‌های تمیزکاری گاز SF6: برای تمیزکاری و بازیابی گاز SF6.
- نصب تجهیزات تهویه در زیرستانیون‌ها.
هنگام استفاده از RMUs عایق‌شده با گاز SF6، الزامی است:
- کاهش تечّر گاز SF6: RMUs عایق‌شده با گاز SF6 از حفره‌های بسته‌شده تحت فشار استفاده می‌کنند، اما تечّر گاز اجتناب‌ناپذیر است. انجام عملیات تغییر وضعیت وقتی فشار گاز SF6 کم است، موجب قابلیت اطمینان کم می‌شود، که به طور مستقیم ایمنی اپراتور را تهدید می‌کند و عمر مفید تجهیزات را کاهش می‌دهد.
- قبل از ورود کارکنان به زیرستانیون، ابتدا باید تهویه اجباری انجام شود و آن‌ها باید لباس‌های محافظ خاص را بپوشند.
- عملیات و رویه‌ها پیچیده هستند و نیاز به تمرین مکرر برای کارکنان مربوطه دارند.
3 ویژگی‌ها و کاربردهای RMUs عایق‌شده جامد
تهدید محیطی بالقوه RMUs عایق‌شده با گاز SF6 محدودیت‌های توسعه آن‌ها را محدود می‌کند. یافتن جایگزین‌هایی برای گاز SF6 موضوع تحقیقات جهانی بوده است. RMUs عایق‌شده جامد اولین بار توسط شرکت Eaton Corporation (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 محقق می‌کنند.
RMUs عایق‌شده جامد به سیستم‌هایی اشاره دارد که مدارهای اصلی رسانا مانند میان‌قطعه خلاء، جداکننده، کلید زمین، میله اصلی، میله شاخه‌ای به طور جداگانه یا ترکیبی با مواد عایق جامد مانند رزین اپوکسی پوشیده می‌شوند. آن‌ها در ماژول‌های عملکردی کاملاً عایق و بسته شده قرار داده می‌شوند که می‌توانند به طور بیشتر ترکیب یا گسترش یابند. سطوح خارجی ماژول‌ها که به کارکنان دسترسی دارند با لایه‌ای رسانا یا نیمه‌رسانا پوشیده شده و می‌توانند مستقیماً و به طور قابل اعتماد به زمین متصل شوند.
3.1 ویژگی‌های RMUs عایق‌شده جامد
- طراحی محیط‌زیستی: از گاز SF6 به عنوان مedium عایق یا تغییر وضعیت استفاده نمی‌کند. به جای آن، خلاء به عنوان مedium خاموش‌کننده برای دیودها استفاده می‌شود و مواد محیط‌زیستی بدون تأثیر محیطی (و قابل بازیابی) به عنوان مedium عایق اصلی استفاده می‌شود. علاوه بر این، تعداد قطعات به حداقل رسانده شده است تا مصرف انرژی در طول عملیات کم باشد و نقاط خرابی بالقوه کمتری داشته باشد.
- واقعاً بدون نگهداری: RMUs عایق‌شده جامد دیواره فشار گاز SF6 را حذف می‌کنند. عایق‌سازی داخلی و خاموش‌کنندگی بدنه دیود از مedium خلاء استفاده می‌کند؛ عایق‌سازی خارجی از مواد دی الکتریک جامد مانند استوانه‌های عایق استفاده می‌کند. استوانه عایق از فناوری ریزه‌سازی جامد استفاده می‌کند و میان‌قطعه خلاء، مدار رسانا اصلی و پشتیبان‌های عایق را به یک واحد ترکیب می‌کند، در یک پوسته فلزی بسته شده که از تأثیرات محیطی خارجی مستثنی است. به دلیل ساختار کاملاً عایق و بسته شده و عدم وجود مشکلات مانند تشخیص تечّر گاز SF6، شارژ مجدد و دفع زباله، عملیات واقعاً بدون نگهداری محقق می‌شود.
- کارایی اقتصادی بالا: اگرچه سرمایه‌گذاری اولیه RMUs عایق‌شده جامد کمی بیشتر از RMUs عایق‌شده با گاز SF6 است، اما هزینه کلی دوره زندگی به طور قابل توجهی کمتر است، همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است. در نظر گرفتن‌های کاربران به طور گسترده‌تر شامل نه تنها قیمت خرید اولیه بلکه هزینه‌های کلی دوره زندگی، از جمله ریسک‌های ایمنی، کیفیت شبکه، کنترل هزینه و پایداری می‌شود. هزینه‌های مورد نیاز برای نگهداری، شارژ مجدد گاز، مدیریت تечّر و بازیابی نهایی RMUs عایق‌شده با گاز SF6 در طول عمر آن‌ها تقریباً برابر با هزینه خرید است. در مقابل، RMUs عایق‌شده جامد شامل یک سرمایه‌گذاری اولیه و تقریباً بدون هزینه‌های بعدی است. بنابراین، از دیدگاه بلندمدت، کارایی اقتصادی RMUs عایق‌شده جامد به طور قابل توجهی بیشتر از RMUs عایق‌شده با گاز SF6 است.
جدول 1: مقایسه هزینه‌های دوره زندگی بین RMUs عایق‌شده با گاز SF6 و RMUs عایق‌شده جامد
