השוואה בין יחידות טבעת מבודדות בגז SF6 לבין יחידות טבעת מבודדות סולידיות

הצג​
כיום, יחידות טבעת מבודדות באמצעות גז SF6 (להלן "RMUs של SF6") מובילות בשוק. עם זאת, גז ה-SF6 הוא אחד הגזי החממה העיקריים המוכרים בין-לאומי. כדי להשיג הגנה על הסביבה והפחתת פליטה, יש להפחית ולהגביל את השימוש בו. הופעתן של RMUs מבודדים קשיחים פתרה את הבעיות הקשורות ל-RMUs של SF6 וצירפה תכונות רבות חדשות.

​1 אספקת חשמל בתאורה מעגלית ויחידות טבעת מבודדות (RMUs)​​
תהליך "העירוניות" מטיל דרישות מתגברות לנוחות ואמינות התפוצה של החשמל. משתמשים רבים דורשים אספקת כוח משני מקורות (או יותר). שימוש במערכת "אספקת כוח רדיאלית" יכול לגרום לקשיים בהתקנת כבלים, בעיות באיתור תקלות, ולא נוחות במהלך שדרוג ומיזוג הרשת. לעומת זאת, "אספקת חשמל בתאורה מעגלית" יכולה להעניק באופן נוח שני מקורות כוח (או יותר) לסיבובים קריטיים, מפשטת את קווי הפצה, מסייעת בהכוונת כבלים, מפחיתה את הצריכה בציוד מפסק, מורידה את שיעור הכשלים ומפצלת את זיהוי נקודות התקלה.

​1.1 אספקת חשמל בתאורה מעגלית​
אספקת חשמל בתאורה מעגלית מתייחסת למערכת שבה שתי (או יותר) קווים יוצאים ממפעלי טרנספורמציה שונים או מהסבכים השונים במפעל טרנספורמציה אחד מחוברים יחד כדי ליצור מעגל לאספקת חשמל. יתרונותיה כוללים: כל ענף פיזור יכול לקבל כוח מהקו הראשי השמאלי או מהקו הראשי הימני. זה אומר שאם מתרחשת תקלה באחד הקווי הראשיים, ניתן להמשיך לאספקת כוח מהצד השני. למרות שזהו אספקת כוח במעגל בודד במהותו, כל ענף פיזור מקבל את היתרונות הדומים לאספקת כוח במעגל כפול, מה שמגביר משמעותית את האמינות. תקנות בסין קובעות שהחיבור העיקרי של התאורה המעגלית בערים следует критерию безопасности "N-1". Это означает, что если на линии есть N нагрузок, при отказе любой одной из них система может принять перенаправленную нагрузку, обеспечивая безопасное электроснабжение оставшихся "N-1" нагрузок без отключений или ограничения потребления.

​1.2 שיטות חיבור בתאורה מעגלית​

• ​חיבור תורן סטנדרטי:​​ מופעל על ידי מקור בודד, יוצר תורן דרך הכבלים עצמם, מבטיח אספקת כוח אמינה לכל העומסים האחרים במקרה של כשל חלק מהכבלים.
• ​חיבור תורן מסבקים שונים:​​ לחיבור זה יש שני מקורות כוח, בדרך כלל מופעל בפתיחה, מציע אמינות אספקה גבוהה יותר ואתגריות פעולה רבה יותר.
• ​חיבור תורן בודד:​​ מקורות הכוח נלקחים ממפעלי טרנספורמציה שונים או שני חלקים של מסבך. כשהוא בשל תחזוקה, כל חלק מהרשת אינו גורם לעומס להתנתק.
• ​חיבור תורן כפול:​​ כל עומס יכול לקבל כוח מרשת תורן עצמאית, מה שמספק אמינות非常高，每个负载可以从独立的环网获得电力。这种连接方式特别适合某些关键用户。 1.3 环网柜（RMU）及其特点 RMU 是用于环网供电的开关柜。柜型包括负荷开关、断路器、负荷开关+熔断器组合、组合装置、母线联接器、计量单元、电压互感器（VT）等，或其任意组合或扩展。 RMU 具有结构紧凑、占地面积小、成本低、安装方便、调试时间短等特点，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头盒。 1.4 RMU 类型 - **空气绝缘 RMU**：使用空气作为绝缘介质。它们占地面积大、体积大，并且容易受到环境影响。 - **SF6 RMU**：使用 SF6 气体作为绝缘介质。主开关封闭在充满 SF6 气体的密封金属外壳内，操作机构位于外壳外部。由于是密封的，不受外界环境影响。其体积比标准空气绝缘 RMU 显著减小，目前是最常用的类型。 - **固体绝缘 RMU**：使用固体绝缘材料作为主要绝缘介质。开关及所有带电部件都用环氧树脂等绝缘材料封装或浇注。由于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 RMU 相当。它们不产生 SF6 排放，实现了真正的免维护运行。 2 SF6 RMU 的使用限制 SF6 是大气温室效应的主要贡献者之一。然而，SF6 具有理想的电气特性（优异的绝缘、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，并能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巨大的温室气体。欧盟 F-气体法规（2006 年）规定：除了没有可行替代品的电力开关设备外，大多数领域禁止使用 SF6。 此外，SF6 RMU 使用复杂，需要大量辅助设备： - **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**：SF6 灭弧过程中会在气室内生成 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**：用于净化和循环利用 SF6 气体。 - **在变电站内安装通风设备**。 使用 SF6 RMU 时必须做到： - **尽量减少 SF6 泄漏**：SF6 RMU 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降低，直接威胁操作人员的安全并缩短设备寿命。 - **工人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，相关人员需要反复培训**。 3 固体绝缘 RMU 的特点及应用 SF6 RMU 的潜在环境威胁限制了其进一步发展。寻找 SF6 替代品已成为全球研究的主题。固体绝缘 RMU 最早由伊顿公司（美国）在 20 世纪 90 年代末开发并引入。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，可靠性更高，真正实现了免维护运行。 固体绝缘 RMU 是指将一次导电回路——如真空灭弧室、隔离开关、接地开关、主母线、分支母线等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、密封的功能模块内，可以进一步组合或扩展。模块的外部表面涂有导电或半导电屏蔽层，可以直接可靠接地。 3.1 固体绝缘 RMU 的特点 - **生态设计**：不使用 SF6 作为绝缘或开关介质，而是使用真空作为开关的灭弧介质，并使用环保、无环境影响（可回收）的材料作为主要绝缘介质。此外，尽可能减少组件数量，以确保运行时能耗低且故障点少。 - **真正免维护**：固体绝缘 RMU 消除了 SF6 压力容器。开关本体内部的绝缘和灭弧采用真空介质；外部绝缘采用固体介电材料，如绝缘筒。绝缘筒采用整体浇注技术，将真空灭弧室、主导电回路和绝缘支撑件集成在一起，密封在金属外壳内，不受外部环境影响。由于整体绝缘和密封结构，不存在 SF6 泄漏检测、补充和废弃物处理等问题，真正实现了免维护运行。 - **高性价比**：尽管固体绝缘 RMU 的初始投资略高于 SF6 RMU，但其总生命周期成本显著较低，如表 1 所示。用户的考虑越来越全面，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 RMU 在其使用寿命期间所需的维护、补气、处理泄漏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 RMU 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 RMU 的经济效益远优于 SF6 RMU。 **表 1：SF6 RMU 和固体绝缘 RMU 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、补气等 | 需要 | 无需 | | **人员保护** | 相应的 SF6 防护装备等 | 需要 | 无需 | | **培训** | 操作规程、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 | 有 | 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**：在确保机柜安全和操作便利的前提下，设计尽可能紧凑。其占地面积和体积甚至小于 SF6 RMU，帮助用户节省空间并提供直接的经济效益。 - **内部电弧抗性设计，更安全可靠**：对于一、二次开关设备，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 RMU 采用了内部电弧抗性设计。当发生内部电弧时，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，增强操作人员的安全性。 - **智能化能力**：相比 SF6 RMU 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 RMU 的广泛应用受到其相对较高的价格和复杂的制造工艺的限制。其工艺要求超过了 SF6 气体绝缘 RMU。如果工艺技术不足，绝缘风险、故障概率和危险可能高于 SF6 RMU，需要严格控制原材料和工艺质量。此外，固体绝缘 RMU 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，这也部分限制了固体绝缘 RMU 的应用和发展。 随着生产结构的不断优化和产品制造的标准化程度不断提高，固体绝缘 RMU 的产品质量变得更加稳定，价格逐渐下降。一些国家对不使用 SF6 的产品提供 5%~10% 的激励，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（如住宅区、公共建筑、市政建设）中优先使用固体绝缘 RMU，逐步淘汰 SF6 RMU。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 RMU，并为采用环保固体绝缘 RMU 的用户提供补贴支持这些产品。随着用户环保意识的提高和对生命周期成本的考虑增加，固体绝缘 RMU 的前景广阔。 4 结论 固体绝缘 RMU 在技术上等同于 SF6 RMU，并具有一些 SF6 RMU 所不具备的特点，如无有害气体排放、真正免维护运行和更低的总生命周期成本。它们正越来越多地受到用户的关注和青睐。