SF6 gáz meghatározó gyűrű alapú egységek és szilárd meghatározó gyűrű alapú eguségek összehasonlítása

Bevezetés​
Jelenleg az SF6 gáz-izolált gyűrűs főválasztók (a továbbiakban "SF6 RMU"-k) dominálják a piacot. Azonban az SF6 gáz nemzetközileg ismert környezeti hatásai miatt, mint egyik fő üdegházhatású gáz, használatát csökkenteni és korlátozni kell. A szilárd-izolált gyűrűs főválasztók (RMU-k) megjelenése megoldást nyújtott az SF6 RMU-kkel kapcsolatos problémákra, ugyanakkor számos új funkciót is bevezettek.

​1 Gyűrűs hálózatok és gyűrűs fővásztók (RMU-k)​​
Az "urbanizáció" folyamata növekvő követelményeket támaszt a villamosenergia-distribúció megbízhatóságára. Több felhasználónak kétszeres (vagy többszörös) energiaforrást igényel. A "radialis energiaellátási" rendszer alkalmazása nehézségeket okozhat a kábelek telepítésében, hibaelhárítási kihívásokat, valamint zavarhatja a hálózat fejlesztését és bővítését. Ezzel ellentétben a "gyűrűs hálózati energiaellátás" kényelmesen biztosíthatja a kritikus terhelésekhez tartozó kétszeres (vagy több) energiaforrást, egyszerűsíti a distribúciós vonalakat, megkönnyíti a kábelvezetést, csökkenti a váltókészülékek igényét, alacsonyabb hibaráta mellett könnyebb a hibaazonosítás is.

​1.1 Gyűrűs hálózati energiaellátás​
A gyűrűs hálózati energiaellátás olyan rendszert jelent, amelyben két (vagy több) különböző átalakítóállományból vagy ugyanazon átalakítóállomány különböző buszárainak kimenő vonalai összekapcsolódnak egy gyűrűt formálva. Előnyei között szerepel, hogy minden elosztó ág beszerzheti az energiát a bal oldali vagy a jobb oldali fővonalból. Ez azt jelenti, ha a két fővonal valamelyike hibát ad, a másik oldalról folytatódhat az ellátás. Bár lényegében egyetlen vezetékkel történik az ellátás, minden elosztó ág ezzel a módszerrel a kettős ellátás előnyeit élvezheti, ami jelentősen javítja a megbízhatóságot. A kínai szabályozások szerint a városi főgyűrűs kapcsolatoknak a "N-1 Biztonsági Kritérium" alapján kell működniük. Ez azt jelenti, hogy ha N terhelés van a vonalon, akkor bármelyik terhelés hiba esetén a rendszer át tudja venni a terhelést, így a maradék "N-1" terhelés biztonságosan ellátott marad, anélkül, hogy leállna vagy csökkentené a terhelést.

​1.2 Gyűrűs kapcsolási módok​

• ​Szabványos gyűrűkapcsolat:​​ Egyetlen forrásból származó ellátás, ahol a kábelek maguk képeznek egy gyűrűt, így megbízható energiaellátást biztosítanak a többi terhelésre, ha a kábelek egy része meghibásodik.
• ​Különböző buszákról származó gyűrűkapcsolat:​​ Ez a kapcsolat két forrásból származó ellátással rendelkezik, általában nyitott gyűrűben működik, nagyobb ellátási megbízhatóságot és rugalmasságot kínál.
• ​Egyetlen gyűrűkapcsolat:​​ Az energiaforrások különböző átalakítóállományokból vagy két buszárból származnak. Ha a hálózat bármely kábelrészlet karbantartás alatt van, nem okoz terhelés-leállást.
• ​Kétszeres gyűrűkapcsolat:​​ Minden terhelés két független gyűrűhálózatból származó ellátást kap, ami nagyon magas megbízhatóságot biztosít.
• ​Két forrásból származó dupla "T" kapcsolat:​​ Két kábeláramkör különböző buszákról származó ellátással. Minden terhelés mindkét kábeltől veheti az energiát. Ez a módszer lényegében kizárja a két forrású felhasználók számára a leállást, különösen alkalmas bizonyos kritikus felhasználók számára.

​1.3 Gyűrűs főválasztók (RMU-k) és jellemzőik​
Az RMU-k olyan váltókészülékek, amelyek gyűrűs hálózati energiaellátásra szolgálnak. A szekrények típusai többlettöltők, átmeneti relék, többlettöltő + védőkombinációk, kombinált berendezések, buszkupler, mérőberendezések, feszültségátalakítók (VT-k), stb., vagy ezek bármilyen kombinációja vagy kiterjesztése.

Az RMU-k kompakt szerkezettel, kis talajterületigény, alacsony költséggel, könnyű telepítéssel és rövid beüzemelési idővel rendelkeznek, megfelelve a "miniaturizált felszerelés" igénynek. Széles körben használják lakótelepeken, középiskolákon, kis- és közepes méretű vállalkozások átalakítóállományain, másodlagos váltóállományokon, kompakt átalakítóállományokon és kábelkapcsolódozó dobozon.

​1.4 RMU típusok​

• ​Lég-izolált RMU-k:​​ Lég-izolációs médiumpéldányt használnak. Nagy talajterület- és térfogatigényük van, és érzékenyek a környezeti hatásokra.
• ​SF6 RMU-k:​​ SF6 gázt használnak izolációs médiumpéldányként. A fő kapcsoló egy zárt fémmagasságban helyezkedik el, amelyben SF6 gáz van, a működtető Mechanizmus pedig a fedélzeten kívül található. A zárt fedélzeten belül a külső környezet hatása nincs. A térfogatuk jelentősen kisebb, mint a szabványos lég-izolált RMU-ké, ezért jelenleg a leggyakrabban használt típus.
• ​Szilárd-izolált RMU-k:​​ Fő izolációs médiumpéldányként szilárd izolációs anyagokat használnak. A kapcsoló és az összes élő rész环氧树脂等绝缘材料封装。由于开关内部的相间和对地安全绝缘距离减小，其尺寸和体积与SF6环网柜相似。它们不产生SF6排放，真正实现了免维护运行。 **2 SF6环网柜的使用限制** SF6是大气温室效应的主要贡献者。然而，SF6具有理想的电气性能（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，并且可以实现紧凑的机柜设计。因此，它被广泛用作电气设备中的绝缘和灭弧介质。电力行业对SF6的消耗量最大；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《含氟气体法规》（2006年）规定：除无可行替代品的电力开关设备外，SF6在大多数领域的使用被禁止。 此外，SF6环网柜使用复杂，需要大量投资，需要许多辅助设备： - **购买SF6泄漏监测设备：** 用于SF6气体泄漏检测、SF6浓度和氧气含量监测、微量水分检测等。 - **配备SF6回收装置：** 在SF6灭弧过程中，气室内会产生SF4等副产品。因此，在使用寿命结束时，不仅需要回收剩余的SF6气体，还需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：** 用于净化和回收SF6气体。 - **在变电站安装通风设备。** 使用SF6环网柜时必须注意： - **尽量减少SF6泄漏：** SF6环网柜采用加压密封腔体，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。 - **工作人员进入变电站前必须先进行强制通风，并佩戴专用防护装备。** - **操作程序复杂，需要对相关人员进行反复培训。** **3 固体绝缘环网柜的特点及应用** SF6环网柜潜在的环境威胁限制了其进一步发展。寻找SF6的替代品一直是全球研究的主题。固体绝缘环网柜最早由伊顿公司（美国）在20世纪90年代末开发并推出。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，具有更高的可靠性，并实现真正的免维护运行。 固体绝缘环网柜是指将主导电回路——如真空断路器、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、密封的功能模块中，这些模块可以进一步组合或扩展。模块外部可接触表面涂有导电或半导电屏蔽层，可以直接可靠接地。 **3.1 固体绝缘环网柜的特点** - **环保设计：** 不使用SF6作为绝缘或切换介质。相反，真空被用作开关的灭弧介质，而环保材料（无环境影响且可回收）被用作主要绝缘介质。此外，组件数量被最小化，以确保运行时能耗低且潜在故障点少。 - **真正免维护：** 固体绝缘环网柜消除了SF6压力容器。开关本体的内部绝缘和灭弧利用真空介质；外部绝缘则使用固体介电材料如绝缘筒。绝缘筒采用整体浇注技术，将真空断路器、主导电回路和绝缘支撑件集成在一起，密封在一个金属外壳内，不受外部环境影响。由于整体结构完全绝缘和密封，不存在SF6泄漏检测、充气和废物处理等问题，真正实现了免维护运行。 - **高性价比：** 尽管固体绝缘环网柜的初始投资略高于SF6环网柜，但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环网柜在其生命周期内的维护、充气、泄漏处理和最终回收所需的成本几乎相当于购买成本。相比之下，固体绝缘环网柜只需一次初始投资，基本上没有后续成本。因此，从长远来看，固体绝缘环网柜的经济效益远优于SF6环网柜。 **表1：SF6环网柜与固体绝缘环网柜的生命周期成本比较** | 项目 | 内容 | SF6环网柜 | 固体绝缘环网柜 | | --- | --- | --- | --- | | **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、气体充装等 | 需要 | 无需 | | **人员保护** | 相应的SF6防护装备等 | 需要 | 无需 | | **培训** | 操作程序、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副产品的特殊处理 | 需要 | 无需 | | **温室气体排放** | 显著的SF6排放 | 是 | 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 | 长期成本较高 | | - **紧凑结构：** 在确保机柜安全和易于操作的同时，尽可能设计得紧凑。其占地面积和体积甚至比SF6环网柜更小，帮助用户节省空间并提供直接的经济效益。 - **内部电弧防护设计，更安全可靠：** 初级和次级开关设备每年至少发生一次因内部电弧造成的严重损坏。大多数固体绝缘环网柜都采用了内部电弧防护设计。当内部电弧发生时，其对环网柜的影响被最小化，确保设备更安全可靠地运行。 - **可视化隔离间隙：** 具有可视观察窗，便于检查内部三工位隔离开关的触点状态，提供现场可见隔离，增强操作人员的安全性。 - **智能化能力：** 与SF6环网柜相比，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、自诊断和日志/报告等功能。 **3.2 应用现状** 目前，固体绝缘环网柜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气体绝缘环网柜。如果工艺技术不足，绝缘风险、故障概率和危害可能高于SF6环网柜，因此需要严格控制原材料和工艺的质量。此外，固体绝缘环网柜的布线灵活性有限，特别是对于PT（VT）柜和计量柜等功能单元，连接选项较少，限制了用户的选择，这也部分限制了固体绝缘环网柜的应用和发展。 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，固体绝缘环网柜的产品质量变得更加稳定，价格也逐渐下降。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仅仅考虑购买成本。我们还可以借鉴国际经验：在环境敏感项目和新项目（如住宅社区、公共建筑、市政建设）中优先使用固体绝缘环网柜，逐步淘汰SF6环网柜。根据制造商承诺的使用寿命逐步淘汰和更换老旧或正在运行的SF6环网柜，并为采用环保型固体绝缘环网柜的用户提供补贴支持这类产品。随着用户环保意识的提高和生命周期成本考虑的增加，固体绝缘环网柜的前景广阔。 **4 结论** 固体绝缘环网柜在技术上与SF6环网柜相当，并具有一些SF6环网柜所不具备的特性，如无有害气体排放、真正免维护运行和较低的总生命周期成本。它们越来越受到用户的关注和青睐。