Confronto tra Unità principali ad anello isolate con gas SF6 e Unità principali ad anello isolate a solido
Introduzione
Attualmente, le unità di anello isolate con gas SF6 (in seguito indicate come "SF6 RMUs") dominano il mercato. Tuttavia, il gas SF6 è riconosciuto a livello internazionale come uno dei principali gas serra. Per raggiungere la protezione ambientale e la riduzione delle emissioni, il suo utilizzo deve essere ridotto e limitato. L'arrivo delle unità di anello isolate in solido (RMUs) ha risolto i problemi associati alle SF6 RMUs, incorporando numerose nuove funzionalità.
1 Fornitura di energia a rete e Unità di Anello (RMUs)
Il processo di "urbanizzazione" pone sempre maggiori richieste sulla affidabilità della distribuzione dell'energia. Un numero crescente di utenti richiede forniture da fonti di alimentazione duali (o multiple). L'impiego di un sistema di "fornitura radiale" può portare a difficoltà nell'installazione dei cavi, sfide nella risoluzione dei guasti e inconvenienti durante gli aggiornamenti e le espansioni della rete. Invece, una "fornitura a rete" può fornire comodamente fonti di alimentazione duali (o multiple) per carichi critici, semplificando le linee di distribuzione, facilitando la disposizione dei cavi, riducendo le esigenze di attrezzature di commutazione, abbassando i tassi di guasto e rendendo più facile l'identificazione dei punti di guasto.
1.1 Fornitura di energia a rete
La fornitura di energia a rete si riferisce a un sistema in cui due (o più) linee uscenti da diverse stazioni o diverse barre di distribuzione all'interno della stessa stazione sono interconnesse per formare un anello per la fornitura di energia. I suoi vantaggi includono: ogni ramo di distribuzione può attingere energia dal conduttore principale a sinistra o dal conduttore principale a destra. Ciò significa che se si verifica un guasto su uno dei conduttori principali, l'energia può continuare a essere fornita dall'altro lato. Sebbene sia in sostanza una fornitura monofase, ogni ramo di distribuzione ottiene effettivamente i benefici simili a una fornitura bifase, migliorando significativamente l'affidabilità. Le normative in Cina stabiliscono che la connessione principale a rete nelle città segua il "Criterio di Sicurezza N-1". Questo significa che se ci sono N carichi sulla linea, quando qualsiasi carico subisce un guasto, il sistema può accettare il carico trasferito, garantendo che i rimanenti "N-1" carichi continuino a ricevere una fornitura di energia sicura senza causare interruzioni o limitazioni del carico.
1.2 Metodi di connessione a rete
- Connessione a rete standard: Fornita da una singola fonte, formando un anello attraverso i cavi stessi, assicurando una fornitura di energia affidabile a tutti gli altri carichi quando un tratto di cavo si guasta.
- Connessione a rete da diverse barre di distribuzione: Questa connessione ha due fonti di energia, tipicamente operata in ciclo aperto, offrendo una maggiore affidabilità di fornitura e flessibilità operativa.
- Connessione a rete singola: Le fonti di energia sono prese da diverse stazioni o due sezioni di barra. Quando qualsiasi tratto di cavo nella rete è in manutenzione, non causa alcuna interruzione del carico.
- Connessione a doppia rete: Ogni carico può ricevere energia da una rete indipendente, fornendo un'alta affidabilità.
- Doppia connessione a "T" a doppia fonte: Due circuiti di cavi sono collegati da diverse sezioni di barra. Ogni carico può attingere energia da entrambi i cavi. Questo metodo consente in pratica una fornitura continua per utenti a doppia fonte ed è particolarmente adatto per alcuni utenti critici.
1.3 Unità di Anello (RMUs) e le loro caratteristiche
Le RMUs si riferiscono a armadi di commutazione utilizzati per la fornitura di energia a rete. I tipi di armadi includono interruttori di carico, interruttori automatici, combinazioni di interruttore di carico + fusibili, apparecchi combinati, collettori di barra, unità di misurazione, trasformatori di tensione (VTs), ecc., o qualsiasi combinazione o estensione di essi.
Le RMUs presentano una struttura compatta, un piccolo ingombro, un costo basso, un'installazione facile e tempi di messa in servizio brevi, soddisfacendo il requisito di "miniaturizzazione degli apparecchi". Sono ampiamente utilizzate in complessi residenziali, edifici pubblici, sottostazioni di piccole e medie imprese, sottostazioni secondarie, sottostazioni compatte e scatole di giunzione dei cavi.
1.4 Tipi di RMU
- RMUs isolate con aria: Utilizzano l'aria come mezzo di isolamento. Hanno un grande ingombro e volume, e sono sensibili all'influenza ambientale.
- RMUs isolate con SF6: Utilizzano il gas SF6 come mezzo di isolamento. L'interruttore principale è racchiuso all'interno di un involucro metallico sigillato riempito di gas SF6, con il meccanismo di comando situato all'esterno dell'involucro. A causa dell'involucro sigillato, non sono influenzati dall'ambiente esterno. Il loro volume è significativamente inferiore rispetto alle RMUs isolate con aria, rendendole il tipo più comunemente utilizzato attualmente.
- RMUs isolate in solido: Utilizzano materiali isolanti solidi come principale mezzo di isolamento. L'interruttore e tutte le parti viventi sono racchiuse o impregnate con materiali isolanti come la resina epoxidica. Poiché le distanze di isolamento sicure tra fasi e tra fase e terra all'interno dell'interruttore sono ridotte, il loro ingombro e volume sono simili a quello delle RMUs isolate con SF6. Non producono emissioni di SF6 e raggiungono un'effettiva manutenzione zero.
2 Limitazioni d'uso delle RMUs isolate con SF6
Lo SF6 è un contributore principale agli effetti serra atmosferici. Tuttavia, lo SF6 possiede proprietà elettriche ideali (eccellente isolamento, spegnimento dell'arco e prestazioni di raffreddamento), forte elettronegatività, buona conducibilità termica e stabilità, è riutilizzabile, insensibile alle condizioni ambientali (umidità, inquinamento, alta quota) e consente progetti di armadi compatti. Pertanto, viene ampiamente utilizzato come mezzo di isolamento e spegnimento dell'arco negli apparecchi elettrici. Il consumo di SF6 è massimo nel settore energetico; le statistiche indicano che l'80% del gas SF6 prodotto annualmente viene utilizzato negli apparecchi elettrici.
Il Gruppo Intergovernativo sul Cambiamento Climatico (IPCC) dell'ONU e l'Agenzia per la Protezione Ambientale degli Stati Uniti (EPA) classificano entrambi lo SF6 come un gas serra estremamente dannoso e impattante. Il Regolamento UE sui Gas F (2006) stabilisce: salvo per le apparecchiature di commutazione dove non esiste un'alternativa praticabile, l'uso di SF6 è vietato in gran parte dei campi.
Inoltre, le RMUs isolate con SF6 sono complesse da utilizzare e richiedono un investimento sostanzioso, necessitando di molti dispositivi ausiliari:
- Acquisto di apparecchiature di monitoraggio delle perdite di SF6: Utilizzate per la rilevazione delle perdite di gas SF6, monitoraggio della concentrazione di SF6 e contenuto di ossigeno, rilevazione di tracce di umidità, ecc.
- Equipaggiamento di unità di recupero di SF6: Durante il processo di spegnimento dell'arco con SF6, all'interno del compartimento di gas vengono generati sottoprodotti come SF4. Pertanto, alla fine della vita, non solo il gas SF6 residuo deve essere recuperato, ma anche i sottoprodotti tossici devono essere trattati in modo speciale.
- Configurazione di apparecchiature di purificazione del gas SF6: Per purificare e riciclare il gas SF6.
- Installazione di apparecchiature di ventilazione nelle sottostazioni.
Quando si utilizzano le RMUs isolate con SF6, è fondamentale:
- Minimizzare le perdite di SF6: Le RMUs isolate con SF6 utilizzano cavità sigillate a pressione, ma le perdite di gas sono inevitabili. Eseguire operazioni di commutazione quando la pressione di SF6 è bassa comporta una bassa affidabilità, minacciando direttamente la sicurezza degli operatori e riducendo la durata della vita dell'equipaggiamento.
- Prima che gli operatori entrino nella sottostazione, deve essere eseguita una ventilazione forzata e devono indossare attrezzature protettive speciali.
- Le operazioni e le procedure sono complesse, richiedendo ripetuti addestramenti per il personale coinvolto.
3 Caratteristiche e applicazioni delle RMUs isolate in solido
La minaccia ambientale potenziale delle RMUs isolate con SF6 limita il loro ulteriore sviluppo. La ricerca di alternative allo SF6 è stata un argomento di studio a livello mondiale. Le RMUs isolate in solido sono state sviluppate e introdotte per la prima volta dalla Eaton Corporation (USA) alla fine degli anni '90. Durante l'operazione, non generano gas tossici o nocivi, non hanno impatto ambientale, offrono un'alta affidabilità e raggiungono un'effettiva manutenzione zero.
Le RMUs isolate in solido si riferiscono a sistemi in cui i circuiti primari conduttori, come l'interruttore a vuoto, l'interruttore di disconnessione, l'interruttore di terra, la barra principale, la barra di derivazione, sono individualmente o in combinazione racchiusi con materiali isolanti solidi come la resina epoxidica. Sono racchiusi all'interno di moduli funzionali completamente isolati e sigillati che possono essere ulteriormente combinati o espansi. Le superfici esterne dei moduli accessibili al personale sono rivestite con uno strato di schermo conduttivo o semiconduttivo e possono essere direttamente e affidabilmente messi a terra.
3.1 Caratteristiche delle RMUs isolate in solido
- Progettazione eco-sostenibile: Non utilizza SF6 come mezzo di isolamento o commutazione. Invece, il vuoto viene utilizzato come mezzo di spegnimento dell'arco per gli interruttori, e materiali ecologici senza impatto ambientale (e riciclabili) vengono utilizzati come principale mezzo di isolamento. Inoltre, il numero di componenti è minimizzato per garantire un basso consumo energetico durante l'operazione e meno punti potenziali di guasto.
- Mantenimento veramente zero: Le RMUs isolate in solido eliminano il serbatoio a pressione di SF6. L'isolamento interno e lo spegnimento dell'arco del corpo dell'interruttore utilizzano un mezzo a vuoto; l'isolamento esterno utilizza materiali dielettrici solidi come cilindri isolanti. Il cilindro isolante utilizza una tecnologia di colata solida, integrando l'interruttore a vuoto, il circuito conduttore principale e i supporti isolanti in un'unica unità, sigillata all'interno di un involucro metallico, non influenzata dall'ambiente esterno. Grazie alla struttura complessivamente isolata e sigillata, e alla mancanza di problemi come la rilevazione delle perdite di SF6, il riempimento e lo smaltimento dei rifiuti, si raggiunge un'effettiva manutenzione zero.
- Alta convenienza economica: Sebbene l'investimento iniziale per le RMUs isolate in solido sia leggermente superiore a quello per le RMUs isolate con SF6, il costo totale del ciclo di vita è significativamente inferiore, come mostrato nella Tabella 1. Le considerazioni degli utenti sono sempre più complete, comprendendo non solo il prezzo di acquisto iniziale, ma anche i costi totali del ciclo di vita, inclusi i rischi di sicurezza, la qualità della rete, il controllo dei costi e la sostenibilità. I costi richiesti per la manutenzione, il riempimento del gas, la gestione delle perdite e il recupero finale delle RMUs isolate con SF6 durante la loro vita sono quasi equivalenti al costo di acquisto. Invece, le RMUs isolate in solido implicano un investimento iniziale con praticamente nessun costo successivo. Pertanto, da una prospettiva a lungo termine, l'efficienza economica delle RMUs isolate in solido è molto superiore a quella delle RMUs isolate con SF6.
Tabella 1: Confronto dei costi del ciclo di vita tra RMUs isolate con SF6 e RMUs isolate in solido
