SF6ガス絶縁リングメインユニットと固体絶縁リングメインユニットの比較

導入​
現在、SF6ガス絶縁リングメインユニット（以下「SF6 RMU」という）が市場を支配しています。しかし、SF6ガスは国際的に主要な温室効果ガスの一つとして認識されています。環境保護と排出削減を達成するためには、その使用を削減し制限する必要があります。固体絶縁リングメインユニット（RMU）の登場により、SF6 RMUに関連する問題が解決されるとともに、多くの新しい機能が組み込まれています。

​1 リングメインタイプの電力供給とリングメインユニット（RMU）​​
「都市化」の過程において、配電の信頼性に対する要求がますます高まっています。より多くのユーザーが二重（または複数）の電源供給を必要としています。「放射状電力供給」システムを使用すると、ケーブルの設置、トラブルシューティング、グリッドのアップグレードや拡張が難しくなります。一方、「リングメインタイプの電力供給」は、重要な負荷に対して二重（またはそれ以上）の電源を簡単に提供でき、配電線路を簡素化し、ケーブルの配線を容易にし、スイッチギアの要件を減らし、故障率を低減し、故障点の特定を容易にします。

​1.1 リングメインタイプの電力供給​
リングメインタイプの電力供給とは、異なる変電所または同一変電所内の異なるバスバーからの二つ以上の出力線が互いに接続されてループを形成して電力を供給するシステムです。その利点は、各配電ブランチが左側または右側の主フィーダーから電力を引くことができることです。つまり、どちらかの主フィーダーで故障が発生しても、もう一方から電力を引き続けることができます。本質的には単一回路の電力供給ですが、各配電ブランチは双方向供給の利点を得られ、信頼性が大幅に向上します。中国の規制では、都市の主なリングメインタイプの接続は「N-1セキュリティ基準」に従うことが定められています。これは、線路上にN個の負荷がある場合、いずれかの負荷に故障が発生しても、システムが転送された負荷を受け入れて、残りの「N-1」の負荷が停電や負荷制御なしで安全な電力供給を継続できるということです。

​1.2 リングメインタイプの接続方法​

• ​標準的なリング接続:​​ 単一の電源で供給され、ケーブル自体でリングを形成することで、一部のケーブルが故障した場合でも他のすべての負荷への信頼性の高い電力供給を確保します。
• ​異なるバスバーからのリング接続:​​ この接続には二つの電源があり、通常はオープンループで動作し、供給の信頼性と操作の柔軟性が高いです。
• ​単一のリング接続:​​ 電源は異なる変電所または二つのバスバーセクションから取ります。ネットワーク内のどのケーブルセクションでもメンテナンスが行われても、負荷の停止は発生しません。
• ​ダブルリング接続:​​ 各負荷は独立したリングネットワークから電力を受けることができ、非常に高い信頼性を提供します。
• ​デュアルソース・ダブル「T」接続:​​ 二つのケーブル回路が異なるバスバーセクションから接続されます。各負荷は両方のケーブルから電力を引くことができます。この方法は、デュアルソースユーザーの停電を実質的に無くし、特に重要なユーザーに適しています。

​1.3 リングメインユニット（RMU）とその特徴​
RMUとは、リングメインタイプの電力供給用のスイッチギアキャビネットのことです。キャビネットの種類には、負荷スイッチ、遮断器、負荷スイッチ+ヒューズの組み合わせ、コンビネーション装置、バスカップラー、計量ユニット、電圧トランスフォーマー（VT）、などがあります。またはこれらの任意の組み合わせまたは拡張です。

RMUは構造がコンパクトで、占有面積が小さく、コストが低く、インストールが簡単で、稼働までの時間が短いため、「設備の小型化」の要件を満たします。住宅複合施設、公共建物、中小企業の変電所、二次スイッチングステーション、コンパクトな変電所、ケーブル接続箱などに広く使用されています。

​1.4 RMUの種類​

• ​空気絶縁RMU:​​ 空気を絶縁媒体として使用します。占有面積と容積が大きく、環境の影響を受けやすいです。
• ​SF6 RMU:​​ SF6ガスを絶縁媒体として使用します。主スイッチは密封された金属シェル内に配置され、SF6ガスで満たされ、操作機構はシェルの外に配置されます。密封されているため、外部環境の影響を受けません。その容積は標準的な空気絶縁RMUよりも大幅に小さく、現在最も一般的に使用されているタイプです。
• ​固体絶縁RMU:​​ 固体絶縁材料を主な絶縁媒体として使用します。スイッチとすべての帯電部品はエポキシ樹脂などの絶縁材料で覆われたり封入されます。スイッチ内の相間および相対地絶縁距離が短縮されるため、そのサイズと容積はSF6 RMUと同程度です。SF6の排出はなく、真のメンテナンスフリーを達成します。

​2 SF6 RMUの使用制限​
SF6は大気中の温室効果に大きな影響を与えるものです。しかし、SF6は理想的な電気特性（優れた絶縁性、消弧性、冷却性能）、強い電子親和力、良好な熱伝導性と安定性を持ち、再利用可能であり、周囲環境（湿度、汚染、高地）に敏感ではなく、コンパクトなキャビネット設計を可能にします。そのため、電気機器の絶縁と消弧媒体として広く使用されています。SF6の消費量は電力産業で最も高く、統計によれば、年間生産されるSF6ガスの80%が電気機器に使用されています。

国連気候変動に関する政府間パネル（IPCC）と米国環境保護庁（EPA）は、SF6を極めて有害かつ影響力のある温室ガスとして分類しています。EUのフッ化ガス規制（2006年）では、代替手段がない電力スイッチギアを除いて、SF6の使用はほとんどの分野で禁止されています。

さらに、SF6 RMUは使用が複雑で、多額の投資が必要で、多くの補助装置を必要とします：

• ​SF6漏洩監視装置の購入:​​ SF6ガスの漏洩検出、SF6濃度と酸素含量のモニタリング、微量水分の検出などに使用されます。
• ​SF6回収装置の装備:​​ SF6の消弧プロセス中にガス室内でSF4などの副生成物が生成されます。そのため、寿命終了時には、残存するSF6ガスだけでなく、残留する有毒副生成物も特別な処理が必要です。
• ​SF6ガス浄化装置の設定:​​ SF6ガスを浄化し再利用します。
• ​変電所での換気装置の設置。​​

SF6 RMUを使用する際には以下の点に注意しなければなりません：

• ​SF6の漏洩を最小限に抑える:​​ SF6 RMUは加圧された密封腔を使用していますが、ガスの漏洩は避けられません。SF6圧力が低いときにスイッチング操作を行うと、信頼性が低くなり、オペレータの安全を直接脅かし、機器の寿命を短縮します。
• ​作業者が変電所に入る前に強制換気を行い、特別な保護具を着用しなければなりません。​​
• ​操作手順は複雑であり、関連する人員に対して繰り返し訓練が必要です。​​

​3 固体絶縁RMUの特徴と応用​
SF6 RMUの潜在的な環境上の脅威は、そのさらなる発展を制限しています。SF6の代替品を見つけることは世界中で研究の対象となっています。固体絶縁RMUは、1990年代後半にイートン社（アメリカ）によって最初に開発され導入されました。運転中に有害なガスを生成せず、環境への影響がなく、信頼性が高く、真のメンテナンスフリーを達成します。

固体絶縁RMUとは、一次導電回路（真空遮断器、分離スイッチ、接地スイッチ、主幹線、分岐線）が個別または組み合わせてエポキシ樹脂などの固体絶縁材料で包まれているシステムです。これらは完全に絶縁され密封された機能モジュールにカプセル化され、さらに組み合わせたり拡張することができます。モジュールの外部表面は導電性または半導電性のシールド層でコーティングされ、直接かつ確実に接地できます。

​3.1 固体絶縁RMUの特徴​

• ​環境設計:​​ 絶縁またはスイッチング媒体としてSF6を使用せず、代わりに真空をスイッチの消弧媒体として使用し、環境に影響を与えない再生可能な素材（リサイクル可能）を主な絶縁媒体として使用します。さらに、コンポーネントの数を最小限に抑え、運転時のエネルギー消費を低くし、故障の可能性を減らします。
• ​真のメンテナンスフリー:​​ 固体絶縁RMUはSF6圧力容器を排除します。スイッチ本体の内部絶縁と消弧は真空媒体を使用し、外部絶縁は絶縁シリンダーなどの固体誘電体材料を使用します。絶縁シリンダーは固体鋳造技術を使用して、真空遮断器、主導電回路、絶縁支持体を一体にし、金属製のエンクロージャに密封され、外部環境の影響を受けません。完全に絶縁され密封された全体構造により、SF6の漏洩検知、充填、廃棄などの問題がなく、真のメンテナンスフリーを達成します。
• ​高コストパフォーマンス:​​ 固体絶縁RMUの初期投資はSF6 RMUよりも少し高くなるかもしれませんが、ライフサイクルコストは大幅に低くなります（表1参照）。ユーザーは初期購入価格だけでなく、全体のライフサイクルコスト（安全性リスク、グリッド品質、コスト管理、持続可能性）を考慮するようになっています。SF6 RMUのライフタイムにおける維持、ガス充填、漏洩処理、最終的なSF6回収にかかる費用は、購入費用とほぼ同等です。一方、固体絶縁RMUは一度の初期投資でその後の費用がほとんどありません。したがって、長期的な観点から見ると、固体絶縁RMUの経済効率はSF6 RMUよりも遥かに優れています。

​表1：SF6 RMUと固体絶縁RMUのライフサイクルコスト比較​

• ​コンパクトな構造:​​ キャビネットの安全性と操作の容易さを確保しながら、可能な限りコンパクトに設計されています。その占有面積と容積はSF6 RMUよりも小さく、ユーザーがスペースを節約し、直接的な経済的利益をもたらします。
• ​内部アーク耐性設計、より安全で信頼性が高い:​​ 一次および二次スイッチギアでは、内部アークによる重大な損傷が年間少なくとも一度は発生します。ほとんどの固体絶縁RMUは内部アーク耐性設計を採用しています。内部アークが発生した場合でも、その影響をRMUに及ぼすことを最小限に抑え、より安全で信頼性の高い機器の動作を確保します。
• ​可視化された絶縁ギャップ:​​ 内部の三位置分離スイッチの接触状態を簡単に確認できる可視観察窓を特徴とし、現場で見える形の絶縁を提供し、オペレータの安全性を高めます。
• ​スマート機能:​​ SF6 RMUと比較して、配電自動化を実現しやすくなっています。配電端末装置（DTU）と通信装置を設置することで、状態データの取得と監視、「四遠」機能（遠隔信号、遠隔測定、遠隔制御、遠隔調整）、通信、自己診断、ログ/報告などの機能を容易に達成できます。

​3.2 応用状況​
現在、固体絶縁RMUの普及は、その相対的に高い価格と複雑な製造プロセスに制約されています。そのプロセス要件はSF6ガス絶縁RMUを超えており、プロセス技術が不足していると、絶縁リスク、故障確率、危険性がSF6 RMUよりも高くなる可能性があります。これには原材料と職人技の厳格な品質管理が必要です。また、固体絶縁RMUの配線の柔軟性は制限されやすく、特にPT（VT）キャビネットや計量キャビネットなどの機能ユニットでは、接続オプションが少なく、ユーザーの選択肢が制限されるため、固体絶縁RMUの応用と発展にもある程度の制約がかかります。

生産構造の継続的な最適化と製品製造の標準化の進展により、固体絶縁RMUの製品品質はより安定しており、価格も徐々に下がっています。一部の国では、SF6を使用しない製品に対して5％〜10％のインセンティブを提供し、その使用と排出を削減しています。これにより、ユーザーは購入コストのみならず、決定を下す際に考慮する要素が増えています。国際的な慣行から学び、環境に敏感なプロジェクトや新規プロジェクト（例えば、住宅コミュニティ、公共建物、市政建設）では固体絶縁RMUの使用を優先し、徐々にSF6 RMUを廃止することが推奨されます。寿命終了や運転中のSF6 RMUの段階的な廃止と交換を行い、環境に優しい固体絶縁RMUを導入するユーザーに対して補助金を提供することで、そのような製品を支援します。ユーザーの環境意識の高まりとライフサイクルコストの考慮が増えるにつれて、固体絶縁RMUの将来性は広がっています。

​4 まとめ​
固体絶縁RMUは技術的にSF6 RMUと同等であり、有害ガスの排出がない、真のメンテナンスフリー、全ライフサイクルコストが低いなどのSF6 RMUにない特徴を持っています。ユーザーの注目と好意を集めています。