Vergelijking van SF6 gasgeïsoleerde ringhoofdinstallaties en vaste-geïsoleerde ringhoofdinstallaties

Inleiding​
Momenteel domineren SF6 gas-geïsoleerde ringkasten (hierna "SF6 RMUs" genoemd) de markt. SF6-gas wordt echter internationaal erkend als een van de belangrijkste broeikasgassen. Om milieuvervuiling en uitstoot te verminderen, moet het gebruik ervan worden beperkt. De opkomst van vaste-geïsoleerde ringkasten (RMUs) heeft de problemen met SF6 RMUs aangepakt en vele nieuwe functies toegevoegd.

​1 Ringvoeding en Ring Main Units (RMUs)​​
Het "urbanisatie"proces stelt steeds hogere eisen aan de betrouwbaarheid van elektriciteitsdistributie. Meer gebruikers hebben dubbele (of meerdere) energiebronnen nodig. Het gebruik van een "radiale voedingssysteem" kan leiden tot moeilijkheden bij kabelinstallatie, probleemoplossing en ongemak tijdens grid-upgrades en -uitbreidingen. Daarentegen kan een "ringvoeding" gemakkelijk dubbele (of meer) energiebronnen bieden voor cruciale belastingen, vereenvoudigt distributielijnen, faciliteert kabelrouting, vermindert schakelaarvereisten, verlaagt storingfrequentie en vergemakkelijkt het identificeren van foutpunten.

​1.1 Ringvoeding​
Ringvoeding verwijst naar een systeem waarin twee (of meer) uitgaande lijnen van verschillende onderstations of verschillende busbars binnen hetzelfde onderstation met elkaar verbonden zijn om een lus te vormen voor de voeding. De voordelen hiervan zijn: elke distributietak kan energie ontvangen van de hoofdvoeder aan de linkerkant of de hoofdvoeder aan de rechterkant. Dit betekent dat bij een storing in een van de hoofdvoeders, de voeding kan doorgaan vanaf de andere kant. Hoewel het in wezen een enkelcircuitvoeding is, krijgt elke distributietak effectief de voordelen die vergelijkbaar zijn met dubbelcircuitvoeding, wat de betrouwbaarheid aanzienlijk verbetert. In China stipuleren regels dat de hoofdringverbinding in steden voldoet aan de "N-1 Veiligheidsnorm". Dit betekent dat wanneer er N belastingen op de lijn zijn, bij een storing van één belasting, het systeem de overgeplaatste belasting kan accepteren, waardoor de overige "N-1" belastingen veilig blijven doorvoeden zonder uitval of lastafname.

​1.2 Ringverbindingmethoden​

• ​Standaard ringverbinding:​​ Gevoed door één bron, vormt een ring via de kabels zelf, zodat bij storing van een kabelgedeelte, alle andere belastingen betrouwbaar gevoed kunnen worden.
• ​Ringverbinding van verschillende busbars:​​ Deze verbinding heeft twee energiebronnen, meestal bediend in open lus, wat hogere leveringsbetrouwbaarheid en grotere operationele flexibiliteit biedt.
• ​Enkelringverbinding:​​ Energiebronnen worden genomen van verschillende onderstations of twee busbarsecties. Bij onderhoud van elk kabelgedeelte in het netwerk treedt geen belastingsuitval op.
• ​Dubbelringverbinding:​​ Elke belasting kan energie ontvangen van een onafhankelijk ringnetwerk, wat zeer hoge betrouwbaarheid biedt.
• ​Dubbele bron dubbele "T"-verbinding:​​ Twee kabelcircuits worden verbonden van verschillende busbarsecties. Elke belasting kan energie halen van beide kabels. Deze methode bereikt feitelijk geen uitval voor dubbele-brongebruikers en is bijzonder geschikt voor bepaalde cruciale gebruikers.

​1.3 Ring Main Units (RMUs) en hun kenmerken​
RMUs verwijzen naar schakelkasten die gebruikt worden voor ringvoeding. Kasttypen omvatten belastingschakelaars, circuitbrekers, belastingschakelaar + fusiecombinaties, combinatieapparatuur, buskoppelaars, meetunits, spanningstransformatoren (VTs), enz., of enige combinatie of uitbreiding daarvan.

RMUs hebben een compacte structuur, kleine voetafdruk, lage kosten, gemakkelijke installatie en korte inbedrijfstellingstijden, en voldoen aan de eis van "apparaatminiaturisatie". Ze worden breed toegepast in wooncomplexen, publieke gebouwen, kleine & middelgrote ondernemingen onderstations, secundaire schakelstations, compacte onderstations en kabelkruispunten.

​1.4 RMU-typen​

• ​Luchtgeïsoleerde RMUs:​​ Gebruiken lucht als isolatiemiddel. Ze hebben een grote voetafdruk en volume en zijn gevoelig voor milieueffecten.
• ​SF6 RMUs:​​ Gebruiken SF6-gas als isolatiemiddel. De hoofdschakelaar is ingesloten in een gesloten metalen behuizing gevuld met SF6-gas, met de bedieningsmechanisme buiten de behuizing. Vanwege de gesloten behuizing worden ze niet beïnvloed door de externe omgeving. Hun volume is aanzienlijk kleiner dan standaard luchtgeïsoleerde RMUs, waardoor ze momenteel het meest gebruikte type zijn.
• ​Vaste-geïsoleerde RMUs:​​ Gebruiken vaste isolatiematerialen als het primaire isolatiemiddel. De schakelaar en alle geleidende delen zijn ingesloten of gegoten met isolatiematerialen zoals epoxyhars. Omdat de veilige fase-fase en fase-aarde isolatiedistances binnen de schakelaar zijn verkleind, zijn hun grootte en volume vergelijkbaar met SF6 RMUs. Ze produceren geen SF6-uitstoot en realiseren echt onderhoudsvrije werking.

​2 Gebruiksbeperkingen van SF6 RMUs​
SF6 is een belangrijke bijdrager aan atmosferische broeikaseffecten. SF6 heeft echter ideale elektrische eigenschappen (uitstekende isolatie, boogdoof en koelprestaties), sterke elektro-negativiteit, goede warmtegeleiding en stabiliteit, is herbruikbaar, ongevoelig voor omgevingsomstandigheden (vochtigheid, vervuiling, hoogte), en maakt compacte kastontwerpen mogelijk. Daarom wordt het breed toegepast als isolatie- en boogdoofmedium in elektrische apparatuur. De consumptie van SF6 is het hoogst in de energie-industrie; statistieken wijzen uit dat 80% van het jaarlijks geproduceerde SF6-gas wordt gebruikt in elektrische apparatuur.

Het VN Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) en de Amerikaanse Environmental Protection Agency (EPA) classificeren SF6 als een extreem schadelijk en impactvol broeikasgas. De EU F-Gas-verordening (2006) stelt: behalve voor krachtswitchgear waarvoor geen haalbare alternatieven bestaan, is het gebruik van SF6 in de meeste sectoren verboden.

Bovendien zijn SF6 RMUs complex in gebruik en vereisen ze aanzienlijke investeringen, inclusief veel hulpapparatuur:

• ​Koop SF6-lekkagedetectieapparatuur:​​ Wordt gebruikt voor SF6-gaslekdetectie, monitoring van SF6-concentratie en zuurstofgehalte, detectie van sporenwater, enz.
• ​Ruste SF6-herwinningseenheden uit:​​ Bijproducten zoals SF4 worden gegenereerd in de gascel tijdens het SF6-boogdoofproces. Daarom moeten bij het einde van de levensduur niet alleen de resterende SF6-gas worden herwonnen, maar ook de resterende giftige bijproducten speciaal worden behandeld.
• ​Configureer SF6-gaspurificatieapparatuur:​​ Om het SF6-gas te zuiveren en te recyclen.
• ​Installeer ventilatieapparatuur in onderstations.​​

Bij het gebruik van SF6 RMUs is het absoluut noodzakelijk:

• ​Minimaliseer SF6-lekkage:​​ SF6 RMUs gebruiken gedrukte gesloten cellen, maar gaslekken zijn onvermijdelijk. Het uitvoeren van schakeloperaties bij lage SF6-druk resulteert in lage betrouwbaarheid, wat direct de veiligheid van de operator bedreigt en de levensduur van de apparatuur vermindert.
• ​Voordat werknemers het onderstation betreden, moet eerst gedwongen ventilatie worden uitgevoerd, en moeten zij speciale beschermende uitrusting dragen.​​
• ​Operaties en procedures zijn complex, wat herhaaldelijke training voor relevante personeelsleden vereist.​​

​3 Kenmerken en toepassingen van vaste-geïsoleerde RMUs​
Het potentiële milieugevaar van SF6 RMUs beperkt hun verdere ontwikkeling. Het vinden van alternatieven voor SF6 is een onderwerp van wereldwijde onderzoek. Vaste-geïsoleerde RMUs werden voor het eerst ontwikkeld en geïntroduceerd door Eaton Corporation (VS) in de late jaren 1990. Tijdens het gebruik genereren ze geen giftige of schadelijke gassen, hebben geen milieueffecten, bieden hogere betrouwbaarheid en realiseren echt onderhoudsvrije werking.

Vaste-geïsoleerde RMUs verwijzen naar systemen waarbij primaire geleidende circuits, zoals de vacuümonderbreker, afsluiters, aardingsschakelaar, hoofdbusbar, takbusbar, individueel of in combinatie ingesloten zijn met vaste isolatiematerialen zoals epoxyhars. Ze zijn ingesloten in volledig geïsoleerde, gesloten functionele modules die verder kunnen worden gecombineerd of uitgebreid. De buitenvlakken van de modules die toegankelijk zijn voor het personeel, zijn bedekt met een geleidend of halfgeleidend schildingslaag en kunnen direct en betrouwbaar aangesloten worden op aarde.

​3.1 Kenmerken van vaste-geïsoleerde RMUs​

• ​Ecodesign:​​ Gebruikt geen SF6 als isolatie- of schakelmiddel. In plaats daarvan wordt vacuüm gebruikt als het boogdoofmedium voor schakelaars, en milieuvriendelijke materialen zonder milieueffecten (en die herbruikbaar zijn) worden gebruikt als het primaire isolatiemiddel. Bovendien wordt het aantal componenten tot een minimum beperkt om laag energieverbruik tijdens de werking en minder mogelijke storingen te garanderen.
• ​Echt onderhoudsvrij:​​ Vaste-geïsoleerde RMUs elimineren de SF6-drukcontainer. De interne isolatie en boogdoof van de schakelaarlichamen maken gebruik van een vacuümmedium; externe isolatie gebruikt vaste dielectrische materialen zoals isolatiecilinders. De isolatiecilinder maakt gebruik van vaste giettechnologie, integreert de vacuümonderbreker, hoofdgeleidende circuit en isolatieondersteuningen in één eenheid, gesloten in een metalen behuizing, ongevoelig voor de externe omgeving. Vanwege de volledig geïsoleerde en gesloten algemene structuur, en de afwezigheid van problemen zoals SF6-lekkagedetectie, gasbijschenken en afvalverwerking, wordt echt onderhoudsvrije werking bereikt.
• ​Hoge kosteneffectiviteit:​​ Hoewel de initiële investering voor vaste-geïsoleerde RMUs iets hoger is dan voor SF6 RMUs, is de totale levenscycluskosten aanzienlijk lager, zoals getoond in Tabel 1. Gebruikersoverwegingen zijn steeds omvattender, die niet alleen de initiële aankoopprijs, maar ook de totale levenscycluskosten omvatten, waaronder veiligheidsrisico's, gridkwaliteit, kostenbeheersing en duurzaamheid. De kosten die nodig zijn voor het onderhouden, bijschenken van gas, het afhandelen van lekkages en de uiteindelijke herwinning van SF6 RMUs tijdens hun levensduur zijn bijna gelijk aan de aankoopprijs. Daarentegen betreffen vaste-geïsoleerde RMUs één initiële investering met weinig of geen latere kosten. Daarom is de economische efficiëntie van vaste-geïsoleerde RMUs op lange termijn verreweg superieur aan die van SF6 RMUs.

​Tabel 1: Levenscycluskostengelekenis tussen SF6 RMUs en vaste-geïsoleerde RMUs​

• ​Compacte structuur:​​ Ontworpen om zo compact mogelijk te zijn terwijl de kastveiligheid en gemakkelijke bediening worden gewaarborgd. Hun voetafdruk en volume zijn nog kleiner dan SF6 RMUs, waardoor gebruikers ruimte besparen en directe economische voordelen krijgen.
• ​Binnenboogbestendig ontwerp, veiliger en betrouwbaarder:​​ Voor primaire en secundaire schakelapparatuur treedt minstens één keer per jaar aanzienlijke schade op door interne bogen. De meeste vaste-geïsoleerde RMUs bevatten een binnenboogbestendig ontwerp. Wanneer een interne boog optreedt, wordt de impact op de RMU zoveel mogelijk beperkt, waardoor veiliger en betrouwbaarder apparaatwerking wordt gegarandeerd.
• ​Gevisualiseerde isolatieopening:​​ Heeft een visuele observatieramen voor het eenvoudig controleren van de contactstatus van de interne driepositieafsluiter, wat zichtbare isolatie ter plaatse biedt en de veiligheid van de operator verhoogt.
• ​Smart-capaciteiten:​​ Gemakkelijker te implementeren voor distributieautomatisering vergeleken met SF6 RMUs. Na het installeren van een Distributie Terminal Unit (DTU) en communicatieapparatuur, kunnen functies zoals statusdata-opschaling en -bewaking, "Four-Remote" functies (remote signaling, remote measurement, remote control, remote regulation), communicatie, zelfdiagnose en logboek/rappportage gemakkelijk worden bereikt.

​3.2 Toepassingsstatus​
Momenteel wordt de wijdverspreide toepassing van vaste-geïsoleerde RMUs beperkt door hun relatief hogere prijs en complexe productieprocessen. Hun procesvereisten overschrijden die van SF6 gas-geïsoleerde RMUs. Als de procesmethoden ontoereikend zijn, kunnen isolatierisico's, storingkans en gevaren hoger zijn dan bij SF6 RMUs, wat strikte kwaliteitscontrole van grondstoffen en vakmanschap vereist. Bovendien kan de bedradingflexibiliteit van vaste-geïsoleerde RMUs beperkt zijn, vooral voor functionele eenheden zoals PT (VT)-kasten en meterkasten, wat minder aansluitopties biedt en de keuze van de gebruiker beperkt, wat ook de toepassing en ontwikkeling van vaste-geïsoleerde RMUs enigszins beperkt.

Met continue optimalisatie van productiestructuren en toenemende standardisering in productie, wordt de productkwaliteit van vaste-geïsoleerde RMUs stabiel en dalen de prijzen geleidelijk. Sommige landen bieden stimulansen van 5%~10% voor producten die geen SF6 gebruiken, om het gebruik en de uitstoot ervan te verminderen. Dit betekent dat gebruikers bij beslissingen niet alleen de aankoopprijzen overwegen. We kunnen ook leren van internationale praktijken: geef prioriteit aan de toepassing van vaste-geïsoleerde RMUs in milieugevoelige projecten en nieuwe projecten (bijvoorbeeld woonwijken, openbare gebouwen, gemeentelijke bouw), terwijl SF6 RMUs geleidelijk worden afgebouwd. Vernieuw en vervang verouderde of operationele SF6 RMUs volgens hun fabrikant-belofte levensduur en bied subsidies aan gebruikers die milieuvriendelijke vaste-geïsoleerde RMUs aannemen om dergelijke producten te ondersteunen. Terwijl het milieubewustzijn van gebruikers groeit en de levenscycluskosten overwogen worden, zijn de vooruitzichten voor vaste-geïsoleerde RMUs breed.

​4 Conclusie​
Vaste-geïsoleerde RMUs zijn technisch equivalent aan SF6 RMUs en bezitten enkele kenmerken die SF6 RMUs ontberen, zoals geen schadelijke gasuitstoot, echt onderhoudsvrije werking en lagere totale levenscycluskosten. Ze trekken steeds meer aandacht en voorkeur van gebruikers.