การเปรียบเทียบระหว่าง SF6 Gas-Insulated Ring Main Units และ Solid-Insulated Ring Main Units

บทนำ​
ปัจจุบัน วงจรหลักแบบใช้ก๊าซ SF6 (ต่อไปนี้จะเรียกว่า "SF6 RMUs") เป็นที่นิยมในตลาด แต่ก๊าซ SF6 ถูกยอมรับว่าเป็นหนึ่งในก๊าซเรือนกระจกหลักในระดับนานาชาติ เพื่อให้บรรลุการคุ้มครองสิ่งแวดล้อมและการลดการปล่อยก๊าซ เราจำเป็นต้องลดและจำกัดการใช้งานก๊าซ SF6 การปรากฏตัวของวงจรหลักแบบใช้วัสดุฉนวนแข็ง (RMUs) ได้แก้ไขปัญหาที่เกี่ยวข้องกับ SF6 RMUs และรวมถึงคุณสมบัติใหม่ๆ มากมาย

​1 การจ่ายไฟฟ้าแบบวงจรหลักและการใช้งานวงจรหลัก (RMUs)​​
กระบวนการ "เมือง" ทำให้มีความต้องการเพิ่มขึ้นในการกระจายพลังงานอย่างเชื่อถือได้ ผู้ใช้จำนวนมากต้องการแหล่งจ่ายไฟฟ้าสองหรือมากกว่า การใช้ระบบ "การจ่ายไฟฟ้าแบบแนวรัศมี" อาจทำให้เกิดปัญหาในการติดตั้งสายเคเบิล การตรวจสอบปัญหา และความไม่สะดวกในการปรับปรุงและขยายเครือข่าย ในทางกลับกัน "การจ่ายไฟฟ้าแบบวงจรหลัก" สามารถให้แหล่งจ่ายไฟฟ้าสองหรือมากกว่าสำหรับโหลดสำคัญ ทำให้การกระจายสายไฟฟ้าง่ายขึ้น อำนวยความสะดวกในการวางแนวสายเคเบิล ลดความต้องการสวิตช์เกียร์ ลดอัตราการเกิดข้อผิดพลาด และทำให้การระบุจุดข้อผิดพลาดง่ายขึ้น

​1.1 การจ่ายไฟฟ้าแบบวงจรหลัก​
การจ่ายไฟฟ้าแบบวงจรหลักหมายถึงระบบที่มีสายออกสองหรือมากกว่าจากสถานีแปลงไฟฟ้าที่แตกต่างกันหรือจากบัสบาร์ที่แตกต่างกันภายในสถานีแปลงไฟฟ้าเดียวกันเชื่อมต่อกันเป็นวงจรวงจรหลัก มีข้อดีคือ: แต่ละแขนงการกระจายสามารถรับพลังงานจากสายหลักทางด้านซ้ายหรือทางด้านขวา ซึ่งหมายความว่าหากเกิดข้อผิดพลาดบนสายหลักใดสายหลักหนึ่ง ไฟฟ้าสามารถส่งต่อไปยังด้านอื่นได้ แม้ว่าโดยธรรมชาติจะเป็นการจ่ายไฟฟ้าแบบวงจรเดียว แต่แต่ละแขนงการกระจายจะได้รับประโยชน์คล้ายกับการจ่ายไฟฟ้าแบบวงจรคู่ ทำให้ความเชื่อถือได้สูงขึ้นอย่างมาก กฎหมายในประเทศจีนกำหนดให้การเชื่อมต่อวงจรหลักในเมืองต้องปฏิบัติตาม "เกณฑ์ความปลอดภัย N-1" นั่นคือ หากมีโหลด N บนสาย เมื่อมีโหลดใดโหลดหนึ่งเกิดข้อผิดพลาด ระบบสามารถรับโหลดที่โอนย้ายได้ ทำให้โหลดที่เหลือ "N-1" ยังคงได้รับการจ่ายไฟฟ้าอย่างปลอดภัยโดยไม่ทำให้เกิดการหยุดทำงานหรือการลดโหลด

​1.2 วิธีการเชื่อมต่อวงจรหลัก​

• ​การเชื่อมต่อวงจรหลักมาตรฐาน:​​ จ่ายไฟฟ้าจากแหล่งเดียว โดยสร้างวงจรวงจรหลักผ่านสายเคเบิลเอง ทำให้มั่นใจได้ว่าจะมีการจ่ายไฟฟ้าอย่างเชื่อถือได้ให้กับโหลดอื่นๆ ทั้งหมดเมื่อมีส่วนของสายเคเบิลเสียหาย
• ​การเชื่อมต่อวงจรหลักจากบัสบาร์ที่แตกต่างกัน:​​ การเชื่อมต่อนี้มีแหล่งจ่ายไฟฟ้าสองแหล่ง ทั่วไปแล้วทำงานในวงจรเปิด ให้ความเชื่อถือได้ในการจ่ายไฟฟ้าสูงขึ้นและความยืดหยุ่นในการดำเนินงานสูงขึ้น
• ​การเชื่อมต่อวงจรหลักแบบเดียว:​​ แหล่งจ่ายไฟฟ้ามาจากสถานีแปลงไฟฟ้าที่แตกต่างกันหรือสองส่วนของบัสบาร์ เมื่อมีส่วนของสายเคเบิลใดๆ อยู่ภายใต้การบำรุงรักษาก็ไม่ทำให้โหลดใดโหลดหนึ่งหยุดทำงาน
• ​การเชื่อมต่อวงจรหลักแบบคู่:​​ แต่ละโหลดสามารถรับไฟฟ้าจากวงจรหลักอิสระ ให้ความเชื่อถือได้สูงมาก
• ​การเชื่อมต่อแบบคู่ "T" สองแหล่ง:​​ มีสายเคเบิลสองวงจรเชื่อมต่อจากส่วนของบัสบาร์ที่แตกต่างกัน แต่ละโหลดสามารถรับไฟฟ้าจากทั้งสองสายเคเบิล วิธีนี้โดยพื้นฐานทำให้ไม่มีการหยุดทำงานสำหรับผู้ใช้ที่มีแหล่งจ่ายไฟฟ้าสองแหล่งและเหมาะสมสำหรับผู้ใช้ที่สำคัญบางราย

​1.3 วงจรหลัก (RMUs) และคุณสมบัติ​
RMUs หมายถึงตู้สวิตช์เกียร์ที่ใช้สำหรับการจ่ายไฟฟ้าแบบวงจรหลัก ประเภทของตู้รวมถึงสวิตช์โหลด สวิตช์วงจร คอมโบสวิตช์โหลด + ฟิวส์ อุปกรณ์ผสม ตัวเชื่อมต่อบัส หน่วยวัด ทรานส์ฟอร์เมอร์แรงดัน (VTs) ฯลฯ หรือการรวมหรือขยายใดๆ ของอุปกรณ์เหล่านี้

RMUs มีโครงสร้างกระชับ พื้นที่ใช้สอยน้อย ราคาถูก ติดตั้งง่าย และใช้เวลาในการใช้งานสั้น ตอบสนองความต้องการ "การย่อขนาดอุปกรณ์" ใช้กันอย่างแพร่หลายในอาคารชุมชน อาคารสาธารณะ สถานีแปลงไฟฟ้าขนาดเล็กและกลาง สถานีเปลี่ยนทางที่สอง สถานีแปลงไฟฟ้าขนาดกะทัดรัด และกล่องเชื่อมต่อสายเคเบิล

​1.4 ประเภทของ RMUs​

• ​RMUs ที่ใช้อากาศเป็นฉนวน:​​ ใช้อากาศเป็นฉนวน มีพื้นที่และปริมาณใหญ่ และไวต่ออิทธิพลของสภาพแวดล้อม
• ​RMUs ที่ใช้ก๊าซ SF6:​​ ใช้ก๊าซ SF6 เป็นฉนวน สวิตช์หลักถูกห่อหุ้มอยู่ภายในเปลือกโลหะที่ปิดสนิทเต็มไปด้วยก๊าซ SF6 ขณะที่กลไกการทำงานอยู่ภายนอกเปลือก เนื่องจากเปลือกที่ปิดสนิท ทำให้ไม่ได้รับผลกระทบจากสภาพแวดล้อมภายนอก ปริมาณของมันน้อยกว่า RMUs ที่ใช้อากาศเป็นฉนวนอย่างมาก ทำให้เป็นประเภทที่ใช้กันมากที่สุดในปัจจุบัน
• ​RMUs ที่ใช้วัสดุฉนวนแข็ง:​​ ใช้วัสดุฉนวนแข็งเป็นฉนวนหลัก สวิตช์และส่วนที่มีกระแสไฟฟ้าทั้งหมดถูกห่อหุ้มหรือเทด้วยวัสดุฉนวน เช่น สารเรซินอีพ็อกซี่ เนื่องจากระยะปลอดภัยระหว่างเฟสและระหว่างเฟสกับพื้นภายในสวิตช์ลดลง ขนาดและปริมาณของมันคล้ายคลึงกับ RMUs ที่ใช้ก๊าซ SF6 ไม่ปล่อยก๊าซ SF6 และสามารถทำงานโดยไม่ต้องบำรุงรักษาจริงๆ

​2 ข้อจำกัดในการใช้งาน RMUs ที่ใช้ก๊าซ SF6​
SF6 เป็นก๊าซที่มีผลต่อภาวะเรือนกระจกในชั้นบรรยากาศอย่างมาก แต่ SF6 มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดี (ฉนวน ดับอาร์ก และการทำความเย็นที่ดี) ความลบประจุที่สูง ความนำความร้อนและเสถียรภาพที่ดี สามารถใช้ซ้ำได้ ไม่ไวต่อสภาพแวดล้อม (ความชื้น การปนเปื้อน ความสูง) และทำให้การออกแบบตู้ที่กระชับได้ ดังนั้นจึงใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นฉนวนและสื่อดับอาร์กในอุปกรณ์ไฟฟ้า การบริโภค SF6 มากที่สุดในอุตสาหกรรมไฟฟ้า สถิติแสดงว่า 80% ของก๊าซ SF6 ที่ผลิตประจำปีถูกใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้า

คณะกรรมการระหว่างรัฐบาลว่าด้วยการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศแห่งสหประชาชาติ (IPCC) และสำนักงานคุ้มครองสิ่งแวดล้อมของสหรัฐอเมริกา (EPA) ทั้งสององค์กรจัดให้ SF6 เป็นก๊าซเรือนกระจกที่มีความเป็นอันตรายและมีผลกระทบที่รุนแรงอย่างมาก กฎระเบียบ F-Gas ของสหภาพยุโรป (2006) กำหนดว่า: ยกเว้นสำหรับสวิตช์เกียร์ที่ไม่มีทางเลือกอื่น ห้ามใช้ SF6 ในส่วนใหญ่ของภาคส่วน

นอกจากนี้ RMUs ที่ใช้ก๊าซ SF6 ซับซ้อนในการใช้งานและต้องการการลงทุนอย่างมาก จำเป็นต้องมีอุปกรณ์เสริมมากมาย:

• ​ซื้ออุปกรณ์ตรวจสอบการรั่วไหลของ SF6:​​ ใช้สำหรับตรวจจับการรั่วไหลของก๊าซ SF6 ตรวจสอบความเข้มข้นของ SF6 และออกซิเจน ตรวจจับความชื้นในปริมาณน้อย ฯลฯ
• ​ติดตั้งอุปกรณ์รีไซเคิล SF6:​​ โดยผลิตภัณฑ์รอง เช่น SF4 จะถูกสร้างขึ้นภายในช่องก๊าซระหว่างกระบวนการดับอาร์กของ SF6 ดังนั้น ณ จุดสิ้นสุดอายุการใช้งาน ไม่เพียงแค่ต้องรีไซเคิลก๊าซ SF6 ที่เหลืออยู่ แต่ยังต้องทำการรักษาผลิตภัณฑ์รองที่มีพิษอย่างพิเศษ
• ​ตั้งค่าอุปกรณ์การทำความสะอาดก๊าซ SF6:​​ เพื่อทำความสะอาดและรีไซเคิลก๊าซ SF6
• ​ติดตั้งอุปกรณ์ระบายอากาศในสถานีแปลงไฟฟ้า.​​

เมื่อใช้ RMUs ที่ใช้ก๊าซ SF6 จำเป็นต้อง:

• ​ลดการรั่วไหลของ SF6 ให้น้อยที่สุด:​​ RMUs ที่ใช้ก๊าซ SF6 ใช้ช่องที่ปิดสนิทและมีแรงดัน แต่การรั่วไหลของก๊าซเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ การดำเนินการสลับสวิตช์เมื่อความดัน SF6 ต่ำจะทำให้มีความเชื่อถือได้น้อย ทำให้เกิดภัยคุกคามต่อความปลอดภัยของผู้ปฏิบัติงานและลดอายุการใช้งานของอุปกรณ์
• ​ก่อนที่พนักงานจะเข้าสู่สถานีแปลงไฟฟ้า ต้องทำการระบายอากาศแบบบังคับก่อน และสวมอุปกรณ์ป้องกันพิเศษ.​​
• ​กระบวนการและขั้นตอนการดำเนินการซับซ้อน ต้องฝึกอบรมบุคลากรที่เกี่ยวข้องอย่างต่อเนื่อง.​​

​3 คุณสมบัติและแอปพลิเคชันของ RMUs ที่ใช้วัสดุฉนวนแข็ง​
ความเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมของ RMUs ที่ใช้ก๊าซ SF6 จำกัดการพัฒนาต่อไป หาทางเลือกแทน SF6 ได้เป็นหัวข้อการวิจัยทั่วโลก RMUs ที่ใช้วัสดุฉนวนแข็งได้รับการพัฒนาและแนะนำโดย Eaton Corporation (สหรัฐอเมริกา) ในปลายทศวรรษ 1990 ระหว่างการดำเนินการ ไม่สร้างก๊าซพิษหรืออันตรายใดๆ ไม่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม มีความเชื่อถือได้สูง และสามารถทำงานโดยไม่ต้องบำรุงรักษาจริงๆ

RMUs ที่ใช้วัสดุฉนวนแข็งหมายถึงระบบที่วงจรหลัก เช่น วงจรตัดวงจรสุญญากาศ สวิตช์แยก สวิตช์ต่อพื้น บัสบาร์หลัก บัสบาร์แขนง ถูกห่อหุ้มด้วยวัสดุฉนวนแข็ง เช่น สารเรซินอีพ็อกซี่ อย่างเดี่ยวหรือรวมกัน ถูกห่อหุ้มภายในโมดูลฟังก์ชันที่มีฉนวนและปิดสนิททั้งหมด ซึ่งสามารถรวมหรือขยายได้ ผิวภายนอกของโมดูลที่สามารถเข้าถึงได้ถูกเคลือบด้วยชั้นป้องกันที่นำไฟฟ้าหรือกึ่งนำไฟฟ้าและสามารถต่อพื้นได้โดยตรงและเชื่อถือได้

​3.1 คุณสมบัติของ RMUs ที่ใช้วัสดุฉนวนแข็ง​

• ​การออกแบบที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม:​​ ไม่ใช้ SF6 เป็นฉนวนหรือสื่อสลับ แทนที่จะใช้สุญญากาศเป็นสื่อดับอาร์กสำหรับสวิตช์ และใช้วัสดุที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและไม่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม (และสามารถรีไซเคิลได้) เป็นฉนวนหลัก นอกจากนี้ยังลดจำนวนส่วนประกอบให้น้อยที่สุดเพื่อให้แน่ใจว่าการบริโภคพลังงานในการดำเนินการต่ำและมีจุดที่อาจเกิดข้อผิดพลาดน้อยลง
• ​การบำรุงรักษาจริงๆ ไม่ต้องการ:​​ RMUs ที่ใช้วัสดุฉนวนแข็งไม่มีภาชนะความดัน SF6 ฉนวนภายในและดับอาร์กของสวิตช์ใช้สื่อสุญญากาศ ส่วนฉนวนภายนอกใช้วัสดุฉนวนแข็ง เช่น ท่อฉนวน ท่อฉนวนใช้เทคโนโลยีการหล่อแข็ง รวมสวิตช์สุญญากาศ วงจรหลัก และที่ยึดฉนวนเป็นหน่วยเดียว ปิดสนิทภายในเปลือกโลหะ ไม่ได้รับผลกระทบจากสภาพแวดล้อมภายนอก เนื่องจากโครงสร้างที่มีฉนวนและปิดสนิททั้งหมด และไม่มีปัญหาเช่น การตรวจสอบการรั่วไหลของ SF6 การเติมก๊าซ และการกำจัดของเสีย ทำให้สามารถทำงานโดยไม่ต้องบำรุงรักษาจริงๆ
• ​ประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจสูง:​​ แม้ว่าการลงทุนเริ่มต้นสำหรับ RMUs ที่ใช้วัสดุฉนวนแข็งจะสูงกว่า RMUs ที่ใช้ก๊าซ SF6 นิดหน่อย แต่ต้นทุนตลอดวงจรชีวิตต่ำมาก ดังแสดงในตาราง 1 ผู้ใช้พิจารณาอย่างครอบคลุมมากขึ้น ไม่เพียงแค่ราคารับซื้อเริ่มต้น แต่ยังรวมถึงต้นทุนตลอดวงจรชีวิต รวมถึงความเสี่ยงด้านความปลอดภัย คุณภาพของการกระจายไฟฟ้า การควบคุมต้นทุน และความยั่งยืน ต้นทุนที่ต้องใช้ในการบำรุงรักษา การเติมก๊าซ การจัดการการรั่วไหล และการรีไซเคิล SF6 ที่สิ้นสุดอายุการใช้งานของ RMUs ที่ใช้ก๊าซ SF6 แทบจะเท่ากับราคารับซื้อ ในทางกลับกัน RMUs ที่ใช้วัสดุฉนวนแข็งมีการลงทุนเริ่มต้นเพียงครั้งเดียวและไม่มีต้นทุนตามมา ดังนั้น จากมุมมองระยะยาว ประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจของ RMUs ที่ใช้วัสดุฉนวนแข็งสูงกว่า RMUs ที่ใช้ก๊าซ SF6 อย่างมาก

​ตาราง 1: การเปรียบเทียบต้นทุนตลอดวงจรชีวิตระหว่าง RMUs ที่ใช้ก๊าซ SF6 และ RMUs ที่ใช้วัสดุฉนวนแข็ง​

• ​โครงสร้างที่กระชับ:​​ ออกแบบให้กระชับที่สุดโดยยังคงความปลอดภัยของตู้และความสะดวกในการดำเนินการ ขนาดและปริมาณของมันยังน้อยกว่า RMUs ที่ใช้ก๊าซ SF6 ช่วยให้ผู้ใช้ประหยัดพื้นที่และให้ประโยชน์ทางเศรษฐกิจโดยตรง
• ​การออกแบบที่ทนทานต่ออาร์กภายใน ปลอดภัยและเชื่อถือได้มากขึ้น:​​ สำหรับสวิตช์เกียร์หลักและรอง ความเสียหายอย่างรุนแรงจากการอาร์กภายในเกิดขึ้นอย่างน้อยปีละครั้ง RMUs ที่ใช้วัสดุฉนวนแข็งส่วนใหญ่รวมการออกแบบที่ทนทานต่ออาร์กภายใน เมื่อมีอาร์กภายในเกิดขึ้น ผลกระทบที่มีต่อ RMU จะลดลงให้น้อยที่สุด ทำให้การดำเนินการของอุปกรณ์ปลอดภัยและเชื่อถือได้มากขึ้น
• ​ช่องว่างการแยกที่เห็นได้:​​ มีหน้าต่างสำหรับสังเกตการณ์เพื่อตรวจสอบสถานะการติดต่อของสวิตช์แยกสามตำแหน่งภายใน ให้การแยกที่เห็นได้บนที่ตั้งและเพิ่มความปลอดภัยให้กับผู้ปฏิบัติงาน
• ​ความสามารถทางอัจฉริยะ:​​ ทำให้การ automatize การกระจายไฟฟ้าทำได้ง่ายกว่า RMUs ที่ใช้ก๊าซ SF6 หลังจากการติดตั้ง Distribution Terminal Unit (DTU) และอุปกรณ์สื่อสาร สามารถทำได้โดยง่าย เช่น การรวบรวมและตรวจสอบข้อมูลสถานะ ฟังก์ชัน "สี่ระยะทาง" (การส่งสัญญาณระยะไกล การวัดระยะไกล การควบคุมระยะไกล การปรับระยะไกล