So sánh giữa các thiết bị phân phối vòng tròn cách điện khí SF6 và cách điện rắn

Giới thiệu​
Hiện nay, các thiết bị phân phối vòng SF6 (sau đây gọi là "SF6 RMUs") chiếm ưu thế trên thị trường. Tuy nhiên, khí SF6 được công nhận quốc tế là một trong những khí nhà kính chính. Để đạt được mục tiêu bảo vệ môi trường và giảm phát thải, việc sử dụng nó phải được giảm thiểu và hạn chế. Sự xuất hiện của các thiết bị phân phối vòng cách điện rắn (RMUs) đã giải quyết các vấn đề liên quan đến SF6 RMUs đồng thời tích hợp nhiều tính năng mới.

​1 Cung cấp điện vòng và Thiết bị phân phối vòng (RMUs)​​
Quá trình "đô thị hóa" đặt ra yêu cầu ngày càng cao về độ tin cậy của hệ thống phân phối điện. Nhiều người dùng cần nguồn điện kép (hoặc nhiều hơn). Việc sử dụng hệ thống "cung cấp điện theo đường kính" có thể dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt cáp, thách thức trong việc khắc phục sự cố, và bất tiện trong quá trình nâng cấp và mở rộng lưới điện. Ngược lại, "cung cấp điện vòng" có thể thuận tiện cung cấp nguồn điện kép (hoặc nhiều hơn) cho tải trọng quan trọng, đơn giản hóa các đường dây phân phối, dễ dàng định tuyến cáp, giảm yêu cầu về thiết bị chuyển mạch, giảm tỷ lệ hỏng hóc, và dễ dàng xác định điểm lỗi.

​1.1 Cung cấp điện vòng​
Cung cấp điện vòng là hệ thống mà hai (hoặc nhiều hơn) đường dây đi ra từ các trạm biến áp khác nhau hoặc các thanh busbar khác nhau trong cùng một trạm biến áp được kết nối thành một vòng để cung cấp điện. Ưu điểm của nó bao gồm: mỗi nhánh phân phối có thể lấy điện từ đường dây chính bên trái hoặc đường dây chính bên phải. Điều này có nghĩa là nếu xảy ra sự cố trên một đường dây chính, điện vẫn có thể tiếp tục được cung cấp từ phía bên kia. Mặc dù về bản chất là cung cấp điện theo một mạch, nhưng mỗi nhánh phân phối thực sự có lợi ích tương tự như cung cấp điện theo hai mạch, cải thiện đáng kể độ tin cậy. Quy định ở Trung Quốc quy định rằng kết nối vòng chính trong thành phố tuân theo "Tiêu chuẩn An toàn N-1". Điều này có nghĩa là nếu có N tải trên đường dây, khi bất kỳ một tải nào gặp sự cố, hệ thống có thể chấp nhận tải chuyển đổi, đảm bảo các tải còn lại "N-1" tiếp tục nhận được nguồn điện an toàn mà không gây mất điện hoặc cắt tải.

​1.2 Phương pháp kết nối vòng​

• ​Kết nối vòng tiêu chuẩn:​​ Được cung cấp bởi một nguồn, tạo thành vòng thông qua chính các cáp, đảm bảo cung cấp điện đáng tin cậy cho tất cả các tải khác khi một đoạn cáp bị hỏng.
• ​Kết nối vòng từ các thanh busbar khác nhau:​​ Kết nối này có hai nguồn điện, thường hoạt động theo vòng mở, cung cấp độ tin cậy cung cấp điện cao hơn và linh hoạt hơn trong vận hành.
• ​Kết nối vòng đơn:​​ Nguồn điện được lấy từ các trạm biến áp khác nhau hoặc hai phần thanh busbar. Khi bất kỳ đoạn cáp nào trong mạng đang được bảo dưỡng, điều này không gây ra sự gián đoạn tải.
• ​Kết nối vòng kép:​​ Mỗi tải có thể nhận điện từ một mạng vòng độc lập, cung cấp độ tin cậy rất cao.
• ​Kết nối đôi "T" từ hai nguồn:​​ Hai mạch cáp được kết nối từ các phần thanh busbar khác nhau. Mỗi tải có thể lấy điện từ cả hai cáp. Phương pháp này thực sự đạt được không gián đoạn cho người dùng có hai nguồn và đặc biệt phù hợp cho một số người dùng quan trọng.

​1.3 Thiết bị phân phối vòng (RMUs) và Các đặc điểm​
RMUs là tủ chuyển mạch được sử dụng cho cung cấp điện vòng. Loại tủ bao gồm công tắc tải, cầu chì, kết hợp công tắc tải + cầu chì, thiết bị kết hợp, bộ ghép thanh, đơn vị đo lường, biến áp điện áp (VTs), v.v., hoặc bất kỳ sự kết hợp hoặc mở rộng nào của chúng.

RMUs có cấu trúc nhỏ gọn, diện tích sàn nhỏ, chi phí thấp, dễ lắp đặt, và thời gian đưa vào sử dụng ngắn, đáp ứng yêu cầu "miniaturization thiết bị". Chúng được sử dụng rộng rãi trong các khu phức hợp dân cư, các tòa nhà công cộng, trạm biến áp doanh nghiệp vừa và nhỏ, trạm chuyển mạch thứ cấp, trạm biến áp nhỏ gọn, và hộp đấu cáp.

​1.4 Loại RMUs​

• ​RMUs cách điện bằng không khí:​​ Sử dụng không khí làm chất cách điện. Chúng có diện tích sàn và thể tích lớn, và dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường.
• ​RMUs SF6:​​ Sử dụng khí SF6 làm chất cách điện. Công tắc chính được chứa trong vỏ kim loại kín chứa khí SF6, với cơ chế hoạt động nằm bên ngoài vỏ. Do vỏ kín, chúng không bị ảnh hưởng bởi môi trường bên ngoài. Thể tích của chúng nhỏ hơn đáng kể so với RMUs cách điện bằng không khí tiêu chuẩn, làm cho chúng là loại được sử dụng phổ biến nhất hiện nay.
• ​RMUs cách điện rắn:​​ Sử dụng vật liệu cách điện rắn làm chất cách điện chính. Công tắc và tất cả các bộ phận dẫn điện được bọc hoặc đổ bằng vật liệu cách điện như nhựa epoxy. Vì khoảng cách cách điện giữa pha và pha, pha và đất bên trong công tắc được giảm, kích thước và thể tích của chúng tương đương với RMUs SF6. Chúng không sản sinh khí SF6 và đạt được hoạt động thực sự không cần bảo trì.

​2 Giới hạn sử dụng của RMUs SF6​
SF6 là nguyên nhân chính gây hiệu ứng nhà kính. Tuy nhiên, SF6 có các tính chất điện lý tưởng (tính cách điện, dập hồ quang, và làm mát tốt), điện âm mạnh, dẫn nhiệt và ổn định, có thể tái sử dụng, không nhạy cảm với điều kiện môi trường (độ ẩm, ô nhiễm, độ cao), và cho phép thiết kế tủ nhỏ gọn. Do đó, nó được sử dụng rộng rãi làm chất cách điện và dập hồ quang trong thiết bị điện. Tiêu thụ SF6 cao nhất trong ngành điện; thống kê cho thấy 80% lượng khí SF6 sản xuất hàng năm được sử dụng trong thiết bị điện.

Ban chuyên gia Liên Hợp Quốc về Biến đổi Khí hậu (IPCC) và Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) đều phân loại SF6 là khí nhà kính cực kỳ nguy hiểm và tác động mạnh. Quy định F-Gas của EU (2006) quy định: ngoại trừ thiết bị chuyển mạch điện nơi không có lựa chọn thay thế khả thi, việc sử dụng SF6 bị cấm trong hầu hết các lĩnh vực.

Ngoài ra, RMUs SF6 phức tạp để sử dụng và đòi hỏi đầu tư lớn, cần nhiều thiết bị phụ trợ:

• ​Mua thiết bị giám sát rò rỉ SF6:​​ Được sử dụng để phát hiện rò rỉ khí SF6, giám sát nồng độ SF6 và hàm lượng oxy, phát hiện hơi nước, v.v.
• ​Trang bị đơn vị thu hồi SF6:​​ Các sản phẩm phụ như SF4 được tạo ra trong khoang khí trong quá trình dập hồ quang SF6. Do đó, cuối đời, không chỉ phải thu hồi khí SF6 còn lại, mà các sản phẩm phụ độc hại còn lại cũng cần xử lý đặc biệt.
• ​Cấu hình thiết bị làm sạch khí SF6:​​ Để làm sạch và tái chế khí SF6.
• ​Lắp đặt thiết bị thông gió trong trạm biến áp.​​

Khi sử dụng RMUs SF6, cần phải:

• ​Giảm thiểu rò rỉ SF6:​​ RMUs SF6 sử dụng khoang kín áp suất, nhưng rò rỉ khí là không tránh khỏi. Thực hiện các hoạt động chuyển mạch khi áp suất SF6 thấp dẫn đến độ tin cậy thấp, trực tiếp đe dọa an toàn của người vận hành và giảm tuổi thọ thiết bị.
• ​Trước khi công nhân vào trạm biến áp, phải thực hiện thông gió ép buộc, và họ phải mặc đồ bảo hộ đặc biệt.​​
• ​Các hoạt động và thủ tục phức tạp, đòi hỏi đào tạo lặp đi lặp lại cho nhân viên liên quan.​​

​3 Đặc điểm và Ứng dụng của RMUs cách điện rắn​
Nguy cơ môi trường tiềm tàng của RMUs SF6 hạn chế sự phát triển tiếp theo của chúng. Tìm kiếm các lựa chọn thay thế cho SF6 đã trở thành chủ đề nghiên cứu trên toàn thế giới. RMUs cách điện rắn được phát triển và giới thiệu lần đầu tiên bởi Tập đoàn Eaton (Hoa Kỳ) vào cuối những năm 1990. Trong quá trình hoạt động, chúng không tạo ra bất kỳ khí độc hại hay có hại nào, không có tác động môi trường, có độ tin cậy cao hơn, và đạt được hoạt động thực sự không cần bảo trì.

RMUs cách điện rắn là hệ thống mà các mạch dẫn điện chính - như công tắc chân không, công tắc cách ly, công tắc tiếp đất, thanh busbar chính, thanh busbar nhánh - được bọc riêng lẻ hoặc kết hợp với vật liệu cách điện rắn như nhựa epoxy. Chúng được bọc trong các mô-đun chức năng cách điện hoàn toàn, kín, có thể được kết hợp hoặc mở rộng thêm. Bề mặt bên ngoài của các mô-đun có thể tiếp xúc được phủ một lớp chắn dẫn điện hoặc bán dẫn và có thể được tiếp đất trực tiếp và đáng tin cậy.

​3.1 Đặc điểm của RMUs cách điện rắn​

• ​Thiết kế thân thiện với môi trường:​​ Không sử dụng SF6 làm chất cách điện hoặc chuyển mạch. Thay vào đó, chân không được sử dụng làm môi trường dập hồ quang cho công tắc, và các vật liệu thân thiện với môi trường, không có tác động môi trường (và có thể tái chế) được sử dụng làm chất cách điện chính. Ngoài ra, số lượng thành phần được tối thiểu hóa để đảm bảo tiêu thụ năng lượng thấp trong quá trình hoạt động và ít điểm có thể hỏng.
• ​Thực sự không cần bảo trì:​​ RMUs cách điện rắn loại bỏ khoang chứa áp lực SF6. Cách điện và dập hồ quang bên trong thân công tắc sử dụng môi trường chân không; cách điện bên ngoài sử dụng vật liệu dielectric rắn như ống cách điện. Ống cách điện sử dụng công nghệ đúc rắn, tích hợp công tắc chân không, mạch dẫn điện chính, và các giá đỡ cách điện thành một khối, được niêm phong trong vỏ kim loại, không bị ảnh hưởng bởi môi trường bên ngoài. Do cấu trúc tổng thể cách điện và kín hoàn toàn, và không có vấn đề như phát hiện rò rỉ SF6, nạp lại khí, và xử lý chất thải, hoạt động thực sự không cần bảo trì được đạt được.
• ​Hiệu quả kinh tế cao:​​ Mặc dù đầu tư ban đầu cho RMUs cách điện rắn có thể cao hơn một chút so với RMUs SF6, nhưng tổng chi phí chu kỳ sống thấp hơn đáng kể, như được thể hiện trong Bảng 1. Người dùng ngày càng xem xét toàn diện, bao gồm không chỉ giá mua ban đầu mà còn tổng chi phí chu kỳ sống, bao gồm rủi ro an toàn, chất lượng lưới điện, kiểm soát chi phí, và bền vững. Chi phí cần thiết để bảo trì, nạp lại khí, xử lý rò rỉ, và thu hồi cuối cùng của RMUs SF6 trong suốt chu kỳ sống của chúng gần như tương đương với chi phí mua. Ngược lại, RMUs cách điện rắn chỉ cần một khoản đầu tư ban đầu và hầu như không có chi phí sau đó. Do đó, từ góc độ dài hạn, hiệu quả kinh tế của RMUs cách điện rắn vượt trội so với RMUs SF6.

​Bảng 1: So sánh chi phí chu kỳ sống giữa RMUs SF6 và RMUs cách điện rắn​

• ​Cấu trúc nhỏ gọn:​​ Được thiết kế nhỏ gọn nhất có thể trong khi vẫn đảm bảo an toàn và dễ dàng vận hành. Diện tích sàn và thể tích của chúng thậm chí còn nhỏ hơn so với RMUs SF6, giúp người dùng tiết kiệm không gian và mang lại lợi ích kinh tế trực tiếp.
• ​Thiết kế chống hồ quang nội bộ, an toàn và đáng tin cậy hơn:​​ Đối với thiết bị chuyển mạch chính và phụ, hư hỏng đáng kể do hồ quang nội bộ xảy ra ít nhất một lần mỗi năm. Hầu hết RMUs cách điện rắn đều tích hợp thiết kế chống hồ quang nội bộ. Khi hồ quang nội bộ xảy ra, tác động của nó lên RMU được giảm thiểu tối đa, đảm bảo thiết bị hoạt động an toàn và đáng tin cậy hơn.
• ​Khoảng cách cách ly trực quan:​​ Có cửa sổ quan sát trực quan để dễ dàng kiểm tra trạng thái tiếp xúc của công tắc cách ly ba vị trí, cung cấp cách ly trực quan tại chỗ và tăng cường an toàn cho người vận hành.
• ​Năng lực thông minh:​​ Dễ dàng triển khai tự động hóa phân phối hơn so với RMUs SF6. Sau khi cài đặt Đơn vị đầu cuối phân phối (DTU) và thiết bị truyền thông, các chức năng như thu thập và giám sát dữ liệu trạng thái, "Bốn chức năng từ xa" (tín hiệu từ xa, đo lường từ xa, điều khiển từ xa, điều chỉnh từ xa), truyền thông, tự chẩn đoán, và ghi/chú thích có thể được thực hiện dễ dàng.

​3.2 Tình trạng ứng dụng​
Hiện nay, việc áp dụng rộng rãi RMUs cách điện rắn bị hạn chế bởi giá cả cao hơn và quy trình sản xuất phức tạp. Yêu cầu quy trình của chúng vượt quá so với RMUs cách điện bằng khí SF6. Nếu kỹ thuật quy trình không đủ, rủi ro cách điện, xác suất hỏng hóc, và nguy hiểm có thể cao hơn so với RMUs SF6, đòi hỏi kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt đối với nguyên liệu và thủ công. Ngoài ra, tính linh hoạt trong việc đấu nối của RMUs cách điện rắn có thể bị hạn chế, đặc biệt là đối với các đơn vị chức năng như tủ PT (VT) và tủ đo lường, cung cấp ít lựa chọn kết nối hơn và hạn chế sự lựa chọn của người dùng, điều này cũng hạn chế phần nào việc áp dụng và phát triển của RMUs cách điện rắn.

Với việc tối ưu hóa liên tục cấu trúc sản xuất và tiêu chuẩn hóa ngày càng tăng trong sản xuất sản phẩm, chất lượng sản phẩm của RMUs cách điện rắn đang trở nên ổn định hơn, và giá cả đang dần giảm. Một số quốc gia cung cấp khuyến mãi 5%~10% cho các sản phẩm không sử dụng SF6, để giảm sử dụng và phát thải. Điều này có nghĩa là người dùng không chỉ xem xét chi phí mua trong quá trình ra quyết định. Chúng ta cũng có thể học hỏi từ thực tiễn quốc tế: ưu tiên sử dụng RMUs cách điện rắn trong các dự án nhạy cảm với môi trường và các dự án mới (ví dụ: khu dân cư, tòa nhà công cộng, xây dựng đô thị), trong khi dần loại bỏ RMUs SF6. Loại bỏ và thay thế RMUs SF6 cũ hoặc đang hoạt động theo thời gian sử dụng được cam kết bởi nhà sản xuất, và cung cấp hỗ trợ tài chính cho người dùng áp dụng RMUs cách điện rắn thân thiện với môi trường để hỗ trợ các sản phẩm này. Khi ý thức môi trường của người dùng tăng lên và cân nhắc chi phí chu kỳ sống tăng, triển vọng cho RMUs cách điện rắn là rộng lớn.

​4 Kết luận​
RMUs cách điện rắn về mặt kỹ thuật tương đương với RMUs SF6 và sở hữu một số tính năng mà RMUs SF6 không có, như không phát thải khí độc hại, thực sự không cần bảo trì, và chi phí tổng chu kỳ sống thấp hơn. Chúng đang ngày càng thu hút sự chú ý và ưa chuộng của người dùng.