Сравнение газонаполненных кольцевых главных устройств SF6 и твердотельных кольцевых главных устройств

Введение​
В настоящее время на рынке доминируют кольцевые распределительные устройства с изоляцией SF6 (далее - "SF6 RMUs"). Однако газ SF6 признан одним из основных парниковых газов. Для достижения целей по охране окружающей среды и снижению выбросов его использование должно быть уменьшено и ограничено. Появление кольцевых распределительных устройств с твердой изоляцией (RMUs) решило проблемы, связанные с SF6 RMUs, и включило множество новых функций.

​1 Кольцевое питание и кольцевые распределительные устройства (RMUs)​​
Процесс "урбанизации" предъявляет все более высокие требования к надежности распределения электроэнергии. Больше пользователей требуют двойного (или многократного) источника питания. Использование системы "радиального питания" может привести к трудностям при установке кабелей, проблемам с диагностикой неисправностей и неудобствам при модернизации и расширении сетей. С другой стороны, "кольцевое питание" удобно обеспечивает двойное (или более) питание для важных нагрузок, упрощает линии распределения, облегчает прокладку кабелей, снижает потребность в коммутационном оборудовании, уменьшает частоту отказов и облегчает определение точек неисправностей.

​1.1 Кольцевое питание​
Кольцевое питание означает систему, в которой два (или более) исходящих линии от разных подстанций или разных шин одной подстанции соединены в кольцо для питания. Его преимущества включают: каждая распределительная ветвь может получать питание от главной линии слева или справа. Это означает, что если произойдет сбой на одной из главных линий, питание может продолжаться с другой стороны. Хотя это по сути однолинейное питание, каждая распределительная ветвь фактически получает преимущества, аналогичные двухлинейному питанию, значительно повышая надежность. В Китае установлено, что основное кольцевое соединение в городах следует "критерию безопасности N-1". Это означает, что если на линии есть N нагрузок, при сбое любого одного нагрузка система может принять переданную нагрузку, обеспечивая безопасное питание оставшихся "N-1" нагрузок без отключений или сброса нагрузки.

​1.2 Методы кольцевого соединения​

• ​Стандартное кольцевое соединение:​​ Питание осуществляется от одного источника, образуя кольцо через кабели, обеспечивая надежное питание всех остальных нагрузок при сбое одного участка кабеля.
• ​Кольцевое соединение от разных шин:​​ Это соединение имеет два источника питания, обычно работает в открытом контуре, предлагая более высокую надежность питания и большую оперативную гибкость.
• ​Одинарное кольцевое соединение:​​ Источники питания берутся из разных подстанций или двух секций шин. При обслуживании любого участка кабеля в сети не происходит отключения нагрузки.
• ​Двойное кольцевое соединение:​​ Каждая нагрузка может получать питание от независимой кольцевой сети, обеспечивая очень высокую надежность.
• ​Двойное "T"-образное соединение с двумя источниками:​​ Два кабельных цепи соединены от разных секций шин. Каждая нагрузка может получать питание от обоих кабелей. Этот метод фактически достигает отсутствия отключений для пользователей с двумя источниками и особенно подходит для некоторых важных пользователей.

​1.3 Кольцевые распределительные устройства (RMUs) и их особенности​
RMUs - это шкафы коммутационного оборудования, используемые для кольцевого питания. Типы шкафов включают выключатели нагрузки, автоматические выключатели, комбинации выключателей нагрузки + предохранители, комбинированные устройства, шины, счетчики, трансформаторы напряжения (VTs) и т. д., или любую комбинацию или расширение этих элементов.

RMUs имеют компактную структуру, маленькую площадь, низкую стоимость, легкую установку и короткие сроки ввода в эксплуатацию, соответствующие требованиям "миниатюризации оборудования". Они широко используются в жилых комплексах, общественных зданиях, небольших и средних предприятиях, вторичных переключательных станциях, компактных подстанциях и кабельных соединительных коробках.

​1.4 Типы RMU​

• ​RMUs с воздушной изоляцией:​​ Используют воздух в качестве изоляционного материала. Они имеют большую площадь и объем и подвержены влиянию окружающей среды.
• ​SF6 RMUs:​​ Используют газ SF6 в качестве изоляционного материала. Главный выключатель заключен в герметичный металлический корпус, заполненный газом SF6, а механизм управления находится снаружи корпуса. Из-за герметичного корпуса они не подвержены влиянию внешней среды. Их объем значительно меньше, чем у стандартных RMUs с воздушной изоляцией, что делает их наиболее часто используемым типом в настоящее время.
• ​RMUs с твердой изоляцией:​​ Используют твердые изоляционные материалы в качестве основного изоляционного материала. Выключатель и все живые части заключены или защищены изоляционными материалами, такими как эпоксидная смола. Поскольку безопасные межфазные и фазно-земляные изоляционные расстояния внутри выключателя уменьшены, их размер и объем сопоставимы с SF6 RMUs. Они не производят выбросов SF6 и обеспечивают действительно бесперебойную работу.

​2 Ограничения использования SF6 RMUs​
SF6 является значительным вкладчиком в парниковый эффект атмосферы. Однако SF6 обладает идеальными электрическими свойствами (отличная изоляция, дугогасящие и охлаждающие свойства), сильной электроотрицательностью, хорошей теплопроводностью и стабильностью, является повторно используемым, нечувствителен к условиям окружающей среды (влажность, загрязнение, высота), и позволяет создавать компактные конструкции шкафов. Поэтому он широко используется в качестве изоляционного и дугогасящего средства в электрическом оборудовании. Потребление SF6 в энергетической отрасли самое высокое; статистика показывает, что 80% произведенного ежегодно газа SF6 используется в электрическом оборудовании.

Межправительственная группа экспертов ООН по изменению климата (IPCC) и Агентство по охране окружающей среды США (EPA) классифицируют SF6 как крайне вредный и воздействующий парниковый газ. Регламент ЕС по F-газам (2006) устанавливает: за исключением силовых коммутационных устройств, где нет жизнеспособной альтернативы, использование SF6 запрещено в большинстве областей.

Кроме того, SF6 RMUs сложны в использовании и требуют значительных инвестиций, необходимы многие вспомогательные устройства:

• ​Приобретение оборудования для мониторинга утечек SF6:​​ Используется для обнаружения утечек газа SF6, мониторинга концентрации SF6 и содержания кислорода, обнаружения следов влаги и т. д.
• ​Оснащение устройствами для рекуперации SF6:​​ В процессе дугогашения SF6 в газовой камере образуются побочные продукты, такие как SF4. Поэтому в конце срока службы необходимо не только восстановить оставшийся газ SF6, но и специальным образом обработать остаточные токсичные побочные продукты.
• ​Настройка оборудования для очистки газа SF6:​​ Для очистки и рециклинга газа SF6.
• ​Установка вентиляционного оборудования в подстанциях.​​

При использовании SF6 RMUs необходимо:

• ​Минимизировать утечки SF6:​​ SF6 RMUs используют герметичные полости под давлением, но утечки газа неизбежны. Выполнение коммутационных операций при низком давлении SF6 приводит к низкой надежности, прямо угрожая безопасности операторов и снижая срок службы оборудования.
• ​Перед входом рабочих в подстанцию необходимо провести принудительную вентиляцию, и они должны надеть специальное защитное оборудование.​​
• ​Операции и процедуры сложны, требуют повторного обучения соответствующего персонала.​​

​3 Характеристики и применения RMUs с твердой изоляцией​
Потенциальная экологическая угроза SF6 RMUs ограничивает их дальнейшее развитие. Поиск альтернатив SF6 является предметом исследований во всем мире. RMUs с твердой изоляцией были разработаны и введены в эксплуатацию компанией Eaton Corporation (США) в конце 1990-х годов. В процессе работы они не производят никаких токсичных или вредных газов, не оказывают влияния на окружающую среду, обеспечивают более высокую надежность и достигают действительно бесперебойной работы.

RMUs с твердой изоляцией - это системы, в которых первичные проводящие цепи, такие как вакуумный выключатель, разъединитель, заземляющий выключатель, главная шина, ветвевая шина, индивидуально или в комбинации заключены в твердые изоляционные материалы, такие как эпоксидная смола. Они заключены в полностью изолированные, герметичные функциональные модули, которые могут быть дополнительно объединены или расширены. Внешние поверхности модулей, доступные для персонала, покрыты проводящим или полупроводящим экраном и могут быть напрямую и надежно заземлены.

​3.1 Характеристики RMUs с твердой изоляцией​

• ​Экологический дизайн:​​ Не используют SF6 в качестве изоляционного или коммутационного материала. Вместо этого вакуум используется в качестве дугогасящего материала для выключателей, а экологически чистые материалы, не оказывающие влияния на окружающую среду (и подлежащие переработке), используются в качестве основного изоляционного материала. Кроме того, количество компонентов минимизируется, чтобы обеспечить низкое энергопотребление в процессе работы и меньшее количество потенциальных точек отказа.
• ​Действительно бесперебойная работа:​​ RMUs с твердой изоляцией исключают резервуар с давлением SF6. Внутренняя изоляция и дугогашение корпуса выключателя используют вакуумный материал; внешняя изоляция использует твердые диэлектрические материалы, такие как изоляционные цилиндры. Изоляционный цилиндр использует технологию цельнолитого формования, объединяя вакуумный выключатель, главную проводящую цепь и изоляционные опоры в единую конструкцию, заключенную в металлический корпус, не подверженный влиянию внешней среды. Благодаря полностью изолированной и герметичной общей структуре, а также отсутствию проблем, таких как обнаружение утечек SF6, заправка и утилизация, достигается действительно бесперебойная работа.
• ​Высокая экономическая эффективность:​​ Хотя первоначальные инвестиции в RMUs с твердой изоляцией немного выше, чем в SF6 RMUs, общая стоимость жизненного цикла значительно ниже, как показано в таблице 1. Пользователи все больше учитывают не только начальную цену покупки, но и общую стоимость жизненного цикла, включая риски безопасности, качество сетей, контроль затрат и устойчивость. Затраты, связанные с обслуживанием, заправкой газом, устранением утечек и окончательным восстановлением SF6 RMUs в течение их срока службы, почти равны стоимости покупки. В то же время, RMUs с твердой изоляцией требуют одной начальной инвестиции, после чего практически нет последующих затрат. Поэтому с долгосрочной точки зрения экономическая эффективность RMUs с твердой изоляцией намного выше, чем у SF6 RMUs.

​Таблица 1: Сравнение стоимости жизненного цикла между SF6 RMUs и RMUs с твердой изоляцией​

• ​Компактная структура:​​ Дизайн максимально компактен, обеспечивая безопасность шкафа и простоту эксплуатации. Их площадь и объем даже меньше, чем у SF6 RMUs, помогая пользователям экономить пространство и предоставляя прямые экономические выгоды.
• ​Дизайн, устойчивый к внутренним дугам, более безопасный и надежный:​​ Для первичного и вторичного коммутационного оборудования, значительные повреждения вследствие внутренних дуг происходят как минимум один раз в год. Большинство RMUs с твердой изоляцией включают дизайн, устойчивый к внутренним дугам. При возникновении внутренней дуги ее влияние на RMU минимизируется, обеспечивая более безопасную и надежную работу оборудования.
• ​Визуальный изоляционный зазор:​​ Имеет визуальное наблюдательное окно для легкой проверки состояния контактов внутреннего трехпозиционного разъединителя, предоставляя видимую изоляцию на месте и повышая безопасность операторов.
• ​Интеллектуальные возможности:​​ Легче реализовать автоматизацию распределения по сравнению с SF6 RMUs. После установки терминала распределения (DTU) и средств связи можно легко достичь функций, таких как сбор и мониторинг данных о состоянии, "четыре удаленных" функции (удаленная сигнализация, удаленные измерения, удаленное управление, удаленная регулировка), связь, самообследование и ведение журналов/отчетов.

​3.2 Состояние применения​
В настоящее время широкому распространению RMUs с твердой изоляцией препятствуют их относительно высокая цена и сложные производственные процессы. Их требования к технологии производства превышают требования к SF6 RMUs. Если технологические процессы недостаточно хороши, риски изоляции, вероятность отказов и опасности могут быть выше, чем у SF6 RMUs, что требует строгого контроля качества сырья и мастерства. Кроме того, гибкость прокладки кабелей RMUs с твердой изоляцией может быть ограничена, особенно для функциональных блоков, таких как PT (VT) шкафы и шкафы учета, предоставляя меньше вариантов подключения и ограничивая выбор пользователей, что также несколько ограничивает применение и развитие RMUs с твердой изоляцией.

С постоянной оптимизацией производственной структуры и увеличением стандартизации в производстве продукции, качество RMUs с твердой изоляцией становится более стабильным, а цены постепенно снижаются. Некоторые страны предлагают субсидии в размере 5-10% на продукты, не использующие SF6, для снижения его использования и выбросов. Это означает, что пользователи не рассматривают только стоимость покупки при принятии решений. Мы также можем учиться на международном опыте: приоритетное использование RMUs с твердой изоляцией в экологически чувствительных проектах и новых проектах (например, жилых комплексах, общественных зданиях, муниципальном строительстве), постепенно выводя из эксплуатации SF6 RMUs. Вывод и замена старых или действующих SF6 RMUs в соответствии с обещанным сроком службы производителя и предоставление субсидий пользователям, применяющим экологически чистые RMUs с твердой изоляцией, для поддержки таких продуктов. По мере роста осознания пользователей экологических вопросов и учета затрат на весь жизненный цикл, перспективы RMUs с твердой изоляцией широки.

​4 Заключение​
RMUs с твердой изоляцией технически эквивалентны SF6 RMUs и обладают некоторыми характеристиками, которых нет у SF6 RMUs, такими как отсутствие выбросов вредных газов, действительно бесперебойная работа и более низкая общая стоимость жизненного цикла. Они привлекают все больше внимания и предпочтений пользователей.