Высоковольтные коммутационные устройства: новейшие технологии для модернизации электросетей

Высоковольтные коммутационные устройства без SF6: устойчивые альтернативы, обеспечивающие соответствие регуляторным требованиям

Регуляторные и экологические факторы, обусловливающие поэтапный отказ от SF6

Регуляторные требования по всему миру заставляют компании отказаться от использования гексафторида серы (SF6) в своих электрических системах, поскольку этот газ крайне вреден для планеты. Речь идёт о веществе, потенциал глобального потепления которого в 23 500 раз превышает потенциал обычного углекислого газа. Европейский союз недавно обновил свои правила обращения с фторсодержащими газами (F-Gas) и требует полного отказа от SF6 во всём новом высоковольтном оборудовании к 2030 году. И что вы думаете? Более пятнадцати других стран также разрабатывают аналогичные законодательные акты. Этот регуляторный импульс согласуется с заявлениями многих корпораций о переходе на «зелёные» технологии. Примерно восемь из десяти энергоснабжающих компаний уже изучают альтернативы SF6, чтобы избежать значительных штрафов за нарушение правил (по данным исследования Института Понемона за прошлый год, размер штрафа может достигать 740 тыс. долларов США за каждый случай). Представьте себе: с экологической точки зрения одна тонна утечки SF6 создаёт столько же загрязнения, сколько пятьдесят автомобилей за целый год. Поэтому поиск экологически безопасных решений в области коммутационного оборудования становится абсолютно критически важным для всех операторов электросетей, которые действительно стремятся снизить своё воздействие на изменение климата.

Технологии твердой изоляции и диэлектрика на основе чистого воздуха в современных высоковольтных коммутационных устройствах

Две проверенные и коммерчески внедрённые технологии позволяют полностью отказаться от SF6 без потери эксплуатационных характеристик:

В системах с твердой изоляцией проводники полностью покрыты полимерным материалом, нанесённым методом вакуумного литья. Такая конструкция исключает возможность утечек газа и способна выдерживать токи короткого замыкания свыше 40 килоампер. В качестве альтернативы чистому воздуху производители смешивают обычные атмосферные газы с так называемыми фторкетонами. Эти смеси обеспечивают высокие диэлектрические свойства, необходимые для применения в установках сверхвысокого напряжения, позволяя оборудованию надёжно функционировать даже при напряжении до 420 кВ. При переходе компаний на такие системы с чистым воздухом вместо традиционных систем на основе газа SF₆ ежегодно достигается сокращение выбросов парниковых газов в эквиваленте углерода примерно на 200 тонн. Финансовые преимущества также значительны: оба подхода снижают эксплуатационные расходы на техническое обслуживание на протяжении всего срока службы оборудования примерно на 30 %. Это достигается за счёт отсутствия необходимости в сложном управлении газом — например, в постоянном контроле герметичности или в регенерации отработанного газа SF₆, что в долгосрочной перспективе экономит как время, так и средства.

Реальное развертывание в городских европейских электросетях

По всей Европе крупные города тестируют коммутационное оборудование без SF6 в реальных условиях, где пространство ограничено, а требования высоки. Возьмём, к примеру, Лондон. В городе внедрена технология Blue GIS, сочетающая фторкетон с воздухом для питания ключевых распределительных подстанций в рамках 132-кВ сети финансового района. Что делает это решение особенно интересным? Им удалось полностью устранить выбросы SF6 без каких-либо перерывов в электроснабжении. Тем временем в Берлине местные власти установили системы AirPlus, соответствующие строгим немецким экологическим нормам TA Luft. Такие решения не только соблюдают экологические стандарты, но и сокращают потребность в площади подстанций почти наполовину. Оба проекта обеспечивают впечатляющую плотность нагрузки свыше 500 МВт на квадратный километр. В более широкой перспективе эксплуатирующие организации оценивают совокупную экономию по этим объектам в размере около 1,2 млн долларов США за 20 лет. Эта сумма складывается из нескольких факторов: избежания штрафов за выбросы углерода, снижения затрат на техническое обслуживание и увеличения срока службы оборудования до необходимости его замены.

Цифровизированное высоковольтное коммутационное оборудование: обеспечение прогнозирующего технического обслуживания и устойчивости электросети

Стоимость отказа: как незапланированные отключения ускоряют цифровую трансформацию

Согласно отчёту Института Понемона за прошлый год, средняя стоимость каждого незапланированного отключения для энергоснабжающих компаний составляет около 740 тыс. долларов США. Эта сумма включает всё: от устранения неисправности до уплаты штрафов, компенсаций потребителям, потерявших электроснабжение, и упущенной выручки в период перерывов в оказании услуг. Устаревшее оборудование по-прежнему остаётся одной из главных причин возникновения подобных каскадных отказов в различных отраслях, что ставит под угрозу как бизнес-процессы, так и безопасность населения. По этой причине многие компании уже не просто рассматривают возможность внедрения прогнозирующих технологий — они активно инвестируют в них. Такие системы позволяют сократить расходы на техническое обслуживание примерно на 25–30 % по сравнению с традиционными подходами, при которых проблемы устраняются уже после их возникновения. Кроме того, в ряде случаев они помогают снизить количество непредвиденных остановок почти наполовину. Во всём секторе наблюдается заметный сдвиг в сторону установки интеллектуальных выключателей, оснащённых датчиками, собирающими данные в режиме реального времени. Это способствует обеспечению устойчивости электрической сети и одновременно позволяет соответствовать всё более строгим требованиям регуляторов к надёжности систем.

Датчики Интернета вещей, пограничный анализ и цифровые двойники в системах высоковольтных коммутационных аппаратов

Современные высоковольтные коммутационные устройства оснащаются датчиками Интернета вещей (IoT), которые контролируют различные параметры, включая изменения температуры, частичные разряды, места механического износа, а также уровень плотности газа — при использовании систем, не основанных на SF6. Эти аналитические решения «на краю сети» (edge analytics) обрабатывают данные непосредственно на самом оборудовании, что позволяет практически мгновенно выявлять аномалии и принимать решения о срабатывании защиты в реальном времени без ожидания медленной обработки в облаке. Цифровые двойники также являются революционным решением в этой области: они создают виртуальные копии реального оборудования на основе фундаментальных физических принципов. Эксплуатационные бригады могут проводить имитационное моделирование — например, прослеживать, как накапливается тепло, где возможны распространение повреждений или перераспределение нагрузок по системе — задолго до ввода оборудования в эксплуатацию. Затем они корректируют планы технического обслуживания, опираясь на прогнозы моделей относительно износа компонентов во времени. Результат? В большинстве случаев срок службы оборудования увеличивается примерно на 40 %, устранение неисправностей происходит примерно на 40 % быстрее по сравнению с традиционными методами, а электрические сети становятся значительно более устойчивыми как к физическим повреждениям, так и к кибератакам.

Компактное газоизолированное распределительное устройство (GIS) для городских сетей и технологий повышения эффективности сетей

Тенденции внедрения компактных газоизолированных распределительных устройств (GIS) в городах с дефицитом свободной площади

GIS как технология, обеспечивающая динамическую оценку пропускной способности линий и адаптивные схемы релейной защиты

Современные ГИС-платформы делают гораздо больше, чем просто эффективно управляют пространством: они фактически становятся основой для технологий повышения пропускной способности сетей, известных как GET (Grid Enhancement Technologies). Эти системы оснащены герметичными отсеками, готовыми к установке датчиков, что упрощает монтаж небольших IoT-устройств, собирающих детальные операционные данные, необходимые для систем динамического расчёта пропускной способности линий (DLR). Когда такие DLR-системы объединяют данные о текущей температуре проводников с актуальными погодными условиями и скоростью ветра, они позволяют повысить пропускную способность линий электропередачи на 15–30 % без необходимости получения новых земельных прав или приобретения дополнительного оборудования. Ещё одно важное преимущество — поддержка ГИС интеллектуальных систем защиты. Реле автоматически адаптируются при изменениях конфигурации сети, например при переконфигурации фидеров или возникновении неожиданных островных режимов работы распределённых энергоресурсов (DER). Это значительно сокращает время ликвидации аварийных ситуаций по сравнению со старыми статическими системами — примерно на 40 %, плюс-минус в зависимости от конкретных условий. То, что мы наблюдаем здесь, — это трансформация ГИС из простого контейнера для оборудования в настоящую «рабочую лошадку», способствующую поддержанию устойчивости электросети и одновременно открывающую возможности для беспрепятственной интеграции возобновляемых источников энергии.

Часто задаваемые вопросы

Почему SF6 постепенно выводится из эксплуатации в электрических системах?

SF6 постепенно выводится из эксплуатации из-за его чрезвычайно высокого потенциала глобального потепления, который в 23 500 раз превышает потенциал диоксида углерода. Регуляторные требования стимулируют переход на более устойчивые альтернативы для предотвращения вреда окружающей среде.

Какие технологии заменяют SF6 в высоковольтных коммутационных устройствах?

Две ключевые технологии, заменяющие SF6, — это системы с твёрдой изоляцией и диэлектрические системы на основе «чистого воздуха», обе из которых оказывают значительно меньшее воздействие на окружающую среду.

Какие преимущества дают системы прогнозирующего технического обслуживания энергоснабжающим компаниям?

Системы прогнозирующего технического обслуживания снижают затраты на техническое обслуживание на 25–30 % и помогают избежать незапланированных отключений, тем самым повышая надёжность электросети и операционную эффективность.

Какую роль играет ГИС (геоинформационные системы) в современных электрических сетях?

ГИС способствует эффективному использованию пространства, поддерживает динамический расчёт допустимой нагрузки линий и обеспечивает реализацию интеллектуальных схем релейной защиты, повышая устойчивость и адаптивность электросети, особенно в городских условиях.