อุปกรณ์สวิตช์เกียร์แรงดันสูง: เทคโนโลยีล่าสุดเพื่อการทันสมัยของระบบสายส่งไฟฟ้า

อุปกรณ์สวิตช์เกียร์แรงดันสูงที่ไม่ใช้ก๊าซ SF6: ทางเลือกที่ยั่งยืนซึ่งขับเคลื่อนการปฏิบัติตามข้อบังคับ

ปัจจัยด้านกฎระเบียบและสิ่งแวดล้อมที่ผลักดันการยกเลิกการใช้ก๊าซ SF6

ข้อบังคับต่างๆ ทั่วโลกกำลังผลักดันให้บริษัทต่างๆ ลดการใช้ก๊าซซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์ (SF6) ในระบบไฟฟ้า เนื่องจากก๊าสนี้ส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมอย่างรุนแรงมาก โดยมีศักยภาพในการทำให้เกิดภาวะโลกร้อนสูงกว่าก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ทั่วไปถึง 23,500 เท่า ขณะนี้สหภาพยุโรปเพิ่งปรับปรุงกฎระเบียบว่าด้วยก๊าซฟลูออรีน (F-Gas) ล่าสุด และกำหนดให้อุปกรณ์แรงดันสูงทั้งหมดที่ผลิตใหม่ต้องยกเลิกการใช้ SF6 อย่างสมบูรณ์ภายในปี ค.ศ. 2030 และรู้หรือไม่ว่า ปัจจุบันมีประเทศอื่นอีกมากกว่าสิบห้าประเทศที่กำลังดำเนินการจัดทำกฎหมายในลักษณะเดียวกันนี้อยู่ แรงผลักดันเชิงกฎระเบียบดังกล่าวสอดคล้องกับแนวคิดของบริษัทจำนวนมากที่ประกาศเจตนารมณ์ในการดำเนินธุรกิจอย่างเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ทั้งนี้ ประมาณแปดในสิบของบริษัทผู้ให้บริการสาธารณูปโภคด้านพลังงาน (utility companies) ได้เริ่มพิจารณาทางเลือกอื่นแทน SF6 แล้ว เพื่อหลีกเลี่ยงบทลงโทษอันหนักหนาสาหัสจากการฝ่าฝืนข้อบังคับ (บางแหล่งข้อมูลระบุว่าอาจสูงถึง 740,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อเหตุการณ์หนึ่งครั้ง ตามรายงานการวิจัยของสถาบันโปเนอมอน (Ponemon Institute) เมื่อปีที่ผ่านมา) ลองพิจารณาดูในแง่สิ่งแวดล้อมสักนิด: ก๊าซ SF6 ที่รั่วไหลเพียงหนึ่งตัน จะก่อให้เกิดมลพิษเทียบเท่ากับที่รถยนต์ 50 คันจะปล่อยออกมาตลอดทั้งปี ดังนั้น การค้นหาโซลูชันอุปกรณ์สวิตช์เกียร์ (switchgear) ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งยวดสำหรับทุกองค์กรที่บริหารจัดการระบบส่งจ่ายไฟฟ้าและมีความมุ่งมั่นจริงจังในการลดผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ

เทคโนโลยีฉนวนแข็งและเทคโนโลยีไดอิเล็กทริกด้วยอากาศสะอาดในอุปกรณ์สวิตช์เกียร์แรงสูงสมัยใหม่

เทคโนโลยีที่ผ่านการพิสูจน์แล้วสองแบบ ซึ่งมีการใช้งานเชิงพาณิชย์อย่างแพร่หลาย สามารถกำจัดก๊าซ SF6 ได้โดยไม่ลดทอนประสิทธิภาพ:

ในระบบฉนวนแข็ง ตัวนำจะถูกหุ้มด้วยวัสดุพอลิเมอร์ที่หล่อขึ้นภายใต้สุญญากาศอย่างสมบูรณ์ แบบการออกแบบนี้ช่วยกำจัดโอกาสของการรั่วของก๊าซได้โดยสิ้นเชิง และสามารถรองรับกระแสลัดวงจรได้มากกว่า 40 กิโลแอมแปร์ สำหรับทางเลือกที่ใช้อากาศสะอาด ผู้ผลิตจะผสมก๊าซที่มีอยู่ตามธรรมชาติในชั้นบรรยากาศเข้ากับสารที่เรียกว่า ฟลูโอโรคีโทน (fluoroketones) ซึ่งส่วนผสมเหล่านี้ให้สมบัติการเป็นฉนวนที่แข็งแรงเพียงพอสำหรับการใช้งานแรงดันสูงพิเศษ ทำให้อุปกรณ์สามารถทำงานได้อย่างเชื่อถือได้แม้ที่แรงดันสูงถึง 420 กิโลโวลต์ เมื่อบริษัทเปลี่ยนไปใช้ระบบอากาศสะอาดเหล่านี้แทนระบบที่ใช้ก๊าซ SF6 แบบดั้งเดิม มักจะสามารถลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกเทียบเท่าคาร์บอนได้ประมาณ 200 ตันต่อปี นอกจากนี้ ยังได้รับประโยชน์ด้านการเงินที่สำคัญอีกด้วย เนื่องจากทั้งสองแนวทางช่วยลดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาตลอดอายุการใช้งานทั้งหมดลงประมาณ 30% ซึ่งเกิดขึ้นเพราะไม่จำเป็นต้องดำเนินการจัดการก๊าซที่ซับซ้อน เช่น การตรวจสอบการรั่วอย่างต่อเนื่อง หรือการกู้คืนก๊าซ SF6 ที่ใช้งานแล้ว จึงช่วยประหยัดทั้งเวลาและค่าใช้จ่ายในระยะยาว

การนำเข้าใช้งานจริงในโครงข่ายไฟฟ้าเมืองของยุโรป

ทั่วยุโรป เมืองใหญ่ต่างๆ กำลังนำอุปกรณ์สวิตช์เกียร์ที่ไม่ใช้ก๊าซ SF6 ไปทดสอบในสภาพแวดล้อมจริง ซึ่งมีพื้นที่จำกัดและมีความต้องการสูงเป็นพิเศษ ยกตัวอย่างเช่น กรุงลอนดอน ซึ่งเมืองนี้ได้นำเทคโนโลยี Blue GIS มาใช้งาน โดยรวมก๊าซฟลูออโรเคโทนเข้ากับอากาศ เพื่อจ่ายพลังงานให้สถานีไฟฟ้าย่อยที่จำเป็นทั่วทั้งเขตการเงินผ่านโครงข่ายแรงดัน 132 กิโลโวลต์ สิ่งที่น่าสนใจคือ พวกเขาสามารถกำจัดการปล่อยก๊าซ SF6 ทั้งหมดออกไปได้โดยไม่ทำให้บริการไฟฟ้าหยุดชะงักแม้แต่น้อย ขณะเดียวกัน ในกรุงเบอร์ลิน หน่วยงานท้องถิ่นได้ติดตั้งระบบ AirPlus ซึ่งสอดคล้องตามข้อบังคับ TA Luft ที่เข้มงวดของเยอรมนี ระบบที่ว่านี้ไม่เพียงแต่ปฏิบัติตามมาตรฐานด้านสิ่งแวดล้อมเท่านั้น แต่ยังลดความต้องการพื้นที่สำหรับสถานีไฟฟ้าย่อยลงเกือบครึ่งหนึ่งอีกด้วย ทั้งสองโครงการสามารถรองรับความหนาแน่นของโหลดได้อย่างน่าประทับใจ โดยมีค่ามากกว่า 500 เมกะวัตต์ต่อตารางกิโลเมตร มองภาพรวมแล้ว ผู้ประกอบการประเมินว่าจะประหยัดค่าใช้จ่ายรวมได้ประมาณ 1.2 ล้านดอลลาร์สหรัฐฯ ภายในระยะเวลา 20 ปี จากไซต์งานเหล่านี้เพียงอย่างเดียว ตัวเลขนี้มาจากรวมหลายปัจจัย ได้แก่ การหลีกเลี่ยงโทษจากภาษีคาร์บอน การลดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษา และการใช้อุปกรณ์ให้คุ้มค่ามากขึ้นก่อนที่จะถึงเวลาเปลี่ยนอุปกรณ์ใหม่

อุปกรณ์สวิตช์เกียร์แรงดันสูงแบบดิจิทัล: สนับสนุนการบำรุงรักษาเชิงพยากรณ์และความยืดหยุ่นของระบบสายส่งไฟฟ้า

ต้นทุนของการล้มเหลว: การหยุดให้บริการโดยไม่ได้วางแผนอย่างฉับพลันเร่งการนำเทคโนโลยีดิจิทัลมาใช้

ต้นทุนเฉลี่ยของการหยุดให้บริการโดยไม่ได้วางแผนล่วงหน้าสำหรับบริษัทผู้ให้บริการสาธารณูปโภคอยู่ที่ประมาณ 740,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อครั้ง ตามรายงานของสถาบันโปเนมอนจากปีที่แล้ว ตัวเลขนี้รวมทุกค่าใช้จ่าย ตั้งแต่การซ่อมแซมส่วนที่เสียหาย ไปจนถึงการจ่ายค่าปรับ การชดเชยลูกค้าที่สูญเสียกระแสไฟฟ้า และการสูญเสียรายได้ที่เกิดขึ้นระหว่างช่วงเวลาที่บริการหยุดชะงัก อุปกรณ์เก่าที่ยังคงใช้งานอยู่ยังคงเป็นหนึ่งในสาเหตุหลักที่ทำให้เกิดความล้มเหลวแบบลูกโซ่ดังกล่าวข้ามอุตสาหกรรมต่าง ๆ ซึ่งส่งผลกระทบต่อทั้งการดำเนินงานทางธุรกิจและความปลอดภัยของชุมชน ด้วยเหตุนี้ หลายบริษัทจึงไม่เพียงแต่พิจารณาเทคโนโลยีการทำนายเท่านั้น แต่ยังลงทุนอย่างเข้มแข็งในเทคโนโลยีเหล่านี้อีกด้วย ระบบดังกล่าวสามารถลดค่าใช้จ่ายด้านการบำรุงรักษาได้ประมาณ 25 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเปรียบเทียบกับแนวทางแบบดั้งเดิมที่รอให้เกิดปัญหาขึ้นก่อนจึงดำเนินการแก้ไข นอกจากนี้ ยังช่วยลดจำนวนการหยุดทำงานโดยไม่คาดคิดได้เกือบครึ่งหนึ่งในบางกรณี ทั่วทั้งภาคอุตสาหกรรม มีแนวโน้มที่ชัดเจนในการติดตั้งสวิตช์อัจฉริยะที่มาพร้อมเซ็นเซอร์เพื่อเก็บรวบรวมข้อมูลแบบเรียลไทม์ ซึ่งจะช่วยรับประกันความมั่นคงของโครงข่ายไฟฟ้า ขณะเดียวกันก็ตอบสนองต่อข้อกำหนดที่เข้มงวดยิ่งขึ้นเรื่อย ๆ ด้านความทนทานของระบบซึ่งถูกกำหนดโดยหน่วยงานกำกับดูแล

เซ็นเซอร์อินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT), การวิเคราะห์ข้อมูลแบบขอบ (Edge Analytics), และดิจิทัลทวิน (Digital Twins) ในระบบสวิตช์เกียร์แรงดันสูง

อุปกรณ์สวิตช์เกียร์แรงดันสูงในปัจจุบันมาพร้อมเซ็นเซอร์เทคโนโลยีอินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT) ที่ติดตามพารามิเตอร์ต่าง ๆ อย่างต่อเนื่อง รวมถึงการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ เหตุการณ์การปล่อยประจุบางส่วน (partial discharge) จุดที่เกิดการสึกหรอของชิ้นส่วนกลไก รวมถึงระดับความหนาแน่นของก๊าซ (ในกรณีที่ไม่ใช้ระบบก๊าซ SF6) ระบบวิเคราะห์ข้อมูลแบบเอจ (edge analytics) ดำเนินการประมวลผลข้อมูลทันที ณ จุดติดตั้งอุปกรณ์จริง ซึ่งหมายความว่าความผิดปกติจะถูกตรวจจับได้เกือบในทันที และสามารถตัดวงจรได้แบบเรียลไทม์ โดยไม่จำเป็นต้องรอการประมวลผลข้อมูลผ่านคลาวด์ซึ่งมักใช้เวลานาน แนวคิด 'ดิจิทัลทวิน' (digital twins) ก็เป็นอีกหนึ่งนวัตกรรมที่เปลี่ยนเกมเช่นกัน โดยสร้างแบบจำลองเสมือนของอุปกรณ์จริงขึ้นจากหลักการทางฟิสิกส์ที่แท้จริง ทีมงานบำรุงรักษาสามารถจำลองสถานการณ์ต่าง ๆ ได้ เช่น การสะสมความร้อน การแพร่กระจายของข้อบกพร่อง หรือการกระจายโหลดใหม่ทั่วทั้งระบบ แม้ก่อนที่ระบบจะเริ่มปฏิบัติการจริง จากนั้นจึงปรับแผนการบำรุงรักษาให้สอดคล้องกับการทำนายของแบบจำลองเหล่านี้เกี่ยวกับการสึกหรอของชิ้นส่วนตามระยะเวลาที่ผ่านไป ผลลัพธ์ที่ได้คือ อายุการใช้งานของอุปกรณ์เพิ่มขึ้นประมาณ 40% ในส่วนใหญ่ของกรณี ข้อบกพร่องถูกแก้ไขได้เร็วขึ้นราว 40% เมื่อเทียบกับวิธีการแบบดั้งเดิม และโครงข่ายไฟฟ้ามีความแข็งแกร่งมากยิ่งขึ้นต่อทุกภัยคุกคาม ไม่ว่าจะเป็นความเสียหายทางกายภาพหรือการโจมตีทางไซเบอร์

ชุดอุปกรณ์ตัด-ต่อไฟฟ้าแบบก๊าซฉนวนแบบคอมแพกต์ (GIS) สำหรับระบบจำหน่ายไฟฟ้าในเขตเมืองและเทคโนโลยีเพิ่มประสิทธิภาพระบบจำหน่ายไฟฟ้า

แนวโน้มการนำชุดอุปกรณ์ตัด-ต่อไฟฟ้าแบบก๊าซฉนวนแบบประหยัดพื้นที่ (GIS) ไปใช้งานในเมืองที่มีข้อจำกัดด้านพื้นที่

GIS ในฐานะตัวขับเคลื่อนระบบจัดอันดับความสามารถในการส่งผ่านสายไฟแบบไดนามิก (Dynamic Line Rating) และระบบป้องกันแบบปรับตัวได้ (Adaptive Protection Schemes)

แพลตฟอร์มระบบสารสนเทศภูมิศาสตร์ (GIS) ในปัจจุบันทำหน้าที่มากกว่าการจัดการพื้นที่อย่างมีประสิทธิภาพเท่านั้น แต่ยังทำหน้าที่เป็นรากฐานสำคัญสำหรับเทคโนโลยีการปรับปรุงโครงข่ายไฟฟ้าที่เรียกว่า GETs (Grid Enhancement Technologies) อีกด้วย ระบบเหล่านี้มาพร้อมกับช่องเก็บอุปกรณ์ที่ปิดสนิทและสามารถติดตั้งเซนเซอร์ได้ทันที ทำให้การติดตั้งอุปกรณ์อินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT) ขนาดเล็กเหล่านี้เป็นไปอย่างสะดวก ซึ่งอุปกรณ์ดังกล่าวจะรวบรวมข้อมูลการปฏิบัติงานเชิงลึกที่จำเป็นสำหรับระบบการประเมินกำลังส่งแบบไดนามิก (Dynamic Line Rating: DLR) เมื่อระบบ DLR เหล่านี้ผสานข้อมูลอุณหภูมิของสายตัวนำแบบเรียลไทม์เข้ากับสภาพอากาศปัจจุบันและอัตราความเร็วลม จะสามารถเพิ่มความสามารถในการส่งไฟฟ้าได้ระหว่าง 15 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ โดยไม่จำเป็นต้องขอสิทธิใช้ที่ดินเพิ่มเติมหรือติดตั้งอุปกรณ์เสริมใดๆ อีกประการหนึ่งที่สำคัญคือ GIS ยังรองรับกลไกการป้องกันอัจฉริยะ (smart protection mechanisms) ด้วย โดยรีเลย์จะปรับตัวเองโดยอัตโนมัติทุกครั้งที่มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเครือข่าย เช่น เมื่อมีการปรับเปลี่ยนเส้นทางจ่ายไฟ (feeders) หรือเมื่อเกิดปรากฏการณ์เกาะพลังงานกระจาย (DER islands) ขึ้นในตำแหน่งที่ไม่คาดคิด ส่งผลให้เวลาในการตัดวงจรเมื่อเกิดข้อผิดพลาดลดลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับระบบแบบคงที่ (static systems) อาจลดลงได้ประมาณ 40% (ขึ้นอยู่กับสถานการณ์จริง) สิ่งที่เราเห็นเกิดขึ้นในที่นี้คือ การที่ GIS กำลังเปลี่ยนบทบาทจากเพียงแค่โครงสร้างที่ ‘บรรจุ’ อุปกรณ์ต่างๆ ให้กลายเป็น ‘แรงงานหลัก’ ที่แท้จริง ซึ่งไม่เพียงแต่ช่วยรักษาความมั่นคงของโครงข่ายไฟฟ้า แต่ยังเปิดโอกาสให้แหล่งพลังงานหมุนเวียนสามารถผสานเข้ากับโครงข่ายได้อย่างราบรื่น

คำถามที่พบบ่อย

เหตุใดก๊าซ SF6 จึงถูกเลิกใช้ในระบบไฟฟ้า

ก๊าซ SF6 กำลังถูกเลิกใช้เนื่องจากมีศักยภาพในการทำให้เกิดภาวะโลกร้อนสูงมาก โดยมีค่าสูงกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ถึง 23,500 เท่า ข้อบังคับต่าง ๆ จึงผลักดันให้มีการใช้ทางเลือกที่ยั่งยืนมากขึ้นเพื่อป้องกันความเสียหายต่อสิ่งแวดล้อม

เทคโนโลยีใดบ้างที่เข้ามาแทนที่ก๊าซ SF6 ในอุปกรณ์ตัดวงจรแรงสูง

เทคโนโลยีหลักสองประเภทที่เข้ามาแทนที่ก๊าซ SF6 ได้แก่ ระบบฉนวนแข็ง (solid-insulated systems) และระบบฉนวนด้วยอากาศสะอาด (clean-air dielectric systems) ซึ่งทั้งสองระบบมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยกว่าอย่างมีนัยสำคัญ

ระบบบำรุงรักษาเชิงพยากรณ์ส่งผลประโยชน์ต่อบริษัทสาธารณูปโภคอย่างไร

ระบบบำรุงรักษาเชิงพยากรณ์ช่วยลดต้นทุนการบำรุงรักษาลง 25 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ และช่วยหลีกเลี่ยงการหยุดทำงานโดยไม่คาดคิด จึงส่งผลให้ความน่าเชื่อถือของโครงข่ายไฟฟ้าและประสิทธิภาพในการดำเนินงานดีขึ้น

ระบบสารสนเทศภูมิศาสตร์ (GIS) มีบทบาทอย่างไรในโครงข่ายไฟฟ้าสมัยใหม่

ระบบสารสนเทศภูมิศาสตร์ (GIS) ช่วยบริหารจัดการพื้นที่อย่างมีประสิทธิภาพ สนับสนุนการกำหนดอัตราการจ่ายกระแสไฟฟ้าผ่านสายส่งแบบไดนามิก (dynamic line rating) และเปิดโอกาสให้สามารถออกแบบระบบป้องกันอัจฉริยะได้ ซึ่งส่งเสริมความมั่นคงและความยืดหยุ่นของโครงข่ายไฟฟ้า โดยเฉพาะในพื้นที่เมือง