Η λειτουργία και η εξέλιξη των υποσταθμών ΥΤ/ΜΤ, Υποσταθμοί Κλειστού Τύπου και μετάβαση από το SF6 σε εναλλακτικές τεχνολογίες φιλικές προς το περιβάλλον

Καλομοίρη, Μαρίνα

dc.contributor.author	Καλομοίρη, Μαρίνα
dc.date.accessioned	2023-10-05T09:48:25Z
dc.date.available	2023-10-05T09:48:25Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/58124
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.25821
dc.rights	Default License
dc.subject	Μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας	el
dc.subject	Υψηλή τάση	el
dc.subject	Υποσταθμός μεταφοράς	el
dc.subject	GIS	el
dc.subject	SF6	el
dc.subject	Μονωτικά αέρια φιλικά προς το περιβάλλον	el
dc.subject	Επαναπλήρωση υποσταθμών	el
dc.title	Η λειτουργία και η εξέλιξη των υποσταθμών ΥΤ/ΜΤ, Υποσταθμοί Κλειστού Τύπου και μετάβαση από το SF6 σε εναλλακτικές τεχνολογίες φιλικές προς το περιβάλλον	el
dc.contributor.department	Παραγωγή και Διαχείριση Ενέργειας	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Υποσταθμοί μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας	el
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-06-30
heal.abstract	Τα Συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας (ΣΗΕ) αποτελούνται από ένα μεγάλο αριθμό διασυνδεδεμένων σύγχρονων γεννητριών, οι οποίες παράγουν την ηλεκτρική ισχύ η οποία μέσω του συστήματος μεταφοράς και διανομής καταλήγει στους καταναλωτές. Ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας αποτελείται από πολλά και διαφορετικά στοιχεία, ένα από αυτά είναι οι υποσταθμοί υποβιβασμού (150/20kV) ή ανύψωσης (20/150kV) τάσης. Οι υποσταθμοί αποτελούν κόμβους μεταξύ των γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, οι οποίοι έχουν σαν ρόλο να μεταβιβάζουν την ηλεκτρική ενέργεια σε άλλα επίπεδα τάσης με σκοπό την μεταφορά της σε όλους τους καταναλωτές. Στο σύγχρονο δίκτυο, οι υποσταθμοί διαδραματίζουν βασικό ρόλο στη διασφάλιση της σταθερότητας και της ασφάλειας του δικτύου παρέχοντας λειτουργίες ανίχνευσης σφαλμάτων γραμμής και την ταχεία απομόνωση αυτών των σφαλμάτων για τη διατήρηση της συνολικής σταθερότητας του δικτύου. Ένας υποσταθμός ανυψώσεως 20/150kV ή υποβιβασμού 150/20kV, αποτελείται από το τμήμα υψηλής τάσης και το τμήμα μέσης τάσης. Το τμήμα της υψηλής τάσης περιλαμβάνει τις πύλες των γραμμών, τις πύλες των μετασχηματιστών, αυτεπαγωγών ή και πυκνωτών και τους ζυγούς υψηλής τάσης. Το τμήμα της υψηλής τάσης ονομάζεται και τμήμα σύνδεσης στο σύστημα και την ευθύνη λειτουργίας του έχει ο ΑΔΜΗΕ. Το τμήμα της μέσης τάσης περιλαμβάνει τους μετασχηματιστές ισχύος, τις πύλες των γραμμών διανομής και τα βοηθητικά του υποσταθμού. Ανάλογα με τον τύπο του εξοπλισμού που χρησιμοποιείται, οι υποσταθμοί διαχωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες, σε υποσταθμούς ανοιχτού τύπου και σε υποσταθμούς κλειστού τύπου. Οι υποσταθμοί ανοιχτού τύπου είναι υποσταθμοί με μόνωση αέρα (AIS) ενώ οι υποσταθμοί κλειστού τύπου (GIS) είναι υποσταθμοί οι οποίοι χρησιμοποιούν το αέριο SF6 ως μονωτικό υλικό. Η μόνωση με ατμοσφαιρικό αέρα που χρησιμοποιείται σε έναν συμβατικό, αερομονωμένο υποσταθμό (AIS) απαιτεί απόσταση μέτρων μόνωσης αέρα για να κάνει ό,τι μπορεί να κάνει το SF6 σε απόσταση εκατοστών. Συνεπώς, γίνεται αντιληπτό ότι ο χώρος που απαιτεί ένας υποσταθμός κλειστού τύπου είναι περίπου το 10-20% του χώρου που θα απαιτούσε αν αναπτυσσόταν ως διάταξη ανοιχτού τύπου. Το εξαφθοριούχο θείο (SF6) είναι ένα αέριο άχρωμο, άοσμο και μη τοξικό το οποίο έχει χρησιμοποιηθεί ιστορικά σε διάφορες βιομηχανίες, συμπεριλαμβανομένης και της ενεργειακής βιομηχανίας από τη δεκαετία του 1960. Η κύρια χρήση του SF6 είναι στον εξοπλισμό των υποσταθμών για την ηλεκτρική μόνωση του υπό τάση εξοπλισμού και την απόσβεση του ηλεκτρικού τόξου που δημιουργείται σε έναν διακόπτη κατά το άνοιγμα του. Έχει δύο έως τρεις φορές καλύτερη μονωτική ικανότητα από τον αέρα στην ίδια πίεση και είναι περίπου 100 φορές καλύτερο από τον αέρα για τη σβέση τόξων. Παρά τα πλεονεκτήματά του, το SF6 έχει αναγνωριστεί ως ένα από τα ισχυρότερα αέρια του θερμοκηπίου και εκτιμάται ότι είναι 23.900 φορές πιο επιβλαβές από το CO2 για το περιβάλλον και με διάρκεια ζωής 3.200 έτη. Αποτέλεσμα αυτού ήταν να συμπεριληφθεί το SF6 στο πρωτόκολλο του Κιότο του 1997. Η Διάσκεψη που πραγματοποιήθηκε το Δεκέμβριου του 1997 στο Κιότο της Ιαπωνίας ήταν η αφετηρία για να θεσμοθετηθεί το Πρωτόκολλο του Κιότο που αφορά την Προστασία του Περιβάλλοντος. Τα κράτη που υπέγραψαν το πρωτόκολλο του Κιότο συμφώνησαν την ίδρυση ενός εθνικού συστήματος για την εκτίμηση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου έως το 2007. Συμφωνήθηκε ακόμη να μειωθούν οι μέσες εκπομπές όλων των αερίων κατά 5,2% ως προς τα επίπεδα του 1990 εντός του διαστήματος 2008-2012 και να συντάσσεται ετήσια έκθεση απογραφής ανά πηγή και του τρόπου μείωσης των εκπομπών. Το Πρωτόκολλο του Κιότο τέθηκε σε ισχύ τον Φεβρουάριο του 2005 μετά την υπογραφή του εγγράφου από 55 κράτη. Από το Πρωτόκολλο του Κιότο διαπιστώθηκε ότι περίπου 8.500 τόνοι SF6 παράγονται κάθε χρόνο και κατά συνέπεια θα απελευθερώνονταν σταδιακά στην ατμόσφαιρα. Αυτό θα ήταν μια ισοδύναμη εκπομπή 203 εκατομμυρίων τόνων CO2 ετησίως ενώ η παγκόσμια εκπομπή CO2 εκείνη την εποχή ήταν 22 δισεκατομμύρια τόνοι. Ως εκ τούτου, οι κυβερνήσεις ξεκίνησαν δράσεις για τη μείωση της απελευθέρωσης του SF6 στην ατμόσφαιρα και το έχουν επιτύχει σε πολλές εφαρμογές, όπως αθλητικά παπούτσια, ελαστικά αυτοκινήτων και μονώσεις παραθύρων. Η λύση για τη βιομηχανία ηλεκτρικής ενέργειας ήταν η χρήση του SF6 σε κλειστό κύκλο, από την παραγωγή έως την πλήρωση του GIS, κατά τη διάρκεια της συντήρησης και, τέλος, στην αποθήκευση όταν ο GIS αποσυναρμολογείται. Το ποσοστό εκπομπών από τη χρήση σε ηλεκτρικό εξοπλισμό έχει μειωθεί την τελευταία δεκαετία. Η μείωση αυτή οφείλεται στην απλή υιοθέτηση καλύτερων πρακτικών χειρισμού και ανακύκλωσης. Οι απώλειες αερίου μπορούν να προκύψουν από διαρροές που εξαρτώνται από το επίπεδο στεγανότητας του εξοπλισμού και από κάθε είδους εργασίες χειρισμού του αερίου. Οι υψηλές απαιτήσεις στεγανότητας αερίου SF6 καθορίζονται σε πρότυπα με μέγιστη επιτρεπόμενη απώλεια αερίου μικρότερη από 0,5% ανά έτος και ανά διαμέρισμα αερίου. Ωστόσο, η πρακτική εμπειρία από επιτόπιους ελέγχους δείχνει ότι οι πραγματικές μετρούμενες απώλειες αερίου από σύγχρονο εξοπλισμό δεν υπερβαίνουν το πρότυπο και κυμαίνονται μεταξύ 0,1% και 0,3% ανά διαμέρισμα αερίου ετησίως. Τον Απρίλιο του 2022 η Ευρωπαϊκή Επιτροπή πρότεινε ένα σύνολο κανονισμών που στοχεύουν στη δραστική μείωση των εκπομπών των φθοριούχων αερίων και συγκεκριμένα τη σταδιακή κατάργηση του SF6 από τον ηλεκτρολογικό εξοπλισμό εντός του διαστήματος 2026-2030. Έτσι, παρά τις μειωμένες εκπομπές, η βιομηχανία της ενέργειας ξεκίνησε να αναζητά εναλλακτικές λύσεις για την εξάλειψή του SF6 από τον εξοπλισμό του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας. Οι επιστημονικές έρευνες έχουν εξετάσει ένα πλήθος διαφορετικών μέσων, ωστόσο, ήταν δύσκολο να εντοπιστεί μια κατάλληλη εναλλακτική λύση που να ικανοποιεί όλες τις απαιτήσεις. Μετά από πολυετείς έρευνες και πειράματα οι επιστήμονες κατέληξαν σε δύο αέρια, το Novec 4710 και το Novec 5110, τα οποία αποδείχθηκε ότι μπορούν να λειτουργήσουν ως βασικό διηλεκτρικό συστατικό σε μείγματα μονωτικών αερίων, ενώ παράλληλα έχουν σημαντικά χαμηλότερες κλιματικές επιπτώσεις. Κάποιοι κατασκευαστές ηλεκτρολογικού εξοπλισμού χρησιμοποίησαν αυτά τα αέρια για την ανάπτυξη του εξοπλισμού τους ενώ άλλοι χρησιμοποίησαν τον ξηρό αέρα ως μέσο μόνωσης. Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται συνοπτικά οι τεχνολογίες που ανέπτυξαν οι κατασκευαστές, η σύσταση των μονωτικών αερίων που χρησιμοποιούν και το δυναμικό υπερθέρμανσης του πλανήτη του κάθε αερίου. Ως μονάδα αναφοράς θεωρείται το δυναμικό υπερθέρμανσης του πλανήτη του CO2 το οποίο ισούται με 1. Εταιρεία Τεχνολογία αερίου Σύσταση GWP General Electric g3 Novec 4710 + CO2 + O2 <239 Siemens Clean air N2+O2 0 Toshiba Aeroxia N2 + CO2 + O2 0 ABB AirPlus Novec 5110 + N2 + O2 <1 Hitachi Energy EconiQ Novec 4710 + CO2 + O2 <1 Στην αγορά υπάρχει ήδη διαθέσιμος εξοπλισμός με μονωτικά αέρια φιλικά προς το περιβάλλον και οι διαχειριστές έχουν ξεκινήσει να τον εγκαθιστούν στα δίκτυα τους. Η πρόκληση που έχουν πλέον να αντιμετωπίσουν οι διαχειριστές αφορά τον ήδη εγκατεστημένο εξοπλισμό GIS (ο οποίος έχει κατασκευαστεί έτσι ώστε να φιλοξενεί SF6 στο εσωτερικό του). Η διάρκεια ζωής των υποσταθμών κλειστού τύπου μπορεί να ανέρχεται έως 50 έτη, για το λόγο αυτό και εξαιτίας του υψηλού τους κόστους είναι σημαντικό να μπορούν να αξιοποιηθούν ως το τέλος της ζωής τους. Προκύπτει έτσι η ανάγκη για δυνατότητα επαναπλήρωσης των υποσταθμών που έχουν εγκατασταθεί πρόσφατα. Σε κάθε περίπτωση θα πρέπει να αξιολογείται αν είναι πιο συμφέρουσα η επαναπλήρωση ή η αντικατάσταση με νέο εξοπλισμό GIS. Μέχρι στιγμής, η επαναπλήρωση είναι διαθέσιμη μόνο για γραμμές GIL, γίνεται σαφές ότι οι έρευνες των επιστημόνων αλλά και των κατασκευαστικών εταιρειών χρειάζεται να στραφούν προς αυτήν την κατεύθυνση, την εύρεση δηλαδή μονωτικών αερίων (φιλικών προς το περιβάλλον) που θα μπορούν να λειτουργούν εξίσου αποτελεσματικά με το SF6 στον υπάρχοντα εξοπλισμό έτσι ώστε να γίνει ομαλά η μετάβαση σε τεχνολογίες φιλικές προς το περιβάλλον.	el
heal.advisorName	Γκόνος, Ιωάννης
heal.committeeMemberName	Γκόνος, Ιωάννης
heal.committeeMemberName	Κορρές, Γεώργιος
heal.committeeMemberName	Χριστοδούλου, Χρήστος
heal.academicPublisher	Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	103
heal.fullTextAvailability	false