Как работает распределительное устройство с элегазовой изоляцией (КРУЭ)?

Введение: Металлический ящик, контролирующий тысячи вольт

Зайдите на любую современную подстанцию, коллекторную платформу ветряной электростанции или в подвал городского небоскреба, и вы обнаружите ряд скромных металлических шкафов, спокойно выполняющих одну из самых опасных работ в мире электротехники. Этораспределительное устройство с газовой изоляциейпанели — илиГИС— и они предназначены для сдерживания, контроля и гашения электрических дуг, которые в противном случае испаряли бы металл и подвергали бы опасности всех, кто находится поблизости.

Для инженера-электрика понимание того, как работает ГИС, не является академическим упражнением. Он определяет, как будет планироваться подстанция, как будет проводиться техническое обслуживание и будет ли оборудование надежно работать через тридцать лет после его ввода в эксплуатацию. Для специалиста по закупкам это объясняет, почему одна панель стоит дороже другой и что дают эти дополнительные инвестиции с точки зрения безопасности, занимаемой площади и стоимости жизненного цикла.

В этой статье подробно объясняется, как работает распределительное устройство с элегазовой изоляцией — от герметичного бензобака, который разделяет высоковольтные проводники, до вакуумного прерывателя, разрывающего цепь, до механических блокировок, которые предотвращают опасную ошибку, которая может стать фатальной.

Что такое распределительное устройство с элегазовой изоляцией?

Распределительное устройство с элегазовой изоляцией – это распределительное устройство в металлическом корпусе, в котором первичнаякомпоненты среднего напряжения—шины, автоматические выключатели, разъединители, заземлители и измерительные трансформаторы — размещаются внутри герметичного газонаполненного отсека. Газ действует как изолирующая среда между частями под напряжением, а также между частями под напряжением и землей.

Традиционное распределительное устройство с воздушной изоляцией опирается на физическое расстояние: проводники расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы окружающий воздух мог выдерживать напряжение без разрушения. Распределительное устройство с элегазовой изоляцией заменяет это физическое расстояние газом под давлением, который имеет гораздо более высокую диэлектрическую прочность, чем воздух. Это позволяет значительно уменьшить всю сборку — в некоторых случаях КРУЭ занимает менее четверти площади эквивалентной установки с воздушной изоляцией.

Сам бензобак обычно изготавливается из нержавеющей стали или алюминиевого сплава, сваривается и герметизируется, чтобы предотвратить утечку газа в течение всего срока службы оборудования. Внутри атмосфера контролируется и контролируется. В современных конструкциях все чаще вместо SF₆ используется сухой воздух или азот, что является ответом на правила, которые меняют отрасль.

Как устроена панель ГИС: внутренняя архитектура

Хотя снаружи КРУЭ выглядит как единый металлический шкаф, внутри он разделен на несколько функциональных отсеков, каждый из которых изолирован от других газонепроницаемыми перегородками или втулками. Понимание этих отсеков объясняет, как оборудование обеспечивает эксплуатационную гибкость и безопасность.

1. Шинный отсек.

Шина является основой любого распределительного устройства. В КРУЭ шины проходят горизонтально через специальный газовый отсек в верхней или задней части панели. Поскольку шина соединяет соседние панели вместе, отсеки шин нескольких панелей часто соединяются через газонепроницаемые втулки, образуя непрерывную газовую зону по всему распределительному щите.

Шины выдерживают полный номинальный ток установки — часто 1250 А, 2000 А или выше — и должны пропускать это без превышения температурных пределов, которые могут привести к ухудшению изоляции или ускорению окисления контактов. В КРУЭ окружающий газ помогает отводить тепло от проводников шин, обеспечивая более высокие номинальные токи при меньшем поперечном сечении, чем позволяет воздушная изоляция.

2. Отсек автоматического выключателя.

Если шина — это основа, то автоматический выключатель — это мышца. Это устройство, которое должно прерывать цепь в случае неисправности, а требования, предъявляемые к нему, чрезвычайно высоки. Автоматическому выключателю среднего напряжения может потребоваться прерывание тока в 25 000 ампер или более, гашение дуги, температура которой достигает температуры, сравнимой с температурой поверхности Солнца, и все это в течение нескольких миллисекунд.

В современных КРУЭ функцию автоматического выключателя практически всегда выполняет вакуумный прерыватель. Вакуумный прерыватель представляет собой герметичную керамическую бутылку с парой контактов внутри: один неподвижный, другой подвижный. Когда контакты разъединяются, образующаяся дуга создается в почти идеальном вакууме. Поскольку газа для ионизации практически нет, дуга гаснет при первом переходе тока через ноль. Окружающий газ в резервуаре КРУЭ обеспечивает диэлектрическую изоляцию между прерывателем и стенками резервуара, но не играет роли в гашении дуги.

В КРУЭ-панелях COTENELE используются вакуумные выключатели номиналом до 25 кА или 31,5 кА с механической износостойкостью 10 000 операций. Вакуумный прерыватель не требует технического обслуживания в течение всего срока службы — ни масла, ни газа, нечего пополнять.

3. Отсек разъединителя и заземлителя.

Автоматический выключатель может прервать ток, но он не может обеспечить видимый изоляционный зазор, которому обслуживающий персонал может доверить свою жизнь. Эта функция принадлежитразъединитель(также называемый изолятором). Разъединитель не имеет возможности гашения дуги — его можно использовать только после того, как автоматический выключатель уже отключил ток. Его задача — создать физический воздушный или газовый зазор, который визуально, механически и электрически надежен.

Заземлители выполняют противоположную функцию: они намеренно подключают изолированные проводники к земле, снимая любое остаточное емкостное или наведенное напряжение. Это шаг, который делает оборудование безопасным для прикосновения.

В КРУЭ во многих конструкциях разъединитель и заземлитель объединены в один трехпозиционный выключатель. Одно положение «закрыто» (подключено к шине), одно «открыто» (изолировано) и одно «заземлено». Такая трехпозиционная конструкция упрощает механическую блокировку и уменьшает количество необходимых газовых уплотнений.

4. Измерительные трансформаторы и кабельный отсек.

НетГИСобходится без измерений. Трансформаторы тока (ТТ) и трансформаторы напряжения (ТН) передают сигналы, необходимые реле защиты, счетчикам и системам SCADA для мониторинга и управления энергосистемой. В КРУЭ трансформаторы тока часто представляют собой тороидальные сердечники, установленные вокруг ввода, где автоматический выключатель соединяется с кабельным отсеком. ТН могут быть индуктивными или емкостными, подключаемыми к шине или фидеру в зависимости от схемы защиты и измерения.

Кабельный отсек — это место, где внешние высоковольтные кабели входят в панель и подключаются к внутренним проводникам. В КРУЭ без SF₆, использующем сухой воздух, кабельный отсек является частью того же герметичного газового объема, что и распределительное устройство, или отделен газонепроницаемой втулкой, в зависимости от конструкции. Кабельные наконечники обычно вставного типа с использованием эластомерных разъемов, которые обеспечивают полностью изолированный и полностью экранированный интерфейс между кабелем и распределительным устройством.

5. Низковольтный отсек управления.

За дверцей передней панели находится интеллектуальная система КРУЭ: реле защиты, переключатели управления, клеммные колодки, вспомогательные контакторы и шлюзы связи. Этот отсек имеет потенциал земли и изолирован от высоковольтных газовых отсеков герметичными втулками. Сюда прокладывается вся вторичная проводка — для отключения, включения, индикации и связи.

Качество изготовления низковольтного отсека является надежным показателем общего качества производителя. Аккуратно проложенная проводка, четко обозначенные клеммы и правильно сконфигурированные реле защиты позволяют предположить, что аналогичная осторожность была предпринята и в тех частях панели, которые клиент не может легко проверить.

Физика газовой изоляции. Зачем вообще использовать газ?

 Ответ кроется в фундаментальном свойстве материи: диэлектрической прочности.

Каждый изоляционный материал — воздух, масло, твердая эпоксидная смола или газ — имеет предел электрического поля, которое он может выдержать, прежде чем он сломается и начнет проводить электричество. Для воздуха при атмосферном давлении этот предел составляет примерно 3 кВ на миллиметр. Для SF₆ при умеренном давлении оно примерно в три раза выше. Это означает, что проводники внутри резервуара, наполненного SF₆, можно расположить гораздо ближе друг к другу, чем в воздухе, без риска искрового перекрытия. В результате вся панель распределительного устройства сжимается.

Механизм молекулярный. SF₆ — электроотрицательный газ: его молекулы легко захватывают свободные электроны, образуя тяжелые отрицательные ионы, которые медленно движутся в электрическом поле и плохо выдерживают электронную лавину. Это свойство обеспечивает SF₆ как высокую диэлектрическую прочность, так и превосходную способность к гашению дуги.

Сухой воздух и азот действуют по более простому принципу. Их диэлектрическая прочность ниже, чем у SF₆ при том же давлении, но она достаточна для приложений среднего напряжения, когда геометрия резервуара спроектирована с соответствующими зазорами. Компромиссом является немного больший объем бака при том же номинальном напряжении, инженерный компромисс, который большинство производителей и пользователей теперь принимают как цену за устранение потенциала глобального потепления SF₆, в 23 500 раз превышающего потенциал CO₂.

Как работают блокировки

Одной из определяющих особенностей КРУЭ является механическая система блокировки, которую часто называют блокировкой «пяти предохранителей». Эти блокировки являются чисто механическими — они не зависят от электроэнергии, программного обеспечения или человеческой памяти.

Логика проста, но неумолима:

1. Автоматический выключатель не может быть включен, если разъединитель не полностью разомкнут или полностью замкнут.

2. Разъединитель не может работать, пока выключатель включен.

3. Заземлитель не может быть замкнут, пока цепь находится под напряжением.

4. Автоматический выключатель не может быть включен, пока включен заземлитель.

5.Дверцу кабельного отсека нельзя открыть, если не замкнут заземлитель.

Эти правила обеспечиваются кулачками, рычагами и скользящими задвижками, которые физически блокируют ручки управления или дверную защелку, когда условия не выполняются. Для оператора, стоящего перед панелью, это означает, что небезопасная последовательность действий не просто запрещена — она механически невозможна.

КРУЭ без SF₆: тот же принцип, более безопасный газ

Принцип работы КРУЭ без SF₆ идентичен принципу работы обычного КРУЭ SF₆. Те же отсеки, тот же вакуумный прерыватель, тот же разъединитель и заземлитель, те же блокировки. Единственное, что меняется, — это газ внутри герметичного резервуара.

В КРУЭ среднего напряжения COTENELE в качестве изолирующей среды используется сухой воздух. Газ очищается, осушается и герметизируется внутри резервуара из нержавеющей стали на заводе. Резервуар проверяют на герметичность, а затем оставляют запечатанным на весь расчетный 30-летний срок службы. Здесь нет манометра, который мог бы читать оператор, нет заправочного отверстия и нет процедуры технического обслуживания, связанной с газом. Газовая система с точки зрения пользователя невидима.

Этот подход имеет три практических преимущества для конечного пользователя:

• Экологическое соответствие.Отсутствие SF₆ означает отсутствие обязательств по отчетности по фторсодержащим газам, отсутствие программы обнаружения утечек и отсутствие утилизации отработанного газа. Оборудование соответствует Регламенту ЕС по фторсодержащим газам без исключений и обходных путей.
• Упрощенное обслуживание.Техник по техническому обслуживанию, открывший дверь панели, обнаруживает тот же вакуумный выключатель, тот же механизм разъединителя и те же реле защиты, что и в любой другой современной КРУЭ. Здесь нет газообрабатывающего оборудования, в котором нужно разбираться.
• Перспективные инвестиции.Поскольку ограничения SF₆ ужесточаются во всем мире, оборудование, не содержащее SF₆, не столкнется с ужесточением ограничений на обслуживание, ростом затрат на газ или обязательными требованиями по модернизации.

Где используется ГИС

Технология КРУЭ применяется там, где пространство ограничено, надежность имеет решающее значение или условия окружающей среды делают оборудование с воздушной изоляцией непрактичным:

• Городские подстанции, где стоимость недвижимости делает компактное оборудование финансовой необходимостью.
• Коллекторные подстанции ветряных электростанций, распределительные устройства которых должны надежно работать в удаленных, иногда суровых условиях с ограниченным доступом для обслуживания.
• Центры обработки данных, где гарантии безотказной работы и обязательства по ESG требуют оборудования, не содержащего SF₆ и не требующего особого обслуживания.
• Промышленные предприятия с агрессивной атмосферой, высоким уровнем запыленности или высокой влажностью, которые могут привести к ухудшению состояния открытых проводников с воздушной изоляцией.
• Инфраструктура, такая как аэропорты, метро и туннели, где пожарная безопасность и компактность не подлежат обсуждению.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Можно ли отремонтировать КРУЭ в случае утечки газа?

О: Для герметичных КРУЭ с сухим воздухом резервуар сваривается и тестируется на заводе и не предназначен для открытия на месте. Если резервуар когда-либо выходит из строя, обычно заменяется вся панель. Вот почему проверка целостности резервуара во время производства имеет решающее значение. Однако утечка газа из правильно изготовленного герметичного резервуара на протяжении всего срока службы оборудования случается крайне редко.

Вопрос: Как узнать, что вакуумный прерыватель все еще работает?

Ответ: Целостность вакуума проверяется во время плановых заводских испытаний посредством испытания высокого потенциала на открытых контактах. В процессе эксплуатации вакуумные прерыватели не требуют технического обслуживания и не ухудшаются с течением времени. Единственным механизмом износа является эрозия контактов во время аварийного отключения, что учитывается при номинальном электрическом сроке службы прерывателя.

Вопрос: Является ли КРУЭ сухого воздуха физически больше, чем КРУЭ SF₆?

О: На уровнях среднего напряжения до 40,5 кВ разница в размерах минимальна и укладывается в стандартные размеры панели. За годы разработки производители оптимизировали геометрию резервуаров, чтобы свести к минимуму воздействие конструкций с сухим воздухом.

Вопрос: Какие стандарты применяются к ГИС?

О: КРУЭ в металлическом корпусе прошли типовые испытания в соответствии со стандартом IEC 62271-200. Внутренний автоматический выключатель протестирован на соответствие стандарту IEC 62271-100. Классификация внутренней дуги (IAC) проверена в соответствии со стандартом IEC 62271-200, приложение A. COTENELE предоставляет полные сертификаты типовых испытаний от независимых лабораторий, аккредитованных IEC, к каждому предложению.

Заключение: Овладение основами

Распределительное устройство с элегазовой изоляцией работает путем герметизации высоковольтных проводников в газовой атмосфере, которая изолирует их друг от друга и от земли, что позволяет сделать всю сборку намного меньше, чем ее эквивалент с воздушной изоляцией. Внутри этой герметичной среды вакуумные прерыватели разрывают цепь, разъединители обеспечивают видимую изоляцию, заземлители делают прикосновение к оборудованию безопасным, а сеть механических блокировок гарантирует, что эти операции могут выполняться только в правильной последовательности.

Переход от SF₆ к сухому воздуху не изменил эту фундаментальную архитектуру. Он просто заменил газ на тот, который не несет тысячелетней экологической ответственности. Для инженеров и покупателей понимание того, как работает КРУЭ, является основой для выбора правильного оборудования, проверки заявлений производителя и обеспечения того, что установленное сегодня распределительное устройство будет по-прежнему защищать сеть через три десятилетия.

КОТЕНЕЛЕ производит распределительные устройства с элегазовой изоляцией, не содержащей SF₆, с использованием сухой воздушной изоляции и вакуумного прерывания, прошедшие типовые испытания в соответствии со стандартом IEC 62271-200. Наша команда инженеров предоставляет полный пакет документации, включая сертификаты типовых испытаний и отчеты о плановых испытаниях, на этапе тендера, что позволяет нашим клиентам с уверенностью выбирать спецификации. Ищете КРУЭ, не содержащие SF₆, для вашего следующего проекта? COTENELE поставляет распределительные устройства с элегазовой изоляцией от 12 до 40,5 кВ, кольцевые главные блоки и вакуумные выключатели для коммунальных предприятий, возобновляемых источников энергии, центров обработки данных и промышленного применения.

КОТЕНЕЛЕявляется специализированным производителем распределительного устройства среднего напряжения, в том числе распределительного устройства с элегазовой изоляцией, не содержащей SF₆, вакуумных выключателей, кольцевых распределительных устройств и панелей с металлическим покрытием для применений от 12 кВ до 40,5 кВ. Наши продукты предназначены для коммунальных предприятий, операторов центров обработки данных, разработчиков возобновляемых источников энергии и промышленных покупателей в Европе, Азии и на Ближнем Востоке.