Как работает распределительное устройство среднего напряжения в системах распределения электроэнергии

Основа между производством и потреблением

Пройдитесь по любому современному городу и вы пройдете мимо десятков инсталляций, зависящих отраспределительное устройство среднего напряженияникогда не видя ни одного. Они сидят внутри безымянных зданий, за заборами подстанций, в подвалах коммерческих башен и на окраинах промышленных парков. Это электрические узлы, в которых происходит переход мощности от напряжения уровня передачи к напряжению, которое фактически используют фабрики, центры обработки данных, больницы и многоквартирные дома.

Распределительные устройства среднего напряжения занимают особое место в цепи распределения электроэнергии. Он расположен между сетью передачи высокого напряжения (линии 110 кВ, 220 кВ или 400 кВ, которые передают электроэнергию на большие расстояния) и распределительной сетью низкого напряжения 400 В или 230 В, которая подключается к оборудованию конечного пользователя. Диапазон среднего напряжения, обычно определяемый как напряжения выше 1 кВ и до 40,5 кВ или 52 кВ в зависимости от применяемого стандарта, — это место, где основная мощность разделяется и направляется к различным нагрузкам на объекте или в географической области.

В этой статье объясняется, как распределительное устройство среднего напряжения работает на уровне системы, какие функции оно выполняет и почему выбор, сделанный в спецификации распределительного устройства, влияет на безопасность, надежность и эксплуатационные расходы всей нижестоящей распределительной сети.

Где находится распределительное устройство среднего напряжения в системе

Чтобы понять, что делает распределительное устройство среднего напряжения, нужно проследить путь мощности от сети к нагрузке.

Типичный промышленный или коммерческий объект получает электроэнергию от местной электросети при среднем напряжении — в зависимости от страны обычно бывает 10 кВ, 11 кВ, 20 кВ или 33 кВ. Эта мощность поступает по подземным кабелям или воздушным линиям и поступает в главный распределительный щит объекта, который представляет собой распределительное устройство среднего напряжения. Оттуда он течет через автоматические выключатели и шины в несколько пунктов назначения. Некоторые фидеры подключаются к трансформаторам, понижающим напряжение до 400 В для общего распределения внутри объекта. Другие фидеры могут обслуживать большие двигатели, охладители или компрессоры непосредственно при среднем напряжении, поскольку нагрузка слишком велика для экономичного обслуживания при низком напряжении. Другие фидеры могут подключаться к генерации на месте, например, к газовым турбинам или резервным дизель-генераторам, или к возобновляемым источникам энергии, например, солнечным инверторам на крыше.

Распределительное устройство среднего напряжения является точкой управления всеми этими потоками мощности. Он может подключать или изолировать каждый фидер индивидуально. Он может защитить каждый фидер от неисправностей. Он может разделить шину на отдельные секции для повышения надежности. Кроме того, он предоставляет точки измерения и мониторинга, которые операторы объекта используют, чтобы понять, что делает их электрическая система в любой данный момент.

Основные функцииРаспределительное устройство среднего напряжения

Распределительное устройство среднего напряжения выполняет четыре основные функции в системе распределения электроэнергии. Понимание каждого из них объясняет, почему оборудование спроектировано таким, какое оно есть.

Функция первая: переключение в нормальных условиях

Самая основная функция любого распределительного устройства — подключение и отключение цепей при нормальной нагрузке. Питатель производственной линии должен быть под напряжением во время работы линии и обесточен для технического обслуживания. Автоматический выключатель генератора должен замыкаться, когда генератор включается в сеть, и размыкаться, когда он отключается от сети. Шинный соединитель должен соединить две секции шины, когда трансформатор выведен из эксплуатации, а оставшийся трансформатор должен питать обе секции.

Эти операции переключения являются рутинными, но нетривиальными. Коммутационное устройство должно быть способно прерывать ток полной нагрузки без чрезмерного искрения или эрозии контактов. Он должен быть способен выполнить эту операцию тысячи раз за срок службы. И это должно быть сделано таким образом, чтобы не ставить под угрозу безопасность оператора, стоящего перед панелью.

Вакуумные автоматические выключатели сегодня справляются с этой задачей в большинстве приложений среднего напряжения. Вакуумный прерыватель гасит дугу внутри герметичной керамической бутылки, где нет газа, который можно ионизировать, нет масла, которое могло бы разлагаться, и нечего поддерживать. Для применений с более низкой частотой переключения можно использовать выключатели нагрузки, которые проще и дешевле, чем полные автоматические выключатели, для фидеров, которые не должны прерывать ток повреждения.

Функция вторая: защита от неисправностей

Если переключение в нормальных условиях является рутинной работой распределительного устройства, то защита от неисправностей является его важнейшей задачей. Неисправность — короткое замыкание между фазами или между фазой и землей — может привести к высвобождению энергии в масштабах, которые трудно визуализировать. Ток в месте повреждения может достигать десятков тысяч ампер за миллисекунды. Тепловые и механические силы, создаваемые этим током, могут разрушить оборудование, вызвать пожар и ранить персонал.

Распределительное устройство должно обнаружить неисправность, прервать подачу тока и изолировать неисправную секцию до того, как произойдет любое из этих последствий. Для этого необходимо, чтобы три вещи работали вместе: защитное реле, которое определяет аномальный ток, автоматический выключатель, который может его отключить, и конструкция системы, которая ограничивает побочный ущерб исправным частям сети.

Реле защиты среднего напряжения становятся все более сложными. Современные цифровые реле могут различать различные типы неисправностей, различать неисправности на защищенном фидере и неисправности на выходе, а также записывать данные о форме сигналов, которые помогают инженерам понять, что произошло после события. Но реле может только послать сигнал отключения. Затем автоматический выключатель должен физически разъединить свои контакты против всех электромагнитных сил тока повреждения, погасить дугу, образующуюся между ними, и восстановить свою диэлектрическую прочность достаточно быстро, чтобы предотвратить повторное возгорание. Именно для этого спроектирован и испытан вакуумный выключатель с номинальным током отключения короткого замыкания 25 кА или 31,5 кА.

Функция третья: изоляция для безопасности

Защита от сбоев автоматически устраняет опасные условия. Изоляция — это преднамеренное действие, предпринятое для того, чтобы сделать оборудование безопасным для работы людей.

Когда команде технического обслуживания требуется доступ к трансформатору, кабельному наконечнику или самому выключателю, им необходим видимый и поддающийся проверке разрыв в цепи. Им необходимо знать, что цепь не может быть повторно включена случайно. Им необходимо, чтобы оборудование было заземлено, чтобы любое остаточное или наведенное напряжение не представляло опасности.

Распределительное устройство среднего напряжения обеспечивает это за счет комбинации автоматических выключателей, разъединителей и заземлителей, которые взаимосвязаны, поэтому работа должна выполняться в безопасной последовательности. Оператор должен сначала отключить автоматический выключатель, затем разомкнуть разъединитель, чтобы создать видимый изолирующий зазор, а затем замкнуть заземлитель, чтобы заземлить изолированную секцию. Механические блокировки предотвращают неправильное выполнение любого из этих этапов. Это система блокировки «пяти превентивных мер», которая входит в стандартную комплектацию всех современных автомобилей.распределительное устройство среднего напряжения.

Функция четвертая: измерение и мониторинг

Ни одна система распределения не может управляться без данных. Измерения тока сообщают реле защиты, что делает система. Измерения напряжения позволяют контролировать качество электроэнергии и проверять синхронизацию. Измерения энергии являются основой для выставления счетов и распределения затрат. И все чаще данные мониторинга состояния самого распределительного устройства — температура, частичный разряд, время хода механизма — используются для прогнозирования необходимости технического обслуживания до того, как произойдет сбой.

Распределительное устройство среднего напряжения объединяет все эти функции измерения. Трансформаторы тока и трансформаторы напряжения монтируются в кабельном отсеке или на шинах. Их вторичные выходы подключены к реле защиты, счетчикам и преобразователям в отсеке низкого напряжения. В современных установках эти устройства обмениваются данными через цифровые протоколы, такие как IEC 61850, Modbus или Profibus, с центральной SCADA объекта или системой управления энергопотреблением. Панель распределительного устройства является одновременно силовым устройством и источником данных.

Конфигурации распределительных устройств в распределительных системах

Физическое расположение панелей распределительного устройства в распределительной системе не является произвольным. Он отражает философию эксплуатации объекта и требования к надежности обслуживаемых нагрузок.

Одиночная шина

Самая простая конфигурация — это одна шина, к которой подключены все входящие и отходящие фидеры. Питание шины осуществляется от одного трансформатора. Если трансформатор выходит из строя или выводится из эксплуатации на техническое обслуживание, все нагрузки на этой шине теряют мощность. Эта конфигурация недорога и проста в эксплуатации, но не обеспечивает резервирования. Он используется там, где последствия перебоев в поставках допустимы — небольшое коммерческое здание, некритический промышленный процесс или временное строительное энергоснабжение.

Секционированная одинарная шина

Добавление автоматического выключателя секции шины создает две секции шин, которые могут работать независимо или соединяться вместе. Каждая секция питается от своего трансформатора. Если один трансформатор выходит из строя, шинный соединитель закрывается, и исправный трансформатор питает обе секции. Во время передачи нагрузки испытывают кратковременные перерывы, но обслуживание быстро восстанавливается. Это наиболее распространенная конфигурация для промышленных предприятий и коммерческих объектов среднего размера, где допустимы некоторые простои для технического обслуживания, но недопустима полная потеря электроснабжения.

Основной-Галстук-Основной

В конфигурации «главная связка-основная» шинный соединитель размещается между двумя отдельными секциями шины, каждая из которых имеет собственный главный входной выключатель и трансформатор. Муфта нормально открыта. Если какой-либо трансформатор потерян, соединитель закрывается автоматически или под действием оператора. Эта конфигурация обеспечивает более высокую надежность, чем простая секционированная шина, поскольку работа соединителя может быть автоматизирована, а передача может происходить без вмешательства оператора. Он используется на критически важных объектах, таких как больницы, центры обработки данных и промышленные предприятия с непрерывным процессом.

Конфигурация кольцевого основного блока (RMU)

Для распределительных сетей, которые обслуживают несколько географически распределенных потребителей (университетский кампус, городская распределительная сеть, коллекторная система ветряной электростанции), конфигурация кольцевого основного блока является стандартным решением. Несколько панелей RMU соединены в кольцо, при этом каждая панель обычно содержит два выключателя нагрузки для кольцевых фидеров и один автоматический выключатель или выключатель с предохранителем для местного трансформатора. Энергия может течь в любом направлении по кольцу. Если в любом месте кольца происходит повреждение кабеля, две панели RMU, прилегающие к месту повреждения, могут изолировать поврежденный участок, а все остальные нагрузки продолжают получать питание от исправной стороны кольца. Эта архитектура обеспечивает уровень надежности энергоснабжения, которого не может достичь радиальная система, при этом затраты намного ниже, чем дублирование всей инфраструктуры энергоснабжения.

Компания COTENELE поставляет RMU 24 кВ без SF₆ для кольцевых сетей, использующих сухой воздух в качестве изолирующей среды в герметичном резервуаре из нержавеющей стали. Модули RMU — входящий, отходящий, защита трансформатора, шинный соединитель и модуль прямого измерения — состоят из стандартизированных, прошедших типовые испытания узлов, которые можно сконфигурировать в соответствии с однолинейной схемой проекта.

Переход на распределительные устройства без SF₆

Важным достижением в области распределительных устройств среднего напряжения за последнее десятилетие стал отказ от использования элегазового газа в качестве изолирующей и дугогасительной среды. Это особенно актуально для распределительных устройств с элегазовой изоляцией и кольцевых распределительных устройств, где SF₆ традиционно использовался для заполнения герметичного резервуара, в котором заключены все части, находящиеся под напряжением.

Движущей силой этого перехода является экологическое законодательство, в первую очередь Регламент ЕС по фторсодержащим газам, который теперь запрещает новые распределительные устройства SF₆ до 24 кВ на европейском рынке. Но этот переход также поддерживается разумной инженерной логикой. Сухой воздух и азот имеют нулевой потенциал глобального потепления, не требуют специального обращения в конце срока службы и устраняют административную нагрузку по ведению учета фторсодержащих газов и отчетности об утечках. Вакуумное прерывание, которое на протяжении десятилетий было стандартом для автоматических выключателей, обеспечивает функцию гашения дуги вообще без использования газа.

Для оператора объекта практическая разница между SF₆RMU и RMU с сухим воздухом минимальна с точки зрения электрических характеристик — оба проходят типовые испытания на соответствие одному и тому же стандарту IEC 62271-200. Разница проявляется в операционных процедурах. RMU с сухим воздухом с герметичным резервуаром на весь срок службы не требует контроля давления газа, соблюдения графика дозаправки и организации рекуперации газа по окончании срока службы. Для коммунального предприятия или промышленного оператора, управляющего сотнями подстанций, это упрощение имеет реальную ценность.

Проектирование системы распределения: спецификация распределительного устройства

Для инженеров, которые выбирают распределительные устройства среднего напряжения, окончательную конфигурацию системы определяют несколько решений.

Напряжение и уровень неисправности. Напряжение системы определяет диэлектрическую конструкцию распределительного устройства. Имеющийся ток повреждения определяет требуемую отключающую способность при коротком замыкании. И то, и другое определяется входным соединением с сетью и сопротивлением трансформатора. Занижение рейтинга неисправности опасно. Чрезмерное определение приводит к ненужным затратам. Правильное число получено в результате исследования короткого замыкания.

Конфигурация шинопровода. Выбор между одинарной шиной, секционированной шиной и конфигурацией «главная связь-главная» зависит от требований к надежности и бюджета. Конфигурации с более высокой надежностью увеличивают количество панелей, стоимость и сложность, но они защищают от единственной наиболее распространенной причины длительных простоев: отказа трансформатора.

Автоматический выключатель против контактора с предохранителем. Для фидеров, питающих трансформаторы, автоматический выключатель обеспечивает защиту как от перегрузки, так и от короткого замыкания. Для фидеров, питающих двигатели, контактор с предохранителем может быть более экономичным и обеспечивать лучшую защиту от специфичных для двигателя неисправностей. Решение зависит от типа нагрузки и требуемого уровня координации защиты.

Фиксированные и выдвижные. Стационарное распределительное устройство проще и дешевле, но любое обслуживание выключателя требует обесточивания всей секции шины. Выкатное распределительное устройство позволяет выдвигать выключатель для технического обслуживания, пока шина остается под напряжением. Для критически важных объектов, где простои обходятся чрезвычайно дорого, выдвижная конфигурация обычно оправдана.

Интеграция и общение. Распределительное устройство должно сопрягаться с системой защиты и управления объекта. Протокол связи, тип и количество трансформаторов тока и напряжения, а также вспомогательный источник питания для реле защиты и цепей управления должны быть определены в спецификации.