A középfeszültségű kapcsolóberendezések működése az áramelosztó rendszerekben

Gerinc a generáció és a fogyasztás között

Sétáljon át bármely modern városon, és több tucat létesítmény mellett halad el, amelyektől függközépfeszültségű kapcsolóberendezésanélkül, hogy valaha is láttam volna. Jelöletlen épületekben, alállomások kerítései mögött, kereskedelmi tornyok pincéjében és ipari parkok szélén ülnek. Ezek azok az elektromos csomópontok, ahol az áramellátás az átviteli szintű feszültségről a gyárak, adatközpontok, kórházak és lakóházak által ténylegesen használt feszültségre vált át.

A középfeszültségű kapcsolóberendezések meghatározott helyet foglalnak el az áramelosztási láncban. A nagyfeszültségű átviteli hálózat – 110 kV-os, 220 kV-os vagy 400 kV-os vezetékek, amelyek nagy távolságokon keresztül szállítják az áramot – és a végfelhasználói berendezésekhez csatlakozó 400 V-os vagy 230 V-os kisfeszültségű elosztóhálózat között helyezkedik el. A középfeszültség-tartomány, amelyet általában 1 kV feletti és 40,5 kV-ig vagy 52 kV-ig terjedő feszültségként határoznak meg, az alkalmazott szabványtól függően, az a hely, ahol a nagy teljesítményt felosztják és különböző terhelésekhez irányítják egy létesítményen vagy földrajzi területen.

Ez a cikk elmagyarázza, hogy a középfeszültségű kapcsolóberendezések hogyan működnek rendszerszinten, milyen funkciókat látnak el, és miért befolyásolják a kapcsolóberendezések specifikációjában hozott döntések a teljes elosztóhálózat biztonságát, megbízhatóságát és üzemeltetési költségeit.

Ahol a rendszerben középfeszültségű kapcsolóberendezés található

A középfeszültségű kapcsolóberendezések működésének megértéséhez segít nyomon követni a hálózattól a terhelésig terjedő energia útját.

Egy tipikus ipari vagy kereskedelmi létesítmény a helyi szolgáltatótól kap áramot középfeszültségen – országtól függően 10 kV, 11 kV, 20 kV vagy 33 kV általános. Ez az áram földkábeleken vagy légvezetékeken keresztül érkezik a létesítmény fő kapcsolótáblájába, amely egy középfeszültségű kapcsolóberendezés. Onnan megszakítókon és gyűjtősíneken keresztül több helyre folyik. Egyes tápegységek olyan transzformátorokat használnak, amelyek 400 V-ra csökkentik a feszültséget a létesítményen belüli általános elosztás érdekében. Más adagolók nagy motorokat, hűtőket vagy kompresszorokat szolgálhatnak ki közvetlenül középfeszültségen, mivel a terhelés túl nagy ahhoz, hogy alacsony feszültségen gazdaságosan kiszolgálható legyen. Megint más betáplálók csatlakozhatnak a helyszíni termeléshez, például gázturbinákhoz vagy tartalék dízelgenerátorokhoz, vagy megújuló energiaforrásokhoz, például a tetőn elhelyezett szoláris inverterekhez.

A középfeszültségű kapcsolóberendezés az összes ilyen teljesítmény vezérlési pontja. Minden adagolót külön-külön csatlakoztathat vagy elkülöníthet. Minden adagolót megvédhet a hibáktól. A buszt külön részekre oszthatja a megbízhatóság növelése érdekében. És biztosítja azokat a mérési és felügyeleti pontokat, amelyek segítségével a létesítmény üzemeltetői megértik, hogy az adott pillanatban mit csinál az elektromos rendszerük.

Alapvető funkcióiKözépfeszültségű kapcsolóberendezés

A középfeszültségű kapcsolóberendezések négy alapvető funkciót látnak el az áramelosztó rendszerben. Mindegyik megértése megmagyarázza, hogy a berendezést miért úgy tervezték, ahogy van.

Első funkció: Váltás normál körülmények között

Minden kapcsolóberendezés legalapvetőbb funkciója az áramkörök csatlakoztatása és leválasztása normál terhelés mellett. A gyártósor adagolóját feszültség alá kell helyezni, amikor a sor működik, és feszültségmentesíteni kell a karbantartáshoz. A generátor megszakítójának zárnia kell, amikor a generátort online kapcsolja, és ki kell nyitnia, amikor offline állapotba kerül. Egy buszcsatolónak két gyűjtősín-szakaszt kell csatlakoztatnia, amikor egy transzformátort üzemen kívül helyeznek, és a fennmaradó transzformátornak mindkét szakaszt táplálnia kell.

Ezek a kapcsolási műveletek rutinszerűek, de nem triviálisak. A kapcsolókészüléknek képesnek kell lennie a teljes terhelési áram megszakítására túlzott ívképződés vagy érintkezőerózió nélkül. Ezt a műveletet élettartama során ezerszer kell végrehajtania. És ezt úgy kell tennie, hogy ne veszélyeztesse a panel előtt álló kezelő biztonságát.

A vákuum-megszakítók kezelik ezt a feladatot a legtöbb középfeszültségű alkalmazásban. A vákuummegszakító eloltja az ívet egy lezárt kerámiapalackban, ahol nincs ionizálható gáz, nincs lebomló olaj, és nincs mit karbantartani. Alacsonyabb kapcsolási frekvenciájú alkalmazásoknál a terhelésmegszakító kapcsolók – amelyek egyszerűbbek és olcsóbbak, mint a teljes megszakítók – használhatók azokhoz az adagolókhoz, amelyeknél várhatóan nem szakítják meg a hibaáramot.

Második funkció: Hibavédelem

Ha a kapcsolás normál körülmények között a kapcsolóberendezések rutinmunkája, akkor a hibavédelem a kritikus küldetése. Egy hiba – rövidzárlat a fázisok között, vagy a fázis és a test között – olyan méretű energiát szabadíthat fel, amelyet nehéz elképzelni. Az áramerősség a hibaponton ezredmásodperc alatt több tízezer amperre is emelkedhet. Az áram által keltett hő- és mechanikai erők tönkretehetik a berendezéseket, tüzet okozhatnak, és megsebesíthetik a személyzetet.

A kapcsolóberendezésnek észlelnie kell a hibát, meg kell szakítania az áramot, és le kell választania a hibás szakaszt, mielőtt ezen következmények bármelyike ​​bekövetkezne. Ehhez három dolog együtt működik: egy védelmi relé, amely érzékeli az abnormális áramot, egy megszakító, amely megszakítja azt, és egy olyan rendszertervezés, amely korlátozza a hálózat egészséges részein a járulékos károkat.

A középfeszültségű védelmi relék egyre kifinomultabbak. A modern numerikus relék képesek megkülönböztetni a különböző típusú hibákat, különbséget tenni a védett betáplálójuk hibái és a lefelé irányuló hibák között, és rögzítik a hullámforma adatokat, amelyek segítenek a mérnököknek megérteni, mi történt az esemény után. De a relé csak kioldójelet tud küldeni. A megszakítónak ezután fizikailag el kell választania érintkezőit a hibaáram teljes elektromágneses erőivel szemben, el kell oltania a közöttük kialakuló ívet, és elég gyorsan vissza kell állítania dielektromos szilárdságát, hogy megakadályozza az újragyulladást. Erre tervezték és tesztelték a 25 kA vagy 31,5 kA névleges rövidzárlati megszakító árammal rendelkező vákuummegszakítót.

Harmadik funkció: Elszigetelés a biztonság érdekében

A hibavédelem automatikusan megszünteti a veszélyes állapotokat. Az elszigetelés olyan szándékos tevékenység, amely a berendezés biztonságossá tételére irányul az emberek számára.

Amikor egy karbantartó csapatnak hozzá kell férnie egy transzformátorhoz, kábelvégződéshez vagy magához a megszakítóhoz, akkor látható, ellenőrizhető szakadásra van szüksége az áramkörben. Tudniuk kell, hogy az áramkört nem lehet véletlenül újra feszültség alá helyezni. A berendezést földhöz kell kötni, hogy a maradék vagy indukált feszültség ne jelentsen veszélyt.

A középfeszültségű kapcsolóberendezések biztosítják ezt a megszakítók, szakaszolókapcsolók és földelőkapcsolók kombinációjával, amelyek mindegyike reteszelve van, így a működésnek biztonságos sorrendben kell történnie. A kezelőnek először ki kell nyitnia a megszakítót, majd ki kell nyitnia a szakaszolót, hogy látható szigetelőrést hozzon létre, majd zárja le a földelő kapcsolót a leválasztott szakasz földeléséhez. A mechanikus reteszelések megakadályozzák, hogy ezen lépések bármelyike ​​rendellenesen történjen. Ez az "öt megelőzés" reteszelő rendszer, amely minden modern készüléken alapfelszereltségközépfeszültségű kapcsolóberendezés.

Negyedik funkció: Mérés és felügyelet

Adatok nélkül egyetlen elosztórendszer sem kezelhető. Az aktuális mérések jelzik a védelmi reléknek, hogy mit csinál a rendszer. A feszültségmérés lehetővé teszi az áramminőség figyelését és a szinkronizálást. Az energiamérés a számlázás és a költségfelosztás alapja. És egyre gyakrabban magából a kapcsolóberendezésből származó állapotfigyelő adatokat – hőmérséklet, részleges kisülés, mechanizmus mozgási ideje – használják annak előrejelzésére, hogy mikor van szükség karbantartásra, mielőtt meghibásodás következik be.

A középfeszültségű kapcsolóberendezések mindezen mérési funkciókat integrálják. Az áramváltók és a feszültségváltók a kábelrekeszbe vagy a gyűjtősínekre vannak felszerelve. Másodlagos kimeneteik a kisfeszültségű térben lévő védelmi relékhez, mérőórákhoz és jelátalakítókhoz vannak kötve. A modern telepítésekben ezek az eszközök digitális protokollokon (például IEC 61850, Modbus vagy Profibus) keresztül kommunikálnak a létesítmény központi SCADA-jával vagy energiamenedzsment-rendszerével. A kapcsolókészülék panel egyben tápegység és adatforrás is.

Kapcsolóberendezések konfigurációi az elosztórendszerekben

A kapcsolóberendezés panelek fizikai elrendezése egy elosztórendszerben nem önkényes. Ez tükrözi a létesítmény működési filozófiáját és a kiszolgált terhelések megbízhatósági követelményeit.

Egyetlen gyűjtősín

A legegyszerűbb konfiguráció egyetlen gyűjtősín, amelyhez az összes bejövő és kimenő adagoló csatlakozik. Egyetlen transzformátor látja el a buszt. Ha a transzformátor meghibásodik, vagy karbantartás miatt kivonják a forgalomból, a busz összes terhelése elveszíti az áramellátást. Ez a konfiguráció alacsony költséggel és egyszerűen kezelhető, de nem kínál redundanciát. Ott használatos, ahol az ellátás megszakításának következménye elviselhető – kis kereskedelmi épületben, nem kritikus ipari folyamatban vagy ideiglenes építési ellátásban.

Szekcionált egysín

Egy buszszakasz-megszakító hozzáadásával két gyűjtősínszakasz jön létre, amelyek egymástól függetlenül működhetnek, vagy összekapcsolhatók. Minden szakaszt saját transzformátor lát el. Ha az egyik transzformátor meghibásodik, a buszcsatoló zár, és az egészséges transzformátor mindkét szakaszt táplálja. A terhelések rövid ideig megszakadnak az átvitel során, de a szolgáltatás gyorsan helyreáll. Ez a legelterjedtebb konfiguráció közepes méretű ipari üzemek és kereskedelmi létesítmények esetében, ahol némi leállás elfogadható a karbantartáshoz, de a teljes ellátás elvesztése nem.

Fő-Tie-Main

A fő összekötő-fő konfiguráció egy buszcsatolót helyez el két különálló buszszakasz közé, amelyek mindegyike saját fő bejövő megszakítóval és transzformátorral rendelkezik. A csatlakozó általában nyitva van. Ha valamelyik transzformátor elveszik, a csatoló automatikusan vagy a kezelő beavatkozásával zár. Ez a konfiguráció nagyobb megbízhatóságot kínál, mint egy egyszerű szekcionált busz, mivel a csatoló működése automatizálható, és az átvitel a kezelő beavatkozása nélkül megtörténhet. Kritikus létesítményekben, például kórházakban, adatközpontokban és folyamatos folyamatú ipari üzemekben használják.

Ring Main Unit (RMU) konfigurációja

Több földrajzilag szétszórt terhelést kiszolgáló elosztó hálózatok esetében – egyetemi kampusz, városi elosztóhálózat, szélerőmű-gyűjtőrendszer – a gyűrűs főegység konfigurációja a standard megoldás. Több RMU panel van gyűrűben csatlakoztatva, mindegyik panelen jellemzően két terhelésmegszakító kapcsoló található a gyűrűs adagolókhoz és egy megszakító vagy biztosítékkal ellátott kapcsoló a helyi transzformátorhoz. Az erő mindkét irányban áramolhat a gyűrű körül. Ha a gyűrűn bárhol kábelhiba lép fel, a hibával szomszédos két RMU panel le tudja szigetelni a sérült részt, és az összes többi terhelés továbbra is a gyűrű egészséges oldaláról kap áramot. Ez az architektúra olyan szintű ellátási megbízhatóságot biztosít, amelyet egy radiális rendszer nem tud felmutatni, sokkal alacsonyabb költség mellett, mint a teljes ellátási infrastruktúra megkettőzése.

A COTENELE 24 kV-os SF₆-mentes RMU-kat szállít gyűrűs főalkalmazásokhoz, száraz levegőt használva szigetelő közegként egy élettartamra zárt rozsdamentes acél tartályban. Az RMU modulok – bejövő, kimenő, transzformátorvédelem, buszcsatoló és közvetlen mérés – szabványos, típustesztelt részegységekből épülnek fel, amelyek a projekt egysoros diagramjához igazíthatók.

Átállás az SF₆-mentesre az elosztó kapcsolóberendezésekben

Az elmúlt évtizedben a középfeszültségű kapcsolóberendezések egyik fontos fejleménye az SF₆-gáz, mint szigetelő és ívoltó közeg helyett való elmozdulás volt. Ez különösen igaz a gázszigetelt kapcsolóberendezésekre és gyűrűs főegységekre, ahol hagyományosan az SF₆-t használták az összes feszültség alatt álló részt körülvevő, lezárt tartály feltöltésére.

Ennek az átmenetnek a mozgatórugója a környezetvédelmi szabályozás, mindenekelőtt az EU F-gáz rendelete, amely most tiltja az új SF₆ kapcsolóberendezéseket 24 kV-ig az európai piacon. De az átállást a szilárd mérnöki logika is támogatja. A száraz levegőnek és a nitrogénnek nincs globális felmelegedési potenciálja, nem igényel különleges kezelést az élettartam végén, és kiküszöböli az F-gázok nyilvántartásának és a szivárgás bejelentésének adminisztratív terheit. A vákuummegszakítás, amely évtizedek óta a megszakító alkalmazások szabványa, biztosítja az ívoltó funkciót gáz nélkül.

Egy létesítmény üzemeltetője számára az SF₆RMU és a szárazlevegős RMU közötti gyakorlati különbség minimális az elektromos teljesítmény tekintetében – mindkettőt ugyanazon IEC 62271-200 szabvány szerint tesztelték. A különbség a működési eljárásokban mutatkozik meg. Az élettartamra lezárt tartállyal rendelkező szárazlevegős RMU-nak nincs nyomon követhető gáznyomása, nincs fenntartandó utántöltési ütemterve, és nem kell gondoskodni az élettartam végén lévő gáz visszanyeréséről. Egy több száz alállomást üzemeltető közszolgáltató vagy ipari szolgáltató számára ez az egyszerűsítés valós értéket jelent.

Elosztórendszer tervezése: A kapcsolóberendezés specifikációja

A középfeszültségű kapcsolóberendezéseket meghatározó mérnökök számára számos döntés határozza meg a rendszer végső konfigurációját.

Feszültség és hibaszint. A rendszerfeszültség határozza meg a kapcsolóberendezés dielektromos kialakítását. A rendelkezésre álló hibaáram határozza meg a szükséges rövidzárlati megszakító képességet. Mindkettőt az upstream hálózati csatlakozás és a transzformátor impedanciája hozza létre. A hibabesorolás alul meghatározása veszélyes. A túladagolás szükségtelen költségekkel jár. A megfelelő szám egy rövidzárlati vizsgálatból származik.

Gyűjtősín konfiguráció. Az egyetlen gyűjtősín, a szekcionált gyűjtősín és a főcsatlakozós fő konfigurációk közötti választás a megbízhatósági követelményektől és a költségvetéstől függ. A nagyobb megbízhatóságú konfigurációk növelik a panelek számát, költségét és bonyolultabbá teszik, de védelmet nyújtanak a hosszabb leállások egyetlen leggyakoribb oka ellen: a transzformátor meghibásodása ellen.

Megszakító kontra biztosítékos kontaktor. A transzformátorokat tápláló tápegységeknél a megszakító túlterhelés és rövidzárlat elleni védelmet is biztosít. A motorokat tápláló adagolóknál a biztosítékkal ellátott kontaktor gazdaságosabb lehet, és jobb védelmet nyújthat a motorspecifikus hibaállapotokkal szemben. A döntés a terhelés típusától és a védelmi koordináció szükséges szintjétől függ.

Fix kontra kihúzható. A rögzített kapcsolóberendezések egyszerűbbek és olcsóbbak, de a megszakító bármilyen karbantartása megköveteli a teljes buszszakasz áramtalanítását. A kihúzható kapcsolóberendezés lehetővé teszi a megszakító kihúzását karbantartás céljából, miközben a busz feszültség alatt marad. A kritikus létesítményeknél, ahol az állásidő rendkívül költséges, általában indokolt a kihúzható konfiguráció.

Integráció és kommunikáció. A kapcsolóberendezésnek kapcsolódnia kell a létesítmény védelmi és vezérlőrendszeréhez. A specifikációban meg kell határozni a kommunikációs protokollt, az áram- és feszültségtranszformátorok típusát és mennyiségét, valamint a védelmi relék és vezérlőáramkörök segédtápellátását.