Jak działa rozdzielnica w izolacji gazowej (GIS)?

Wprowadzenie: Metalowa skrzynka kontrolująca tysiące woltów

Wejdź do dowolnej nowoczesnej podstacji, platformy kolektorów farmy wiatrowej lub piwnicy miejskiego drapacza chmur, a znajdziesz rząd niepozornych metalowych szafek, które cicho wykonują jedną z najniebezpieczniejszych prac w świecie elektryki. To sąrozdzielnica w izolacji gazowejpanele — lubGIS— i są przeznaczone do powstrzymywania, kontrolowania i gaszenia łuków elektrycznych, które w przeciwnym razie spowodowałyby odparowanie metalu i zagroziły osobom znajdującym się w pobliżu.

Dla inżyniera elektryka zrozumienie działania GIS nie jest zadaniem akademickim. Określa sposób rozplanowania podstacji, harmonogram konserwacji i to, czy sprzęt będzie nadal działał niezawodnie trzydzieści lat po uruchomieniu. Dla specjalisty ds. zakupów wyjaśnia, dlaczego jeden panel kosztuje więcej niż inny i co daje ta dodatkowa inwestycja pod względem bezpieczeństwa, zajmowanej powierzchni i kosztów cyklu życia.

W tym artykule wyjaśniono, element po elemencie, jak działa rozdzielnica w izolacji gazowej — od szczelnego zbiornika gazu, który oddziela przewody wysokiego napięcia, przez przerywacz próżniowy przerywający obwód, po blokady mechaniczne, które zapobiegają sytuacji, w której niebezpieczny błąd może zakończyć się śmiercią.

Czym dokładnie jest rozdzielnica w izolacji gazowej?

Rozdzielnica w izolacji gazowej to rozdzielnica w obudowie metalowej, w której znajduje się obwód pierwotnyelementy średniego napięcia— szyny zbiorcze, wyłączniki, odłączniki, uziemniki i przekładniki — są umieszczone w szczelnej, wypełnionej gazem komorze. Gaz pełni rolę środka izolującego pomiędzy częściami pod napięciem oraz pomiędzy częściami pod napięciem a ziemią.

Tradycyjna rozdzielnica z izolacją powietrzną opiera się na odległości fizycznej: przewody są rozmieszczone w wystarczającej odległości od siebie, aby otaczające powietrze było w stanie wytrzymać napięcie napięciowe bez przebicia. Rozdzielnice w izolacji gazowej zastępują tę fizyczną odległość gazem pod ciśnieniem, który ma znacznie wyższą wytrzymałość dielektryczną niż powietrze. Pozwala to na radykalne zmniejszenie całego zestawu — w niektórych przypadkach GIS zajmuje mniej niż jedną czwartą powierzchni podłogi równoważnej instalacji z izolacją powietrzną.

Sam zbiornik gazu jest zwykle wykonany ze stali nierdzewnej lub stopu aluminium, spawany i uszczelniany, aby zapobiec wyciekom gazu przez cały okres użytkowania urządzenia. Wewnątrz atmosfera jest kontrolowana i monitorowana. Nowoczesne projekty coraz częściej wykorzystują suche powietrze lub azot zamiast SF₆, co jest odpowiedzią na przepisy zmieniające branżę.

Jak zbudowany jest panel GIS: architektura wewnętrzna

Chociaż GIS wygląda z zewnątrz jak pojedyncza metalowa szafka, wewnętrznie jest podzielony na kilka funkcjonalnych przedziałów, każdy odizolowany od pozostałych gazoszczelnymi barierami lub tulejami. Zrozumienie tych przedziałów wyjaśnia, w jaki sposób sprzęt osiąga zarówno elastyczność operacyjną, jak i bezpieczeństwo.

1. Przedział szyn zbiorczych

Szyna zbiorcza jest podstawą każdego zestawu rozdzielnicy. W systemie GIS szyny zbiorcze biegną poziomo przez wydzieloną komorę gazową na górze lub z tyłu panelu. Ponieważ szyna zbiorcza łączy ze sobą sąsiadujące pola, przedziały szyn zbiorczych wielu paneli są często połączone za pomocą gazoszczelnych przepustów, tworząc ciągłą strefę gazową w całej rozdzielnicy.

Szyny zbiorcze przenoszą pełny prąd znamionowy instalacji – często 1250 A, 2000 A lub więcej – i nie mogą przekraczać dopuszczalnych temperatur, które mogłyby pogorszyć izolację lub przyspieszyć utlenianie styków. W systemach GIS otaczający gaz pomaga odprowadzać ciepło od przewodów szyn zbiorczych, umożliwiając uzyskanie wyższych wartości znamionowych prądu w mniejszym przekroju poprzecznym, niż pozwala na to izolacja powietrzna.

2. Przedział wyłącznika automatycznego

Jeśli szyna zbiorcza jest szkieletem, wyłącznikiem jest mięsień. Jest to urządzenie, które musi przerwać obwód w przypadku wystąpienia awarii – a wymagania, jakie są przed nim stawiane, są ekstremalne. Może być wymagany wyłącznik średniego napięcia, aby przerwać przepływ prądu o wartości 25 000 amperów lub więcej i zgasić łuk, który osiąga temperaturę porównywalną z powierzchnią słońca, a wszystko to w ciągu kilku milisekund.

We współczesnych konstrukcjach GIS funkcję wyłącznika niemal powszechnie pełni przerywacz próżniowy. Przerywacz próżniowy to szczelna butelka ceramiczna z parą styków wewnątrz – jednym stałym i jednym ruchomym. Kiedy styki się rozdzielają, powstający łuk jest rysowany w niemal idealnej próżni. Ponieważ praktycznie nie ma gazu, który mógłby zostać zjonizowany, łuk gaśnie przy pierwszym przejściu prądu przez zero. Gaz otaczający zbiornik GIS zapewnia izolację dielektryczną pomiędzy przerywaczem a ścianą zbiornika, ale nie odgrywa żadnej roli w gaszeniu łuku.

W panelach GIS firmy COTENELE zastosowano wyłączniki próżniowe o wartości znamionowej do 25 kA lub 31,5 kA, o wytrzymałości mechanicznej wynoszącej 10 000 operacji. Przerywacz próżniowy jest bezobsługowy przez cały okres eksploatacji — nie wymaga oleju, gazu ani konieczności uzupełniania.

3. Przedział odłącznika i uziemnika

Wyłącznik automatyczny może przerwać prąd, ale nie może zapewnić widocznej przerwy izolacyjnej, której personel konserwacyjny mógłby zaufać całym życiem. Funkcja ta należy dorozłącznik(zwany także izolatorem). Odłącznik nie ma możliwości gaszenia łuku – można go uruchomić dopiero po przerwaniu prądu przez wyłącznik. Jego zadaniem jest utworzenie fizycznej szczeliny powietrznej lub gazowej, która jest widocznie, mechanicznie i elektrycznie pewna.

Uziemniki pełnią odwrotną funkcję: celowo łączą izolowane przewody z ziemią, rozładowując resztkowe napięcie pojemnościowe lub indukowane. Jest to krok, który sprawia, że ​​sprzęt jest bezpieczny w dotyku.

W systemach GIS w wielu konstrukcjach odłącznik i uziemnik są zintegrowane w jeden trójpozycyjny rozłącznik. Jedno położenie jest „zamknięte” (podłączone do szyny zbiorczej), jedno jest „otwarte” (izolowane), a jedno jest „uziemione”. Ta trójpozycyjna konstrukcja upraszcza blokady mechaniczne i zmniejsza liczbę wymaganych uszczelek gazowych.

4. Transformatory przyrządowe i przedział kablowy

NIEGISjest kompletny bez pomiaru. Przekładniki prądowe (CT) i przekładniki napięciowe (VT) dostarczają sygnały potrzebne przekaźnikom zabezpieczeniowym, miernikom i systemom SCADA do monitorowania i sterowania systemem elektroenergetycznym. W systemach GIS przekładniki prądowe są często rdzeniami toroidalnymi zamontowanymi wokół tulei, w miejscu połączenia wyłącznika z przedziałem kablowym. VT mogą być indukcyjne lub pojemnościowe, podłączone do szyny zbiorczej lub od strony pola zasilającego, w zależności od schematu zabezpieczeń i pomiarów.

Przedział kablowy to miejsce, w którym zewnętrzne kable wysokiego napięcia wchodzą do panelu i łączą się z przewodnikami wewnętrznymi. W niezawierającym SF₆ GIS wykorzystującym suche powietrze przedział kablowy stanowi część tej samej zamkniętej przestrzeni gazowej co rozdzielnica lub jest oddzielony gazoszczelną tuleją, w zależności od konstrukcji. Zakończenia kablowe są zazwyczaj typu wtykowego i wykorzystują złącza elastomerowe, które zapewniają w pełni izolowany, w pełni ekranowany interfejs pomiędzy kablem a rozdzielnicą.

5. Przedział sterowania niskim napięciem

Za drzwiczkami panelu przedniego kryje się inteligencja GIS: przekaźniki zabezpieczające, przełączniki sterujące, listwy zaciskowe, styczniki pomocnicze i bramki komunikacyjne. Przedział ten ma potencjał masy i jest odizolowany od przedziałów gazowych wysokiego napięcia za pomocą uszczelnionych przepustów. Całe okablowanie wtórne – do wyłączania, zamykania, sygnalizacji i komunikacji – jest prowadzone tutaj.

Jakość wykonania przedziału niskiego napięcia jest wiarygodnym wskaźnikiem ogólnej jakości producenta. Starannie poprowadzone okablowanie, wyraźnie oznaczone zaciski i odpowiednio skonfigurowane przekaźniki zabezpieczające sugerują, że podobną staranność położono w przypadku części panelu, których klient nie może łatwo sprawdzić.

Fizyka izolacji gazowejPo co w ogóle używać gazu?

 Odpowiedź leży w podstawowej właściwości materii: wytrzymałości dielektrycznej.

Każdy materiał izolacyjny — powietrze, olej, stała żywica epoksydowa lub gaz — ma ograniczoną wartość pola elektrycznego, które może wytrzymać, zanim ulegnie zniszczeniu i przewodzi. Dla powietrza pod ciśnieniem atmosferycznym granica ta wynosi około 3 kV na milimetr. Dla SF₆ przy umiarkowanym ciśnieniu jest ono w przybliżeniu trzy razy wyższe. Oznacza to, że przewodniki wewnątrz zbiornika wypełnionego SF₆ można umieścić znacznie bliżej siebie niż w powietrzu, bez ryzyka przeskoku płomienia. W rezultacie kurczy się cały panel rozdzielnicy.

Mechanizm jest molekularny. SF₆ jest gazem elektroujemnym: jego cząsteczki łatwo wychwytują wolne elektrony, tworząc ciężkie jony ujemne, które poruszają się powoli w polu elektrycznym i słabo podtrzymują lawinę elektronów. Ta właściwość zapewnia SF₆ zarówno wysoką wytrzymałość dielektryczną, jak i doskonałą zdolność gaszenia łuku.

Suche powietrze i azot działają na prostszej zasadzie. Ich wytrzymałość dielektryczna jest niższa niż SF₆ przy tym samym ciśnieniu, ale jest wystarczająca do zastosowań średniego napięcia, gdy geometria zbiornika została zaprojektowana z odpowiednimi luzami. Kompromisem jest nieco większa pojemność zbiornika przy tym samym napięciu znamionowym. Jest to kompromis inżynieryjny, który większość producentów i użytkowników akceptuje obecnie jako cenę za wyeliminowanie potencjału globalnego ocieplenia SF₆, który jest 23 500 razy większy niż CO₂.

Jak działają blokady

Jedną z cech charakterystycznych GIS jest jego mechaniczny system blokowania, często nazywany blokadą „pięciu zabezpieczeń”. Te blokady są czysto mechaniczne — nie zależą od zasilania elektrycznego, oprogramowania ani ludzkiej pamięci.

Logika jest prosta, ale bezlitosna:

1. Wyłącznika nie można zamknąć, jeśli odłącznik nie jest całkowicie otwarty lub całkowicie zamknięty.

2. Odłącznika nie można uruchamiać, gdy wyłącznik jest zamknięty.

3. Uziemnik nie może zostać zamknięty, gdy obwód jest pod napięciem.

4. Nie można zamknąć wyłącznika, gdy uziemnik jest włączony.

5. Drzwi przedziału kablowego nie można otworzyć, jeśli uziemnik nie jest zamknięty.

Zasady te egzekwują krzywki, dźwignie i rygle przesuwne, które fizycznie blokują klamki robocze lub zatrzask drzwi, gdy warunki nie są spełnione. Dla operatora stojącego przed panelem oznacza to, że niebezpieczna sekwencja działań jest nie tylko zabroniona – jest mechanicznie niemożliwa.

GIS niezawierający SF₆: ta sama zasada, bezpieczniejszy gaz

Zasada działania GIS niezawierającego SF₆ jest taka sama jak w przypadku konwencjonalnego GIS SF₆. Te same przedziały, ten sam przerywacz próżniowy, ten sam odłącznik i uziemnik, te same blokady. Jedyne, co się zmienia, to gaz w zamkniętym zbiorniku.

GIS średniego napięcia firmy COTENELE wykorzystuje suche powietrze jako medium izolacyjne. Gaz jest fabrycznie oczyszczany, osuszany i zamykany w zbiorniku ze stali nierdzewnej. Zbiornik jest testowany pod kątem szczelności, a następnie pozostawiany szczelny przez cały projektowany 30-letni okres użytkowania. Operator nie ma manometru, który mógłby odczytać, portu do uzupełniania paliwa ani żadnych procedur konserwacji związanych z gazem, których powinien przestrzegać. Instalacja gazowa jest z punktu widzenia użytkownika niewidoczna.

Takie podejście ma trzy praktyczne zalety dla użytkownika końcowego:

• Zgodność środowiskowa.Brak SF₆ oznacza brak obowiązków sprawozdawczych w zakresie fluorowanych gazów cieplarnianych, brak programu wykrywania wycieków i brak odzysku gazów wycofanych z eksploatacji. Urządzenie jest zgodne z rozporządzeniem UE w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych bez wyjątków i obejść.
• Uproszczona konserwacja.Technik zajmujący się konserwacją, który otwiera drzwi panelu, znajduje ten sam wyłącznik próżniowy, ten sam mechanizm odłącznika i te same przekaźniki zabezpieczające, co w każdym innym nowoczesnym systemie GIS. Nie ma żadnego sprzętu do obsługi gazu, który można by zrozumieć.
• Inwestycja przyszłościowa.W miarę zaostrzania się ograniczeń dotyczących SF₆ na całym świecie, sprzęt niezawierający SF₆ nie będzie musiał stawić czoła zaostrzającym się ograniczeniom usług, rosnącym kosztom gazu ani obowiązkowym wymogom modernizacji.

Gdzie używany jest GIS

Technologia GIS jest stosowana wszędzie tam, gdzie przestrzeń jest ograniczona, niezawodność ma kluczowe znaczenie lub warunki środowiskowe sprawiają, że sprzęt izolowany powietrzem jest niepraktyczny:

• Podstacje miejskie, w których koszty nieruchomości sprawiają, że kompaktowy sprzęt staje się koniecznością finansową.
• Podstacje kolektorowe farm wiatrowych, w których rozdzielnica musi działać niezawodnie w odległych, czasami trudnych warunkach, z ograniczonym dostępem konserwacyjnym.
• Centra danych, w których gwarancje dostępności i zobowiązania związane z ESG wymagają sprzętu niezawierającego SF₆ i wymagającego niewielkiej konserwacji.
• Zakłady przemysłowe z atmosferą korozyjną, wysokim poziomem zapylenia lub dużą wilgotnością, która może spowodować uszkodzenie odsłoniętych przewodów izolowanych powietrzem.
• Infrastruktura, taka jak lotniska, metro i tunele, gdzie bezpieczeństwo przeciwpożarowe i zwartość nie podlegają negocjacjom.

Często zadawane pytania

P: Czy można naprawić GIS w przypadku wycieku gazu?

Odp.: W przypadku GIS z suchym powietrzem, szczelnie zamkniętym na cały okres eksploatacji, zbiornik jest spawany i testowany w fabryce i nie jest przeznaczony do otwierania na miejscu. Jeśli zbiornik zostanie kiedykolwiek naruszony, zazwyczaj wymienia się cały panel. Dlatego też testowanie integralności zbiornika podczas produkcji ma kluczowe znaczenie. Jednakże wyciek gazu z prawidłowo wyprodukowanego, szczelnego zbiornika zdarza się niezwykle rzadko w całym okresie eksploatacji urządzenia.

P: Skąd wiesz, że przerywacz próżniowy nadal działa?

Odp.: Integralność próżni jest weryfikowana podczas rutynowych testów fabrycznych poprzez test wysokiego potencjału na otwartych stykach. W trakcie eksploatacji komory próżniowe są bezobsługowe i nie ulegają degradacji z biegiem czasu. Jedynym mechanizmem zużycia jest erozja styków podczas przerywania zwarcia, która jest uwzględniana w znamionowej wytrzymałości elektrycznej wyłącznika.

P: Czy GIS suchego powietrza jest fizycznie większy niż GIS SF₆?

Odp.: Przy poziomach średniego napięcia do 40,5 kV różnica wielkości jest minimalna i mieści się w standardowych wymiarach paneli. Producenci przez lata opracowywali optymalizację geometrii zbiorników, aby zminimalizować wpływ projektów na suche powietrze.

P: Jakie standardy mają zastosowanie do GIS?

Odp.: GIS w obudowie metalowej został poddany testom typu zgodnie z normą IEC 62271-200. Znajdujący się wewnątrz wyłącznik automatyczny został przetestowany zgodnie z normą IEC 62271-100. Klasyfikacja łuku wewnętrznego (IAC) jest testowana zgodnie z normą IEC 62271-200, załącznik A. Firma COTENELE dołącza do każdej oferty pełne certyfikaty badań typu z niezależnych laboratoriów akredytowanych przez IEC.

Wniosek: opanowanie podstaw

Rozdzielnica w izolacji gazowej działa poprzez uszczelnienie przewodów wysokiego napięcia w atmosferze gazowej, która izoluje je od siebie nawzajem i od ziemi, dzięki czemu cały zespół może być znacznie mniejszy niż jego odpowiednik w izolacji powietrznej. Wewnątrz tego szczelnego środowiska przerywacze próżniowe przerywają obwód, odłączniki zapewniają widoczną izolację, uziemniki sprawiają, że sprzęt jest bezpieczny w dotyku, a sieć blokad mechanicznych zapewnia, że ​​operacje te można wykonać tylko we właściwej kolejności.

Przejście od SF₆ do suchego powietrza nie zmieniło tej podstawowej architektury. Po prostu zastąpiono gaz takim, który nie wiąże się z trwającą tysiąclecia odpowiedzialnością za środowisko. Dla inżynierów i nabywców zrozumienie, jak działa GIS, jest podstawą doboru odpowiedniego sprzętu, weryfikacji roszczeń producenta i zapewnienia, że ​​zainstalowana dzisiaj rozdzielnica będzie nadal chronić sieć za trzydzieści lat.

COTENELE produkuje rozdzielnice w izolacji gazowej niezawierającej SF₆, wykorzystujące izolację suchym powietrzem i przerwę próżniową, poddane testowi typu zgodnie z IEC 62271-200. Nasz zespół inżynierów zapewnia kompletne pakiety dokumentacji — w tym certyfikaty testów typu i raporty z testów rutynowych — na etapie przetargu, umożliwiając naszym klientom pewność specyfikacji. Szukasz GIS niezawierającego SF₆ do swojego następnego projektu? COTENELE dostarcza rozdzielnice w izolacji gazowej od 12 kV do 40,5 kV, jednostki główne pierścieniowe i wyłączniki próżniowe do zastosowań użyteczności publicznej, energii odnawialnej, centrów danych i zastosowań przemysłowych.

COTENELEjest wyspecjalizowanym producentem rozdzielnic średniego napięcia, w tym rozdzielnic w izolacji gazowej niezawierającej SF₆, wyłączników próżniowych, głównych jednostek pierścieniowych i paneli platerowanych metalem do zastosowań od 12 kV do 40,5 kV. Nasze produkty służą przedsiębiorstwom użyteczności publicznej, operatorom centrów danych, deweloperom zajmującym się energią odnawialną i nabywcom przemysłowym w Europie, Azji i na Bliskim Wschodzie.