Jak działa rozdzielnica średniego napięcia w systemach dystrybucji energii

Podstawa między wytwarzaniem a konsumpcją

Przejdź się po dowolnym nowoczesnym mieście, a miniesz dziesiątki instalacji, od których zależyrozdzielnica średniego napięcianigdy żadnego nie widząc. Siedzą w nieoznakowanych budynkach, za płotami podstacji, w piwnicach wieżowców handlowych i na obrzeżach parków przemysłowych. Są to węzły elektryczne, w których moc przechodzi z napięcia na poziomie transmisji na napięcie faktycznie używane w fabrykach, centrach danych, szpitalach i blokach mieszkalnych.

Rozdzielnice średniego napięcia zajmują szczególne miejsce w łańcuchu dystrybucji energii. Znajduje się pomiędzy siecią przesyłową wysokiego napięcia — liniami 110 kV, 220 kV lub 400 kV przenoszącymi energię na duże odległości — a siecią dystrybucyjną niskiego napięcia 400 V lub 230 V, która łączy się ze sprzętem użytkownika końcowego. Zakres średniego napięcia, zwykle definiowany jako napięcie powyżej 1 kV do 40,5 kV lub 52 kV, w zależności od stosowanej normy, to obszar, w którym moc masowa jest dzielona i kierowana do różnych obciążeń w całym obiekcie lub obszarze geograficznym.

W artykule wyjaśniono, jak rozdzielnica średniego napięcia działa na poziomie systemu, jakie funkcje pełni i dlaczego wybory dokonane w specyfikacji rozdzielnicy wpływają na bezpieczeństwo, niezawodność i koszty eksploatacji całej sieci dystrybucyjnej.

Gdzie w systemie znajduje się rozdzielnica średniego napięcia

Aby zrozumieć, do czego służy rozdzielnica średniego napięcia, warto prześledzić drogę mocy od sieci do obciążenia.

Typowy obiekt przemysłowy lub handlowy zasilany jest z lokalnego zakładu energetycznego średnim napięciem — w zależności od kraju powszechne są napięcia 10 kV, 11 kV, 20 kV lub 33 kV. Energia ta dociera podziemnymi kablami lub liniami napowietrznymi i trafia do głównej rozdzielnicy obiektu, która jest zespołem rozdzielnicy średniego napięcia. Stamtąd przepływa przez wyłączniki i szyny zbiorcze do kilku miejsc docelowych. Niektóre zasilacze są podłączane do transformatorów, które obniżają napięcie do 400 V w celu ogólnej dystrybucji w obiekcie. Inne podajniki mogą obsługiwać duże silniki, agregaty chłodnicze lub sprężarki bezpośrednio przy średnim napięciu, ponieważ obciążenie jest zbyt duże, aby ekonomicznie obsługiwać je przy niskim napięciu. Jeszcze inne zasilacze można podłączyć do źródeł wytwarzanych na miejscu, takich jak turbiny gazowe lub rezerwowe generatory diesla, lub do odnawialnych źródeł energii, takich jak falowniki słoneczne na dachu.

Rozdzielnica średniego napięcia jest punktem kontrolnym dla wszystkich przepływów mocy. Może łączyć lub izolować każdy podajnik z osobna. Może chronić każdy podajnik przed awariami. Może podzielić autobus na osobne sekcje, aby poprawić niezawodność. Zapewnia także punkty pomiarowe i monitorujące, których operatorzy obiektu używają, aby zrozumieć, co w danym momencie robi ich instalacja elektryczna.

Podstawowe funkcjeRozdzielnica średniego napięcia

Rozdzielnica średniego napięcia spełnia cztery podstawowe funkcje w systemie dystrybucji energii. Zrozumienie każdego z nich wyjaśnia, dlaczego sprzęt został zaprojektowany w taki, a nie inny sposób.

Funkcja pierwsza: przełączanie w normalnych warunkach

Najbardziej podstawową funkcją każdej rozdzielnicy jest łączenie i rozłączanie obwodów pod normalnym obciążeniem. Podajnik linii produkcyjnej musi być zasilany energią podczas pracy linii i odłączany od zasilania w celu konserwacji. Wyłącznik generatora musi się zamknąć, gdy generator zostanie włączony i otwarty, gdy zostanie przełączony w tryb offline. Łącznik szynowy musi łączyć dwie sekcje szyn zbiorczych, gdy transformator jest wyłączony z eksploatacji, a pozostały transformator musi zasilać obie sekcje.

Te operacje przełączania są rutynowe, ale nie są trywialne. Urządzenie przełączające musi być w stanie przerwać prąd pełnego obciążenia bez nadmiernego wyładowania łukowego lub erozji styków. Musi być w stanie wykonać tę operację tysiące razy w ciągu swojego okresu użytkowania. I musi to robić w sposób, który nie zagraża bezpieczeństwu operatora stojącego przed panelem.

Wyłączniki próżniowe radzą sobie z tym zadaniem w większości współczesnych zastosowań średniego napięcia. Przerywacz próżniowy gasi łuk wewnątrz szczelnej ceramicznej butelki, w której nie ma gazu, który mógłby jonizować, oleju, który mógłby ulec degradacji i niczego, co wymagałoby konserwacji. W zastosowaniach o niższej częstotliwości przełączania rozłączniki obciążenia – które są prostsze i tańsze niż pełne wyłączniki – mogą być stosowane w zasilaczach, od których nie oczekuje się przerywania prądu zwarciowego.

Funkcja druga: ochrona przed awarią

Jeśli przełączanie w normalnych warunkach jest rutynową pracą rozdzielnicy, ochrona przed awariami jest jej krytycznym zadaniem. Usterka — zwarcie między fazami lub między fazą a masą — może wyzwolić energię na skalę trudną do wyobrażenia. Prąd w punkcie zwarcia może wzrosnąć do dziesiątek tysięcy amperów w ciągu milisekund. Siły termiczne i mechaniczne generowane przez ten prąd mogą zniszczyć sprzęt, wywołać pożar i zranić personel.

Rozdzielnica musi wykryć usterkę, przerwać prąd i odizolować uszkodzoną sekcję, zanim wystąpią jakiekolwiek z tych konsekwencji. Wymaga to współdziałania trzech elementów: przekaźnika zabezpieczającego wykrywającego nieprawidłowy prąd, wyłącznika automatycznego, który może go przerwać, oraz projektu systemu ograniczającego dodatkowe uszkodzenia zdrowych części sieci.

Przekaźniki zabezpieczające średniego napięcia stają się coraz bardziej wyrafinowane. Nowoczesne przekaźniki numeryczne potrafią rozróżnić różne typy zwarć, rozróżnić zwarcia w chronionym obwodzie zasilającym od zwarć w dalszej części sieci oraz rejestrować dane w postaci przebiegu, które pomagają inżynierom zrozumieć, co wydarzyło się po zdarzeniu. Ale przekaźnik może wysłać tylko sygnał wyłączenia. Wyłącznik musi następnie fizycznie oddzielić swoje styki od pełnych sił elektromagnetycznych prądu zwarciowego, wygasić łuk powstający między nimi i odzyskać swoją wytrzymałość dielektryczną wystarczająco szybko, aby zapobiec ponownemu zapłonowi. Do tego celu został zaprojektowany i przetestowany wyłącznik próżniowy o znamionowym prądzie zwarciowym wyłączalnym 25 kA lub 31,5 kA.

Funkcja trzecia: izolacja dla bezpieczeństwa

Zabezpieczenie przed awarią automatycznie usuwa niebezpieczne warunki. Izolacja to celowe działanie podjęte w celu zapewnienia bezpieczeństwa ludziom, przy których można pracować.

Kiedy zespół konserwacyjny musi uzyskać dostęp do transformatora, zakończenia kabla lub samego wyłącznika, potrzebuje widocznej i możliwej do sprawdzenia przerwy w obwodzie. Muszą wiedzieć, że obwód nie może zostać przypadkowo ponownie włączony. Wymagają także podłączenia sprzętu do uziemienia, aby żadne napięcie szczątkowe lub indukowane nie stanowiło zagrożenia.

Rozdzielnice średniego napięcia zapewniają to poprzez kombinację wyłączników, odłączników i uziemników, wszystkie zblokowane, dzięki czemu działanie musi odbywać się według bezpiecznej sekwencji. Operator musi najpierw otworzyć wyłącznik, następnie rozłącznik, aby utworzyć widoczną przerwę izolacyjną, a następnie zamknąć uziemnik, aby uziemić sekcję izolowaną. Blokady mechaniczne zapobiegają nieprawidłowemu wykonaniu któregokolwiek z tych etapów. Jest to system blokujący „pięć prewencji”, który jest standardem we wszystkich nowoczesnychrozdzielnica średniego napięcia.

Funkcja czwarta: Pomiar i monitorowanie

Żaden system dystrybucji nie może być zarządzany bez danych. Pomiary prądu informują przekaźniki zabezpieczeniowe o tym, co robi system. Pomiary napięcia umożliwiają monitorowanie jakości energii i kontrolę synchronizacji. Pomiary energii stanowią podstawę do rozliczeń i alokacji kosztów. Coraz częściej dane z monitorowania stanu samej rozdzielnicy – ​​temperatura, wyładowania niezupełne, czas ruchu mechanizmu – są wykorzystywane do przewidywania, kiedy konieczna będzie konserwacja, zanim wystąpi awaria.

Rozdzielnica średniego napięcia integruje wszystkie te funkcje pomiarowe. Przekładniki prądowe i napięciowe montowane są w przedziale kablowym lub na szynach zbiorczych. Ich wyjścia wtórne są podłączone do przekaźników zabezpieczających, mierników i przetworników w przedziale niskiego napięcia. W nowoczesnych instalacjach urządzenia te komunikują się za pomocą protokołów cyfrowych, takich jak IEC 61850, Modbus lub Profibus, z centralnym systemem SCADA obiektu lub systemem zarządzania energią. Tablica rozdzielcza jest zarówno urządzeniem zasilającym, jak i źródłem danych.

Konfiguracje rozdzielnic w systemach dystrybucyjnych

Fizyczne rozmieszczenie pól rozdzielnic w systemie dystrybucyjnym nie jest dowolne. Odzwierciedla filozofię działania obiektu i wymagania niezawodnościowe obsługiwanych obciążeń.

Pojedyncza szyna zbiorcza

Najprostsza konfiguracja to pojedyncza szyna zbiorcza, do której podłączone są wszystkie pola zasilające i odpływowe. Magistralę zasila pojedynczy transformator. Jeśli transformator ulegnie awarii lub zostanie wycofany z eksploatacji w celu konserwacji, wszystkie obciążenia na tej szynie stracą moc. Taka konfiguracja jest tania i prosta w obsłudze, ale nie zapewnia redundancji. Stosuje się go tam, gdzie konsekwencje przerwy w dostawie są tolerowane – mały budynek komercyjny, niekrytyczny proces przemysłowy lub tymczasowe dostawy budowlane.

Dzielona pojedyncza szyna zbiorcza

Dodanie wyłącznika sekcji magistrali tworzy dwie sekcje szyn zbiorczych, które mogą działać niezależnie lub być ze sobą połączone. Każda sekcja jest zasilana przez własny transformator. Jeśli jeden transformator ulegnie awarii, łącznik magistrali zostaje zamknięty, a sprawny transformator zasila obie sekcje. Podczas transferu nastąpiła krótka przerwa w dostawie ładunków, ale usługa została szybko przywrócona. Jest to najczęstsza konfiguracja w średnich zakładach przemysłowych i obiektach handlowych, gdzie dopuszczalne są pewne przestoje ze względu na konserwację, ale całkowita utrata zasilania nie jest akceptowalna.

Główny-Tie-Główny

Konfiguracja typu „główne wiązanie” umieszcza łącznik szynowy pomiędzy dwiema oddzielnymi sekcjami magistrali, każda z własnym głównym wyłącznikiem wejściowym i transformatorem. Złącze jest normalnie otwarte. W przypadku utraty któregokolwiek z transformatorów łącznik zamyka się automatycznie lub poprzez działanie operatora. Taka konfiguracja zapewnia wyższą niezawodność niż zwykła magistrala podzielona na segmenty, ponieważ działanie sprzęgu można zautomatyzować, a transfer może nastąpić bez interwencji operatora. Jest stosowany w obiektach krytycznych, takich jak szpitale, centra danych i zakłady przemysłowe, w których odbywa się proces ciągły.

Konfiguracja jednostki głównej pierścienia (RMU).

W przypadku sieci dystrybucyjnych obsługujących wiele odbiorców rozproszonych geograficznie — kampus uniwersytecki, miejska sieć dystrybucyjna, system kolektorów farm wiatrowych — konfiguracja jednostki głównej pierścieniowej jest standardowym rozwiązaniem. Kilka paneli RMU jest połączonych w pierścień, przy czym każdy panel zazwyczaj zawiera dwa rozłączniki obciążenia dla obwodów pierścieniowych i jeden wyłącznik lub rozłącznik bezpiecznikowy dla lokalnego transformatora. Moc może przepływać w dowolnym kierunku wokół pierścienia. Jeśli w dowolnym miejscu pierścienia wystąpi awaria kabla, dwa sąsiadujące z nią panele RMU mogą odizolować uszkodzoną sekcję, a wszystkie pozostałe obciążenia będą nadal otrzymywać energię ze sprawnej strony pierścienia. Architektura ta zapewnia poziom niezawodności zasilania, któremu nie może dorównać system promieniowy, a koszt jest znacznie niższy niż powielenie całej infrastruktury zasilającej.

COTENELE dostarcza moduły RMU 24 kV wolne od SF₆ do głównych zastosowań pierścieniowych, wykorzystujące suche powietrze jako medium izolacyjne w szczelnie zamkniętym na cały okres eksploatacji zbiorniku ze stali nierdzewnej. Moduły RMU — przychodzące, odpływowe, zabezpieczające transformatory, łączniki szynowe i pomiary bezpośrednie — są zbudowane ze standardowych podzespołów poddanych testom typu, które można skonfigurować tak, aby pasowały do ​​schematu jednokreskowego projektu.

Przejście na rozwiązania niezawierające SF₆ w rozdzielnicach dystrybucyjnych

Ważnym wydarzeniem w rozdzielnicach średniego napięcia w ciągu ostatniej dekady było odejście od gazu SF₆ jako środka izolującego i gaszącego łuk. Jest to szczególnie istotne w przypadku rozdzielnic i głównych jednostek pierścieniowych z izolacją gazową, gdzie tradycyjnie do napełniania szczelnego zbiornika zawierającego wszystkie części pod napięciem używano SF₆.

Motorem tego przejścia są przepisy dotyczące ochrony środowiska, w szczególności rozporządzenie UE w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych, które obecnie zabrania stosowania na rynku europejskim nowych rozdzielnic SF₆ do 24 kV. Ale przejście to jest również poparte solidną logiką inżynierską. Suche powietrze i azot mają zerowy potencjał globalnego ocieplenia, nie wymagają specjalnego postępowania po zakończeniu eksploatacji i eliminują obciążenie administracyjne związane z prowadzeniem rejestrów F-gazów i raportowaniem wycieków. Przerwanie próżniowe, które od dziesięcioleci jest standardem w zastosowaniach wyłączników, zapewnia funkcję gaszenia łuku bez użycia gazu.

Dla operatora obiektu praktyczna różnica między SF₆RMU a RMU na suche powietrze jest minimalna pod względem parametrów elektrycznych — oba urządzenia zostały poddane testom typu zgodnie z tą samą normą IEC 62271-200. Różnica pojawia się w procedurach operacyjnych. RMU na suche powietrze ze zbiornikiem szczelnie zamkniętym na cały okres eksploatacji nie wymaga monitorowania ciśnienia gazu, utrzymywania harmonogramu uzupełniania ani konieczności organizowania odzyskiwania gazu po zakończeniu okresu eksploatacji. Dla operatora energetycznego lub przemysłowego zarządzającego setkami podstacji to uproszczenie ma realną wartość.

Projektowanie systemu dystrybucyjnego: specyfikacja rozdzielnicy

Dla inżynierów, którzy określają rozdzielnicę średniego napięcia, ostateczną konfigurację systemu określa kilka decyzji.

Napięcie i poziom błędu. Napięcie systemowe określa konstrukcję dielektryczną rozdzielnicy. Dostępny prąd zwarciowy określa wymaganą zdolność wyłączania zwarciowego. Obydwa są ustalane przez podłączenie do sieci zasilającej i impedancję transformatora. Niedookreślenie wartości znamionowej błędu jest niebezpieczne. Przesadzenie w specyfikacji zwiększa niepotrzebne koszty. Właściwa liczba pochodzi z badania zwarcia.

Konfiguracja szyn zbiorczych. Wybór pomiędzy pojedynczą szyną zbiorczą, dzieloną szyną zbiorczą i konfiguracją magistrala-główna zależy od wymagań dotyczących niezawodności i budżetu. Konfiguracje o wyższej niezawodności zwiększają liczbę paneli, koszt i złożoność, ale chronią przed jedną najczęstszą przyczyną dłuższych przestojów: awarią transformatora.

Wyłącznik automatyczny a stycznik z bezpiecznikiem. W przypadku pól zasilających transformatory wyłącznik zapewnia zarówno ochronę przed przeciążeniem, jak i zwarciem. W przypadku zasilaczy zasilających silniki stycznik z bezpiecznikiem może być bardziej ekonomiczny i zapewniać lepszą ochronę przed uszkodzeniami charakterystycznymi dla silnika. Decyzja zależy od rodzaju obciążenia i wymaganego poziomu koordynacji zabezpieczeń.

Stałe kontra wyjmowane. Rozdzielnica stała jest prostsza i tańsza, ale jakakolwiek konserwacja wyłącznika wymaga odłączenia zasilania całej sekcji magistrali. Wysuwana rozdzielnica umożliwia wysunięcie wyłącznika w celu konserwacji, podczas gdy autobus pozostaje pod napięciem. W przypadku obiektów krytycznych, w których przestoje są niezwykle kosztowne, konfiguracja wysuwna jest zwykle uzasadniona.

Integracja i komunikacja. Rozdzielnica musi współpracować z systemem zabezpieczeń i sterowania obiektu. Protokół komunikacyjny, rodzaj i ilość przekładników prądowych i napięciowych oraz zasilanie pomocnicze przekaźników zabezpieczeniowych i obwodów sterujących muszą być określone w specyfikacji.