В системе электроснабжения распределительное устройство состоит из электрических разъединителей, предохранителей или автоматических выключателей, используемых для управления, защиты и изоляции электрооборудования. Распределительное устройство используется как для обесточивания оборудования, чтобы обеспечить выполнение работы, так и для устранения неисправностей ниже по течению. Этот тип оборудования напрямую связан с надежностью электроснабжения .
Самые ранние центральные электростанции использовали простые открытые рубильники , установленные на изоляционных панелях из мрамора или асбеста . Уровни мощности и напряжения быстро росли, делая открытие ручных переключателей слишком опасным для чего-либо, кроме изоляции обесточенной цепи. Оборудование распределительного устройства, заполненное маслом, позволяет сдерживать и безопасно контролировать энергию дуги. К началу 20-го века линия распределительного устройства представляла собой металлическую закрытую конструкцию с электрически управляемыми коммутационными элементами, использующими масляные выключатели. Сегодня маслонаполненное оборудование в значительной степени заменено оборудованием с воздушным дутьем, вакуумом или SF 6 , что позволяет безопасно контролировать большие токи и уровни мощности с помощью автоматического оборудования.
Высоковольтное распределительное устройство было изобретено в конце 19 века для управления двигателями и другими электрическими машинами. [1] Со временем технология была усовершенствована и теперь может использоваться при напряжении до 1100 кВ. [2]
Обычно распределительные устройства на подстанциях располагаются как на стороне высокого, так и на стороне низкого напряжения больших силовых трансформаторов . Распределительное устройство на стороне низкого напряжения трансформаторов может располагаться в здании с выключателями среднего напряжения для распределительных цепей, а также с измерительным, контрольным и защитным оборудованием. Для промышленного применения трансформатор и распределительная линия могут быть объединены в одном корпусе, называемом унифицированной подстанцией (USS). Согласно последнему исследованию Visiongain, компании по исследованию рынка, ожидается, что мировой рынок распределительных устройств достигнет 152,5 млрд долларов к 2029 году при среднегодовом темпе роста 5,9%. Ожидается, что рост будет обусловлен растущими инвестициями в возобновляемые источники энергии и повышенным спросом на безопасные и надежные системы распределения электроэнергии. [3]
Распределительное устройство состоит из двух типов компонентов:
Одной из основных функций распределительного устройства является защита, которая заключается в прерывании токов короткого замыкания и перегрузки, при этом поддерживая обслуживание неповрежденных цепей. Распределительное устройство также обеспечивает изоляцию цепей от источников питания. Распределительное устройство также используется для повышения доступности системы, позволяя более чем одному источнику питать нагрузку.
Распределительное устройство так же старо, как и электрогенерация . Первые модели были очень примитивными: все компоненты просто крепились к стене. Позже их монтировали на деревянных панелях. В целях пожарной безопасности дерево заменили сланцем или мрамором . Это привело к дальнейшему усовершенствованию, поскольку коммутационные и измерительные устройства можно было прикрепить спереди, а проводку — сзади. [4]
Распределительное устройство для более низких напряжений может быть полностью закрыто внутри здания. Для более высоких напряжений (более 66 кВ) распределительное устройство обычно устанавливается на открытом воздухе и изолируется воздухом, хотя это требует большого количества пространства. Распределительное устройство с газовой изоляцией экономит место по сравнению с оборудованием с воздушной изоляцией, хотя стоимость оборудования выше. Распределительное устройство с масляной изоляцией представляет опасность разлива масла.
Переключатели могут управляться вручную или иметь электроприводы для дистанционного управления.
Распределительное устройство может быть простым выключателем-изолятором на открытом воздухе или может быть изолировано каким-либо другим веществом. Эффективной, хотя и более дорогой формой распределительного устройства является распределительное устройство с газовой изоляцией (GIS), в котором проводники и контакты изолированы сжатым газом гексафторидом серы ( SF 6 ). Другие распространенные типы — распределительные устройства с масляной или вакуумной изоляцией.
Комбинация оборудования в корпусе распределительного устройства позволяет им прерывать токи короткого замыкания в тысячи ампер. Автоматический выключатель (в корпусе распределительного устройства) является основным компонентом, который прерывает токи короткого замыкания. Гашение дуги, когда автоматический выключатель разъединяет контакты (разъединяет цепь), требует тщательного проектирования. Автоматические выключатели делятся на следующие шесть типов:
Масляные выключатели полагаются на испарение части масла, чтобы выдуть струю масла вдоль пути дуги. Пар, выделяемый дугой, состоит из газообразного водорода . Минеральное масло имеет лучшие изолирующие свойства, чем воздух. Всякий раз, когда происходит разделение токоведущих контактов в масле, дуга в выключателе инициализируется в момент разделения контактов, и из-за этой дуги масло испаряется и разлагается в основном на газообразный водород и в конечном итоге создает пузырь водорода вокруг электрической дуги . Этот сильно сжатый газовый пузырь вокруг витка предотвращает повторное зажигание дуги после того, как ток достигает нулевого пересечения цикла. Масляный выключатель является одним из старейших типов выключателей.
Воздушные выключатели могут использовать сжатый воздух (затяжку) или магнитную силу самой дуги для удлинения дуги. Поскольку длина устойчивой дуги зависит от доступного напряжения, удлиненная дуга в конечном итоге исчерпает себя. В качестве альтернативы контакты быстро перемещаются в небольшую герметичную камеру, при этом вытесненный воздух вытесняется, и дуга гаснет.
Автоматические выключатели обычно способны очень быстро прекратить весь ток: обычно от 30 мс до 150 мс в зависимости от возраста и конструкции устройства.
Газовые (SF6 ) выключатели иногда растягивают дугу с помощью магнитного поля , а затем полагаются на диэлектрическую прочность газа SF6 для гашения растянутой дуги.
Гибридное распределительное устройство — это тип, который объединяет компоненты традиционных распределительных устройств с воздушной изоляцией (AIS) и распределительных устройств с элегазовой изоляцией (GIS). Он характеризуется компактной и модульной конструкцией, которая охватывает несколько различных функций в одном модуле.
Автоматические выключатели с вакуумными прерывателями имеют минимальные дугообразующие характеристики (так как ионизировать нечего, кроме материала контакта), поэтому дуга гаснет, когда она растягивается на небольшую величину (<2–8 мм). Вблизи нулевого тока дуга недостаточно горячая, чтобы поддерживать плазму, и ток прекращается; затем зазор может выдерживать повышение напряжения. Вакуумные выключатели часто используются в современных распределительных устройствах среднего напряжения до 40 500 вольт. В отличие от других типов, они по своей сути не подходят для прерывания коротких замыканий постоянного тока. Причина, по которой вакуумные выключатели не подходят для прерывания высоких напряжений постоянного тока, заключается в том, что при постоянном токе нет периода «нулевого тока». Плазменная дуга может питать себя, продолжая газифицировать материал контакта.
Выключатели, использующие углекислый газ в качестве изолирующей и дугогасящей среды, работают по тем же принципам, что и выключатели на основе гексафторида серы (SF6 ) . Поскольку SF6 является парниковым газом, более мощным, чем CO2 , переход с SF6 на CO2 позволяет сократить выбросы парниковых газов на 10 тонн в течение жизненного цикла продукта. [5]
Автоматические выключатели и предохранители отключаются, когда ток превышает заданный безопасный уровень. Однако они не могут обнаружить другие критические неисправности, такие как неуравновешенные токи, например, когда обмотка трансформатора касается земли. Сами по себе автоматические выключатели и предохранители не могут различать короткие замыкания и высокие уровни потребления электроэнергии.
Дифференциальная защита основана на законе токов Кирхгофа , который гласит, что сумма токов, входящих или выходящих из узла цепи, должна быть равна нулю. Используя этот принцип для реализации дифференциальной защиты, любой участок токопроводящего пути можно считать узлом. Токопроводящим путем может быть линия электропередачи, обмотка трансформатора, обмотка двигателя или обмотка статора генератора переменного тока. Эта форма защиты работает лучше всего, когда оба конца токопроводящего пути физически близки друг к другу. Эта схема была изобретена в Великобритании Чарльзом Хестерманом Мерцем и Бернардом Прайсом . [6]
Для каждой обмотки трансформатора, статора или другого устройства используются два идентичных трансформатора тока. Трансформаторы тока размещаются вокруг противоположных концов обмотки. Ток через оба конца должен быть одинаковым. Защитное реле обнаруживает любой дисбаланс токов и отключает автоматические выключатели, чтобы изолировать устройство. В случае трансформатора автоматические выключатели как на первичной, так и на вторичной обмотке размыкаются.
Короткое замыкание в конце длинной линии передачи выглядит как обычная нагрузка, поскольку сопротивление линии передачи ограничивает ток короткого замыкания. Дистанционное реле обнаруживает неисправность, сравнивая напряжение и ток на линии передачи. Большой ток вместе с падением напряжения указывает на неисправность.
Можно сделать несколько различных классификаций распределительных устройств: [7]
Одна линейка может включать несколько различных типов устройств, например, шины с воздушной изоляцией, вакуумные выключатели и переключатели с ручным управлением могут располагаться в одном ряду ячеек.
Номинальные характеристики, конструкция, спецификации и детали распределительных устройств устанавливаются множеством стандартов. В Северной Америке в основном используются стандарты IEEE и ANSI , большая часть остального мира использует стандарты IEC , иногда с местными национальными производными или вариациями.
Для обеспечения безопасных последовательностей работы распределительного устройства блокировка с захваченным ключом обеспечивает предопределенные сценарии работы. Например, если в определенное время разрешено подключать только один из двух источников питания, схема блокировки может потребовать, чтобы первый переключатель был открыт для освобождения ключа, который позволит закрыть второй переключатель. Возможны сложные схемы.
Внутреннее распределительное устройство также может быть подвергнуто типовому испытанию на сдерживание внутренней дуги (например, IEC 62271-200). Это испытание важно для безопасности пользователя, поскольку современное распределительное устройство способно коммутировать большие токи. [14]
Распределительное устройство часто проверяется с помощью тепловидения для оценки состояния системы и прогнозирования отказов до их возникновения. Другие методы включают тестирование частичного разряда (ЧР) с использованием стационарных или переносных тестеров и тестирование акустической эмиссии с использованием поверхностных преобразователей (для нефтяного оборудования) или ультразвуковых детекторов, используемых на наружных распределительных устройствах. Датчики температуры, установленные на кабелях к распределительному устройству, могут постоянно контролировать нарастание температуры. Оборудование SF 6 всегда оснащено сигнализацией и блокировками для предупреждения о потере давления и для предотвращения работы, если давление падает слишком низко.
Растущая осведомленность об опасностях, связанных с высокими уровнями неисправностей, привела к тому, что сетевые операторы стали указывать операции с закрытыми дверями для заземлителей и выключателей. Многие европейские энергетические компании запретили операторам находиться в помещениях для коммутации во время работы. Доступны системы удаленного выдвижения , которые позволяют оператору устанавливать распределительное устройство из удаленного места без необходимости надевать защитный костюм от дуговой вспышки. Системы распределительных устройств требуют постоянного обслуживания и ремонта, чтобы оставаться безопасными в использовании и полностью оптимизированными для обеспечения таких высоких напряжений. [15]
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )