В электроэнергетической системе распределительное устройство состоит из электрических разъединителей, предохранителей или автоматических выключателей, используемых для управления, защиты и изоляции электрооборудования. Распределительное устройство используется как для обесточивания оборудования для выполнения работ, так и для устранения неисправностей на выходе. Данный тип оборудования напрямую связан с надежностью электроснабжения .
Самые ранние центральные электростанции использовали простые открытые рубильники , установленные на изолирующих панелях из мрамора или асбеста . Уровни мощности и напряжения быстро росли, делая открытие переключателей с ручным управлением слишком опасным для чего-либо, кроме изоляции обесточенной цепи. Маслонаполненное распределительное оборудование позволяет сдерживать и безопасно контролировать энергию дуги. К началу 20 века распределительное устройство представляло собой металлическую закрытую конструкцию с переключающими элементами с электрическим управлением и масляными выключателями. Сегодня маслонаполненное оборудование в значительной степени заменено оборудованием с продувкой воздухом, вакуумом или элегазовым оборудованием, что позволяет безопасно контролировать большие токи и уровни мощности с помощью автоматического оборудования .
Высоковольтные распределительные устройства были изобретены в конце XIX века для управления двигателями и другими электрическими машинами. [1] Со временем технология была усовершенствована и теперь может использоваться при напряжениях до 1100 кВ. [2]
Обычно распределительные устройства на подстанциях располагаются как на стороне высокого, так и на стороне низкого напряжения мощных трансформаторов большой мощности . Распределительное устройство по низковольтной стороне трансформаторов может располагаться в здании с выключателями среднего напряжения для распределительных цепей, а также аппаратурой учета, управления и защиты. Для промышленного применения трансформатор и распределительное устройство могут быть объединены в одном корпусе, называемом унифицированной подстанцией (УСС). Согласно последнему исследованию компании Visiongain, занимающейся исследованием рынка, ожидается, что к 2029 году мировой рынок распределительных устройств достигнет $152,5 млрд при среднегодовом темпе роста 5,9%. Ожидается, что растущие инвестиции в возобновляемые источники энергии и повышенный спрос на безопасные и надежные системы распределения электроэнергии будут способствовать этому увеличению. [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 сохранении работоспособности незатронутых цепей. Распределительное устройство также обеспечивает изоляцию цепей от источников питания. Распределительное устройство также используется для повышения доступности системы, позволяя питать нагрузку более чем от одного источника.
Распределительные устройства так же стары, как и производство электроэнергии . Первые модели были очень примитивными: все детали просто крепились к стене. Позже их установили на деревянные панели. Из соображений пожарной безопасности дерево заменили шифером или мрамором . Это привело к дальнейшему усовершенствованию, поскольку коммутационные и измерительные приборы можно было прикрепить спереди, а проводку расположить сзади. [4]
Распределительное устройство для более низких напряжений может быть полностью закрыто внутри здания. Для более высоких напряжений (около 66 кВ) распределительные устройства обычно монтируются на открытом воздухе и изолируются воздухом, хотя для этого требуется большое пространство. КРУЭ с элегазовой 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 представлять собой простой разъединитель открытого типа или может быть изолировано каким-либо другим материалом. Эффективной, хотя и более дорогой формой распределительного устройства является распределительное устройство с элегазовой изоляцией (КРУЭ), в котором проводники и контакты изолируются сжатым газом шестифтористой серы (SF 6 ). Другими распространенными типами являются распределительные устройства с масляной или вакуумной изоляцией.
Комбинация оборудования внутри корпуса распределительного устройства позволяет отключать токи повреждения в тысячи ампер. Автоматический выключатель (внутри распределительного устройства) является основным компонентом, прерывающим токи повреждения. Гашение дуги при размыкании контактов автоматическим выключателем (размыкании цепи) требует тщательного проектирования. Автоматические выключатели делятся на следующие шесть типов:
Масляные выключатели полагаются на испарение части масла, чтобы направить струю масла по пути дуги. Пар, выделяющийся при дуге, состоит из газообразного водорода .Минеральное масло обладает лучшими изоляционными свойствами, чем воздух. Всякий раз, когда происходит размыкание токоведущих контактов в масле, дуга в выключателе возникает в момент размыкания контактов, и из-за этой дуги масло испаряется и разлагается в основном на газообразный водород и в конечном итоге образует водород. пузырь вокруг электрической дуги . Этот сильно сжатый газовый пузырек вокруг витка предотвращает повторное зажигание дуги после того, как ток достигнет нуля при пересечении цикла. Масляный выключатель является одним из старейших типов автоматических 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 со временем исчерпает себя. В качестве альтернативы контакты быстро помещаются в небольшую герметичную камеру, при этом вытесненный воздух выходит, что приводит к задуванию дуги.
Автоматические выключатели обычно способны очень быстро отключить весь ток: обычно от 30 до 150 мс в зависимости от возраста и конструкции устройства.
Газовые выключатели (SF 6 ) иногда растягивают дугу с помощью магнитного поля , а затем полагаются на диэлектрическую прочность газа SF 6 для гашения растянутой дуги.
Гибридное распределительное устройство — это тип, который сочетает в себе компоненты традиционных распределительных устройств с воздушной изоляцией (AIS) и технологий распределительных устройств с элегазовой изоляцией (GIS). Он характеризуется компактной модульной конструкцией, которая объединяет в себе несколько различных функций в одном модуле.
Автоматические выключатели с вакуумными прерывателями имеют минимальные дугогасительные характеристики (поскольку ионизировать нечего, кроме материала контактов), поэтому дуга гасится при небольшом растяжении (<2–8 мм). При нулевом токе дуга недостаточно горячая, чтобы поддерживать плазму, и ток прекращается; тогда зазор сможет выдержать 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 замыканий постоянного тока. Причина, по которой вакуумные выключатели не подходят для отключения высоких напряжений постоянного тока, заключается в том, что при постоянном токе нет периода «нулевого тока». Плазменная дуга может питаться сама собой, продолжая газифицировать контактный материал.
Выключатели, в которых в качестве изолирующей и дугогасительной среды используется углекислый газ, работают по тем же принципам, что и прерыватель на основе гексафторида серы (SF 6 ). Поскольку SF 6 является более сильным парниковым газом , чем CO 2 , переход с SF 6 на CO 2 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 несбалансированные токи, например, когда обмотка трансформатора заземляется. Сами по себе автоматические выключатели и предохранители не могут отличить короткое замыкание от высокого уровня потребления электроэнергии.
Дифференциальная защита зависит от закона тока 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. Проводящим путем может быть линия передачи, обмотка трансформатора, обмотка двигателя или обмотка статора генератора переменного тока. Эта форма защиты работает лучше всего, когда оба конца проводящего пути физически расположены близко друг к другу. Эту схему изобрели в Великобритании Чарльз Хестерман Мерц и Бернард Прайс . [6]
Для каждой обмотки трансформатора, статора или другого устройства используются два одинаковых 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 разомкнутся.
Короткое замыкание на конце длинной линии передачи похоже на нормальную нагрузку, поскольку полное сопротивление линии передачи ограничивает ток повреждения. Дистанционное реле обнаруживает неисправность путем сравнения напряжения и тока в линии передачи. Большой ток вместе с падением напряжения указывает на неисправность.
Можно выделить несколько различных классификаций распределительных устройств: [7]
Одна линия может включать в себя несколько различных типов устройств, например, шина с воздушной изоляцией, вакуумные выключатели и выключатели с ручным управлением могут находиться в одном ряду ячеек.
Номиналы, конструкция, технические характеристики 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.
Чтобы обеспечить безопасную последовательность операций распределительного устройства, блокировка с помощью запертого ключа обеспечивает заранее определенные сценарии работы. Например, если в данный момент времени разрешено подключение только одного из двух источников питания, схема блокировки может потребовать, чтобы первый переключатель был разомкнут, чтобы освободить ключ, который позволит замкнуть второй переключатель. Возможны сложные схемы.
Закрытые распределительные устройства также могут пройти типовые испытания на сдерживание внутренней дуги (например, IEC 62271-200). Этот тест важен для безопасности пользователя, поскольку современные распределительные устройства способны коммутировать большие токи. [14]
Распределительные устройства часто проверяются с помощью тепловидения , чтобы оценить состояние системы и спрогнозировать сбои до их возникновения. Другие методы включают тестирование частичных разрядов (ЧР) с использованием стационарных или портативных тестеров, а также тестирование акустической эмиссии с использованием датчиков поверхностного монтажа (для нефтяного оборудования) или ультразвуковых детекторов, используемых на открытых распределительных устройствах. Датчики температуры, установленные на кабелях распределительного устройства, могут постоянно контролировать повышение температуры. Оборудование SF6 всегда оснащено сигнализацией и блокировками, предупреждающими о потере давления и предотвращающими работу , если давление упадет слишком низко.
Растущая осведомленность об опасностях, связанных с высоким уровнем отказов, привела к тому, что сетевые операторы предписывают эксплуатацию заземляющих выключателей и стоечных выключателей в закрытом режиме. Многие европейские энергетические компании запретили операторам входить в распределительные помещения во время работы. Доступны системы удаленного выдвижения , которые позволяют оператору устанавливать распределительное устройство из удаленного места без необходимости носить защитный костюм от вспышки дуги. Системы распределительных устройств требуют постоянного технического обслуживания и ремонта, чтобы оставаться безопасными в использовании и полностью оптимизированными для обеспечения таких высоких напряжений. [15]
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )