Введение
Устройства управления электроэнергетической системы
В электроэнергетической системе коммутационное оборудование состоит из электрических разъединителей, предохранителей или автоматических выключателей, используемых для управления, защиты и изоляции электрического оборудования. Коммутационное оборудование используется как для отключения оборудования с целью проведения работ, так и для устранения неисправностей в downstream-цепях (цепях последующих уровней). Этот тип оборудования напрямую связан с надежностью электроснабжения. Первые центральные электростанции использовали простые разомкнутые разъединители, установленные на изолирующих панелях из мрамора или асбеста. Уровни мощности и напряжения быстро возрастали, что делало ручное включение/выключение разъединителей слишком опасным для чего-либо, кроме изоляции обесточенной цепи. Коммутационное оборудование, заполненное маслом, позволяет локализовать и безопасно контролировать энергию дуги. К началу 20-го века коммутационная секция представляла собой металлическую закрытую конструкцию с электрически управляемыми коммутационными элементами, использующими масляные автоматические выключатели. Сегодня оборудование, заполненное маслом, в значительной степени заменено оборудованием с воздушным дутьем, вакуумным оборудованием или оборудованием SF6, что позволяет безопасно контролировать большие токи и уровни мощности с помощью автоматизированных систем. Высоковольтное коммутационное оборудование было изобретено в конце 19-го века для управления двигателями и другими электрическими машинами. Технология постоянно совершенствовалась и теперь может использоваться при напряжениях до 1100 кВ. Обычно коммутационное оборудование на подстанциях располагается как на стороне высокого, так и на стороне низкого напряжения больших силовых трансформаторов. Коммутационное оборудование на стороне низкого напряжения трансформаторов может располагаться в здании, с автоматическими выключателями среднего напряжения для распределительных цепей, а также с измерительным, управляющим и защитным оборудованием. Для промышленных применений трансформатор и коммутационное оборудование могут быть объединены в одном корпусе, называемом комплектной трансформаторной подстанцией (КТП). Согласно последним исследованиям компании Visiongain, занимающейся исследованием рынка, ожидается, что мировой рынок коммутационного оборудования достигнет 152,5 миллиарда долларов к 2029 году, при среднегодовом темпе роста (CAGR) 5,9%. Ожидается, что рост инвестиций в возобновляемые источники энергии и повышение спроса на безопасные и надежные системы распределения электроэнергии приведут к увеличению рынка.
Функции
Одной из основных функций коммутационного оборудования является защита, заключающаяся в прерывании токов короткого замыкания и перегрузки при сохранении электроснабжения неповрежденных цепей. Коммутационное оборудование также обеспечивает изоляцию цепей от источников питания. Кроме того, оно используется для повышения надежности системы, позволяя нескольким источникам питания обеспечивать нагрузку.
История
Коммутационные аппараты появились с начала развития электроэнергетики. Первые модели были очень примитивными: все компоненты просто крепились к стене. Позже их стали монтировать на деревянные панели. В целях пожарной безопасности дерево заменили сланцем или мрамором. Это привело к дальнейшему усовершенствованию, поскольку коммутационные и измерительные приборы можно было устанавливать на лицевой стороне, а проводку размещать на задней.
Жилье
Коммутационное оборудование для более низких напряжений может быть полностью размещено внутри здания. Для более высоких напряжений (свыше 66 кВ) коммутационное оборудование обычно монтируется на открытом воздухе и изолируется воздухом, хотя это требует значительной площади. Газоизолированное коммутационное оборудование позволяет экономить место по сравнению с оборудованием с воздушной изоляцией, хотя стоимость оборудования выше. Коммутационное оборудование с масляной изоляцией представляет опасность утечки масла. Выключатели могут управляться вручную или оснащаться электроприводами для дистанционного управления.
Типы выключателей
Коммутационное оборудование может представлять собой простой разделительный выключатель открытого типа или быть изолированным другим веществом. Эффективной, хотя и более дорогостоящей формой коммутационного оборудования является газоизолированное коммутационное оборудование (GIS), в котором проводники и контакты изолированы под давлением газа гексафторида серы (SF6). Другие распространенные типы – масляные или вакуумно изолированные коммутационные аппараты. Комбинация оборудования внутри корпуса коммутационного оборудования позволяет прерывать токи короткого замыкания в тысячи ампер. Автоматический выключатель (внутри корпуса коммутационного оборудования) является основным компонентом, прерывающим токи короткого замыкания. Гашение дуги при размыкании контактов автоматическим выключателем (разъединении цепи) требует тщательной конструкции. Автоматические выключатели подразделяются на следующие шесть типов:
Масло
Нефтяные выключатели используют испарение части масла для создания струи масла, направленной вдоль пути дуги. Пары, образующиеся при дуге, состоят из газообразного водорода. Минеральное масло обладает лучшими изоляционными свойствами, чем воздух. При размыкании контактов, проводящих ток, в масле, дуга в выключателе возникает в момент размыкания, и из-за этой дуги масло испаряется и разлагается преимущественно на газообразный водород, формируя вокруг электрической дуги водородный пузырь. Этот сильно сжатый газовый пузырь предотвращает повторное возникновение дуги после прохождения тока через ноль. Масляный выключатель – один из самых старых типов выключателей.
Воздух
Для удлинения дуги автоматические выключатели могут использовать сжатый воздух (струю воздуха) или магнитную силу самой дуги. Поскольку длина устойчивой дуги зависит от доступного напряжения, удлиненная дуга в конечном итоге затухает. В качестве альтернативы, контакты быстро перемещаются в небольшую герметичную камеру, и вытесненный воздух гасит дугу. Автоматические выключатели обычно способны очень быстро прерывать ток: как правило, от 30 мс до 150 мс, в зависимости от возраста и конструкции устройства.
Газ
Газовые (SF6) выключатели иногда удлиняют дугу с помощью магнитного поля, а затем используют диэлектрическую прочность газа SF6 для её гашения.
Гибридный
Гибридные коммутационные устройства – это тип, сочетающий в себе компоненты традиционных коммутационных устройств с воздушной изоляцией (AIS) и коммутационных устройств с изоляцией элегазом (SF6 GIS). Они характеризуются компактной и модульной конструкцией, объединяющей несколько различных функций в одном модуле.
Вакуум
Переключатели с вакуумными прерывателями характеризуются минимальным образованием дуги (поскольку ионизируется только контактный материал), поэтому дуга гасится при небольшом её растяжении (<2–8 мм). При токе, близком к нулю, дуга недостаточно горячая для поддержания плазмы, и ток прекращается; зазор затем выдерживает нарастание напряжения. Вакуумные выключатели часто используются в современном коммутационном оборудовании среднего напряжения до 40 500 вольт. В отличие от других типов, они принципиально не подходят для отключения коротких замыканий постоянного тока. Причина непригодности вакуумных выключателей для отключения высоких напряжений постоянного тока заключается в отсутствии периода "нулевого тока" при постоянном токе. Плазменная дуга может поддерживаться за счёт продолжающейся газификации контактного материала.
Диоксид углерода
Брейкеры, использующие углекислый газ в качестве диэлектрика и среды для тушения дуги, работают по тем же принципам, что и элегазовые (SF6) выключатели. Поскольку SF6 является более сильным парниковым газом, чем CO2, замена SF6 на CO2 позволяет снизить выбросы парниковых газов на 10 тонн на протяжении жизненного цикла изделия.
Выключатели и предохранители
Автоматические выключатели и предохранители размыкают цепь при превышении тока заданного безопасного уровня. Однако они не способны обнаруживать другие критические неисправности, такие как токи несимметрии, например, при замыкании обмотки трансформатора на корпус. Сами по себе автоматические выключатели и предохранители не могут отличить короткое замыкание от повышенной электрической нагрузки.
Система циркулирующих текущих цен Merz-Price
Дифференциальная защита основана на законе Кирхгофа, который гласит, что алгебраическая сумма токов, входящих в узел цепи или выходящих из него, равна нулю. При использовании этого принципа для реализации дифференциальной защиты любой участок проводящего пути можно рассматривать как узел. Проводящим путем может быть линия электропередачи, обмотка трансформатора, обмотка двигателя или обмотка статора генератора. Эта схема защиты наиболее эффективна, когда оба конца проводящего пути находятся физически близко друг к другу. Данная схема была изобретена в Великобритании Чарльзом Хестерманом Мерцем и Бернардом Прайсом. Для каждой обмотки трансформатора, статора или другого устройства используются два идентичных трансформатора тока. Трансформаторы тока устанавливаются на противоположных концах обмотки. Токи на обоих концах должны быть равны. Защитное реле обнаруживает любое расхождение в токах и выдает команду на отключение автоматических выключателей для изоляции устройства. В случае трансформатора, отключаются автоматические выключатели как на первичной, так и на вторичной стороне.
Дистанционные реле
Краткое замыкание на конце длинной линии передачи выглядит похоже на нормальную нагрузку, поскольку импеданс линии передачи ограничивает ток короткого замыкания. Дистанционное реле определяет неисправность, сравнивая напряжение и ток в линии передачи. Большой ток в сочетании с падением напряжения указывает на наличие неисправности.
Безопасность
Для обеспечения безопасной последовательности операций с коммутационным оборудованием, блокировка с запертым ключом обеспечивает предопределенные сценарии работы. Например, если в определенный момент времени допускается подключение только одного из двух источников питания, схема блокировки может требовать, чтобы первый выключатель был разомкнут для освобождения ключа, позволяющего замкнуть второй выключатель. Возможны сложные схемы. Коммутационное оборудование закрытого типа также может быть подвергнуто типовым испытаниям на удержание внутренней дуги (например, IEC 62271-200). Это испытание важно для безопасности персонала, поскольку современное коммутационное оборудование способно коммутировать большие токи. Коммутационное оборудование часто проверяется с помощью тепловизионной съемки для оценки состояния системы и прогнозирования отказов до их возникновения. Другие методы включают испытания на частичные разряды (ПЧР) с использованием стационарных или портативных тестеров, а также испытания на акустическую эмиссию с использованием поверхностных датчиков (для масляного оборудования) или ультразвуковых детекторов, применяемых на открытых распределительных устройствах. Температурные датчики, установленные на кабелях, подключенных к коммутационному оборудованию, могут непрерывно контролировать повышение температуры. Оборудование, использующее SF6, неизменно оснащается сигнализацией и блокировками для предупреждения о падении давления и предотвращения работы при слишком низком давлении. Растущее осознание опасностей, связанных с высокими токами короткого замыкания, привело к тому, что сетевые операторы стали требовать проведения операций с заземляющими выключателями и выключателями с выдвижным механизмом при закрытых дверях. Многие европейские энергокомпании запретили операторам находиться в помещениях с коммутационным оборудованием во время его работы. Доступны системы дистанционного включения/выключения, позволяющие оператору управлять коммутационным оборудованием из удаленного места без необходимости носить защитный костюм от дуговой вспышки. Системы коммутационного оборудования требуют непрерывного технического обслуживания и сервисного обслуживания для обеспечения безопасности и полной оптимизации работы с высокими напряжениями.