Комплектни разпределителни устройства за средно напрежение

ЕлектроапаратурaСп. Инженеринг ревю - брой 5/2019 • 24.07.2019

Комплектни разпределителни устройства за средно напрежение
Комплектни разпределителни устройства за средно напрежение

Eлектроенергийната промишленост от известно време разработва и прилага концепцията за интелигентни мрежи, базирана на напредъка на компютърните и комуникационни технологии, за да отговори на изискванията за подобрена надеждност, сигурност и ефективност на електроразпределителната система. Постигането на тези цели обаче не е възможно само с използване на микропроцесорни мултифункционални интелигентни електронни устройства и комуникации. Подобряването на възвръщаемостта на инвестициите включва намаляване на капиталовите разходи за оборудване, както и за транспортиране, инсталиране и поддръжка. Друг важен фактор по отношение на разходите е безопасността.

Разпределителните уредби за средно напрежение, освен като конвенционални закрити разпределителни уредби от килиен тип, се изграждат и с комплектни разпределителни устройства, включващи шинна система, комутационни, измервателни и защитни апарати. Те се отличават с компактни размери и значително по-безопасна експлоатация. Предлагат се като отделни стандартни модули с определено оборудване в зависимост от функционалното си предназначение.

Комплектните разпределителни устройства средно напрежение трябва да отговарят на много различни изисквания поради широкия си обхват на приложение. Макар че предимно се използват в разпределителни подстанции, те намират приложение и в промишлени инсталации, търговски съоръжения, университетски кампуси, както и за свързване на разпределени енергийни ресурси. Това означава, че комплектните разпределителни устройства трябва да са гъвкави и точни в широк диапазон големини на тока и напрежението, като в същото време запазват безопасността и надеждността си с минимум поддръжка.

Изискванията за оборудването за генериране и разпределение на електроенергия се променят също в отговор на растящото разнообразие от технологии за енергопроизводство и необходимостта да се намали натоварването върху околната среда, за да се постигне устойчивост със съоръжения, които са по-малки, с по-лесна поддръжка и по-добра способност за справяне при аварии и бедствия. Комутационните устройства, които се използват за доставяне на електроенергия директно до потребителите, също трябва да се адаптират към тези разнообразни промени. Ключови съображения при разработването на комутационни устройства средно напрежение така, че да отговорят на тези изисквания, са: разработване на алтернативни на серния хексафлурид (SF6, елегаз) методи за изолиране чрез избиране на най-добрата комбинация от електрически изолатори; смаляване на оборудването и осигуряване на множество функции чрез по-широко използване на вакуумната технология; защита срещу вътрешни електрически дъги, за да се предотвратят повреди от къси съединения; пестене на енергия, подобряване на поддръжката и повишаване на надеждността чрез опростяване на работните механизми и елиминиране използването на грес; създаване на добавена стойност, включително услуги, възможни благодарение на напредъка в техниките за защита, измерване и диагностика.

 

Елегазови комутационни устройства

Годишно се произвеждат приблизително 8000 тона SF6, от които 80% се използват в електрическите комутационни устройства. Той се използва за две функции – прекъсване на веригата и изолиране. При прекъсване на електрическата верига елегазът проявява отлични дъгогасителни и топлопроводни свойства. Той се отличава с висока химична стабилност и кратко време за възстановяване на диелектричните характеристики. При нормални експлоатационни условия той не е запалим и взривоопасен, което го прави отлична алтернатива на маслонапълнените комутационни устройства, чието приложение до голяма степен намалява през последните тридесет години.

Като изолационна среда SF6 има устойчивост на електрически пробив приблизително три пъти по-голяма от тази на въздуха при атмосферно налягане. Това означава, че при напълване на корпуса на прекъсвач с елегаз разстоянията между две фази и между фаза и земя могат да бъдат намалени, което, от своя страна, прави оборудването по-компактно. Това е основната причина, поради която SF6 се използва широко в газово изолираните комутационни устройства (GIS), дори в случаите, при които за прекъсване на веригата се използва вакуумна технология.

Огромен недостатък на елегаза обаче е, че той е един от шестте най-мощни парникови газове, определени от Междуправителствена експертна група по климатични промени (IPCC) и впоследствие включени в списъка от Киото на веществата, чието използване и емисии трябва да се сведат до минимум. Въпреки че е много по-малко разпространен от въглеродния диоксид, той има потенциал за глобално затопляне (GWP) 23 900. Това означава, че един тон SF6 оказва същия парников ефект като 23 900 тона CO2. В момента неговият принос към глобалното затопляне е съвсем малък, но за разлика от други парникови газове, той е силно устойчив на химично и фотолитично разлагане и затова неговите въздействия са кумулативни. Годишният темп на увеличение в атмосферата се определя като 8%, а животът му се оценява на 3200 години (този на CO2 е 50-200 години).

Съгласно Регламента за флуорираните парникови газове, използването на SF6 е забранено за повечето приложения, включително спортни обувки, тенис топки, автомобилни гуми и стъклопакети. Въпреки това, той продължава да е разрешен за употреба в комутационни устройства поради факта, че няма жизнеспособна алтернатива. Независимо от това, Регламентът налага строги изисквания за производството, използването и обезвреждането на елегазови комутационни устройства, включително и специални изисквания за обучение и сертификация на персонала, който работи с него. Степента на изпускане на SF6 в атмосферата не е известна, но за целия експлоатационен живот на комутационния продукт емисиите се оценяват на 6-13%. Съгласно Регламента всички по-големи системи, съдържащи SF6 трябва да бъдат периодично проверявани, а емисиите по време на поддръжка трябва да се предотвратяват, доколкото е възможно. В някои страни властите настояват за непрекъснат мониторинг на газонапълнените корпуси с цел навременно засичане на течове.

Елегазът създава също и някои рискове за здравето. Например, въпреки че не е токсичен и е химически и термично стабилен при нормални условия, при излагане на електрическа дъга, частичен разряд или запалване той може да се разпадне до силно токсични вещества като HF, SOF2, SF4 и S2F10. При нормални експлоатационни условия те обикновено се рекомбинират след като разрядът приключи, но в корпуса може да се задържат някои токсични остатъчни вещества. При възникване на сериозна повреда тези продукти могат да бъдат освободени в атмосферата, излагайки обществото на риск. Поради това елегазовите комутационни устройства не трябва да се използват в жилищни зони, обществени сгради, търговски центрове, железопътни гари или подземни съоръжения.

В допълнение, съществува и риск от задушаване. SF6 е безцветен газ, без мирис, който е с около пет пъти по-висока плътност от въздуха. Следователно е необходимо помещенията, където е разположено оборудването, да бъдат добре вентилирани и да бъде осигурена анализаторна апаратура, която да предупреждава персонала за всеки риск от изтичане. Депонирането в края на експлоатационния живот е друго важно съображение. Трябва да се вземат мерки за възстановяване на елегаза, а персоналът трябва да е защитен срещу рисковете от отделяне на вредни вторични продукти. Наличието на такива вторични продукти ограничава възможността за рециклиране на материалите.

Трябва да се има предвид също, че макар тези продукти да се произвеждат в контролирани условия в индустриализираните държави, те се продават в цял свят, включително в страни, където контролът, наложен от Регламента за флуорираните парникови газове и други подобни разпоредби, не се прилага. В тези страни обезвреждането в края на експлоатационния живот е дори още по-рисково. Опасността се увеличава, когато излязлото от употреба оборудване, съдържащо SF6, се изнася като отпадък към страни от третия свят, където то може да бъде разглобено от неквалифициран персонал.

 

Вакуумни комутационни устройства

Вакуумното прекъсване е доказана технология, въведена преди повече от 40 години. Вакуумните прекъсвачи не изискват оборудване за мониторинг на течове. Електрическите им характеристики са сравними, а понякога и по-добри от тези на елегазовите комутационни устройства. Въпреки че капиталовите разходи са малко по-високи, общите разходи по време на жизнения цикъл са по-ниски благодарение на занижените разходи за поддръжка. Освен това, в края на експлоатационния живот всички материали могат да бъдат рециклирани.

Непрекъснатото развитие може да се илюстрира например с големината на вакуумен прекъсвач 15 kV, чийто диаметър е намалял от 180 mm през 1967 г. до 50 mm днес. Междувременно, съвременните методи за херметизиране гарантират, че устройствата запазват вакуума си в продължение на повече от 40 години. В редките случаи, когато възникне изтичане, това обикновено е в началото на експлоатационния живот. Затова строгите производствени изпитвания помагат течовете да се установят, преди устройствата да достигнат мястото си на монтаж. Всички течове, разбира се, са напълно безвредни за околната среда.

Вакуумните прекъсвачи са подходящи за широка гама комутационни приложения средно напрежение, включително защита на вторичната намотка на трансформатори, комутиране на кондензатори и двигатели. Те се използват от операторите за комплектни разпределителни уредби и табла средно напрежение. Подходящи са за номинални токове от 100 А до повече от 4000 А и нива на ток на късо съединение от 6 kA до 50 kA. Освен компактния размер вакуумните прекъсвачи имат също и отлични електрически експлоатационни характеристики. Обикновено те издържат номинално АС пренапрежение от 2 до 4 пъти нормалното работно напрежение. Номиналният импулс от мълния е 4 до 12 пъти нормалното експлоатационно напрежение. При нормална работа на прекъсвача обаче контактите са затворени, затова пренапрежения от мълния се поемат най-вече в изолацията между фаза и земя и между две фази. В редките случаи, когато импулсът пренапрежение от мълния преминава през отворените контакти на вакуумния прекъсвач, токът бързо се прекъсва. При подобни условия елегазовите, въздушните или прекъсвачите с минимално количество масло вероятно биха експлодирали.

Интересна характеристика на вакуумните прекъсвачи е самовъзстановяването на контактите. Неравностите, които могат да се появят по контактните повърхности, се изглаждат от разсеяния разряд, когато контактите се отворят под товар.

Вакуумните прекъсвачи са конструирани от материали, които в края на експлоатационния живот могат да бъдат възстановени и рециклирани. Те не съдържат парникови газове, нито представляват потенциална опасност за здравето вследствие разпад на продукти. Не са необходими никакви специални предпазни мерки за защита на околната среда срещу последствията от течове или по време на обезвреждане.

Компактният размер на съвременните вакуумни прекъсвачи означава, че са необходими специални мерки, за да се подобрят изолационните нива. Керамичен изолатор с дължина 150 mm има базово изолационно ниво от само 125 kV във въздух. По тази причина изолаторите могат да бъдат потопени в диелектрична среда като масло или SF6, за да се повиши базовото изолационно ниво до 170 kV. Маслото се избягва поради риска от пожар, затова SF6 изолацията е предпочитана от много производители.

Друг алтернативен подход е вакуумният прекъсвач да се капсулира в полиуретан или епоксидна смола. В някои случаи, за да се увеличат разстоянията на пълзящ разряд, се използва епоксиден изолатор с контур на профила, подобен на купола на изолаторите за въздушни линии. Това е особено ценно, когато оборудването се използва в среда с тежко атмосферно замърсяване или образуване на конденз, което е обичайно за железопътните приложения. В някои случаи целият прекъсвач и съответната шина са капсулирани в твърда изолация.

Може да се обобщи, че съвременните вакуумни комутационни устройства с твърда диелектрична изолация са сравними по големина с еквивалентните, изолирани с елегаз. Прекъсвачът може да работи в нормален корпус без специално уплътнение или газова среда и не е необходимо скъпо оборудване за наблюдение. Поддръжката е пренебрежима, а експлоатационният живот може да достигне 40 години или повече.

 

Общи разходи за собствеността

Въпреки че единичната стойност за газово изолираните комутационни устройства е по-ниска от тази на описаните по-горе твърдо изолирани комутационни устройства, общите разходи за собствеността са много по-високи за GIS оборудването. Специфичният характер на проверките на налягането, необходими за GIS апаратурата означават, че е нужен обучен персонал със специализирано оборудване, които да изпълняват тази дейност. Според проучвания годишната стойност на тази поддръжка възлиза на 9% от стойността на оборудването. Това не включва никакви други разходи за безопасност и застраховане. Размерът на разходите за обезвреждане на GIS оборудването в края на експлоатационния му живот е трудно да се определи. Рециклирането на частите и вторичните продукти не е практично, а разходите за демонтаж, транспортиране и депониране са високи. За разлика от това, оборудването с твърда изолация напълно съответства на ISO 14001. Според специалистите няма никакво основание – нито екологично, нито техническо или финансово, за използване на изолираните с елегаз комутационни устройства за прекъсвачи и комплектни разпределителни уредби до 52 kV.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top