Kuinka keskijännitekojeistot toimivat virranjakelujärjestelmissä

Selkäranka sukupolven ja kulutuksen välillä

Kävele minkä tahansa modernin kaupungin läpi ja ohitat kymmeniä asennuksia, jotka riippuvatkeskijännitekojeistonäkemättä yhtäkään. He istuvat merkitsemättömien rakennusten sisällä, sähköasemien aitojen takana, kaupallisten tornien kellareissa ja teollisuuspuistojen laidalla. Ne ovat sähkösolmuja, joissa teho siirtyy siirtotason jännitteestä jännitteeseen, jota tehtaat, datakeskukset, sairaalat ja kerrostalot todellisuudessa käyttävät.

Keskijännitekojeistoilla on erityinen paikka sähkönjakeluketjussa. Se sijaitsee suurjännitesiirtoverkon — 110 kV, 220 kV tai 400 kV johtojen, jotka kuljettavat virtaa pitkiä matkoja — ja 400 V tai 230 V pienjännitteisen jakeluverkon välissä, joka kytkeytyy loppukäyttäjien laitteisiin. Keskijännitealue, joka määritellään tyypillisesti jännitteiksi, jotka ovat yli 1 kV ja enintään 40,5 kV tai 52 kV käytetystä standardista riippuen, on alue, jossa massateho jaetaan ja ohjataan eri kuormille laitoksen tai maantieteellisen alueen poikki.

Tässä artikkelissa kerrotaan, miten keskijännitekojeistot toimivat järjestelmätasolla, mitä toimintoja ne suorittavat ja miksi kojeistospesifikaatiossa tehdyt valinnat vaikuttavat koko jakeluverkon loppupään turvallisuuteen, luotettavuuteen ja käyttökustannuksiin.

Järjestelmän keskijännitekojeiston sijainti

Keskijännitekojeiston toiminnan ymmärtämiseksi se auttaa jäljittämään tehon reitin verkosta kuormaan.

Tyypillinen teollisuus- tai kaupallinen laitos saa sähköä paikalliselta voimalaitokselta keskijännitteellä – 10 kV, 11 kV, 20 kV tai 33 kV ovat yleisiä maasta riippuen. Tämä teho saapuu maanalaisia ​​kaapeleita tai ilmajohtoja pitkin ja tulee laitoksen pääkeskukseen, joka on keskijännitekojeistokokoonpano. Sieltä se virtaa katkaisijoiden ja virtakiskojen kautta useisiin kohteisiin. Jotkut syöttölaitteet käyttävät muuntajia, jotka laskevat jännitteen 400 V:iin yleistä jakelua varten laitoksen sisällä. Muut syöttölaitteet voivat palvella suuria moottoreita, jäähdyttimiä tai kompressoreja suoraan keskijännitteellä, koska kuorma on liian suuri palvellakseen taloudellisesti pienellä jännitteellä. Muut syöttölaitteet voivat liittyä paikan päällä tapahtuvaan tuotantoon, kuten kaasuturbiineihin tai varadieselgeneraattoreihin, tai uusiutuviin energialähteisiin, kuten katolla oleviin aurinkoinvertteriin.

Keskijännitekojeisto on kaikkien näiden tehovirtojen ohjauspiste. Se voi yhdistää tai eristää jokaisen syöttölaitteen erikseen. Se voi suojata jokaista syöttölaitetta vioista. Se voi jakaa väylän erillisiin osiin luotettavuuden parantamiseksi. Se tarjoaa mittaus- ja valvontapisteet, joiden avulla laitoksen käyttäjät ymmärtävät, mitä heidän sähköjärjestelmänsä tekee kulloinkin.

PerustoiminnotKeskijännitteinen kytkinlaite

Keskijännitekojeistolla on neljä perustoimintoa sähkönjakelujärjestelmässä. Jokaisen ymmärtäminen selittää, miksi laite on suunniteltu sellaiseksi kuin se on.

Toiminto yksi: Vaihtaminen normaaleissa olosuhteissa

Minkä tahansa kojeiston perustehtävä on kytkeä ja irrottaa piirejä normaalilla kuormituksella. Tuotantolinjan syöttölaite on saatava jännitteeksi, kun linja on käynnissä, ja poistettava jännite huoltoa varten. Generaattorin katkaisijan on suljettava, kun generaattori tuodaan verkkoon, ja avautua, kun se otetaan offline-tilaan. Väyläkytkimen on liitettävä kaksi virtakisko-osaa, kun muuntaja poistetaan käytöstä, ja jäljellä olevan muuntajan on syötettävä molemmat osat.

Nämä kytkentätoimenpiteet ovat rutiinia, mutta ne eivät ole triviaaleja. Kytkinlaitteen on kyettävä katkaisemaan täyden kuormituksen virta ilman liiallista kipinöintiä tai koskettimien kulumista. Sen on kyettävä suorittamaan tämä toimenpide tuhansia kertoja käyttöikänsä aikana. Ja sen on tehtävä se tavalla, joka ei vaaranna paneelin edessä seisovan käyttäjän turvallisuutta.

Tyhjiökatkaisijat hoitavat tämän tehtävän useimmissa keskijännitesovelluksissa nykyään. Tyhjiökatkaisin sammuttaa kaaren suljetussa keraamisessa pullossa, jossa ei ole ionisoituvaa kaasua, hajotettavaa öljyä eikä mitään ylläpidettävää. Sovelluksissa, joissa kytkentätaajuus on pienempi, kuorman katkaisijoita, jotka ovat yksinkertaisempia ja halvempia kuin täydet katkaisijat, voidaan käyttää syöttöjohdoissa, joiden ei odoteta katkaisevan vikavirtaa.

Toiminto kaksi: Vikasuojaus

Jos kytkentä normaaleissa olosuhteissa on kojeiston rutiinityötä, vikasuojaus on sen kriittinen tehtävä. Vika – oikosulku vaiheiden välillä tai vaiheen ja maan välillä – voi vapauttaa energiaa mittakaavassa, jota on vaikea visualisoida. Virta vikakohdassa voi nousta kymmeniin tuhansiin ampeereihin millisekunneissa. Tämän virran synnyttämät lämpö- ja mekaaniset voimat voivat tuhota laitteita, sytyttää tulipalon ja vahingoittaa henkilöstöä.

Kojeiston tulee havaita vika, katkaista virta ja eristää viallinen osa ennen kuin mitään näistä seurauksista ilmenee. Tämä edellyttää kolmen asian toimimista yhdessä: suojarele, joka tunnistaa epänormaalin virran, katkaisija, joka voi katkaista sen, ja järjestelmäsuunnittelu, joka rajoittaa sivuvaurioita verkon terveille osille.

Keskijännitesuojareleet ovat kehittyneet yhä kehittyneemmiksi. Nykyaikaiset numeeriset releet pystyvät erottamaan erityyppiset viat, erottamaan suojatun syöttölaitteen vikoja ja vikoja alavirtaan ja tallentamaan aaltomuototietoja, jotka auttavat insinöörejä ymmärtämään, mitä tapahtui tapahtuman jälkeen. Mutta rele voi lähettää vain laukaisusignaalin. Katkaisijan on tällöin fyysisesti erotettava koskettimensa vikavirran täysiä sähkömagneettisia voimia vastaan, sammutettava niiden väliin muodostuva kaari ja palautettava dielektrinen lujuus riittävän nopeasti uudelleen syttymisen estämiseksi. Tätä varten on suunniteltu ja testattu tyhjiökatkaisin, jonka nimellinen oikosulkuvirta on 25 kA tai 31,5 kA.

Toiminto kolme: Turvallisuuden eristäminen

Vikasuoja poistaa vaaralliset olosuhteet automaattisesti. Eristäminen on tarkoituksellinen toimenpide, jonka tarkoituksena on tehdä laitteiden turvallisuudesta ihmisten työskentelylle.

Kun huoltotiimin on päästävä käsiksi muuntajaan, kaapelin päätteeseen tai itse katkaisijaan, he tarvitsevat näkyvän, todennettavissa olevan katkaisun piirissä. Heidän on tiedettävä, että piiriä ei voi kytkeä uudelleen vahingossa. Heidän on myös liitettävä laitteet maahan, jotta jäännös- tai indusoitunut jännite ei voi aiheuttaa vaaraa.

Keskijännitekojeisto tarjoaa tämän katkaisijoiden, erottimien ja maadoituskytkimien yhdistelmän kautta, jotka kaikki on lukittu toisiinsa siten, että toiminnan on noudatettava turvallista järjestystä. Käyttäjän on ensin avattava katkaisija, avattava sitten erotin, jotta muodostuu näkyvä eristysrako, ja sulje sitten maadoituskytkin eristetyn osan maadoittamiseksi. Mekaaniset lukitukset estävät näiden vaiheiden suorittamisen epäkunnossa. Tämä on "viiden eston" lukitusjärjestelmä, joka on vakiona kaikissa moderneissakeskijännitekojeisto.

Neljäs toiminto: mittaus ja seuranta

Mitään jakelujärjestelmää ei voida hallita ilman dataa. Virtamittaukset kertovat suojareleille, mitä järjestelmä tekee. Jännitemittaukset mahdollistavat virranlaadun seurannan ja synkronoinnin tarkistukset. Energiamittaukset ovat laskutuksen ja kustannusten allokoinnin perusta. Ja yhä useammin itse kojeiston kunnonvalvontatietoja – lämpötila, osapurkaus, mekanismin kulkuaika – käytetään ennustamaan, milloin huoltoa tarvitaan ennen vian ilmenemistä.

Keskijännitekojeistossa on kaikki nämä mittaustoiminnot. Virtamuuntajat ja jännitemuuntajat asennetaan kaapelikoteloon tai kiskoille. Niiden toissijaiset lähdöt on kytketty suojareleisiin, mittareihin ja muuntimiin matalajänniteosastossa. Nykyaikaisissa asennuksissa nämä laitteet viestivät digitaalisten protokollien, kuten IEC 61850, Modbus tai Profibus, kautta laitoksen keskitettyyn SCADA- tai energianhallintajärjestelmään. Kojeistopaneeli on sekä teholaite että tietolähde.

Kojeistokokoonpanot jakelujärjestelmissä

Kojeistopaneelien fyysinen järjestely jakelujärjestelmässä ei ole mielivaltainen. Se kuvastaa laitoksen toimintafilosofiaa ja palvelevien kuormien luotettavuusvaatimuksia.

Yksi virtakisko

Yksinkertaisin kokoonpano on yksi virtakisko, johon on kytketty kaikki saapuvat ja lähtevät syöttölaitteet. Väylää syöttää yksi muuntaja. Jos muuntaja vioittuu tai se poistetaan käytöstä huoltoa varten, kaikki kyseisen väylän kuormat menettää tehonsa. Tämä kokoonpano on edullinen ja helppokäyttöinen, mutta se ei tarjoa redundanssia. Sitä käytetään, kun toimituskatkoksen seuraus on siedettävä – pieni liikerakennus, ei-kriittinen teollisuusprosessi tai tilapäinen rakennushuolto.

Osittainen yksikisko

Väyläosion katkaisijan lisääminen luo kaksi kisko-osaa, jotka voivat toimia itsenäisesti tai kytkeä yhteen. Jokainen osa toimitetaan omalla muuntajallaan. Jos yksi muuntaja epäonnistuu, väyläkytkin sulkeutuu ja terve muuntaja syöttää molempia osia. Kuormat kokevat lyhyen katkoksen siirron aikana, mutta palvelu palautuu nopeasti. Tämä on yleisin kokoonpano keskikokoisissa teollisuuslaitoksissa ja kaupallisissa tiloissa, joissa jonkin verran seisokkeja voidaan hyväksyä ylläpitoon, mutta täydellistä toimitusten menetystä ei.

Main-Tie-Main

Main-tie-main-kokoonpano sijoittaa väyläkytkimen kahden erillisen väyläosan väliin, joista jokaisessa on oma päätulokatkaisija ja muuntaja. Liitin on normaalisti auki. Jos jompikumpi muuntaja katoaa, kytkin sulkeutuu automaattisesti tai käyttäjän toimesta. Tämä konfiguraatio tarjoaa paremman luotettavuuden kuin yksinkertainen sekoitusväylä, koska kytkimen toiminta voidaan automatisoida ja siirto voi tapahtua ilman käyttäjän väliintuloa. Sitä käytetään kriittisissä tiloissa, kuten sairaaloissa, datakeskuksissa ja jatkuvatoimisissa teollisuuslaitoksissa.

Ring Main Unit (RMU) -kokoonpano

Jakeluverkoissa, jotka palvelevat useita maantieteellisesti hajallaan olevia kuormia – yliopistokampus, kaupunkien jakeluverkko, tuulipuiston keräysjärjestelmä – rengaspääyksikön kokoonpano on vakioratkaisu. Useita RMU-paneeleja on kytketty renkaaseen, ja jokaisessa paneelissa on tyypillisesti kaksi kuorman katkaisijaa rengassyöttöjä varten ja yksi katkaisija tai sulakekytkin paikalliselle muuntajalle. Voima voi virrata renkaan ympäri kumpaan tahansa suuntaan. Jos kaapelivika tapahtuu missä tahansa renkaassa, vian vieressä olevat kaksi RMU-paneelia voivat eristää vaurioituneen osan, ja kaikki muut kuormat saavat edelleen virtaa renkaan terveeltä puolelta. Tämä arkkitehtuuri tarjoaa toimitusvarmuuden tason, jota säteittäinen järjestelmä ei voi vastata, kustannuksilla, jotka ovat paljon alhaisemmat kuin koko toimitusinfrastruktuurin monistaminen.

COTENELE toimittaa 24 kV SF₆-vapaat RMU:t rengaspääsovelluksiin käyttämällä kuivaa ilmaa eristävänä väliaineena tiivistetyssä ruostumattomassa terässäiliössä. RMU-moduulit – tulo-, lähtö-, muuntajansuojaus, väyläliitin ja suoramittaus – on rakennettu standardoiduista, tyyppitestatuista osakokoonpanoista, jotka voidaan konfiguroida vastaamaan projektin yksirivistä kaaviota.

Siirtyminen SF₆-vapaaseen jakelukojeistossa

Tärkeä kehitys keskijännitekojeistoissa viimeisen vuosikymmenen aikana on ollut siirtyminen pois SF6-kaasusta eristävänä ja valokaaren sammutusaineena. Tämä koskee erityisesti kaasueristeisiä kytkinlaitteita ja rengaspääyksiköitä, joissa SF₆:tä käytettiin perinteisesti täyttämään suljettu säiliö, joka ympäröi kaikki jännitteiset osat.

Siirtymän taustalla on ympäristölainsäädäntö, erityisesti EU:n F-kaasuasetus, joka nyt kieltää uudet SF₆-kytkinlaitteet 24 kV:iin asti Euroopan markkinoilla. Mutta siirtymistä tukee myös järkevä suunnittelulogiikka. Kuivalla ilmalla ja typellä ei ole ilmaston lämpenemispotentiaalia, ne eivät vaadi erityiskäsittelyä käyttöiän lopussa ja poistavat F-kaasujen kirjaamisen ja vuotojen raportoinnin hallinnollisen taakan. Tyhjiökeskeytys, joka on ollut vakiona katkaisijoiden sovelluksissa vuosikymmeniä, tarjoaa valokaaren sammutustoiminnon ilman kaasua.

Kiinteistön käyttäjälle käytännön ero SF₆RMU:n ja kuivailma-RMU:n välillä on minimaalinen sähköisen suorituskyvyn kannalta – molemmat on tyyppitestattu saman IEC 62271-200 -standardin mukaisesti. Ero näkyy toimintatavoissa. Kuivailma-RMU:ssa, jossa on sinetöity käyttöikää sinetöity säiliö, ei ole valvottavaa kaasunpainetta, ylläpidettävää täyttöaikataulua, eikä käyttöiän päättymisen kaasun talteenottoa. Satoja sähköasemia hallinnoivalle voimalaitokselle tai teollisuusyritykselle tällä yksinkertaistamisella on todellista arvoa.

Jakelujärjestelmän suunnittelu: kytkinlaitteen erittely

Keskijännitekojeistoa määrittäville insinööreille useat päätökset määrittävät lopullisen järjestelmäkokoonpanon.

Jännite ja vikataso. Järjestelmän jännite määrää kojeiston dielektrisen rakenteen. Käytettävissä oleva vikavirta määrää tarvittavan oikosulkukatkaisukapasiteetin. Molemmat muodostetaan ylävirran verkkoliitännällä ja muuntajan impedanssilla. Vikaluokituksen alimäärittely on vaarallista. Sen ylimäärittely lisää tarpeettomia kustannuksia. Oikea luku tulee oikosulkututkimuksesta.

Virtakiskon kokoonpano. Valinta yksittäisen kiskon, osioidun virtakiskon ja pääliitosten kokoonpanojen välillä riippuu luotettavuusvaatimuksista ja budjetista. Luotettavammat kokoonpanot lisäävät paneelien määrää, kustannuksia ja monimutkaisuutta, mutta ne suojaavat pitkittyneiden käyttökatkojen yleisimmältä syyltä: muuntajan vialta.

Katkaisija vs. sulakekontaktori. Muuntajaa syöttäville syöttölaitteille katkaisija tarjoaa sekä ylikuormitus- että oikosulkusuojauksen. Moottoreita syöttäville syöttöjohdoille sulatettu kontaktori voi olla taloudellisempi ja antaa paremman suojan moottorikohtaisia ​​vikatilanteita vastaan. Päätös riippuu kuormatyypistä ja vaaditusta suojakoordinaatiotasosta.

Kiinteä vs. irrotettava. Kiinteät kojeistot ovat yksinkertaisempia ja edullisempia, mutta kaikki katkaisijan huolto vaatii koko väyläosan jännitteettömyyttä. Ulosvedettävä kojeisto mahdollistaa katkaisijan nostamisen huoltoa varten väylän ollessa jännitteisenä. Kriittisissä tiloissa, joissa seisokit ovat erittäin kalliita, irrotettava kokoonpano on yleensä perusteltu.

Integraatio ja viestintä. Kojeiston tulee olla yhteydessä laitoksen suoja- ja ohjausjärjestelmään. Tiedonsiirtoprotokolla, virta- ja jännitemuuntajien tyyppi ja määrä sekä suojareleiden ja ohjauspiirien aputeholähde on määriteltävä spesifikaatiossa.