Распределительное устройство будущего

Электротехническая отрасль крайне консервативна. Одна из основных причин этого в том то, что срок службы высоковольтного оборудования (среднего и высокого напряжения) составляет около 40 лет. Тем не менее, прогресс не стоит на месте.

 

Электросетевые компании и электротехнический персонал предприятий относятся к новым технологиям и устройствам с недоверием, так как для них важно гарантировать техническое обслуживание и ремонт оборудования на протяжении длительного срока службы. Кроме того, внедрение нового оборудования усложняет и без того непростую работу оперативного персонала.
Несмотря на это, за последние 20 лет произошли важные изменения в конструкции и технологиях распределительных устройств (РУ) среднего напряжения [В Западной Европе данным термином принято обозначать класс напряжения от 1 до 52 кВ. — Прим. перев.].
Рассмотрим краткую историю развития технологий в распределении электроэнергии среднего напряжения.
 
Существующие технологии
Изоляционная среда в распределительном устройстве имеет две функции: гашение дуги при коммутации тока и создание изоляции между проводниками или между проводниками и землей.
Для коммутации тока используются следующие технологии — воздух, масло, элегаз и вакуум. Для функции изолирования проводников к указанным технологиям добавляется технология твердой изоляции.
Эволюция технологии выключателей
Первой технологией, использовавшейся в выключателе для коммутации тока, был воздух. Выключатели с воздушной технологией гашения дуги были громоздкими, поскольку гашение дуги происходило за счет растяжения дуги, и шумными, поскольку отключение происходило в воздухе. Естественно, они требовали регулярного обслуживания, а потому были выкатными.
Чтобы уменьшить габариты, были разработаны масляные выключатели. Однако они также требовали регулярного обслуживания. К примеру, после нескольких отключений выключателя требовалась замена масла. Кроме того, использование масляных выключателей было небезопасным из-за риска возникновения пожара.
В конце 1960-х гг. появились элегазовые и вакуумные выключатели. Обе технологии принесли схожие преимущества — компактность и безопасность.
По мере совершенствования технологии увеличивался коммутационный ресурс, а выключатели становились все более надежными. Поэтому сейчас можно утверждать, что современные выключатели являются практически необслуживаемыми. Однако в большинстве случаев выключатели остаются выкатными, поскольку устанавливаются в традиционные ячейки с выкатным элементом.
 
Выключатель DST фирмы Merlin Gerin (фото предоставлено автором)
 
Эволюция однолинейных схем РУ
Основные критерии выбора РУ — небольшие габариты, оптимальная стоимость, надежность и стойкость к различным условиям окружающей среды. Стремление производителей удовлетворить данные требования приводит к постепенному переходу от однолинейных схем с выкатными коммутационными аппаратами к схемам с их стационарным расположением. То есть вместе с развитием технологии изоляции РУ, однолинейные схемы (ОЛС) также претерпевают изменения.
Проведем небольшое сравнение наиболее распространенных ОЛС, подчеркнув наиболее важные, на наш взгляд, детали.
 
ОЛС с выкатным аппаратом
Традиционная ОЛС с выкатным аппаратом до сих пор используется и не потеряла своей актуальности в подстанциях первичного распределения. [Первая ступень распределения электроэнергии на среднем напряжении — подстанции на напряжение 6–35 кВ, соединенные непосредственно с понижающей обмоткой трансформатора. — Прим. перев.] Разъединение создается выкатыванием выключателя, что обеспечивает видимый разрыв цепи. Заземление кабелей происходит путем включения заземляющих ножей линейного разъединителя.
Эта схема обеспечивает удобство обслуживания оборудования, что было абсолютно необходимым для предыдущих поколений выключателей. Кроме того, данная схема обеспечивает относительно легкий доступ к кабельным наконечникам.
Но необходимо упомянуть и ряд особенностей данной схемы. Удаленное управление разъединителем представляет собой сложную задачу, поскольку для этого требуется выкатывание тележки с выключателем. Операция заземления сборных шин требует наличия отдельной тележки заземления. Испытания кабельной линии предполагают работу в кабельном отсеке и отсоединение кабелей. И наконец, помещение для установки РУ с воздушной изоляцией должно соответствовать определенным требованиям по влажности и чистоте окружающего воздуха.
 
Однолинейная схема для КРУЭ среднего напряжения (илл. предоставлена автором)
 
ОЛС для КРУЭ среднего напряжения
Комплектное распределительное устройство с газонаполненной изоляцией (КРУЭ) было разработано с целью снижения габаритов и влияния внешних условий на работу РУ. ОЛС КРУЭ для среднего напряжения унаследовало компоновку, использовавшуюся для КРУЭ высокого напряжения — отдельный разъединитель и стационарный выключатель.
Конструкция модульного КРУЭ стала возможной благодаря тому, что современные выключатели стали практически необслуживаемыми. Газовая изоляция и герметичный способ подключения кабелей обеспечивают практически полную независимость работы РУ от условий эксплуатации.
К особенностям данной ОЛС нужно в первую очередь отнести сложную схему оперативных переключений, имеющую пять возможных положений. Кроме того, заземление кабельной линии осуществляется через вакуумную камеру выключателя, поэтому включенное положение выключателя обязательно для обеспечения безопасности персонала.
 
ОЛС с двухпозиционным шинным разъединителем
Попытки упростить рассмотренную выше пятипозиционную схему привели к созданию схемы с двухпозиционным шинным разъединителем. Такое решение позволило упростить схему переключений и снизить стоимость ячейки. Снижение стоимости в свою очередь сделало возможным применение КРУЭ с такой схемой в подстанциях вторичного распределения [Вторая ступень распределения электроэнергии на среднем напряжении, подстанции распределительной сети, ТП и РП. — Прим. перев.].
Тем не менее, полученная в итоге четырехпозиционная схема достаточно сложна в управлении, а заземление кабельной линии по-прежнему осуществляется через выключатель. В этом случае безопасное для персонала положение «Заземлено» определяется положением двух аппаратов (разъединителя и выключателя).
 
Ячейка Premset с выключателем, вид сбоку (фото Schneider Electric)
 
Альтернативная схема КРУЭ
В некоторых типах КРУЭ используется однолинейная схема с непосредственным заземлением кабелей, противоположная рассмотренной выше. В данном случае заземление линии осуществляется за счет заземляющего разъединителя, имеющего стойкость к включению на ток короткого замыкания. Такая схема делает возможной установку специального приспособления для проведения испытания изоляции кабелей. 
Несмотря на эти преимущества, схема имеет четыре возможных положения и требует применения блокировок ключами. Кроме того, использование отдельного разъединителя со стойкостью к включению на короткое замыкание приводит к удорожанию ячейки РУ.
 
Примеры элегазовых моноблоков
Для подстанций вторичного распределения (ТП и РП) основные критерии выбора — простота и оптимальная стоимость оборудования. Именно это привело к широкому распространению газонаполненных моноблоков.
Основное устройство в данном случае — трехпозиционный выключатель или выключатель нагрузки с тремя возможными положениями аппарата. Отключение и разъединение происходит за одну операцию, обеспечивая тем самым реализацию трехпозиционной схемы. То есть схемы с тремя возможными положениями: «Включено», «Отключено и Разъединено», «Заземлено».
В этой схеме существенно упрощаются местные и дистанционные переключения. ОЛС интуитивно понятна. В положении «Заземлено» кабельная линия подключается непосредственно к контуру заземления моноблока. Дополнительное преимущество схемы — устройство испытания кабелей, позволяющее испытывать кабели без доступа в кабельный отсек и без отсоединения кабелей от РУ.
 
Моделирование распределения электрического поля в ячейке Premset (илл. Schneider Electric)
 
Новая трехпозиционная схема
Трехпозиционная схема, впервые примененная 30 лет назад в газонаполненном моноблоке, хорошо себя зарекомендовала и продолжает успешно использоваться. Поэтому интересным представляется новое решение, несущее в себе преимущества трехпозиционной схемы моноблока, но использующее уже вакуумную технологию.
Новое решение построено на комбинации вакуумной камеры, выполняющей одновременно функции шинного разъединителя и выключателя, и линейного разъединителя. Такая схема обеспечивает двойной изолирующий разрыв между присоединением и сборными шинами, сохраняя все преимущества трехпозиционной схемы:
• Положение 1: выключатель включен
• Положение 2: выключатель отключен (вакуумная камера создает первый изолирующий разрыв)
• Положение 3: заземление включено в сторону кабельной линии (создается второй изолирующий разрыв в воздухе)
Отключение тока и создание изолирующего разрыва выполняется отключением вакуумной камеры. Кабельная линия заземляется линейным разъединителем, имеющем стойкость к включению на ток КЗ. Такая схема упрощает схему оперативных блокировок и делает операции с ячейкой понятными, а, следовательно, более безопасными.
Кроме того, рассматриваемая схема позволила разработать новое устройство для испытания кабелей. При переключении в положение «заземлено» обеспечивается двойной изолирующий разрыв между сборными шинами и кабелями, и может быть отключена шинка, соединяющая кабельную линию с контуром заземления ячейки. После этого на устройство может быть подано испытательное напряжение. При проведении высоковольтных испытаний кабельный отсек ячейки остается закрытым, а кабели не отсоединяются. Описанная процедура обеспечивает высокий уровень безопасности персонала и помогает предотвратить поломку оборудования вследствие неправильного его использования.
Дополнительное преимущество такого решения — система экранированной твердой изоляции (2SIS — от англ. «Shielded and Solid Insulation System»). Все токоведущие части и корпус коммутационного аппарата имеют твердую изоляцию, покрытую токопроводящим экраном, который соединен с контуром заземления ячейки. Поэтому работа РУ с экранированной твердой изоляцией, как и КРУЭ, практически не зависит от условий окружающей среды.
Кроме того, 2SIS-технология обеспечивает модульный принцип построения РУ, что позволяет собрать подстанцию с любой ОЛС и количеством ячеек.
 
Внутри ячейки среднего напряжения (фото Екатерины Зубковой)
 
Перспективное РУ для интеллектуальных подстанций
Отвечая на вопрос о том, как будет выглядеть РУ завтра, нельзя не затронуть вопрос интеллектуальных сетей. На наш взгляд, интеллектуальная сеть выполняет две основных задачи. Первая — это поддержание оптимального соотношения между выработкой и потреблением электроэнергии. Вторая состоит в создании условий для подключения и эффективного использования объектов распределенной генерации и возобновляемых источников энергии. Для выполнения этих задач необходимо обеспечить двухсторонний поток электроэнергии через каждый элемент сети. Рассмотрим, готовы ли к этому существующие РУ.
 
Дистанционное управление
В данном случае обязательным условием становится возможность телеуправления РУ, поскольку возрастают требования к надежности и беспрерывности электроснабжения потребителей. Самовосстановление сети с использованием телеуправления — единственный способ сокращения перерывов в электроснабжении. Кроме того, оно делает возможным оперативное управление нагрузкой сети.
 С точки зрения организации телеуправления, дополнительное преимущество трехпозиционной схемы — одинаковый принцип переключений для двух режимов: местного и удаленного.
 
Модульный принцип построения
Распространение распределенной генерации приведет к увеличению разнообразия однолинейных схем подстанций. В этом случае становится актуальной модульная конструкция РУ, позволяющая собрать подстанцию любой конфигурации. Один из путей обеспечения модульности — технология 2SIS, которая в отличие от газонаполненных моноблоков обеспечивает простое расширение РУ и возможность подключения кабелей с любой стороны.
 
Распредустройство 35 кВ (фото Екатерины Зубковой)
 
Трансформаторы LPCT и LPVT 
В ближайшем будущем возникнет необходимость оперативного управления нагрузкой, что в свою очередь потребует от первичного оборудования функции телеизмерения. Для этого могут использоваться не только традиционные электромагнитные трансформаторы тока и напряжения, но и более современные датчики тока малой мощности (Low Power Current Transformers) и датчики напряжения малой мощности (LPVT).
Современные микропроцессорные реле защиты требуют существенно меньшей мощности измерительных трансформаторов по сравнению с традиционными электромеханическими реле. Это позволяет использовать современные измерительные преобразователи небольшой мощности для функции защиты и измерения. Один из таких преобразователей — тор Роговского (трансформатор тока малой мощности или LPCT).
Тор Роговского представляет собой трансформатор тока с немагнитным сердечником, на который намотана вторичная обмотка. Напряжение на резисторе, к которому подключена вторичная обмотка преобразователя, пропорционально первичному току ячейки проводника. Тор Роговского имеет несколько преимуществ:
• простота выбора, так как один преобразователь используется для первичных токов от 5 до 1250 А;
• отсутствие высокого напряжения на разомкнутой обмотке датчика;
• высокая точность измерения и линейность характеристики даже при токах КЗ;
• небольшие размеры преобразователей, позволяющие сократить размеры РУ;
• возможность использования одного преобразователя для функций защиты и измерения.
Таким образом, трансформаторы тока и напряжения малой мощности (LPCT и LPVT) будут удовлетворять двум основным требованиям:
• измерение параметров электрической энергии для функций защиты и телеизмерения;
• снижение размеров и стоимости измерительных преобразователей.
 
На пути к интеллекту
Развитие интеллектуальных сетей неизбежно приведет к тому, что первичное оборудование, том числе и РУ, также будет становиться все более интеллектуальным. Подобная эволюция электрических сетей может стать хорошей возможностью для введения новых критериев выбора первичного оборудования, таких как вариативность, стойкость к условиям окружающей среды, компактность и удобство телеуправления.
В связи с этим появляется уверенность, что концепция модульного распределительного устройства с твердой изоляцией и трехпозиционной схемой управления перспективна и будет востребована в будущем.