Иновации при КРУ средно напрежение

Развитието на компонентите на комплектните разпределителни уредби (КРУ), комутиращите устройства, трансформаторите за преобразуване на електрически ток и напрежение, защитните блокировки и общата компановка в по-голяма или по-малка степен протича паралелно. Същевременно навлизането на интелигентните електропреносни мрежи доведе до нови предизвикателства и изисквания, които откриват изцяло нов хоризонт в проектирането на следващото поколение разпределителни уредби.

Операторите на електропреносни и електроразпределителни мрежи демонстрират подчертан интерес към усъвършенстване на технологиите за комутационни уредби, което да гарантира висока надеждност, ефективност и опростеност и същевременно да улесни прехода към мрежите от ново поколение без компромис с безопасността.

Бъдещите тенденции в комплектните разпределителни уредби за средно напрежение са насочени към развитието на модулни и компактни по размер уредби за средно напрежение и прилагане на екранирана твърда изолационна система с оглед на оптимизиране на функционалността и гъвкаво посрещане на все по-широк набор от приложения.

Идеалният вариант, който би удовлетворил пълноценно нуждите на електроразпределението за средно напрежение, са прекъсвачи, които не изискват обслужване през периода на своята експлоатация, пригодни са за използване във всякаква среда и имат дълъг оперативен живот. С напредъка в технологиите за електроразпределителни мрежи, операторите изискват повече гъвкавост и по-високо ниво на автоматизация, мониторинг и управление от разстояние, интегрирани интелигентни устройства и все повече измервателни точки. От икономическа гледна точка първоначалните разходи за инвестиция все повече се балансират от общите разходи за собственост, включително разходите за изграждане, инсталиране, поддръжка и разходите за възстановяване след края на експлоатационния период. Тези тенденции трябва да бъдат взети предвид при проектирането на ново поколение КРУ за средно напрежение за съвременни приложения.

Технологии за прекъсване на веригата

Първоначално за прекъсване на веригите в разпределителните уредби за средно напрежение са използвани въздушни прекъсвачи. Те представляват устройства, които погасяват електрическата дъга в среда на сгъстен въздух. Въздушните прекъсвачи изискват сложна поддръжка и имат големи размери. Маслените прекъсвачи са алтернативен вариант, който обаче също често се нуждае от сложно за извършване обслужване, например маслото трябва да се сменя след няколко операции. По-същественият проблем при тях е, че повреда в прекъсвач с масло може лесно да доведе до тежък инцидент, пожар и наранявания.

Следващото поколение технологии, които внасят редица подобрения в механизма на изключване за средно напрежение, са елегазовите и вакуумните прекъсвачи. При вакуумните устройства електрическата дъга се гаси в неелектропроводима вакуумна среда. В елегазовите прекъсвачи гасенето се извършва в среда на диелектричен газ – серен хексафлуорид – SF6, който притежава изразени изолационни и дъгогасящи свойства. И двата типа устройства са доста по-компактни в сравнение с въздушните прекъсвачи. Тези прекъсвачи се отличават с по-висока експлоатационна издръжливост, по-голяма пожаробезопасност и по-лесна поддръжка.

Елегазът не притежава цвят и мирис и не се възпламенява, а освен това е един от най-тежките газове. Той не е отровен, но някои съединения, получени при разлагане от високата температура на дъгата са силно отровни и токсични (S2F10 и SF5Cl). Друг недостатък е, че SF6 е един от парниковите газове с най-висок потенциал за глобално затопляне (GWP).

Схеми и изолация на комплектни разпределителни системи

С навлизането на комплектните разпределителни уредби с въздушна изолация (Air Insulated Switchgear – AIS) се въвеждат и първите интегрирани блокове със специфични функции като заземяване, разединяване, защита, комутация. Освен с оптимизираната си компановка тези уредби превъзхождат предхождащите ги разпределителни ниши и с по-сигурните и надеждни механизми за обезопасяване. Първоначалните комутационни схеми са еднолинейни с въздушни прекъсвачи с възможност за извеждане за ревизия. Впоследствие се преминава към елегазови и маслени прекъсвачи.

Еднолинейните схеми все още се използват в някои приложения, като прекъсването в този случай се осъществява чрез изключване на прекъсвача. Заземяването за осигуряване на безопасен достъп до компонентите се осъществява посредством заземително устройство или прекъсвач на веригата за заземяване, свързан директно към проводника. Тази установка обаче затруднява възможностите за дистанционен контрол на прекъсването, заземяването на тоководещите части и тестването на проводниците. Също така технологията за изолация с въздух е много чувствителна към околните условия и изисква уредбата да бъде инсталирана в помещения с висока чистота на средата.

При някои уредби с метален корпус като изолационен компонент се използва епоксидна или друг вид смола. Този тип табла се наричат разпределителни уредби с твърда изолация (Solid Insulated Switchgear – SIS). Недостатък в тези системи, както при AIS, е, че те също са силно чувствителни към външната среда (запрашеност, влага т.н.). Нуждата за по-устойчиви на околните условия системи довежда до въвеждането на закрити газоизолирани разпределителни уредби (Gas Insulated Switchgear – GIS) със запечатан елегазов резервоар. GIS технологията позволява намаляване на габаритните размери с до 70%, което решава много казуси, свързани с пространствените ограничения.

Оперирането с този тип оборудване не е достатъчно интуитивно и създава някои неудобства за обслужващия персонал. Схемата с пет позиции комбинира входен разединител/прекъсвач на веригата за заземяване с три позиции и изходен прекъсвач с две позиции. На практика заземяването на проводника се осъществява през затворен прекъсвач, който трябва да остане в затворено положение, за да се гарантира безопасната работа.

При вторичното разпределение, където е налице повторяемост на конфигурацията, водещи критерии са опростеност, устойчивост на тежки околни условия и ефективност на разходите. Комплектните комутационни уредби за пръстеновидни мрежи представляват една нова специализация. Нуждите на подстанциите за обществено електроразпределение изискват унифицирани комутационни възможности, които довеждат до развитието на конфигурациите на компактни комплектни комутационни уредби (Ring Main Unit – RMU). Развитието на RMU технологията преминава през маслени към елегазови устройства с по-голям брой прекъсвачи за защита на трансформатори СН/НН. При тази схема локално изпълняваните и дистанционните операции стават по опростени и интуитивни. Заземяването на проводниците се извършва директно, близо до кабелните конектори. Много по-лесно се свързват и устройства за изпитване на проводници, тъй като достъп до тях е възможен без да се налага да се отваря таблото или да се правят промени във свързването на клемите.

При RMU конфигурацията традиционните комутационни клетки са заместени с цялостни разпределителни системи. Специфични функции като заземяване, изключване, свързване на проводниците, удължаване на шината, защита и превключване са проектирани като интегрирани функции в компактните функционални блокове. Тази основа позволява изграждане на разпределителни системи, отговарящи на нуждите за средно напрежение дори на най-взискателните потребители и на най-сложните системни спецификации.

Блоковете за комплектни комутационни уредби за мрежа за вторично разпределяне се предлагат в различни конфигурации, подходящи за повечето комутационни приложения за разпределителните мрежи 12/24 kV. Те са пригодени за разширяване при необходимост от допълнителни мощности и е предвидена съвместимост с наложилите се на пазара съвременни концепции за гъвкави модулни компактни комплектни разпределителни уредби. Производителите предлагат цялостни решения за средно напрежение, които представляват изцяло херметизирани системи с камери от неръждаема стомана, в която са разположени всички компоненти, намиращи се под напрежение, и всички комутационни функции. Херметизираната камера поддържа постоянни условия спрямо атмосферните и гарантира висока надеждност, както и безопасност на персонала. Практически така се осигурява система, която не се нуждае от поддръжка. Предоставят се възможности за избор за защита на трансформатора в комбинация от мощностен разединител и предпазител или с прекъсвач с реле. Също така все по-често към блоковете могат да бъдат интегрирани системи за дистанционно наблюдение и управление.

Иновации за компактност, безопасност и екологичност

Благодарение на иновативните технологии размерите на подстанциите с въздушна изолация са значително редуцирани в последните години. Едно решение, което съществено е спомогнало за оптимизация на оборудването, е разединяващият автоматичен прекъсвач (disconnecting circuit breaker – DCB). Промяната на принципа на проектиране позволява интегрирането на функциите на разединител и на автоматичен прекъсвач на веригата, като по този начин се създава едно ново устройство – DCB. Тъй като свързването на DCB е в елегазова защитена среда, без замърсяване, функцията за изключване е много надеждна и интервалът за поддръжка е увеличен, осигурявайки по-висока експлоатационна готовност и безопасност на подстанциите. Докато старият принцип на проектиране на подстанции предвижда автоматичните прекъсвачи да се "обградят" с разединители, за да бъде възможно да се извършва често обслужване, сега с тази нова технология необходимостта от ревизия и ремонт на прекъсвачите дотолкова е намаляла, че тази функция се изисква по-често за поддръжка на далекопроводи, силови трансформатори и др.

Благодарение на разединяващия автоматичен прекъсвач площта на разпределителната станция може да се редуцира с повече от 40%.

Новата хибридна технология, комбинираща въздушна и газова изолация AIS/GIS, обещава непостигани досега рекордни нива на ефективност на комплектните разпределителни устройства. Хибридният дизайн използва традиционни въздушно изолирани шини за свързване с друго оборудване в подстанцията, като същевременно функционални устройства, като автоматични прекъсвачи, разединяващи прекъсвачи, напреженови трансформатори, сензори за напрежение, токови трансформатори, устройства за заземяване, са оборудвани с еднофазен газоизолиран корпус.

Още един забележителен пробив в технологиите за разпределителни уредби е разработката на нова газова смес, която предлага алтернатива на изолацията от серен хексафлуорид. За ниски напрежения на електрическото поле атмосферният въздух е технически най-простата и икономична изолационна среда и се използва при далекопроводите и AIS уредбите. Увеличаването на налягането на газа значително подобрява изолационните и дъгогасителните свойства на всеки газ, но изисква газонепроницаемо изолиране за тоководещите части. Решението с GIS елиминира влиянието на околната среда. Изолацията със синтетични съединения, съдържащи атоми на електроотрицателни елементи като хлор и/или флуор, какъвто е SF₆, позволява значителни подобрения в изолационните и комутиращите характеристики. От 70-те години на миналия век SF₆ се използва все по-често в комутационните функции. За да се позволи използването на газове при много ниски температури (например -50°C), се използват и смеси като SF₆/N2 или SF₆/CF4. Чист CO₂ също се използва като дъгогасителен газ в прекъсвачите.

Стремежът да се намали въглеродния отпечатък на разпределителните системи стимулира търсенето на смеси с многократно по-нисък потенциал за глобално затопляне. За да се подпомогне откриването на заместител на SF₆, няколко компании си партнират в разработването на ефективни методи за изчисление и изследване на подходящи молекули за изолация на оборудване средно и високо напрежение. Методите включват виртуален скрининг на молекулите по отношение на потенциала на глобално затопляне (GWP), токсичност, запалимост и др. Следва изследване на степента на разграждане и точката им на кипене. След дълги години изследвания се достига до екологичен заместител, който притежава всички необходими свойства.

Перфлуориран кетон с пет въглеродни атома (C5-PFK) и перфлуориран нитрил (C4-PFN) се използват като добавки към CO₂, N₂ или O₂ в приложенията за изолация и превключване. Поради своите химични свойства, те са подходящи за използване като изолационен газ. Тъй като C5-PFK и C4-PFN като чисти газове се втечняват дори при относително ниско налягане на пълнене и високи температури (в сравнение с SF6), тези вещества се добавят в малки количества към газове като CO₂, N₂ или O₂.

Друго предимство на смесването с O₂ е, че намалява образуването на сажди и отлаганията.

Прогнозира се, че новата изолационна флуоркетонова смес може да намали въглеродния отпечатък на разпределителните уредби (КРУ) с газова изолация с до 50%. Тя притежава сходни на елегаза изолационни свойства, но за разлика от него има изключително нисък GWP. Потенциалът за глобално затопляне на SF6 се равнява на 22 800, докато при C5-PFK стойността му е

Твърдите изолационни среди включват епоксидна смола, полиетилен, силикон и порцелан. Основен недостатък на твърдите изолации в сравнение с вакуума и газовите са необратимите щети, които частичните разряди причиняват на изолацията. Полупроводниковите прекъсвачи (solid-state) използват полупроводникови елементи, имат относително висока загуба на проводимост и кратък живот в сравнение с вакуумните прекъсвачи. Твърдите изолатори са широко използвани в разпределителните уредби средно напрежение. При използването на изолационен материал в комбинация с въздух относително тънък слой твърда изолация измества електрическото поле към въздушния слой. Един усъвършенстван вариант на SIS добавя покритие върху повърхността на твърдия изолатор, състоящ се от проводящ материал, който е заземен. Това предотвратява натоварването на околния въздух с електрически заряд, тъй като само средата на твърдата изолация е изложена на напрежение. Този нов тип изолация е известен като "екранирана" твърда изолационна система (Shielded Solid Insulation System – SSIS).

Предизвикателствата на smart grid

Въвеждането на интелигентните електроразпределителни мрежи (smart grids) поставя редица задачи пред електропреносното и електроразпределителното оборудване. Концепцията smart grid цели две основни посоки на подобрение. Първата е оптимизация на съотношението между търсенето и предлагането на енергийния пазар.

Втората посока е постигането на невъзпрепятствано интегриране на все повече енергийни ресурси чрез разпределителната мрежа и възобновяеми източници.

Промяната в управлението на електроснабдителната мрежа от еднопосочен поток поради централизирано производство на енергия към двупосочен поток поради разпределено производство е голямо предизвикателство.

Проучването на съществуващите мрежи и някои експериментални нови позволява да се акцентира върху някои характеристики на разпределителните уредби, които ще помогнат за справяне с това предизвикателство. Интелигентните мрежи включват повече прекъсвачи в мрежата, за да се увеличи наличността на електрическа енергия.

Дистанционното управление ще бъде задължително изискване за оперирането на интелигентните мрежи. В резултат от това разпределителните уредби ще включват интегрирани интелигентни устройства, осигуряващи по-добра оптимизация. Токовите трансформатори с ниска мощност (LPCT) и трансформаторите с ниско напрежение (LPVT) са от съществено значение за развитието на управлението на мощности. Измервателното оборудване трябва да бъде рентабилно, компактно и надеждно.

Възможността за модулно изграждане и гъвкавостта са задължителни характеристики, за да могат да бъдат посрещнати нуждите на многобройните различни приложения.

Отговорите на много от изискванията, поставени от интелигентните разпределителни мрежи, се крият в усъвършенстването на технологиите за компактните разпределителни уредби. Новите компактни комплектни разпределителни системи RMU със схема с три позиции отлично интегрират функционалностите на оборудването, като същевременно запазват всички предимства на предходните технологии. В съчетание с "екранирана" твърда изолационна система RMU осигурява изпълнение на прекъсването и превключването чрез една-единствена операция посредством иновативен вакуумен прекъсвач в контролирана среда, която намалява риска от възникване на вътрешна електрическа дъга и осигурява надеждност във всякакви условия на работа.