В электроэнергетической системе , распределительное устройство состоит из электрических разъединителей, плавких предохранителей или автоматических выключателей , используемых для контроля, защиты и изолята электрооборудования. Распределительное устройство используется как для обесточивания оборудования, чтобы можно было выполнить работу, так и для устранения неисправностей на выходе. Этот вид оборудования напрямую связан с надежностью электроснабжения .
На первых центральных электростанциях использовались простые разомкнутые рубильники , установленные на изоляционных панелях из мрамора или асбеста . Уровни мощности и напряжения быстро возрастали, что делало размыкание переключателей с ручным управлением слишком опасным для чего-либо, кроме изоляции обесточенной цепи. Маслозаполненное распределительное устройство позволяет сдерживать энергию дуги и безопасно контролировать ее. К началу 20 века линейка распределительных устройств будет представлять собой металлическую конструкцию с электрически управляемыми переключающими элементами, использующими масляные выключатели. Сегодня маслонаполненное оборудование в значительной степени заменено на воздушное, вакуумное или SF 6. оборудование, позволяющее надежно контролировать большие токи и уровни мощности с помощью автоматического оборудования.
Распределительное устройство высокого напряжения было изобретено в конце 19 века для управления двигателями и другими электрическими машинами. [1] Со временем технология была усовершенствована, и теперь ее можно использовать при напряжении до 1100 кВ. [2]
Как правило, распределительные устройства на подстанциях расположены как на стороне высокого, так и на стороне низкого напряжения больших силовых трансформаторов . Распределительное устройство на низковольтной стороне трансформаторов может быть расположено в здании с автоматическими выключателями среднего напряжения для распределительных цепей, а также оборудованием для измерения, управления и защиты. Для промышленного применения трансформатор и распределительное устройство могут быть объединены в одном корпусе, называемом блочной подстанцией.(USS). Согласно последнему исследованию Visiongain, компании по исследованию рынка, ожидается, что мировой рынок распределительных устройств достигнет 152,5 млрд долларов к 2029 году при среднегодовом темпе роста 5,9%. Ожидается, что рост инвестиций в возобновляемые источники энергии и повышение спроса на безопасные и надежные системы распределения электроэнергии приведут к их увеличению. [3]
Компоненты [ править ]
Комплектное распределительное устройство состоит из компонентов двух типов:
- Электропроводящие компоненты, такие как переключатели, автоматические выключатели, предохранители и грозовые разрядники, которые проводят или прерывают поток электроэнергии.
- Системы управления, такие как панели управления, трансформаторы тока, трансформаторы напряжения, защитные реле и связанные с ними схемы, которые контролируют, контролируют и защищают электропроводящие компоненты.
Функции [ править ]
Одной из основных функций распределительного устройства является защита, то есть отключение токов короткого замыкания и перегрузки при коротком замыкании с одновременным обслуживанием неповрежденных цепей. Распределительное устройство также обеспечивает изоляцию цепей от источников питания. Распределительное устройство также используется для повышения доступности системы, позволяя более чем одному источнику питать нагрузку.
История [ править ]
Распределительные устройства так же стары, как и производство электроэнергии . Первые модели были очень примитивными: все компоненты просто крепились к стене. Позже их установили на деревянных панелях. Из соображений противопожарной защиты дерево заменили на сланец или мрамор . Это привело к дальнейшему усовершенствованию, поскольку коммутационные и измерительные устройства можно было прикрепить спереди, а провода - сзади. [4]Тумблерный выключатель с обычным предохранителем представляет собой простейшую форму распределительного устройства и используется для управления и защиты освещения и другого оборудования в домах, офисах и т. Д. Для цепей более высокого номинала используется предохранитель с высокой отключающей способностью (HRC) в сочетании с выключателем. может служить для управления и защиты цепи. Однако такое распределительное устройство не может быть выгодно использовано в системе высокого напряжения. [5]
Жилье [ править ]
Распределительное устройство для более низких напряжений может быть полностью закрыто внутри здания. Для более высоких напряжений (более 66 кВ) распределительное устройство обычно устанавливается на открытом воздухе и изолируется воздухом, хотя для этого требуется много места. Распределительное устройство с элегазовой изоляцией экономит место по сравнению с оборудованием с воздушной изоляцией, хотя стоимость оборудования выше. Распределительное устройство с масляной изоляцией представляет опасность разлива масла.
Переключатели могут управляться вручную или иметь моторные приводы для дистанционного управления.
Типы автоматических выключателей [ править ]
Распределительное устройство может представлять собой простой выключатель-разъединитель под открытым небом или может быть изолировано каким-либо другим веществом. Эффективной, хотя и более дорогой формой распределительного устройства является распределительное устройство с газовой изоляцией (GIS), в котором проводники и контакты изолированы сжатым газом гексафторид серы (SF 6 ). Другими распространенными типами являются распределительные устройства с масляной или вакуумной изоляцией.
Комбинация оборудования в корпусе распределительного устройства позволяет им отключать токи короткого замыкания в тысячи ампер. Автоматический выключатель ( в пределах распределительного шкафа) является основным компонентом , который прерывает ток замыкания. Гашение дуги, когда автоматический выключатель разъединяет контакты (размыкает цепь), требует тщательного проектирования. Автоматические выключатели делятся на шесть типов:
Нефть [ править ]
Масляные выключатели полагаются на испарение части масла, чтобы создать струю масла вдоль пути дуги. Пар, выделяющийся при образовании дуги, состоит из газообразного водорода . Минеральное масло обладает лучшими изоляционными свойствами, чем воздух. Всякий раз, когда происходит разделение токоведущих контактов в масле, дуга в автоматическом выключателе инициируется в момент разделения контактов, и из-за этой дуги масло испаряется и разлагается в основном в газообразном водороде и в конечном итоге создает вокруг себя пузырьки водорода. электрическая дуга . Этот сильно сжатый газовый пузырь вокруг дуги предотвращает повторное зажигание дуги после того, как ток достигнет нулевого перехода цикла. Масляный выключатель - один из самых старых типов автоматических выключателей.
Воздух [ править ]
Воздушные автоматические выключатели могут использовать сжатый воздух (затяжку) или магнитную силу самой дуги для удлинения дуги. Поскольку длина устойчивой дуги зависит от доступного напряжения, удлиненная дуга в конечном итоге исчерпает себя. В качестве альтернативы, контакты быстро поворачиваются в небольшую герметичную камеру, выход вытесненного воздуха приводит к гашению дуги.
Автоматические выключатели обычно могут отключать весь ток очень быстро: обычно от 30 до 150 мс в зависимости от возраста и конструкции устройства.
Газ [ править ]
Газовые выключатели (SF 6 ) иногда растягивают дугу с помощью магнитного поля , а затем полагаются на диэлектрическую прочность газа SF 6 для гашения растянутой дуги.
Гибрид [ править ]
Гибридный распределительное устройство представляет собой тип , который сочетает в себе элементы традиционной воздушной изоляцией (AIS) и SF 6 с элегазовой изоляцией (ГИС). Он отличается компактной модульной конструкцией, которая объединяет несколько различных функций в одном модуле.
Вакуум [ править ]
Автоматические выключатели с вакуумными выключателями имеют минимальные характеристики искрения (поскольку нет ничего, что могло бы ионизировать, кроме материала контактов), поэтому дуга гаснет при небольшом растяжении (<2–8 мм). Около нулевого тока дуга недостаточно горячая, чтобы поддерживать плазму, и ток прекращается; зазор может выдержать повышение напряжения. Вакуумные выключатели часто используются в современных распределительных устройствах среднего напряжения до 40 500 вольт. В отличие от других типов, они по своей природе не подходят для прерывания отказов постоянного тока. Причина, по которой вакуумные выключатели не подходят для отключения высоких напряжений постоянного тока, заключается в том, что при постоянном токе отсутствует период «нулевого тока». Плазменная дуга может питаться сама, продолжая газифицировать контактный материал.
Двуокись углерода (CO 2 ) [ править ]
Выключатели, в которых в качестве изоляционной и дугогасящей среды используется диоксид углерода, работают по тем же принципам, что и выключатели на основе гексафторида серы (SF 6 ). Поскольку SF 6 является парниковым газом более мощным, чем CO 2 , переход с SF 6 на CO 2 позволяет снизить выбросы парниковых газов на 10 тонн в течение жизненного цикла продукта. [6]
Защитная схема [ править ]
Автоматические выключатели и предохранители [ править ]
Автоматические выключатели и предохранители отключаются, когда ток превышает заданный безопасный уровень. Однако они не могут обнаруживать другие критические неисправности, такие как несимметричные токи, например, когда обмотка трансформатора контактирует с землей. Сами по себе автоматические выключатели и предохранители не могут отличить короткое замыкание от высокого уровня потребления электроэнергии.
Схема циркуляционного тока Merz-Price [ править ]
Дифференциальная защита зависит от текущего закона Кирхгофа , который гласит, что сумма токов, входящих или выходящих из узла схемы, должна быть равна нулю. Используя этот принцип для реализации дифференциальной защиты, любой участок токопроводящего пути можно рассматривать как узел. Проводящим путем может быть линия передачи, обмотка трансформатора, обмотка двигателя или обмотка статора генератора переменного тока. Эта форма защиты работает лучше всего, когда оба конца токопроводящей дорожки физически расположены близко друг к другу. Эта схема была изобретена в Великобритании Чарльзом Хестерманом Мерцем и Бернардом Прайсом . [7]
Два идентичных трансформатора тока используются для каждой обмотки трансформатора, статора или другого устройства. Трансформаторы тока размещаются вокруг противоположных концов обмотки. Ток через оба конца должен быть одинаковым. Защитное реле обнаруживает любой дисбаланс токов и отключает автоматические выключатели, чтобы изолировать устройство. В случае трансформатора автоматические выключатели на первичной и вторичной обмотках отключаются.
Дистанционные реле [ править ]
Короткое замыкание в конце длинной линии передачи похоже на нормальную нагрузку, потому что полное сопротивление линии передачи ограничивает ток повреждения. Дистанционное реле обнаруживает неисправность, сравнивая напряжение и ток в линии передачи. Большой ток вместе с падением напряжения указывает на неисправность.
Классификация [ править ]
Можно сделать несколько различных классификаций распределительного устройства: [8]
- По текущему рейтингу.
- По номиналу прерывания (максимальный ток короткого замыкания kAIC, который устройство может безопасно прервать)
- Автоматические выключатели могут отключаться и замыкаться при токах короткого замыкания
- Переключатели нагрузки / включения нагрузки могут переключать обычные токи нагрузки системы
- Изоляторы - это разъединители без нагрузки, которые должны срабатывать после автоматических выключателей, или если ток нагрузки очень мал.
- По классу напряжения:
- Низкое напряжение (менее 1 кВ переменного тока)
- Среднее напряжение (от 1 кВ переменного тока до примерно 75 кВ переменного тока)
- Высокое напряжение (от 75 кВ до 230 кВ переменного тока)
- Сверхвысокое напряжение, сверхвысокое напряжение (более 230 кВ)
- По изолирующей среде:
- Воздуха
- Газ (SF 6 или смеси)
- Масло
- Вакуум
- Двуокись углерода (CO 2 )
- По типу конструкции:
- Внутри помещений (далее классифицируется по классу IP ( защиты от проникновения ) или типу корпуса NEMA)
- Открытый
- Промышленное
- Полезность
- морской
- Выдвижные элементы (снимаются без использования множества инструментов)
- Неподвижные элементы (крепеж на болтах)
- Live-фронт
- Мертвый фронт
- Открыть
- В металлическом корпусе (ME) - распределительное устройство полностью закрыто со всех сторон и сверху листовым металлом. [9]
- Металлические (МК) - более дорогая разновидность распределительных устройств в металлическом корпусе, обладающая следующими характеристиками: главное коммутационно-отключающее устройство съемного типа; заземленные металлические перегородки для разделения отсеков и ограждения всех основных цепей и деталей; механические блокировки; изолированные шинопроводы и другие особенности. [10] [11]
- Кабина
- Дугостойкий
- По степени внутреннего разделения IEC [12]
- Без разделения (Форма 1)
- Сборные шины, отделенные от функциональных блоков (формы 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b)
- Клеммы для внешних проводов, отделенные от сборных шин (формы 2b, 3b, 4a, 4b)
- Клеммы для внешних проводов отделены от функциональных блоков, но не друг от друга (форма 3a, 3b)
- Функциональные единицы, отделенные друг от друга (Форма 3a, 3b, 4a, 4b)
- Клеммы для внешних проводов отделены друг от друга (формы 4a, 4b)
- Клеммы для внешних проводов отдельно от их функционального блока (форма 4b)
- Путем прерывания устройства:
- Предохранители
- Воздушный автоматический выключатель
- Автоматический выключатель минимального уровня масла
- Масляный автоматический выключатель
- Вакуумный автоматический выключатель
- Газовый (SF 6 ) Автоматический выключатель
- Автоматический выключатель CO 2
- По способу эксплуатации:
- С ручным управлением
- Двигатель / накопленная энергия работает
- Электромагнитный привод
- По виду тока:
- Переменный ток
- Постоянный ток
- По заявке:
- Система передачи
- Распределение
- По назначению
- Изолирующие выключатели ( разъединители )
- Выключатели нагрузки. [13] [14]
- Заземляющие (заземляющие) выключатели
Единый ряд может включать несколько различных типов устройств, например, шину с воздушной изоляцией, вакуумные выключатели и переключатели с ручным управлением, все они могут находиться в одном ряду ячеек.
Номинальные характеристики, конструкция, технические характеристики и детали распределительного устройства определяются множеством стандартов. В Северной Америке используются в основном стандарты IEEE и ANSI , в большей части остального мира используются стандарты IEC , иногда с местными национальными производными или вариациями.
Безопасность [ править ]
Чтобы обеспечить безопасную последовательность операций распределительного устройства, блокировка с защелкивающимся ключом обеспечивает заранее определенные сценарии работы. Например, если только один из двух источников питания может быть подключен в данный момент времени, схема блокировки может требовать, чтобы первый переключатель был разомкнут, чтобы отпустить ключ, который позволит замкнуть второй переключатель. Возможны сложные схемы.
Внутреннее распределительное устройство также может быть испытано на предмет сдерживания внутренней дуги (например, IEC 62271-200). Это испытание важно для безопасности пользователя, так как современные распределительные устройства способны коммутировать большие токи. [15]
Распределительное устройство часто проверяется с помощью тепловизора для оценки состояния системы и прогнозирования отказов до их возникновения. Другие методы включают тестирование частичного разряда (ЧР) с использованием стационарных или переносных тестеров и тестирование акустической эмиссии с использованием преобразователей, устанавливаемых на поверхность (для нефтяного оборудования) или ультразвуковых детекторов, используемых в открытых распределительных устройствах. Датчики температуры, прикрепленные к кабелям к распределительному устройству, могут постоянно отслеживать повышение температуры. Оборудование SF 6 неизменно оснащается сигнализацией и блокировками, чтобы предупредить о потере давления и предотвратить срабатывание, если давление упадет слишком низко.
Повышение осведомленности об опасностях, связанных с высоким уровнем неисправностей, привело к тому, что сетевые операторы указали операции с закрытой дверью для заземляющих выключателей и автоматических выключателей. Многие европейские энергетические компании запретили операторам пользоваться коммутаторами во время работы. Доступны системы удаленного стеллажа , которые позволяют оператору устанавливать распределительное устройство в стойку из удаленного места без необходимости носить защитный костюм от дугового разряда. Системы коммутационного оборудования требуют постоянного обслуживания и ремонта, чтобы оставаться безопасными в использовании и полностью оптимизированными для работы с такими высокими напряжениями. [16]
См. Также [ править ]
- Дуговая вспышка
- Автоматический выключатель
- Разъединитель
- Электрическая безопасность
- Электрическая дуга
- Высокое напряжение
- Система удаленных стеллажей
- Короткое замыкание
Ссылки [ править ]
- ^ Британский образец GB 20069 Усовершенствования в аппарате для управления приложением или использованием электрических токов высокого напряжения и большого количества в 1893 году , на espacenet.com
- ^ Лин Джиминг и др., Переходные характеристики выключателей 1100 кВ , Международный симпозиум по международным стандартам сверхвысокого напряжения , Пекин, июль 2007 г.
- ^ « » Мировой распределительное рынок ожидается, достигнет $ 152.5bn 2029" , говорится в докладе Visiongain» . Visiongain . 2019-09-05 . Проверено 6 сентября 2019 .
- ^ (Немецкий) Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft (ed) AEG Hilfsbuch für elektrische Licht- und Kraftanlagen 6th Ed. , В. Жирарде, Эссен, 1953 г.
- ^ «Что такое распределительное устройство? | Характеристики, компоненты и классификация» . StudyElectrical.Com . 2015-07-19 . Проверено 1 февраля 2019 .
- ^ «Швейцария: АББ открывает новые горизонты с помощью экологически безопасного высоковольтного выключателя» . Проверено 9 июля 2013 года .
- ↑ Роберт Монро Блэк (январь 1983 г.). История электрических проводов и кабелей . ИЭПП. С. 101–. ISBN 978-0-86341-001-7.
- ^ Роберт В. Смитон (редактор) Распределительное устройство и руководство по управлению 3-е изд. , McGraw Hill, New York 1997 ISBN 0-07-058451-6
- ^ IEEE Std C37.20.2-1999. Стандарт IEEE для распределительных устройств в металлической оболочке.
- ^ IEEE Std C37.100-1992. Стандартные определения IEEE для распределительного устройства питания.
- ^ "Металлические против Металлических закрытых" . ПОРТАЛ ЭЛЕКТРОТЕХНИКОВ И МАСТЕР-ЭЛЕКТРИКОВ. 4 ноября 2008 . Проверено 28 июня, 2016 .
- ^ Стандарт IEC EN 60439 часть 1, таблица 6A
- ^ (на французском языке) Norme CEI 60265-1 Прерыватели для напряжения, назначенного выше на 1 кВ и ниже на 52 кВ. Архивировано 30 сентября 2007 г., на Wayback Machine.
- ^ (на французском языке) Norme CEI 60265-2 Прерыватели для верхнего назначенного напряжения до 52 кВ [ мертвое звено ]
- ^ https://www.energy.siemens.com/cms/00000013/aune/Documents/Medium%20Voltage%20Arc%20Fault%20Containment.pdf Архивировано 18 марта 2009 г., в Wayback Machine
- ^ «Системы и услуги распределительного устройства» . johnsonphillips.co.uk . Проверено 15 мая 2018 .
Внешние ссылки [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы по теме распределительного устройства . |
- Основные функции распределительного устройства низкого напряжения
