Распределительное устройство среднего напряжения представляет собой скоординированную систему коммутационных устройств, защитных реле, контрольно-измерительного оборудования, измерительных приборов, изоляционных систем и конструктивных корпусов, предназначенных для приема, распределения и изоляции электроэнергии в диапазоне средних напряжений — в целом от 1 кВ до 52 кВ. Это не просто металлический шкаф; это система защиты и распределения, в которой каждый отсек, блокировка и шинное соединение выполняют определенную электрическую функцию и функцию безопасности. Понимание этих функций является первым шагом к выбору правильного семейства шкафов для подстанции, промышленного предприятия или проекта расширения сети.
Распределительное устройство среднего напряжения располагается между высоковольтной передающей сетью и низковольтной сетью потребления. Со стороны источника питания оно подключает входящие кабели или вторичные обмотки трансформаторов к напряжениям, выраженным в номинальных классах, таких как 12 кВ, 24 кВ или 40.5 кВ. Со стороны нагрузки оно питает распределительные трансформаторы, крупные электродвигатели, конденсаторные батареи или субфидеры. Если выбранное функциональное устройство включает в себя автоматический выключатель и схему защиты, оно может прерывать требуемый ток короткого замыкания; другие устройства могут обеспечивать изоляцию, переключение нагрузки, учет или кабельные интерфейсы. Окончательная конфигурация должна соответствовать размерам помещения подстанции и задачам эксплуатации проекта.
Низковольтные распределительные устройства и щиты управления работают при напряжении ниже 1 кВ и соответствуют другим стандартам и требованиям к корпусам. Хотя как низковольтные, так и средневольтные шкафы представлены в одном ассортименте продукции ( полный обзор распределительных шкафов охватывает оба типа), принципы защиты, координация изоляции и последствия возникновения дугового разряда существенно различаются в зависимости от уровня напряжения. В данной статье основное внимание уделяется средневольтным устройствам.
Грамотно спроектированный шкаф среднего напряжения объединяет пять функциональных зон, каждая из которых выполняет свою отдельную роль.
Основной отсек цепи. В этой зоне размещается главное коммутирующее устройство — вакуумный выключатель, выключатель SF₆ или переключатель нагрузки — вместе с его первичными клеммами, трансформаторами тока (ТТ) и трансформаторами напряжения (ТН). Коммутирующее устройство должно соответствовать номинальному напряжению системы, номинальному непрерывному току и отключающей способности при коротком замыкании. Эти параметры зависят от конкретного проекта; универсального значения для данного устройства не существует.
Отсек для шин. Горизонтальные или вертикальные шины передают ток между соседними отсеками. Обычно шины изготавливаются из неизолированной меди или алюминия и рассчитаны на непрерывный тепловой ток и пиковую механическую нагрузку, возникающую при коротком замыкании. Разделение шин от зоны выключателя ограничивает распространение дугового замыкания.
Отсек для оконечной заделки кабелей. Входящие или исходящие кабели входят через основание или заднюю часть этой зоны и подключаются к основной цепи с помощью конусных или штекерных клемм. Распределение пространства зависит от типа кабеля, количества жил, радиуса изгиба и от того, используются ли угловые соединители.
Отсек защиты, управления и учета. Расположенный на безопасной высоте для доступа оператора, этот отсек содержит цифровое защитное реле, переключатели управления, индикаторные приборы и вспомогательные клеммные колодки. Реле передает сигналы на уровень автоматизации подстанции по протоколу IEC 61850 или по устаревшим проводным каналам. Вторичная проводка трансформаторов тока и напряжения проходит через экранированные каналы в этот отсек.
Блокировка и доступ для обслуживания. Механические и электрические блокировки могут предотвратить установку или извлечение выдвижного выключателя из небезопасного положения, ограничить доступ к находящимся под напряжением кабельным отсекам и блокировать конфликтующие операции заземляющих выключателей. Точная последовательность блокировки зависит от конструкции шкафа и утвержденной процедуры на объекте. Безопасный доступ для обслуживания выключателей или проверки кабельных наконечников зависит от исправности этих блокировок и их правильной настройки в соответствии с последовательностью переключения, специфичной для данного проекта.
Для получения подробной информации об отдельных компонентах, входящих в состав этих отсеков — трансформаторах тока, трансформаторах напряжения, ограничителях перенапряжения, реле и кабельных разъемах — в разделе «Компоненты распределительных устройств» приведены подробные технические характеристики для каждого семейства устройств.
Четыре основных типа строительных конструкций отвечают различным требованиям площадки и сети. Выбор между ними зависит от топологии сети, доступной площади застройки, доступа для технического обслуживания и условий теплоизоляции — это не универсальный рейтинг одного типа выше другого.
KYN28 — это семейство распределительных шкафов с металлическим корпусом для внутреннего использования, в которых автоматический выключатель обычно устанавливается на выдвижном механизме. Металлические перегородки разделяют отсеки шин, выключателя и кабеля. Механизм выдвижения позволяет перемещать выключатель в положение для испытаний или полностью извлекать его для технического обслуживания, в то время как соседние фидеры остаются в эксплуатации, в зависимости от выбранной конструкции и утвержденной процедуры. Такая конструкция подходит для основных подстанций и крупных промышленных установок, где приоритетными являются изоляция отдельных фидеров и заданные показатели устойчивости к внутренним дуговым разрядам. Подтвердите применимую классификацию устойчивости к внутренним дуговым разрядам в документации к выбранному шкафу. На странице, посвященной распределительным устройствам KYN28 с металлическим корпусом, подробно описаны доступные варианты номинального напряжения, тока и отключающей способности для этого семейства.
Блок кольцевой распределительной сети представляет собой компактную сборку, предназначенную для кольцевых распределительных сетей вторичного типа. Он может сочетать в себе функции кольцевого коммутатора и защиты в газонаполненном или твердоизолированном корпусе; последовательность модулей и метод защиты различаются в зависимости от конструкции. Компактные размеры позволяют использовать его в киосках, компактных подстанциях или других ограниченных по площади установках вторичного распределения, если это позволяют выбранная конструкция и номинальные характеристики монтажа. Ассортимент блоков кольцевой распределительной сети включает в себя множество вариантов. Герметичная конструкция изменяет профиль технического обслуживания, но выбранное оборудование по-прежнему требует проведения соответствующих проверок и функциональных испытаний.
В шкафах серии XGN используются стационарные коммутационные или защитные устройства, выбранные в соответствии с конкретными задачами проекта. Отсутствие выдвижного грузовика может уменьшить глубину шкафа и изменить подход к техническому обслуживанию. Фактические границы зоны простоя, способ доступа, разделение на отсеки и конфигурация защиты должны быть подтверждены проектом шкафа и однолинейной схемой, а не выведены из названия семейства XGN. Стационарная конструкция подходит для проектов, где это позволяет план эксплуатации и план простоя, и где не требуется выдвижное устройство для каждого фидера.
Газоизолированные распределительные устройства (ГИРУ) используют герметичный заземленный корпус и изоляционный материал, подобранный в соответствии с выбранной конструкцией. Такая конструкция позволяет уменьшить объем воздушного зазора по сравнению с эквивалентной воздухоизолированной системой. ГИРУ могут рассматриваться в случаях, когда пространство внутри помещения ограничено, или когда экологические и эксплуатационные требования отдают предпочтение герметичной конструкции. Точный изоляционный материал, потребности в мониторинге газов, система сброса давления и требования к техническому обслуживанию зависят от модели и проекта. ГИРУ не исключает необходимости технического обслуживания.
Международный стандарт IEC 62271-200 , регулирующий использование распределительных устройств среднего напряжения с номинальным напряжением выше 1 кВ и до 52 кВ, определяет критерии классификации — металлическая оболочка против металлического корпуса, доступные против недоступных отсеков, категории потери целостности цепи и уровни классификации внутренней дуги — которые лежат в основе всех четырех описанных выше семейств.
| Семья Кабинета | Типичный класс напряжения | Конфигурация цепи | Относительный экологический след | Режим доступа для технического обслуживания | Предпочтительный контекст проекта |
|---|---|---|---|---|---|
| KYN28 Металлоплакированный | Подтвердите выбранную серию | Обычно на каждый отсек приходится выдвижной автоматический выключатель. | Средняя | Специализированные позиции для тестирования, изоляции и обслуживания. | Первичная подстанция или большое промышленное помещение среднего напряжения |
| Кольцо Основной блок | Подтвердите выбранную серию | Последовательность модулей задается режимом работы сети. | Компактный | Герметичный план технического обслуживания строительной площадки или план отключения участка | Распределительная кольцевая сеть или компактная подстанция |
| XGN фиксированного типа | Подтвердите выбранную серию | Стационарное коммутационное или защитное устройство | Уменьшенная глубина | План планового останова и доступа, разработанный с учетом особенностей конкретного проекта. | Промышленное помещение среднего напряжения с соответствующим планом эксплуатации. |
| ГИС | Подтвердите выбранную серию | Функциональные блоки, разработанные с учетом особенностей конструкции | Компактная герметичная конструкция | Выбранные методы мониторинга и функциональных проверок. | Ограниченные условия внутри помещения или специфические условия проекта. |
Все параметры являются специфичными для конкретной модели и проекта. Подтверждение применимости значений для каждой установки должно осуществляться на основе инженерного проектирования.
В таблице указан контекст проекта, а не рейтинг производительности. Компактный распределительный щит в кольцевой сети не означает худшей защиты по сравнению с KYN28 на основной подстанции; каждый из них оптимизирован для своей рабочей среды.
Перед выпуском спецификации или началом закупок проектной группе, как правило, необходимо решить ряд нерешенных вопросов. В таблице ниже показано соответствие распространенных неопределенностей рекомендуемому этапу диагностики.
| Симптом или открытый вопрос | Первый тест или подтверждение | Вероятная причина | Дальнейшие действия |
|—|—|—|
| Класс напряжения не подтвержден | Проверьте данные вторичной обмотки трансформатора и информацию о подключении к сети | Данные системы неполные | Получите утвержденное соглашение о подключении или данные с паспортной таблички трансформатора |
| Уровень повреждения не определен | Проверьте, утверждено ли исследование короткого замыкания | Исследование сети не завершено | Получите исследование уровня повреждения проекта, прежде чем выбирать режим отключения |
| Не определен тип установки: внутри или снаружи помещения | Проверьте планировку здания и условия установки | Проект помещения или участка еще не утвержден | Подтвердите размеры помещения, вентиляцию и требования к ограждению |
| Количество фидеров не определено | Проверьте утвержденный список загрузки и однолинейную схему | График загрузки неполный | Завершите составление графика загрузки и принятие решения о кольцевой/радиальной топологии |
| Неясна интеграция защитного реле | Проверьте архитектуру автоматизации и схему управления | Интерфейс реле не определен | Подтвердите соответствие стандарту IEC 61850, проводное подключение или схему реле, специфичную для проекта |
| Действуют ограничения по изоляционным материалам | Проверьте применимые требования проекта и местные правила | Предпочтения регулирующих органов или заказчика не подтверждены | Проверьте требования и оцените разрешенные варианты строительства |
Распределительные устройства среднего напряжения, как правило, охватывают диапазон от 1 кВ до 52 кВ, при этом наиболее распространенными классами распределительных сетей являются 12 кВ и 40.5 кВ. Точные границы варьируются в зависимости от региональной практики управления сетью и определения энергоснабжающей компании. Высоковольтное передающее оборудование начинается выше 52 кВ и соответствует другим стандартам проектирования и испытаний. Низковольтные распределительные устройства — ниже 1 кВ — используют другие подходы к координации изоляции и управлению дуговыми замыканиями и классифицируются отдельно в рамках собственной серии стандартов IEC.
Стандарт IEC 62271-200 различает устройства с металлическим корпусом и устройства в металлическом кожухе по степени металлической компартментализации. В устройствах с металлическим корпусом между всеми основными первичными отсеками — шиной, выключателем и кабелем — предусмотрены заземленные металлические барьеры, благодаря чему внутренняя дуга в одной зоне не может распространяться непосредственно в соседний отсек. В устройствах в металлическом кожухе предусмотрен сплошной внешний металлический корпус, но не обязательно наличие межотсековых барьеров между всеми первичными зонами. Классификация влияет на категорию последствий дугового замыкания и правила доступа к каждому отсеку во время работы.
Некоторые конструкции распределительных устройств (RMU) и КРУЭ имеют класс защиты, позволяющий устанавливать их на открытом воздухе, с соответствующими классами защиты IP и коррозионностойким покрытием. Для внутренних работ с использованием металлических корпусов, таких как KYN28, требуется защищенное от атмосферных воздействий помещение. Условия установки — диапазон температур, влажность, высота над уровнем моря, сейсмическая зона и уровень загрязнения — должны быть указаны в проектной документации, чтобы можно было подтвердить правильный класс защиты корпуса и соответствие изоляции для конкретного объекта.
В выдвижном узле автоматический выключатель установлен на тележке, которая перемещается между рабочим положением, положением для проверки и полностью выдвинутым положением, в то время как соседние питающие линии остаются под напряжением. Это позволяет проводить техническое обслуживание или замену выключателя без отключения участка. Стационарный выключатель крепится болтами; для его отключения на время технического обслуживания необходимо обесточить соответствующий участок шины. Выбор между двумя вариантами влияет на принцип работы в случае отключения, график технического обслуживания, общую глубину шкафа и себестоимость единицы продукции.
Полная спецификация должна содержать: номинальное напряжение и уровень изоляции, подтвержденный уровень короткого замыкания (пиковый и симметричный ток отключения), номинальный непрерывный ток на фидер, количество и тип фидерных отсеков, схему защиты и управления, включая тип реле и протокол связи, данные об условиях установки (внутри или снаружи помещения, высота над уровнем моря, температура окружающей среды, категория загрязнения), применимые стандарты, включая любые требования к классификации внутренней дуги, а также любые ограничения, связанные с фторсодержащими газами или изоляционными средами. Неполные данные приводят к занижению или завышению требований к оборудованию. Приведенный ниже список необходимых данных для запроса коммерческого предложения объединяет минимальный набор данных.
Предоставление полной технической информации при запросе коммерческого предложения сокращает циклы внесения изменений и позволяет избежать повторного уточнения технических характеристик оборудования после размещения заказа.
Системные данные
– Номинальное напряжение системы (кВ) и класс номинального напряжения согласно IEC 62271-200
– Системная частота (Гц)
– Схема заземления (сплошное заземление, резистивное заземление или изолированная нейтраль)
– Подтверждены трехфазный симметричный ток короткого замыкания (кА среднеквадратичного значения) и пиковый ток (кА).
– Продолжительность неисправности для теплового режима (в секундах)
Данные шкафа и фидера
– Количество входящих, шинных и исходящих фидерных участков
– Номинальный непрерывный ток на фидер (А)
– Тип кабеля, номинальное напряжение и количество жил на фидер.
– Номинальный непрерывный ток шины (А)
– Предпочтение выключателя с длительным или фиксированным временем отключения, с обоснованием.
Защита и контроль
– Функциональные требования к реле защиты (от перегрузки по току, дифференциальной защиты, дистанционной защиты или по схеме, специфичной для проекта)
– Протокол связи (IEC 61850, версия 1 или 2, Modbus, DNP3 или проводное соединение)
– Требования к дистанционной индикации и интерфейсу SCADA
– Класс точности учета (только учет электроэнергии, тарифы или индикация)
Установка и окружающая среда
– Для установки внутри или снаружи помещения; если внутри, укажите размеры помещения подстанции и тип вентиляции.
– Высота над уровнем моря (м)
– Максимальная и минимальная температура окружающей среды (°C)
– Уровень влажности и категория загрязнения согласно IEC 60721
– Сейсмическая зона или требуемый спектр отклика, если применимо.
Проект и нормативное регулирование
– Применимые национальные или региональные стандарты в дополнение к IEC.
– Требования к классификации внутренних дуговых разрядов и категории доступности согласно IEC 62271-200
– Применимые правила регулирования фторсодержащих газов и предпочтительный изоляционный материал (SF₆, смесь фторонитрила, твердая изоляция или вакуум/воздух)
– Требуемый срок службы и ожидаемые интервалы технического обслуживания.
– Габаритные ограничения (максимальная высота шкафа, глубина или общая длина ряда)
